CN1043646A - 冲压薄板材料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在冲床上用弹性材料做成的垫冲压薄板，尤其是金属薄板的方法包括：将一薄板毛坯放置在一支承物上，该支承物的外周部形成下夹持器，而其中部构成一冲模，在外滑块作用下将一上夹持器压在毛坯外周部上，再在压头作用下将冲头施加在毛坯上，其中在第一步骤期间，通过压头将一构成可变形冲头的弹性垫压在毛坯上使其预变形，形成一表面积，它大致等于要获得的成品零件的表面积，在第二步骤期间，弹性垫继续下降，并同时移动整个或者部分冲模底面以便产生零件的最终形状。

Description

本发明涉及柱塞下方具有可变形凸模冲头的、冲压薄板材料，尤其是大尺寸的特别薄的薄板金属毛坯的方法和装置，所述薄板金属毛坯可用于例如汽车工业并且（或者）具有复杂的形状。

冲压大尺寸、形状复杂的零件通常采用双动冲压。这类机器主要包括一个安装冲模的固定工作台，以及两个独立的滑块;一个装有毛坯夹持器的外滑块，还有一个装有冲头的中心滑块，中心滑块又叫做压头。首先，外滑块和毛坯夹持器下降，夹紧薄板毛坯，然后冲头在中心滑块作用下迅速下降，与薄板毛坯接触，在冲压阶段冲头继续下降，最后，中心滑块和外滑块几乎在同时上升。

这种传统的方法不能冲压特别薄的薄板，例如厚度小于0.45mm的薄板，因为刚性的冲模和冲头以及用毛坯夹持器夹紧均会造成薄板的不均匀变形。这种变形在一些范围内会导致薄板伸长，考虑到此薄板的初始厚度就小，所以伸长就造成过薄。所述变形还会在其他范围内导致收缩，使薄板毛坯变厚，产生起皱变形。

另外，对于具有高弹性极限的钢来说，为了避免在毛坯夹持器下产生起皱变形，这种传统的冲压方法需要由冲头对薄板毛坯施加很高的压力，而大多数机器无法提供这么高的压力。

还知道一种叫做“格林法”（the    Guerin    method）的冲压方法，它将薄板放置在一个弹性体上，然后在一个冲头作用下成形。冲头被强迫进入构成冲模的弹性体中，而后者推动薄板毛坯紧靠冲头。因此弹性体起着冲模的作用。这种方法的主要缺点是能量消耗大，而且不能避免起皱变形。事实上，在靠近弹性体上表面时由于弹性体变形而产生的压力梯度会减小，在制造带角形状时更是如此，其结果是薄板毛坯的周边不能被充分夹紧。

还知道另一种成形方法，它使用一种压力流体，以便制成例如半球形如（或）回转形的简单形状。然而，这种方法只能用于具有回转形或者说轴对称形的零件。

从法国专利FR-A-2，564，339以及FR-A-2，590，814中可以知道一种使用弹性垫的冲压法。在这种方法中，应成形的薄板毛坯被放置在一个弹性垫上，装有一个坯料夹持器的外滑块施力于薄板毛坯的周界部分，从而造成弹性体的质量流动，并使薄板毛坯的中间部分变形，结果在预成形步骤末尾在该处产生一个表面面积，它大体上等于要获得的完工零件的表面面积，然后，一个冲头在中心滑块作用下施力于薄板毛坯的中间部分，以便最终成形这个零件。

然而此方法会产生应力。这可以通过根据本发明的方法，以一种有独创性的方式得到克服。

实际上，在弹性垫回复到平衡状态时，也就是说在柱塞和毛坯夹持器升高时，会产生一种所述弹性垫对于已成形零件的负压效应，它能导致该零件毁坏，对于大尺寸零件来说更是如此。还须注意，弹性垫回复到原始状态是从中心开始，沿着朝向周界的方向进行的，这又加剧了负压效应。

从美国专利2，859，719还知道一种冲压方法，它同时使用弹性体冲压和在流体压力下的冲压。一个弹性体被安置在薄板毛坯的顶部，以此弹性体为基础的元件不仅由弹性体质量构成，而且还包括一个可用流体膨胀的囊状物，这使它类似于液压成形法。此外，这种方法没有预成形步骤，在所述步骤中，预成形后的薄板毛坯形成一个表面面积，它大体等于被制造的完工零件的表面面积。

本发明的目的在于：提供一种新颖的方法，它能保持高效率，弹性材料垫的使用寿命长，在此同时能获得大面积、中等深度的冲压零件，例如汽车零件，这类零件的中部实际上不是回转形，而是呈现不能展开的复杂形状，并且不存在负压问题，它的其他优点将在下文中介绍。

因此本发明提供一种在冲床上用一个弹性材料做成的垫来冲压薄板材料，尤其是金属薄板的方法。这种方法包括：将一个被成形的薄板毛坯放置在一个支承物上，该支承物的周界部分形成一个下毛坯夹持器，而其中间部分构成一个冲模，在一个外滑块作用下将一个上毛坯夹持器施加在薄板毛坯的周界部分上，然后再在压头作用下将一个冲头施加在毛坯上;所述方法进一步包括：在第一步骤期间，在压头作用下，将一个构成可变形冲头的弹性垫施加在薄板毛坯上，以便引起此毛坯的预变形，并且形成一个表面面积，此面积大致等于要获得的成品零件的表面面积;然后在第二步骤期间，在压头作用下，弹性垫继续下降，并同时移动整个或者部分冲模底面，以便产生零件的最终形状。

本发明的另一个特征在于：毛坯上周界夹持器作用于薄板毛坯期间，薄板毛坯边缘部分的定位区域被折弯。

本发明还提供一种冲压薄板材料，尤其是薄板金属毛坯的装置，这种装置包括：一个由弹性材料制成的垫;一个用于被成形薄板毛坯的支承物，此支承物的周界部分构成一个下毛坯夹持器，而其中间部分构成一个冲模;用于薄板毛坯预成形的装置，它含有一个装有上毛坯夹持器的外滑块;以及用于薄板毛坯最终成形的装置，它包含一个作用在冲头上的压头。其中，由弹性材料组成的垫安置在薄板毛坯的顶部，并与可垂直运动的冲头相连。

本发明的其他特征为：

弹性垫具有恒定的体积，并由装在一个外壳中的可变形、不可压缩的材料构成;

冲模具有一个固定部分以及一个可垂直运动的芯子，芯子与控制其位移的装置配合工作，以便获得零件的最终形状;

冲模包括一个固定芯子以及一个可垂直运动的部分，该部分与控制其位移的装置配合工作，以便获得零件的最终形状;

整个冲模可垂直运动，并与控制其位移的装置配合工作，以便获得零件的最终形状。

下面结合附图进行解释，以便对本发明有更好的了解，附图所示的只是本发明的实施例，其中：

图1是组成本发明冲压装置的各元件的透视分解图;

图2是其冲模的透视简图，画出了冲压前薄板毛坯在该冲模上的位置;

图3至6是在成形一个零件的逐个步骤中沿图1的3-3线得出的剖面简图;

图7是根据本发明的冲压装置的第一种变形的透视分解图;

图8至10是在成形一个零件的逐个步骤中沿图7的8-8线得出的剖面简图;

图11是根据本发明的冲压装置的第二种变形的剖面图;

图12是根据本发明的冲压装置的第三种变形的剖面图;

图13是一张曲线图，画出了根据本发明的装置在预成形及成形零件期间的一个循环。

图1所示的冲压装置包括一个底座1，底座1的中间部分构成冲模3所用的一个凹槽，此凹槽可以与底座1做成一体，并在其上部包括一个与所获完工零件轮廓相符的冲模腔或者说模槽。

底座1一方面包括一个构成毛坯夹持器2的内部，此内部位于一个高于冲模3模槽的水平面上;另一方面包括一个构成区域2a的上部，所述区域2a用来使薄板毛坯20的边缘部分折弯。

此外，冲模3包括一个腔4，芯子5可从腔4中穿过并在其中滑动，芯子的上表面使产生完工零件轮廓的冲模3的模槽得以完整。

根据图1所示的第一个最佳实施例，芯子5是可移动的，它与控制其移动的装置6配合工作，装置6可以是一个多片制动器、一个弹簧、一个支撑物或者任何其他适用的系统。

此冲压装置还包括一个壳体7，壳体7位于底座1上方，它的下部构成上毛坯边缘夹持器9。

上毛坯边缘夹持器9的外侧尺寸小于底座1上所用的相关尺寸，使所述上毛坯边缘夹持器9能进入所述底座，并达到下面的毛坯夹持器2处。

壳体7包括一个深槽10，冲头11就伸入其中。冲头11包括一个弹性垫12，它由一种弹性材料制成，上部有一块板13。此外，壳体7的周界上还设置着两个相互叠合的法兰盘14和15。

第一法兰盘14上装有多个支承物16，这些支承物的杆分别从第二法兰盘15的相应套17中穿过，并与冲头11的板13配合，从而构成一个系统，此系统在成形步骤末尾能使冲头升高并可能控制夹持器施加在毛坯上的压力。

薄板毛坯20的限定区域内具有多个切除部分，这些切除部分构成角状物20a，当此毛坯在底座1的上表面上定位时，角状物20a对准用来折弯毛坯边缘部分的预定区域2a，如图2所示。因此，在与底座1上部的2a区域相应的薄板毛坯周界边缘部分的限定区域内就能完成此边缘部分的折弯，这一点将在下文中作出介绍。

薄板毛坯20的成形方法如下：

首先，将薄板毛坯20放置在底座1的上表面，此时毛坯20只是由角状物20a支撑在区域2a上（见图3）。芯子5从冲模3的模槽上方伸出，而用于控制芯子位移的装置6由一个适用的装置（未画出）锁紧。

在第一步骤中，装有壳体7的冲床外滑块21（见图4，壳体7用法兰盘15固定）逐渐下降，于是上毛坯夹持器9使被弯薄板毛坯的边缘部分产生折弯，折弯区域位于薄板毛坯20紧靠区域2a处。

所述薄板毛坯20的周界部分定位区域，在与本发明不同的条件下会产生强烈的收缩，而在本发明第一步骤期间，它被保持在预定区域2a以及毛坯夹持器9之间，以便使薄板毛坯边缘部分在这些区域中产生折弯，因此能保持住这些会收缩的金属。

然后，冲床的压头22与冲头11的板13接触，使弹性垫12下降，弹性垫12的工作表面与薄板毛坯20接触。

在这一下降过程中，由于芯子5处于伸出状态，弹性垫12被压缩，在这种压缩动作的作用下，薄板毛坯20变形，于是导致此毛坯的预成形，造成一个表面面积，此面积大体等于所获完工零件的表面面积。

图6所示为该零件的最终成形步骤，压头22下降到其下方位置，借助于弹性垫12，使已在下降第一阶段中预成形的零件产生最终成形。

在中心压头22和冲头11下降的同时，装置6松开，于是可动芯子5缩回，以便释放已生成的薄板表面，这是零件最终成形所必须的。

由弹性垫12引起的薄板毛坯20顶紧冲模3的压应力，在所述弹性垫的作用下，转变成施加在此薄板毛坯整个表面上的拉应力，从而导致此毛坯朝可提供空间的地方位移。

在弹性垫下降期间，也就是说在预成形和成形步骤中，薄板毛坯20的边缘部分被夹持着，由于这些边缘部分在下毛坯夹持器2和上毛坯夹持器9之间滑动，在定位区域2a中的毛坯折弯边缘的高度减小了。

而且，在这些步骤的过程中，冲头11的板13压迫支承物16，对于上毛坯夹持器9施加在薄板毛坯20周界边缘部分上的力来说，这也起着调节作用。

在释放已成形零件的步骤中，首先进行的是提升压头22，释放冲头11，在支承物16的作用下，冲头11上升，弹性垫12也随之上升。弹性垫12沿着从周界到中心的方向离开已成形零件，于是空气进入已成形零件与弹性垫外表面之间，避免了负压效应。

然后，外滑块21上升，壳体7也随之上升，并最后释放开已成形零件，此零件可能具有如同图1所示的形状。

根据图7至10所述的本发明的一种变形，装有冲模3的底座1可在垂直方向运动，并因此而支承在一块底板30上，所述底板30与装置31配合工作，以便控制底座的位移，所述装置31可由一个多片制动器、一个弹簧、一个支承物或者任何其他适用的系统构成。

在上述变形中，冲模3包括一个腔4，一个芯子32伸入腔4之中，芯子的上表面构成冲模3的用于产生完工零件的模槽，在这一变形中，芯子32是固定的。

在外滑块21作用下的下降以及壳体7施加的力的控制，是通过弹簧33实现的，那述弹簧33由插在外滑块21和壳体7之间的多个柱状物34进行导向。

薄板毛坯在定位区域中的周界边缘部分的折弯（图8）以及此毛坯的预成形（图9）操作均与上文实施例所述相同，上毛坯夹持器9和冲头11相继下降，而控制底座1位移的装置此时是锁紧的。

而在另一方面，与成形操作（图10）同时，用于控制底座1位移的装置31被松开，以便随着在成形操作期间冲模3的下降，释放此薄板的已生成表面。

在图11所示的第二种变形中，底座1是固定的，整个冲模3都可垂直运动。冲模3与用来控制其位移的装置31配合工作，所述装置31可由一个多片制动器、一个弹簧、一个支承物或者任何其他适用的系统构成。零件的成形方法与第一种变形相同。

在图12所示的又一种变形中，冲压装置包括用来吸收弹性垫12过量体积的装置，所述过量体积是相对于由所获完工零件的表面面积决定的体积而言的。实际上，在预定形步骤期间，弹性垫12的下降使薄板毛坯的中间部分变形，并在预成形步骤的末尾，给定一个与所获完工零件的表面面积大致相等的表面面积。为了此薄板毛坯的最终成形，弹性垫12继续下降，导致弹性垫内压力增加，并且由于所生产零件的不同，有可能导致在预成形步骤和最终成形步骤之间弹性垫的体积不同。

为此，冲头11（见图12）包括一个上部11a和一个下部11b，在它们之间插入多个弹簧40或者其他任何类似系统，在压力超过一个固定值时这些弹簧压缩，以便吸收弹性垫的过量体积。

用来吸收弹性垫过量体积的装置也可安排在此弹性垫附近，例如在壳体7的侧壁中。

在图13所示的曲线中，曲线Ⅰ表示外滑块21的循环，而曲线Ⅱ表示压头22的循环。外滑块21的动作距离为A，而压头22的动作距离为B。

在这张Ⅰ、Ⅱ循环均得到表达的曲线图中，C表示薄板毛坯在定位区域中的边缘部分被折弯，D表示薄板毛坯周界边缘部分被夹紧，E表示预成形操作，而F表示零件的最终成形操作。

在定位区域中边缘部分的折弯以及弹性垫的使用，这两种方法的结合使获得复杂的、不可展开的薄壁零件成为可能，并且变形功率较小。

弹性垫具有一个不变的体积，它可以用可变形、不可压缩的材料制成，所述材料可放置在一个外壳之中。这种材料可以是一种合成橡胶或者其他任何适合此条件的产品。

虽然上面所作的介绍是关于薄板毛坯，也就是说薄的、通常为金属的板料成形，但是应该理解，根据本发明的这种方法的范围决不受这种应用限制。根据本发明的方法可以应用于薄板或者塑性良好的板料。

因此，在上述介绍中必须给予术语“薄板”普遍的薄板材料的含意，而不应把本发明的范围限制在金属产品的范围内。

本发明方法和装置的优点在于：应用一种特定的双动冲压，因此与法国专利FR-A-2，564，339以及FR-A-2，590，814中披露的弹性垫冲压法相比较，有可能增加所冲压成品零件的尺寸范围。

还应提到的是，与上面所说的方法相比，弹性垫的体积较小。

还有，与在传统冲压中所见到的相比，完工零件的立体外观相近;并且不需要改变设备，就能使连续操作机械化。

Claims (11)

1、在冲床上用一个弹性材料做成的垫来冲压薄板材料，尤其是金属薄板的方法，所述方法包括：将一个被成形的薄板毛坯放置在一个支承物上，该支承物的周界部分形成一个下毛坯夹持器，而其中间部分构成一个冲模，在一个外滑块作用下将一个上毛坯夹持器施加在薄板毛坯的周界部分上，然后再在压头作用下将一个冲头施加在毛坯上；所述方法进一步包括：在第一步骤期间，在压头作用下，将一个构成可变形冲头的弹性垫施加在薄板毛坯上，以便引起此毛坯的预变形，并且形成一个表面面积，此面积大致等于要获得的成品零件的表面面积；然后在第二步骤期间，在压头作用下，弹性垫继续下降，并同时移动整个或者部分冲模底面，以便产生零件的最终形状。

2、根据权利要求1所述的方法，包括：在薄板毛坯受上毛坯夹持器作用期间，在定位区域中使此薄板毛坯边缘部分折弯。

3、用于冲压薄板材料毛坯，尤其是金属薄板的一种装置，包括：一个用弹性材料制成的垫;一个用于被成形薄板毛坯的支承物，该支承物的周界部分形成一个下毛坯夹持器，其中间部分构成一个冲模;用于薄板毛坯预成形的装置，它包含一个装有上毛坯夹持器的外滑块;一个用于薄板毛坯最终成形的装置，它包含一个作用在冲头上的压头;其中所述弹性材料垫被安置在薄板毛坯的顶部，并与可垂直运动的冲头相连结。

4、根据权利要求3所述的一种装置，其中所述弹性垫具有恒定的体积，并由装在一个外壳内的一种可变形、不可压缩的材料构成。

5、根据权利要求3所述的一种装置，其中所述冲模包括一个固定部分以及一个可垂直运动的芯子，所述芯子与用来控制其位移的装置配合工作，以完成零件的最终成形。

6、根据权利要求3所述的一种装置，其中所述冲模包括一个固定芯子以及一个可垂直运动的部分，所述可运动部分与用来控制其位移的装置配合工作，以完成零件的最终成形。

7、根据权利要求3所述的一种装置，其中整个所述冲模可垂直运动，并与用来控制其位移的装置配合工作，以完成零件的最终成形。

8、根据权利要求3至7中任何一项所述的装置包括一种用来控制所述上毛坯夹持器对薄板板坯周界区域的夹紧作用的装置。

9、根据权利要求3至8中任何一项所述的装置包括一种用来吸收所述弹性垫的过量体积的装置，所述过量体积是相对于被获得的完工零件表面积所决定的体积而言的。

10、根据权利要求9所述的一种装置，其中所述吸收弹性垫过量体积的装置被设置在冲头之中。

11、根据权利要求9所述的一种装置，其中所述吸收弹性垫过量体积的装置被设置在所述弹性垫附近。

Images