CN110170566A - 一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具及方法，将精密冲压技术运用在高强钢薄片多齿结构加工，使其能够高效快速成形，获得齿底高残余压应力及低粗糙度，无需齿形表面强化，产品一致性好，能够显著提高结构疲劳寿命。具体包括：上模部分和下模部分；上模部分包括：上模座、压边圈和凸模；下模部分包括：凹模、反压板和下模座；其中对反压板进行特殊设计，使零件剪切区内的材料处于三向施压，形成立体压应力状态，有效的抑制了裂纹的产生和扩展。凹模采用微小环状凸起接触冲裁，能够提高高强钢薄片多齿结构内齿剪切区内的应力，材料沿凹模刃口形状呈纯剪切的形式冲裁，大大提高了结构内齿的表面光洁度，保证零件质量。

Description

一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具及方法

技术领域

本发明涉及一种冲压成形方法，具体涉及一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具方法，属于精密冲压成形技术领域。

背景技术

目前，在加工如图1所示的高强钢薄片多齿结构(厚度小于等于5mm，齿数大于等于100)时，齿部加工主要采用线切割/插齿加工，齿面加工质量不易保证，容易存在截面突变和毛刺，受电极丝抖动、传动精度等因素影响导致表面粗糙度、公法线误差达不到技术要求，产品一致性得不到保障。同时，线割及插齿制齿工艺加工，齿部逐渐加工成形，加工效率低，加工过程中材料在表面机械性能变化的同时，将在整个加工区域受到来自不同方位的多种不均匀力的作用，分布不均匀的应力作用于局部材料上，易形成微观裂纹。微观裂纹一旦形成，在应力作用下，裂纹尖端缺口处将产生应力集中，最终形成裂纹。为避免材料或构件因应力集中而造成的破坏，工程上通常采用喷丸等工艺处理以提高材料表面的疲劳强度。然而，喷丸处理的提升效果有限，表面粗糙度随喷丸强度增加而增加，导致疲劳强度降低，易形成初始裂纹源。且薄片多齿结构低宽径比、齿数多等结构特点，使得喷丸强度、覆盖率等过程参数不易控制，喷丸效果一致性差。

精密冲裁制造技术是在普通冲压技术基础上发展起来的一种无切削加工技术，通过精冲模具使板料在三向压力状态下产生强烈的塑性流动(滑移)，沿所需轮廓进行纯挤剪分离；能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高(精冲件尺寸公差可达IT6)、冲裁面光洁(一般为Ra2.5～0.63μm)、翘曲小且互换性好的优质精冲零件，并以较低的成本达成产品质量的改善。由于薄片多齿结构低宽径比、齿数多等结构特点，传统的精密冲压装置及方法不适用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具，将精密冲压技术运用在高强钢薄片多齿结构加工上，使其能够高效快速成形，获得齿底高残余压应力及低粗糙度，无需齿形表面强化，产品一致性好，能够显著提高结构疲劳寿命。

所述的高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具包括：上模部分和下模部分；所述上模部分包括：上模座、压边圈和凸模；所述下模部分包括：凹模、反压板和下模座；

所述凸模下端的外圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈；所述凸模固接在所述上模座的下端面；所述压边圈同轴套装在凸模外圆周，与所述凸模滑动配合，所述压边圈能够在外部动力单元A的左右下沿其轴向运动；

所述凹模为环形结构件，其上端内圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈；所述凹模固接在下模座的上端面；所述反压板同轴套装在凹模内部，与所述凹模滑动配合，所述反压板能够在外部动力单元B的左右下沿其轴向运动；

所述反压板的上端面加工有锥台形凸台；

所述凹模上端面中心孔外圆周加工有锥台形的环状凸起。

所述凹模上环状凸起的高度为原料厚度的10％-15％。

所述反压板上锥台形凸台的高度为原料厚度的四分之一。

此外，本发明提供一种基于该冲压成形装置的高强钢薄片多齿结构冲压成形方法，未进行冲压加工时，所述凸模的下端面与压边圈的下端面平齐，凹模的上端面与反压板的上端面平齐；

冲压成形步骤为：

步骤一：将原料放置在反压板和凹模上表面，控制所述上模部分下行，使模具闭合，所述上模部分下行过程中，启动外部动力单元A推动所述压边圈下行，使压边圈先于上模座接触原料，压边圈压紧原料位于凹模上的部分；

步骤二：控制所述上模部分继续下行，当所述凸模下端面接触到原料后开始冲裁，此时凸模对原料施以冲裁力；冲裁过程中，启动外部动力单元B对反压板施以向上的作用力，反压原料；且反压板对原料的反压力小于冲裁力；冲裁过程中，保持所述压边圈和反压板对原料的压紧；

步骤三：当多齿结构件从原料上分离后，冲裁过程结束，此时冲成型的多齿结构件位于凹模上，废料位于反压板上；

步骤四：控制所述上模部分上行，打开模具；

步骤五：解除压边圈对多齿结构件的压紧，取出多齿结构件；启动外部动力单元B推动反压板上行，将废料从所述凹模中顶出。

有益效果：

(1)将精密冲压技术运用在高强钢薄片多齿结构加工上，使其能够高效快速成形，获得齿底高残余压应力及低粗糙度，无需加热齿形进行表面强化，产品一致性好，能够显著提高结构疲劳寿命。

(2)对反压板进行特殊设计，使零件剪切区内的材料处于三向施压，形成立体压应力状态，阻止材料在剪切区内撕裂和在剪切区外金属的横向流动，有效的抑制了裂纹的产生和扩展，从而提高了材料的塑性，达到大型高强钢薄片多齿结构精冲的工艺要求。

(3)凹模采用微小环状凸起接触冲裁，能够提高高强钢薄片多齿结构内齿剪切区内的应力，尽量使得高强钢薄片多齿结构内齿在成形时，材料沿凹模刃口形状呈纯剪切的形式冲裁，大大提高了结构内齿的表面光洁度，减少剪切面的撕裂，从而获取光洁平整的高精度冲裁面，保证零件质量。

(4)精冲过程中，其变形过程是一个连续、瞬间的分离过程，成形后零件的毛刺比例很小。

附图说明

图1为高强钢薄片多齿结构示意图；

图2为高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具的结构示意图；

图3为反压板结构图；

图4为凹模结构图。

其中：1-上模座、2-压边圈、3-凸模、4-多齿结构件、5-废料、6-凹模、7-反压板、8-下模座

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本实施例一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具，将精密冲压技术运用在强钢薄片多齿结构加工上，使其能够高效快速成形，获得齿底高残余压应力及低粗糙度，无需齿形表面强化。

如图1所示，该精密冲压成形模具分为上模和下模两部分，其中上模包括：上模座1、压边圈2和凸模3；下模包括：凹模6、反压板7和下模座8。用于加工多齿结构件4的原料为高强钢薄片，通过冲压高强钢薄片得到高强钢薄片多齿结构件4。

其中凸模3下端的外圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈，用于在原料上冲压形成所需的齿形，得到多齿结构件。凸模3通过垫板并用螺钉、销钉固定在上模座1的下端面。压边圈2同轴套装在凸模3外圆周，压边圈2与凸模3滑动配合，凸模3能够对压边圈2的轴向运动起导向作用。压边圈2通过穿过上模座1的顶杆A与外部动力单元A相连，提供精冲所需的压边力(即外部动力单元A通过顶杆A推动压边圈2沿其轴向运动)。

凹模6为环形结构件，其上端内圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈，用于配合凸模3在原料上冲压形成所需的齿形，得到多齿结构件。凹模6通过螺钉、销钉固定在下模座8的上端面。反压板7与凹模6同轴定位导向，即反压板7同轴套装在凹模6内部，且与反压板7滑动配合，由此反压板7能够对凹模6的轴向运动起导向作用。凹模6通过穿过下模座8的顶杆B与外部动力单元B相连，提供精冲所需的反压力(即外部动力单元B通过顶杆B推动凹模6沿其轴向运动)，并用于推出废料5。

未进行冲压加工时，凸模3的下端面与压边圈2的下端面平齐，凹模6的上端面与反压板7的上端面平齐。原料放置在凹模6与反压板7的上表面(原料的直径大于反压板7的直径)。

压边圈2的内径与凹模6的内径一致，凸模3的直径与反压板7的直径一致。

针对高强钢薄片多齿结构低宽径比、齿数多等结构特点，在进行精密冲裁时，为了节约材料，压边圈2采用平面压料，反压板7采用“齿圈压料”的方式，即如图2所示，在反压板7的上端面加工有锥台形凸台，锥台形凸台的高度为原料厚度的四分之一左右，使其在精冲时起到强力压边的作用，由此在精冲时，反压板7与凸模3、凹模6一起作用于原料，使原料剪切区内的材料处于三向施压，形成立体压应力状态，阻止材料在剪切区内撕裂和在剪切区外金属的横向流动，从而提高了材料的塑性，达到大型高强钢薄片多齿结构精冲的工艺要求。

凹模6采用微小环状凸起接触原料，如图3所示，即在凹模6上端面中心孔外圆周加工有锥台形的环状凸起，环状凸起的高度为原料厚度的10％-15％。采用该种结构设计，提高了高强钢薄片多齿结构内齿剪切区内的应力，尽量使得高强钢薄片多齿结构内齿在成形时，原料沿凹模刃口(即凹模环形内壁与凹模上端面所形成的直角部分)形状呈纯剪切的形式冲裁，大大提高结构内齿的表面光洁度，减少剪切面的撕裂，从而获取光洁平整的高精度冲裁面，保证零件质量。

采用上述模具进行高强钢薄片多齿结构精密冲压时采用的外围设备为用于带动上模部分运动的压机，精密冲压过程为：

步骤一：将原料放置在反压板7和凹模6上表面，通过压机推动上模部分下行，使模具闭合，上模部分下行过程中，启动外部动力单元A通过顶杆A推动压边圈2下行，使压边圈2先于上模座1接触原料，压边圈2压紧原料位于凹模6上的部分，实现其压边功能；

步骤二：上模部分继续下行，当凸模3下端面接触到原料后开始冲裁，此时凸模3继续下移，对原料施以冲裁力，冲裁过程中，外部动力单元B对反压板7施以向上的作用力，反压原料，由此反压板7与凸模3、凹模6一起作用于原料，使原料剪切区内的材料处于三向施压；且反压板7对原料的作用力小于凸模3对原料的冲裁力，由此保证在反压原料的同时，凸模3和凹模6相互配合沿沿凹模刃口形状对原料呈纯剪切的形式冲裁；冲裁过程中，保持压边圈2和反压板7对原料的压紧。

步骤三：当多齿结构件4从原料上分离后，冲裁过程结束，此时冲成型的多齿结构件4通过压边圈2压紧在凹模6上，形成的废料5位于反压板7上。

步骤四：压机带动上模部分上行，打开模具；

步骤五：解除压边圈2对多齿结构件4的压紧；外部动力单元B推动反压板7上行，将废料5从凹模6中顶出。

检测表明，采用该方法冲压形成的齿部质量明显高于线切割和插齿技术，齿部粗糙度Ra低于1.6μm，经检测齿底部表面残余应力高达-290MPa且分布均匀，表面残余应力值和稳定性高于喷丸强化。

采用该方法进行大型高强钢薄片多齿结构精密冲压成型，无需加热齿形进行表面强化，能够形成齿底高残余压应力及低粗糙度，齿形一次冲压成形，高效快速，产品一致性好，能够显著提高结构疲劳寿命。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具，其特征在于，包括：上模部分和下模部分；所述上模部分包括：上模座(1)、压边圈(2)和凸模(3)；所述下模部分包括：凹模(6)、反压板(7)和下模座(8)；

所述凸模(3)下端的外圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈；所述凸模(3)固接在所述上模座(1)的下端面；所述压边圈(2)同轴套装在凸模(3)外圆周，与所述凸模(3)滑动配合，所述压边圈(2)能够在外部动力单元A的左右下沿其轴向运动；

所述凹模(6)为环形结构件，其上端内圆周面加工与待成型的多齿结构件齿形一致的齿圈；所述凹模(6)固接在下模座(8)的上端面；所述反压板(7)同轴套装在凹模(6)内部，与所述凹模(6)滑动配合，所述反压板(7)能够在外部动力单元B的左右下沿其轴向运动；

所述反压板(7)的上端面加工有锥台形凸台；

所述凹模(6)上端面中心孔外圆周加工有锥台形的环状凸起。

2.如权利要求1所述的高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具，其特征在于，所述凹模(6)上环状凸起的高度为原料厚度的10％-15％。

3.如权利要求1所述的高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具，其特征在于，所述反压板(7)上锥台形凸台的高度为原料厚度的四分之一。

4.一种高强钢薄片多齿结构精密冲压成形方法，其特征在于，采用上述权利要求1-3任意一项所述的高强钢薄片多齿结构精密冲压成形模具；

未进行冲压加工时，所述凸模(3)的下端面与压边圈(2)的下端面平齐，凹模(6)的上端面与反压板(7)的上端面平齐；

冲压成形步骤为：

步骤一：将原料放置在反压板(7)和凹模(6)上表面，控制所述上模部分下行，使模具闭合，所述上模部分下行过程中，启动外部动力单元A推动所述压边圈(2)下行，使压边圈(2)先于上模座(1)接触原料，压边圈(2)压紧原料位于凹模(6)上的部分；

步骤二：控制所述上模部分继续下行，当所述凸模(3)下端面接触到原料后开始冲裁，此时凸模对原料施以冲裁力；冲裁过程中，启动外部动力单元B对反压板(7)施以向上的作用力，反压原料；且反压板(7)对原料的反压力小于冲裁力；冲裁过程中，保持所述压边圈(2)和反压板(7)对原料的压紧；

步骤三：当多齿结构件(4)从原料上分离后，冲裁过程结束，此时冲成型的多齿结构件(4)位于凹模(6)上，废料(5)位于反压板(7)上；

步骤四：控制所述上模部分上行，打开模具；

步骤五：解除压边圈(2)对多齿结构件(4)的压紧，取出多齿结构件(4)；启动外部动力单元B推动反压板(7)上行，将废料(5)从所述凹模(6)中顶出。