CN111570606B - 兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法 - Google Patents

兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法，所述精冲模具，包括冲头、反冲头、V形齿圈压板和凹模，其中，凹模底部带有与压板齿圈位置相对的V形齿圈，凹模侧壁高度不高于钢板厚度且入模口处开有外倒角；所述兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲方法，包括以下步骤：1)均质化热处理：在真空炉中对钢板进行完全退火；2)强化热处理：对钢板进行淬火和高温回火热处理，实现碳化物球化，获得强度和塑性的良好配合；3)精冲成形，得到具有整体强度和表面硬化的精冲件。本发明可以实现高强度中碳钢的精冲成形，免除精冲件后续热处理强化工艺，保留精冲件加工硬化效果，减少工序降低成本。

Description

兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法
技术领域
本发明属于精密冲裁领域，具体涉及兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法。
背景技术
精密冲裁由于生产效率高、成本低、材料利用率高、容易实现自动化等优点被广泛应用于汽车飞机等零部件的制造，为了达到良好的精冲性能，要求精冲的材料应具有较低的强度和较高的塑性。
传统的中碳钢精冲加工工艺为：球化退火-精冲成形-强化热处理-表面淬火。为了满足精冲加工对材料性能的要求，首先需对坯料进行球化退火，提高材料的塑性，然后进行精冲成形，精冲成形后零件表面具有很强的冷作硬化效果，但退火态零件的整体强度往往不能满足使用要求，需要进行强化热处理，而强化热处理会损失精冲成形加工的冷作硬化效果，须进一步对精冲件进行表面淬火以提高硬度，该精冲加工工艺的工序复杂、生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法，以解决相关技术中存在的中碳钢精冲加工工艺的工序复杂、生产成本高的问题。
本发明提供兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具，包括冲头、反冲头、V形齿圈压板和凹模，所述凹模底部带有与所述V形齿圈压板位置相对的V形齿圈，所述凹模的侧壁高度低于工件的厚度，且所述凹模的入模口处开设有外倒角。
进一步，所述凹模的侧壁高度低于工件的厚度0.2～0.4mm，所述外倒角与所述凹模轴向的夹角为45°，所述外倒角与所述凹模的侧壁处开设有过渡圆角。
进一步，所述冲头为凸模，所述凸模圆角半径和过渡圆角半径为工件厚度的20％。
进一步，所述凹模刃口高度为工件厚度的2～3倍。
进一步，所述凹模冲裁间隙为工件厚度的0.2％。
本发明还提供采用上述的精冲模具的精冲方法，具体包括以下步骤：
1)均质化热处理：将钢板加工成所需尺寸，放入真空加热炉中加热到850～870℃进行完全退火，保温时间设置为1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将所述钢板取出空冷至室温；
2)强化热处理：将步骤1)得到的退火钢板放入盐浴加热炉中加热到高于奥氏体化30℃的温度，进行保温，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的所述钢板放入真空炉中加热到600～650℃进行高温回火；
3)精冲模具设计与装配：根据所述钢板厚度和面积计算精冲成形过程中的冲裁力、齿圈压力和反压力，选取合理的凸凹模圆角半径、刃口高度和冲裁间隙，设计生产精冲模具并完成装配；
4)精冲成形：将热处理强化钢板置于精冲模具型腔内，用V型压边圈和凹模共同将所述钢板压紧，控制冲头和反冲头同步下行，使所述钢板发生纯剪切变形，完成精冲成形过程；
5)卸料：所述反冲头上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁件。
进一步，步骤2)中将退火钢板放入盐浴加热炉中加热，保温时间不超过1h，冷却速率>150℃/s，以保证淬火组织中含有少量均匀未溶碳化物；将淬火后的钢板放入真空炉中，保温时间不超过2h，避免回火组织中球化碳化物长大。
进一步，步骤3)中所述齿圈压力为所述冲裁力的70％～100％，所述反压力为所述冲裁力的30％～50％。
进一步，所述钢板的材料为适用于精冲加工的中碳钢。
进一步，所述精冲方法适用于变速箱、压缩机、制动器的零部件的制作。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
本发明提供的兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法，热处理能够完全消除轧制板材的各向异性，在实现良好球化的同时使板材获得强度与塑性的良好匹配。
本发明提供的兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具及精冲方法，精冲成形后的冲裁件不仅具有较高的整体强度，且制件表面加工硬化，硬度提高了1倍以上，可以代替传统工艺中的表面淬火工序，直接得到具有整体强度和表面硬化的产品，从而简化了精冲件加工工艺工序、降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明提供的精冲模具的剖视图。
图中标号：
1-冲头，2-反冲头，3-V型齿圈压板，4-凹模，5-钢板。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本发明进行进一步说明。
本发明的技术原理是：采用先进行强化热处理再精冲成形的工艺路线进行钢板的精冲加工。首先通过完全退火，消除轧制板材的各向异性，获得组织性能均匀的钢板，然后采用淬火-高温回火复合球化处理，实现碳化物球化，使得球化率≥95％，获得强度和塑性匹配性能良好的钢板，最后采用精冲成形直接获得具有整体强度且表面硬化的精冲件。
由于上述热处理态钢板较常规板材相比，强度高、塑性低、精冲工艺性较差，为抑制成形过程中剪切裂纹的产生，本申请对精冲模具及精冲方法进行了一定的改进。
如图1所示，本发明提供兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具，包括冲头1、反冲头2、V形齿圈压板3和凹模4，凹模4底部带有与V形齿圈压板3位置相对的V形齿圈，用于限制凹模4内的材料在变形过程中的径向流动，增大三向压力，凹模4侧壁的高度低于工件的厚度，且凹模4的入模口处开设有外倒角。
优选地，凹模4的侧壁高度低于工件的厚度0.2～0.4mm，以保证材料完全在凹模4内，提高材料的塑形。
优选地，外倒角与凹模4轴向的夹角为45°，外倒角与凹模4的侧壁处开设有过渡圆角。如此设置即可保证凹模4的质量，又能提高凹模4内材料的塑形。
优选地，冲头1为凸模，凸模圆角半径和过渡圆角半径为工件厚度的20％。如此设置即可保证凹模4的质量，又能提高凹模4内材料的塑形。
优选地，凹模4刃口高度为工件厚度的2～3倍。如此设置即可保证凹模4的质量，又能提高凹模4内材料的塑形。
优选地，凹模4冲裁间隙为工件厚度的0.2％。如此设置即可保证凹模4的质量，又能提高凹模4内材料的塑形。
本发明的精冲模具通过凹模4的结构设计，增大凸凹模的圆角半径，减小冲裁间隙，增大V形齿圈压边力和反冲力，使材料在变形过程中处于大三向压应力状态，以提高材料塑性，保证精冲件的断裂面质量，实现了高强度钢板的精冲成形。
本发明还提供应用上述精冲模具的兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲方法，具体分为以下步骤：
1)均质化热处理：将钢板5加工成所需尺寸，放入真空加热炉中加热到850～870℃进行完全退火，保温时间设置为1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将钢板5取出空冷至室温。
2)强化热处理：将步骤1)得到的退火钢板5放入盐浴加热炉中加热到高于奥氏体化(Ac3)30℃的温度，保温时间设置为1h，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的钢板5放入真空炉中加热到600～650℃，保温2h后空冷至室温，完成高温回火，实现碳化物球化，得到具有高强度和高塑性的钢板5。
3)精冲模具设计与装配：根据钢板5的厚度和面积计算精冲成形过程中的冲裁力、齿圈压力和反压力，选取合理的凸凹模圆角半径、刃口高度和冲裁间隙，设计生产精冲模具并完成装配。
4)精冲成形：将热处理强化钢板置于精冲模具型腔内，用V型压边圈3和凹模4共同将钢板5压紧，控制冲头1和反冲头2以一定速率同步下行，凹模4与冲头1和反冲头2的共同作用，使钢板5发生纯剪切变形，完成精冲成形过程。
5)卸料：反冲头2上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁齿形件。
步骤2)中利用淬火得到含未溶碳化物质点的马氏体，然后通过高温回火得到碳化物球化良好、分布均匀的回火索氏体，球化率≥95％，获得强度与塑性之间匹配良好的钢板5。
步骤3)中冲裁力、齿圈压力和反压力是使材料变形区处于大三向压应力的关键，压力越大，变形区材料塑性越好，冲裁面质量越高。其中，冲裁力Ps的计算公式为：
Ps＝Ltσbf1；
公式中，L表示冲裁线长度；t表示坯料厚度；σb表示材料抗拉强度；f1表示冲裁系数，常取0.9。
齿圈压力PR为冲裁力Ps的70％～100％，反压力PG为冲裁力Ps的30％～50％。
在步骤4)中的精冲成形过程中，钢板5封闭在凹模4的型腔内，V型压边圈3将钢板5压紧，钢板5变形时处于极大的三向压应力状态，V型压边圈3和凹模4的侧壁极大程度上增大了钢板5径向流动的阻力，钢板5的塑性得到充分发挥，保证了冲裁面质量。
钢板5的材料为适用于精冲加工的中碳钢，如30CrMnSiA、30CrSiMoVM、42CrMo4，30CrSiMoVA，30CrMnSi等。
本发明提供的精冲方法适用于变速箱、压缩机、制动器等零部件的制作，如摩擦片、齿轮、棘轮等的精冲加工。
下面结合具体实施例对本发明提供的兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲方法进行具体说明。
实施例一：
1、采用剪板机将厚度为3mm的30CrMnSiA钢板料剪切成300×300mm的方形钢板，将得到的钢板放入真空加热炉中加热到870℃温度保温1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将钢板取出空冷至室温。
2、将步骤1得到的退火钢板放入盐浴加热炉中加热到870℃保温1h，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的钢板放入真空炉中，加热到650℃保温2h后空冷至室温，完成高温回火，实现碳化物球化，得到具有高强度和高塑性的钢板。
3、待加工钢板的尺寸：厚度为3mm，面积为70685mm2，根据待成形钢板尺寸计算精冲成形过程中的冲裁力PS＝256KN、齿圈压力PR＝180KN、反冲力PG＝128KN；根据钢板尺寸选取合理的凸凹模圆角半径r＝0.6mm、刃口高度＝6mm、冲裁间隙h＝0.01mm，设计生产精冲成形模具并完成装配。
4、将步骤3得到的热处理态钢板5置于精冲成形模具型腔内，用V形压边圈3和凹模4将钢板5压紧，使变形区形成三向压应力状态，冲头1和反冲头2以1mm/s的速率同步下行，凹模4与冲头1和反冲头2共同作用，使钢板5发生纯剪切变形，完成精冲成形过程。
5、反冲头2上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁齿形件。
实施例二：
1、采用剪板机将厚度为3.5mm的42CrMo4钢板料剪切成310×310mm的方形钢板，、将得到的钢板放入真空加热炉中加热到870℃温度保温1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将钢板取出空冷至室温。
2、将步骤1得到的退火钢板放入盐浴加热炉中加热到870℃保温1h，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的钢板放入真空炉中，加热到650℃保温2h后空冷至室温，完成高温回火，实现碳化物球化，得到具有高强度和高塑性的钢板。
3、待加工钢板的尺寸：厚度为3.5mm，面积为70685mm2，根据待成形钢板尺寸计算精冲成形过程中的冲裁力PS＝300KN、齿圈压力PR＝310KN、反冲力PG＝150KN；根据钢板尺寸选取合理的凸凹模圆角半径r＝0.8mm、刃口高度＝7mm、冲裁间隙h＝0.01mm，设计生产精冲成形模具并完成装配。
4、将步骤3得到的热处理态钢板5置于精冲成形模具型腔内，用V形压边圈3和凹模4将钢板5压紧，使变形区形成三向压应力状态，冲头1和反冲头2以1mm/s的速度同步下行，凹模4与冲头1和反冲头2共同作用，使钢板5发生纯剪切变形，完成精冲成形过程。
5、反冲头2上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁齿形件。
实施例三：
1、采用剪板机将厚度为4.0mm的30CrSiMoVM钢板料剪切成450×450mm的方形钢板，、将得到的钢板放入真空加热炉中加热到870℃温度保温1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将钢板取出空冷至室温。
2、将步骤1得到的退火钢板放入盐浴加热炉中加热到870℃保温1h，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的钢板放入真空炉中，加热到650℃保温2h后空冷至室温，完成高温回火，实现碳化物球化，得到具有高强度和高塑性的钢板。
3、待加工钢板的尺寸：厚度为4mm，面积为70685mm2，根据待成形钢板尺寸计算精冲成形过程中的冲裁力PS＝348KN、齿圈压力PR＝243KN、反冲力PG＝174KN；根据钢板尺寸选取合理的凸凹模圆角半径r＝1.0mm、刃口高度＝8mm、冲裁间隙h＝0.01mm，设计生产精冲成形模具并完成装配。
4、将步骤3得到的热处理态钢板5置于精冲成形模具型腔内，用V形压边圈3和凹模4将钢板5压紧，使变形区形成三向压应力状态，冲头1和反冲头2以2mm/s的速率同步下行，凹模4与冲头1和反冲头2共同作用，使钢板5发生纯剪切变形，完成精冲成形过程。
5、反冲头2上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁齿形件。
以上对本发明的具体实施方式进行了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具的精冲方法，包括冲头(1)、反冲头(2)、V形齿圈压板(3)和凹模(4)其特征在于，具体包括以下步骤：
1)均质化热处理：将钢板(5)加工成所需尺寸，放入真空加热炉中加热到850～870℃进行完全退火，保温时间设置为1h，保温结束后随炉缓慢冷却至500℃，随后用工具将所述钢板(5)取出空冷至室温；
2)强化热处理：将步骤1)得到的退火钢板放入盐浴加热炉中加热到高于奥氏体化30℃的温度，进行保温，保温结束后放入淬火油中冷却，将淬火后的所述钢板(5)放入真空炉中加热到600～650℃进行高温回火；
3)精冲模具设计与装配：根据所述钢板(5)厚度和面积计算精冲成形过程中的冲裁力、齿圈压力和反压力，选取合理的凸凹模圆角半径、刃口高度和冲裁间隙，设计生产精冲模具并完成装配；
4)精冲成形：将热处理强化钢板置于精冲模具型腔内，用V 形齿圈压板 (3)和凹模(4)共同将所述钢板(5)压紧，控制冲头(1)和反冲头(2)同步下行，使所述钢板(5)发生纯剪切变形，完成精冲成形过程；
5)卸料：所述反冲头(2)上行，将冲裁件顶出，得到基体强度高且齿形表面残余压应力保留良好的精冲冲裁件。
2.根据权利要求1所述的精冲方法，其特征在于，
步骤2)中将退火钢板放入盐浴加热炉中加热，保温时间不超过1h，冷却速率>150℃/s，以保证淬火组织中含有少量均匀未溶碳化物；将淬火后的钢板放入真空炉中，保温时间不超过2h，避免回火组织中球化碳化物长大。
3.根据权利要求1所述的精冲方法，其特征在于，
步骤3)中所述齿圈压力为所述冲裁力的70％～100％，所述反压力为所述冲裁力的30％～50％。
4.根据权利要求1所述的精冲方法，其特征在于，
所述钢板(5)的材料为适用于精冲加工的中碳钢。
5.根据权利要求1所述的精冲方法，其特征在于，
所述精冲方法适用于变速箱、压缩机、制动器的零部件的制作。
6.权利要求1所述精冲方法的兼具整体强度和冲裁面加工硬化的精冲模具，其特征在于：
所述凹模(4)底部带有与所述V形齿圈压板(3)位置相对的V形齿圈，所述凹模(4) 的侧壁高度低于工件的厚度，且所述凹模(4)的入模口处开设有外倒角；
所述凹模(4)的侧壁高度低于工件的厚度0.2～0.4mm，所述外倒角与所述凹模(4)轴向的夹角为45°，所述外倒角与所述凹模(4)的侧壁处开设有过渡圆角；
所述冲头(1)为凸模，所述凸模圆角半径和过渡圆角半径为工件厚度的20％；
所述凹模(4)刃口高度为工件厚度的2～3倍；
所述凹模(4)冲裁间隙为工件厚度的0.2％。
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