CN111922190B - 一种冲模及其预应力冲孔工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲模及其预应力冲孔工艺，用于对钢板进行冲裁，其包括：凹模；与所述凹模相配合的凸模，所述凸模上固定有阶梯冲头，所述阶梯冲头具有位于最下端用于挤压所述钢板表面的第一级台阶，所述第一级台阶的高度h取值为所述钢板厚度t的1/4～1/3；以及位于所述第一级台阶上方用于对所述钢板进行冲裁的第二级台阶。本发明涉及的一种冲模及其预应力冲孔工艺，可以减少分层的产生，进而减少掉块的形成。

Description

一种冲模及其预应力冲孔工艺

技术领域

本发明涉及机械工程领域，特别涉及一种冲模及其预应力冲孔工艺。

背景技术

普通冲裁获得的冲裁孔，由塌角、光亮带、撕裂带和毛刺构成，工程上，一般采用对上述各组成部分的定量描述，来表征冲裁孔质量，比如光亮带所占比例、毛刺高度等。

撕裂带是剪应力和正应力工作作用下的撕裂断口，正常情况下，钢板冲裁孔撕裂带微观上系剪切韧窝，韧窝周围均存在撕裂棱。因此，宏观和微观上，撕裂带都比光亮带粗糙，更容易成为裂纹的起源，撕裂带的存在是导致冲裁孔疲劳强度低的主要原因之一。

相关技术中，普通冲裁边、冲裁孔的撕裂带是剪切韧窝为断裂机制的撕裂断口，正常情况下，目视应为灰色粗糙断口，表面完整。但在700MPa以上的中厚板的普通冲裁孔的撕裂带却往往并不完整，出现分层或掉块现象，如图1所示，掉块形成的横向断口成阶梯状，分为若干层；掉块还形成凹陷。分层和掉块，破坏了冲裁孔的表面完整性，申请人通过试验验证，分层掉块会导致700MPa级、厚度8mm热轧钢板冲裁孔的疲劳强度降低10％以上。这也成为车架在台架试验或用户使用过程中往往在冲裁孔表面分层掉块处开裂(图2)的原因。

因此，有必要设计一种新的冲模，以改善冲裁孔表面的分层和掉块现象。

发明内容

本发明是在分析高强钢钢板普通冲孔过程中分层、掉块产生原因的基础上完成的。冲孔过程中，凸模侧光亮带形成过程中，在光亮带及其相连的撕裂带上的材料会产生剧烈的塑性变形，这使得变形区域的材料成为纤维状；纤维组织横向强度低，在垂直于剪应力(剪应力平行于纤维方向)的拉应力的作用下会分层；分层的金属，失去基体依托形成应力集中，发生断裂，形成掉块。

本发明实施例提供一种冲模及其预应力冲孔工艺，以解决相关技术中中厚板的普通冲裁孔上的撕裂带出现分层和掉块现象的问题。

第一方面，提供了一种冲模，用于对钢板进行冲裁，其包括：凹模；与所述凹模相配合的凸模，所述凸模上固定有阶梯冲头，所述阶梯冲头具有位于最下端用于挤压所述钢板表面的第一级台阶，所述第一级台阶的高度h取值为所述钢板厚度t的1/4～1/3；以及位于所述第一级台阶上方用于对所述钢板进行冲裁的第二级台阶。

一些实施例中，所述第一级台阶与所述凹模的单边间隙与所述钢板厚度t的比值为25％～40％。

一些实施例中，所述第一级台阶的自由端面为平面。

一些实施例中，所述第一级台阶的自由端面向所述第一级台阶内部凹陷形成凹槽。

一些实施例中，所述第一级台阶的外回转面为锥面或者圆柱面。

一些实施例中，所述第二级台阶与所述凹模的单边间隙与所述钢板厚度t的比值为6％～12％。

一些实施例中，所述第一级台阶与所述第二级台阶通过锥形体连接。

第二方面，提供了一种采用上述的冲模的预应力冲孔工艺，其包括以下步骤：将所述凸模上移；将所述钢板固定于所述凹模的预设位置；控制所述凸模下移，压紧所述钢板；控制所述阶梯冲头下移，对所述钢板进行冲裁。

一些实施例中，所述第一级台阶与所述凹模的单边间隙与所述钢板厚度t的比值为25％～40％。

一些实施例中，所述第一级台阶的自由端面向所述第一级台阶内部凹陷形成凹槽。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种冲模及其预应力冲孔工艺，由于所述阶梯冲头的最下端设有用于挤压所述钢板表面的所述第一级台阶，所述第一级台阶的高度h取值为所述钢板厚度t的1/4～1/3，这样，当所述阶梯冲头在向下对所述钢板进行冲裁时，所述第一级台阶先与所述钢板表面接触，并且由于所述第一级台阶具有一定的高度，所述第一级台阶在下移的过程中，会对所述钢板表面进行挤压形成凹坑，且所述第一级台阶的高度较小，并不会对所述钢板进行冲裁，由于所述钢板表面被挤压，在所述钢板表面被挤压的部位会形成内应力，在所述第二级台阶对所述钢板进行冲裁形成撕裂带的起始阶段处会有压应力存在，可以抵消部分撕裂带裂纹形成时的拉应力，减小光亮带末端处的塑性变形量，并且减轻所述阶梯冲头侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，从而可以防止剧烈变形带分层；并且由于所述钢板被向下挤压，使所述钢板底面在所述凹模的刃口处产生张应力，可以促进所述钢板底面在所述凹模的刃口处尽快形成裂纹，进而促使所述钢板上部形成冲孔光亮带，因此，可以减少分层的产生，进而减少掉块的形成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为相关技术中钢板上冲裁孔的剖视示意图；

图2为图1中冲裁孔的局部详细示意图；

图3为本发明实施例提供的一种冲模的阶梯冲头的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种冲模的凹模的剖视示意图；

图5为本发明实施例提供的一种冲模的凹模的俯视示意图；

图6为采用本发明实施例提供的预应力冲孔工艺冲制的冲裁孔的结构示意图；

图7为图6中冲裁孔的孔壁截面金相示意图；

图8为本发明实施例提供的一种冲模的另一种阶梯冲头的结构示意图。

图中：1、凹模；2、阶梯冲头；21、第一级台阶；211、端面；212、凹槽；22、第二级台阶；23、锥形体；3、钢板；31、冲裁孔；311、内壁面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种冲模及其预应力冲孔工艺，其能解决相关技术中中厚板的普通冲裁孔上的撕裂带出现分层和掉块现象的问题。

参见图3和图4所示，为本发明实施例提供的一种冲模，用于对钢板3进行冲裁，其包括：凹模1；及与所述凹模1相配合的凸模，所述凸模上固定有用于对所述钢板3进行冲裁的阶梯冲头2。

参见图3、图4和图5所示，在一些实施例中，所述凹模1和所述凸模可以安装在冲床的设定位置上，且所述凸模可以位于所述凹模1的上方。

参见图3所示，在一些可选的实施例中，所述阶梯冲头2可以整体呈圆柱状，用于在所述钢板3上形成冲裁孔31，且所述阶梯冲头2的上部可以固定于所述凸模上，所述阶梯冲头2可以包括位于其最下端的第一级台阶21，以及位于所述第一级台阶21正上方的第二级台阶22，所述第一级台阶21与所述第二级台阶22可以通过锥形体23连接；本实施例中，所述钢板3优选700MPa级大梁板，厚度优选为8mm，且需要冲裁形成φ15的冲裁孔31。

参见图3所示，在一些实施例中，所述第一级台阶21可以用于挤压所述钢板3的表面，且所述第一级台阶21可以是圆柱体(即所述第一级台阶21的外回转面为圆柱面)，或者，所述第一级台阶21也可以是圆锥体(即所述第一级台阶21的外回转面为锥面)，所述第一级台阶21的高度h取值可以为所述钢板3厚度t的1/4～1/3，由于所述第一级台阶21的高度较小，在所述阶梯冲头2向下进行冲裁的过程中，所述第一级台阶21并不会对所述钢板3进行冲裁形成冲裁孔31，而是仅能够对所述钢板3进行挤压，由于所述钢板3被挤压，在其被挤压的部位会形成内应力，在所述第二级台阶22对所述钢板3进行冲裁形成撕裂带的起始阶段处会有压应力存在，压应力会抵消部分撕裂带裂纹形成时的拉应力，减小光亮带末端处的塑性变形量，并且减轻所述阶梯冲头侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，从而可以防止剧烈变形带分层，并且由于所述钢板3被向下挤压，使所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处产生张应力，可以促进所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处尽快形成裂纹，也就是所述钢板3在所述凹模1的刃口处先开裂并扩展，进而促使所述钢板3上部形成冲孔光亮带，由于大量的剪切应变弹塑性变形量会形成应变带和显微组织，导致材料的各项异性，进而形成分层，而减轻所述阶梯冲头2侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，可以减少分层的产生，由于纤维组织分层后，外侧分离出那一部分失去基体的依托，承受的拉应力显著增加，易被拉断，形成掉块，减少了分层的产生，进而可以减少掉块的形成。

参见图3所示，在一些可选的实施例中，所述第一级台阶21的下端面211可以是平面，或者所述第一级台阶21的下端面211也可以向所述第一级台阶21的内部凹陷形成凹槽212(参见图8所示)，优选的，所述凹槽212的内壁面可以呈凹球面，当所述第一级台阶21在向下挤压所述钢板3时，所述钢板3被挤压的部分材料可以收容于所述凹槽212中，减少了所述钢板3被挤压部位向下的位移量，进一步减小了塌角，提高了冲裁面的平整度。

参见图3、图4和图5所示，在一些实施例中，所述第一级台阶21可以与所述凹模1在竖直方向上存在间隙，且所述第一级台阶21的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值可以为25％～40％；本实施例中，优选设置所述第一级台阶21的高度h为2mm，所述第一级台阶21的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值优选为36.3％。

参见图3所示，在一些实施例中，所述第二级台阶22可以用于对所述钢板3进行冲裁形成冲裁孔31，所述第二级台阶22可以与所述凹模1在竖直方向上存在间隙，且所述第二级台阶22的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值可以为6％～12％，也就是说所述第二级台阶22的直径会大于所述第一级台阶21的直径，由于所述第二级台阶22的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值保持在6％～12％，所以也不会出现因为间隙过大而导致塌角和毛刺过大的问题，本实施例中，所述第二级台阶22的直径优选为15.1mm，所述第二级台阶22的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值优选为10.6％，所冲制的冲裁孔31如图6所示，孔内壁面311平整光滑，无肉眼可见分层、掉块现象，且所冲制的冲裁孔31的截面金相如图7所示，光亮带以下的撕裂带表层完整，无分层、掉块现象；经带孔试样轴向拉压疲劳对比试验验证，预应力冲裁孔31无分层掉块试样的疲劳强度提高了13％。

参见图3和图4所示，为本发明实施例提供的一种采用上述的冲模的预应力冲孔工艺，其包括以下步骤：

步骤1：将所述凸模上移。

参见图3所示，在一些实施例中，所述凸模上可以固定有所述阶梯冲头2，所述阶梯冲头2可以整体呈圆柱状，且所述阶梯冲头2的上部可以固定于所述凸模上，所述阶梯冲头2可以包括位于其最下端的第一级台阶21，以及位于所述第一级台阶21正上方的第二级台阶22，所述第一级台阶21与所述第二级台阶22可以通过锥形体23连接。

参见图3所示，在一些可选的实施例中，所述第一级台阶21可以是圆柱体(即所述第一级台阶21的外回转面为圆柱面)，或者，所述第一级台阶21也可以是圆锥体(即所述第一级台阶21的外回转面为锥面)，所述第一级台阶21的高度h取值可以为所述钢板3厚度t的1/4～1/3，且所述第一级台阶21的下端面211可以是平面，或者所述第一级台阶21的下端面211可以向所述第一级台阶21的内部凹陷形成凹槽212。

参见图3和图4所示，在一些实施例中，所述第一级台阶21可以与所述凹模1在竖直方向上存在间隙，且所述第一级台阶21的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值可以为25％～40％，所述第二级台阶22可以与所述凹模1在竖直方向上存在间隙，且所述第二级台阶22的单边间隙与所述钢板3厚度t的比值可以为6％～12％。

步骤2：将所述钢板3固定于所述凹模1的预设位置。

步骤3：控制所述凸模下移，压紧所述钢板3。

步骤4：控制所述阶梯冲头2下移，对所述钢板3进行冲裁。

在一些实施例中，于步骤4中，所述阶梯冲头2在对所述钢板3进行冲裁形成冲裁孔31的过程中，所述第一级台阶21先与所述钢板3表面接触，并在所述钢板3表面挤压形成凹坑，当所述阶梯冲头2进一步下移时，所述第二级台阶22接触所述钢板3，并对所述钢板3进行冲裁形成冲裁孔31，由于所述钢板3被挤压形成凹坑，在凹坑的周围会形成内应力，在所述第二级台阶22对所述钢板3进行冲裁形成撕裂带的起始阶段处会有压应力存在，压应力会抵消部分撕裂带裂纹形成时的拉应力，从而可以防止剧烈变形带分层，由于压应力的存在，还可以改善压应力所在区域材料的塑性，减小剪应力裂纹产生的风险；并且由于所述钢板3被向下挤压，使所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处产生张应力，可以促进所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处尽快形成裂纹，也就是所述钢板3在所述凹模1的刃口处先开裂并扩展，此时所述凸模的刃口处还处于光亮带形成过程中，进而可以减小所述钢板3上部的冲孔光亮带，减小光亮带末端处的塑性变形量，并且减轻所述阶梯冲头2侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，由于大量的剪切应变弹塑性变形量会形成应变带和显微组织，导致材料的各项异性，进而形成分层，而减轻所述阶梯冲头2侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，可以减少分层的产生，由于纤维组织分层后，外侧分离出那一部分失去基体的依托，承受的拉应力显著增加，易被拉断，形成掉块，减少了分层的产生，进而可以减少掉块的形成。

本发明实施例提供的一种冲模及其预应力冲孔工艺的原理为：

由于所述阶梯冲头2的最下端设有用于挤压所述钢板3表面的所述第一级台阶21，所述第一级台阶21的高度h取值为所述钢板3厚度t的1/4～1/3，这样，当所述阶梯冲头2在向下对所述钢板3进行冲裁时，所述第一级台阶21先与所述钢板3表面接触，并且由于所述第一级台阶21具有一定的高度，所述第一级台阶21在下移的过程中，会对所述钢板3表面进行挤压形成凹坑，且所述第一级台阶21的高度较小，并不会对所述钢板3进行冲裁，由于所述钢板3表面被挤压，在所述钢板3表面被挤压的部位会形成内应力，在所述第二级台阶22对所述钢板3进行冲裁形成撕裂带的起始阶段处会有压应力存在，压应力会抵消部分撕裂带裂纹形成时的拉应力，减小光亮带末端处的塑性变形量，并且减轻所述阶梯冲头2侧撕裂带形成时的剪切应变弹塑性变形量，从而可以防止剧烈变形带分层；并且由于所述钢板3被向下挤压，使所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处产生张应力，可以促进所述钢板3底面在所述凹模1的刃口处尽快形成裂纹，进而促使所述钢板3上部形成冲孔光亮带，因此，可以减少分层的产生，进而减少掉块的形成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种冲模，用于对钢板(3)进行冲裁，其特征在于，其包括：

凹模(1)；

与所述凹模(1)相配合的凸模，所述凸模上固定有阶梯冲头(2)，所述阶梯冲头(2)具有位于最下端用于挤压所述钢板(3)表面的第一级台阶(21)，所述第一级台阶(21)的高度h取值为所述钢板(3)厚度t的1/4～1/3；

以及位于所述第一级台阶(21)上方用于对所述钢板(3)进行冲裁的第二级台阶(22)；

所述第一级台阶(21)的自由端面(211)向所述第一级台阶(21)内部凹陷形成凹槽(212)。

2.如权利要求1所述的冲模，其特征在于：

所述第一级台阶(21)与所述凹模(1)的单边间隙与所述钢板(3)厚度t的比值为25％～40％。

3.如权利要求1所述的冲模，其特征在于：

所述第一级台阶(21)的自由端面(211)为平面。

4.如权利要求1所述的冲模，其特征在于：

所述第一级台阶(21)的外回转面为锥面或者圆柱面。

5.如权利要求1所述的冲模，其特征在于：

所述第二级台阶(22)与所述凹模(1)的单边间隙与所述钢板(3)厚度t的比值为6％～12％。

6.如权利要求1所述的冲模，其特征在于：

所述第一级台阶(21)与所述第二级台阶(22)通过锥形体(23)连接。

7.一种采用如权利要求1所述的冲模的预应力冲孔工艺，其特征在于，其包括以下步骤：

将所述凸模上移；

将所述钢板(3)固定于所述凹模(1)的预设位置；

控制所述凸模下移，压紧所述钢板(3)；

控制所述阶梯冲头(2)下移，对所述钢板(3)进行冲裁。

8.如权利要求7所述的冲模的预应力冲孔工艺，其特征在于：

所述第一级台阶(21)与所述凹模(1)的单边间隙与所述钢板(3)厚度t的比值为25％～40％。

9.如权利要求7所述的冲模的预应力冲孔工艺，其特征在于：

所述第一级台阶(21)的自由端面(211)向所述第一级台阶(21)内部凹陷形成凹槽(212)。

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