精冲零件的工艺性优化方法

1.精冲件的形状尺寸

精冲件的尺寸极限，如最小孔径、最小槽宽等，都可比普通冲裁时提高。实现精冲的尺寸极限范围，主要取决于模具的强度、剪切面质量及模具寿命等因素。精冲件的圆角半径、槽宽、悬臂、环宽、孔径、孔边距及齿轮模数的极限范围，根据精冲的难易程度分为三级：

S₁——容易级，适于精冲材料的抗剪强度不超过700MPa；

S₂——中等级，适于精冲材料的抗剪强度不超过530MPa；

S₃——困难级，适于精冲材料的抗剪强度不超过420MPa。

在S₃区域范围内，精冲模工作零件须用高速钢制造，被精冲材料的抗剪强度不超过420MPa或其抗拉强度≤600MPa。

（1）圆角半径 精冲件应力求避免凸出尖角。因为过小的圆角半径会使工件剪切面上产生撕裂和模具相应部分应力集中及严重磨损。最小圆角半径的大小取决于零件角度α、材料种类、材料厚度及其力学性能。其计算方法为

R_I=0.6R_A，r_i=0.6R_A，r_a=R_A，r_i=R_I

式中 R_I——零件外形的最小内圆角半径；

R_A——零件外形的最小外圆角半径；

r_i——零件内形的最小内圆角半径；

r_a——零件内形的最小外圆角半径。

R_A或r_a可根据料厚及角度α直接从图2-2-24中查得。

图2-2-24 精冲件的最小圆角半径

抗拉强度σ_b=450MPa的材料在不同拐角处的最小圆角半径R_min列于表2-2-47。

表2-2-47 工件拐角处的最小圆角半径R_min

注：强度高于此值的材料，其数值按比例增加。

图2-2-25为按材料抗拉强度为400MPa时，得出的凸出圆角和尖角处最小半径的近似值。对于强度较高或较低的材料，圆角半径应按照强度的变化量成比例地增大或减小。对于凹进的圆角或尖角应采用由图2-2-25所得的数值的50%～75%。

除特殊情况外，为了提高模具刃磨寿命，减小塌角和改善冲裁面质量，精冲零件尖角部位的圆角半径尽可能取较大的数值。

图2-2-25 最小圆角半径R （材料σ_b=400MPa时）

（2）孔径、槽宽及边距 精冲的最小孔径，主要是考虑冲孔凸模所能承受的最大压应力，其值与材料性质及材料厚度等因素有关。冲窄长槽时，凸模将受到侧压力，所能承受的压力比与其同样大断面的圆形凸模小，所以需要按槽长与槽宽的比值来考虑精冲的最小孔径d_min、孔边距a_min、最小槽宽b_min等，极限值都比通常的小。当冲孔凸模的许用压应力为1600～1800MPa，冲槽凸模的许用压应力为1200～1400MPa，齿形的许用压应力为1200MPa时，可以精冲的各种尺寸极限值列于表2-2-48。

表2-2-49为抗拉强度低于450MPa的材料可精冲的最小槽宽b_min、最小槽边距s_min；抗拉强度高于450MPa的材料，其数值按强度成正比增加。

表2-2-48 各种材料精冲时的尺寸极限

注：薄料取上限，厚料取下限。

表2-2-49 b_min/t的数值

注：s_min=（1.1～1.2）b_min，t为板料厚度。

（3）最小壁厚 壁厚是指精冲零件上的相邻孔之间、槽之间、孔和槽之间或孔（槽）与内外形轮廓之间的距离，即间距或孔边距。在普通冲裁时，壁厚要大于或等于料厚；在精冲时，壁厚则可以小于料厚。

冲裁零件壁厚的确定，基本上可用与冲槽相同的原则，但要考虑如图2-2-26所示壁厚W的各种不同的情况。

图2-2-26 壁厚不同的精冲零件

W₁：在用复合精冲模冲裁时，对这种两圆孔之间的壁厚，凸凹模的危险断面部分很短，而且其上的应力峰值有很好的缓和，所以冲裁这种情况的壁厚最为有利，因而其允许的壁厚可比W₂的值小15%左右。

W₂：它是一直边孔（或边）与圆孔形成的壁厚，其凸凹模薄弱部分较W₁情况的承截能力要差一些，但比W₃和W₄要好得多，所以冲裁还是较有利的。其最小壁厚尺寸如图2-2-27所示。

图2-2-27 精冲件的最小壁厚

W₃和W₄：其凸凹模的薄弱部分很长，所以冲裁最为不利，其允许值要较W₂大得多。

（4）齿形 在精冲齿轮、齿条之类的齿形零件时，凸模齿形部分承受着压应力和弯曲应力。为了避免凸模在其齿形根部断裂，必须限制齿形零件的最小模数和齿宽。影响模数和齿宽的主要因素有齿形、料厚、材料的抗压强度和模具制造质量等，其值可由图2-2-28查得。

（5）悬臂和凸耳 悬臂（又称窄带）是指精冲件外轮廓上细而长的凸起部分。凸耳（又称凸台）是指精冲件外轮廓上短而宽的凸起部分。

图2-2-28 精冲齿形最小模数、最小范围齿宽

冲槽的原理也适用于工件上窄长的悬臂（图2-2-29）。但由于悬臂在精冲时，使凸模产生较高的侧向压力，因而影响凸模寿命，凸模在宽度方向的抗纵向弯曲能力降低，故要特别注意凸模结构的稳定性。相对宽度b/t越小，允许的悬臂长度就越小。

图2-2-29 悬臂和凸耳

a）悬臂最小宽度 b）凸耳长度小于料厚

在精冲时悬臂的最小宽度值可按冲槽情况，即b_min=0.6t，也可按表2-2-49中最小槽宽确定，但根据实际需要应增大数值30%～40%。图2-2-30为适用于抗拉强度σ_b=450MPa的材料的悬臂最小宽度b_min，对于强度高低不同的材料，悬臂最小宽度b_min应与强度的变化量成比例增减。

图2-2-30 窄悬臂宽度b和长度l及料厚的关系曲线 （适用于抗拉强度σ_b=450MPa）

（6）形状的过渡 精冲件的形状过渡应尽可能的和缓。从图2-2-31所示的两个实例中可以看出：将图中工件中窄长突出部分根部设置一个加大的锥形可以改善应力图，而优于用较大半径作弧形过渡。左下工件中，内形的转角处构成严重损坏的危险。改善的办法是将工件内形轮廓做成圆形或者修正外轮廓。

2.精冲件的尺寸精度和几何精度

精冲件的质量与模具结构、模具精度、凸模和凹模的状况、材料的种类状态、金相组织、料厚、润滑条件、设备精度、冲裁速度、压边力和顶件力等因素有关。正常情况下，精冲件的尺寸精度和几何精度列于表2-2-50。

图2-2-31 精冲件上的过渡形状

表2-2-50 精冲件尺寸精度和几何精度

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注：1.表中δ系指外形剪切面的倾斜值，内形的倾斜值小于表中数值。

2.精冲件剪切的表面粗糙度一般可达Ra值3.2～0.4μm，精冲件仍有塌角和毛刺，但比一般冲裁件小。

3.精冲与其他工序复合

精冲和其他工艺的复合，简称精冲复合工艺。包括两种形式：一是精冲作为精锻、冷挤、拉深等工艺的后续工序；另一是充分利用精冲压力机具有三种独立可调压力的特点，在精冲过程中（通过连续模或复合模）和其他工艺（包括挤压、半冲孔、压扁、压印、压沉头和弯曲等工艺）复合。

（1）精冲弯曲复合工艺 精冲弯曲复合工艺的关键，是根据零件弯曲形状特征、技术要求和生产批量，正确选择复合工艺的形式，并确定模具结构。可以精冲和弯曲同时进行（图2-2-32）、弯曲后精冲（图2-2-33）或精冲后弯曲（图2-2-34）。图2-2-35所示工件可一次精冲弯曲，但弯角α≤75°，料厚≤6mm。

图2-2-32 精冲和弯曲同时进行过程示意图

1—齿形压边圈 2—凸模 3—凹模 4—反压板

t—料厚h—弯曲高度α—弯曲角度

图2-2-33 先弯曲后精冲复合模示意图

1—凸模 2—反压板 3—凹模 4—压边圈 5—冲孔凸模 6—顶杆

图2-2-34 精冲弯曲连续模上的工步图

a）冲孔切口 b）定位弯曲 c）落料

（2）精冲压印复合工艺 压印通常可以和精冲复合进行，精冲和压印复合工艺见图2-2-36，图2-2-36a为压印面放在工件塌边侧时，由反压板压印。图2-2-36b为压印面放在工件飞边侧时，由凸模压印。设计时应尽可能采用反压板压印，以便通过顶件器顶出，否则将会削弱凸模并增加模具的制造和维修费用。无论用反压板或凸模压印，都需使反压力大于压印力，这是精冲和压印复合冲压的必要条件。应该指出，普通压印既要求机床刚性好，闭封高度的重复精度高（多数在精压机上进行），又要求材料厚度公差小，否则会影响压印质量和模具寿命。而精冲压印复合时，材料在凸模和反压板之间完成压印后，在凸模和反压板的夹持下继续进行外形的精冲，故对材料厚度公差无严格要求，且压印的质量好，模具寿命高，生产效率高。压印深度一般不超过0.1t，见图2-2-37。

图2-2-35 一次精冲弯曲加工的弯形精冲件

图2-2-36 精冲压印复合工艺过程示意图

a）反压板压印 b）凸模压印

1—凹模 2—反压板 3—工件 4—凸模 5—V形环压边圈

图2-2-37 压印件

（3）精冲压沉孔复合工艺 压沉孔可和精冲一次复合进行，但应注意沉孔是在落料凹模的一边。若沉孔是在落料凸模的一边，则需先冲出沉孔，然后以该孔定位来落料。表2-2-51所示为90°沉孔的最大深度h_max。沉孔的角度和深度改变时，应注意使压缩的体积不超过表列相应数值。当在工件的凸模侧或两侧都可有沉孔时，需有预成形工序。

表2-2-51 90°沉孔的最大深度h_max

根据不同的沉孔形式、沉孔深度及沉孔的部位，需采用不同的工序，见表2-2-52。

表2-2-52 压沉孔工艺

（续）

（4）精冲半冲孔复合工艺 精冲复合工艺中最具特色和简单易行的一种，是利用精冲工艺在冲裁过程中，工件和条料始终保持为整体这一特点而派生出来的一种新工艺（见图2-2-38）。半冲孔时变形部位距工件边缘较远，由于外部材料的刚端作用和精冲件外围V形环压边的作用，可防止半冲孔剪切区以外的材料在变形过程中随凸模流动。由于凸、凹模和反压板、半冲孔凸模和顶杆的夹持作用，使材料在半冲孔过程中始终保持与冲裁方向垂直而不翘起。因半冲孔凸模和凹模之间的小间隙，构成变形区材料形成纯剪切的条件。另外，在半冲孔凸模、顶杆、凸凹模和反压板的强压作用下，半冲孔变形区的材料处于三向受压的应力状态，提高了材料的塑性，避免了精冲半冲孔零件的凸台部分与本体分离或产生撕裂。

图2-2-38 精冲半冲孔复合工艺过程示意图

1—凸凹模 2—V形环压边圈 3—凹模 4—反压板 5—半冲孔凸模 6—工件 7—顶杆

在半冲孔过程中，半冲孔凸模进入材料的深度h和材料厚度t之比，定义为半冲孔相对深度，见图2_-2_-39，它是衡量半冲孔变形程度的指标。

C=h/t

图2-2-39 半冲孔相对深度C和连接处 抗剪强度τ的关系

试样材料：20钢σ_b=400MPa料厚t=8mm

半冲孔凸凹模间隙0.03mm

图2-2-40所示为几种典型的精冲半冲孔零件。

半冲孔工艺既可将各种异形凸台（包括齿形）附在任何形状的平面零件上，也可将异形不通孔（包括内齿）附在任何形状的平面零件上。此时只需要将相应的凸台部分机加工去掉即可。由此可见半冲孔工艺还具有另外一种独特的功能，如可以十分方便地在零件上加工出各种异形不通孔，这对于一般机械加工而言都是非常困难的。

图2-2-40 精冲半冲孔零件

a）双联齿轮 b）齿轮凸轮 c）齿轮内形凸轮 d）齿轮偏心轴 e）棘轮方形凸台

实践表明：采用精冲半冲孔组合件加工零件，与传统工艺相比，可大幅度地提高生产效率，降低生产成本，技术经济效果十分显著。

（5）精冲压扁复合工艺 精冲压扁复合工艺是获得不等厚精冲件的另一种方法，一般在连续模上进行，如图2-2-41所示。先冲出定位孔，通过定位销，保证每一工步的送料精度。压扁时，需在材料局部压扁的周围预先切口，以便材料压扁时易于流动。由于局部压扁比将条料局部变厚容易实现，因此在多数情况下，条料厚度均按工件的最大厚度选取，工件的其他厚度通过压扁来获得。

图2-2-41 精冲压扁复合工艺

由于压扁精冲是在连续模上进行的，条料经压扁硬化后不可能退火。因此，压扁精冲一般只适用于硬化指数较低的低碳钢等材料。

压扁精冲工艺的技术关键为压扁后材料硬化，对后续精冲表面质量的影响，图2-2-42给出了20钢的相对压扁量

与加工硬化的试验结果。材料的厚度和硬度，是制订这种精冲工艺方案、设计精冲模具的主要原始数据。

图2-2-42 20钢相对压扁量与加工硬化的关系