金属板材冲压及内缘挤压强化工艺 技术领域：本发明涉及一种金属板材冲压及内缘挤压强化工艺。
背景技术：金属板材冲压加工技术广泛应用于汽车、飞机、电器、仪表等各个工业部门，它的特点有：生产效率高、生产成本低、可以得到其它加工方法难以加工的复杂形状零件。汽车用冲压结构件槽型横梁的典型冲压工艺一般为落料→冲孔→弯曲成型。槽型横梁在使用时危险截面附近的连接孔孔壁由于应力集中效应成为零件疲劳破坏的薄弱部位，如果孔壁得到强化，零件的疲劳强度将得到提高。孔壁强化的方法应用最多的是冷挤压强化，高载情况下疲劳寿命一般增加一倍以上，低载时效果更好。随着高强度钢板的广泛应用，内孔冷挤压强化效果越加明显。传统的冷挤压强化工艺一般为机加工孔→挤压强化，这种方法成本高、效率低，不能满足大批量生产的要求。单动普通冲床所冲出的孔尺寸精度太差无法直接挤压，用无毛刺精冲工艺可以得到上下无毛刺且尺寸精度满足挤压要求的内孔，但无法在一次冲压行程内完成挤压强化，需要另加一道挤压强化工序，而且无毛刺精冲工艺需要双动冲床及精冲模架或精密压力机，该方案由于需要复杂昂贵的工装设备，所以无法得到广泛的应用。
发明内容：本发明为了解决传统的冷挤压强化工艺成本高、效率低，不能满足大批量生产的要求的问题，提出一种金属板材内缘冲压及挤压强化工艺，该工艺是采用专用冲挤凸模对金属板材进行内缘一步冲挤，用一个工步实现冲孔、尺寸修整及挤压强化的工艺方法。该凸模包括普通冲裁模、切削推刀、挤压芯棒三个工作部分。
对于冲压结构件的刚度有余量而危险部位有冲孔等内缘冲裁面的零件，内缘挤压强化可以大幅度提高疲劳强度。如果保持强度不变，冲压件的板厚能够减薄，这类情形在汽车及工业产品上大量存在，该工艺的应用能够产生巨大的经济效益，有广阔地应用前景。
附图说明：图1是本发明的内缘一步冲挤圆孔工艺的凸模结构示意图；
图2是本发明的内缘一步冲挤圆孔工艺的凸模装配结构示意图。
具体实施方式：本发明的金属板材内缘冲压及挤压强化工艺，可在普通冲床上采用专用冲挤凸模对金属板材内缘进行一步冲挤，用一个工步实现冲孔、尺寸修整及挤压强化的工艺方法。该工艺只需要单动普通冲床即可实现，适用于旧冲压工艺的升级改造。它的冲裁内缘经过修整挤压后尺寸及形状精度可达IT5～IT7，表面粗糙度最可达Ra＝0.4～1.6，加工效率与冲孔相同。以汽车用冲压槽型横梁为例，更改原来的生产工艺，将横梁危险截面附近的连接孔由冲孔改为冲挤强化加工，零件弯曲成型后疲劳强度将大幅度提高，同时可以取消孔边去毛刺工序。当横梁材料为供货状态的A3钢板(σb＝416MPa，σ0.2＝235Mpa，σ0.2/σb＝0.56)，相对挤压量2.5％，试验应力0.65σb(270MPa)，疲劳寿命增加1.8倍。试验应力降低后疲劳寿命增幅大于高载区。如果是新型高强度钢板，随着抗拉强度及屈强比的增加，疲劳寿命可增加2倍以上。用量很大的汽车梁类用热扎含钛钢板T52其抗拉强度及屈强比明显大于A3钢板(σb＝567MPa，σ0.2/σb＝0.78)，这说明挤压强化在汽车行业的潜力很大。由于一步冲挤工艺的尺寸及形状精度远大于普通冲孔，此时可以应用干涉配合连接(螺栓或铆接)，挤压加干涉复合强化连接的疲劳寿命增幅可达2倍以上。有些冲压件上的孔壁薄弱部位是相对固定的，如受弯槽型横梁的连接孔，孔壁接近横梁纵向的的部位比较薄弱，为了提高相对挤压量进而增加强化效果或减少凸模拔出力，可以只挤压孔壁的薄弱部位即与横梁纵向平行的两边孔壁。
该专用内缘一步冲挤凸模可以用于多工序组合复合模及多工序组合级进模，凸模包括三个部分：冲孔模部分即凸模与板材首先接触的第一工作部分，为普通冲裁模；修整部分即凸模的第二个工作部分，为切削推刀，用于将冲出的内缘倾斜毛边加工修整到适合挤压强化；挤压部分即凸模的第三个工作部分，为挤压芯棒，用于内缘的挤压强化并形成所需的尺寸、形状及光洁度。用此凸模即可实现板材一步冲挤加工。
现以普通导柱冲裁模冲挤圆孔为例加以说明，用于其它场合时原理相同。如图1所示，内缘一步冲挤圆孔凸模包括冲孔模1、切削推刀3、挤压芯棒6。冲孔模的直径Φd1决定了冲栽间隙，合理的冲栽间隙受材料性能及板材厚度影响，其确定方法见各种《冲压技术手册》及标准《冲裁间隙JB/Z 271-1986》。冲孔模部分的长度L1应大于板材冲裁时凸凹模刃口裂纹相遇时凸模相对板材的压入深度，具体数值参考确定冲栽间隙时所给出的各种手册标准。由于内缘一步冲挤凸模的工作长度较长，为了提高凸模刚度，尽量减少冲孔模部分的长度L1。推刀切削直径Φd2的切削余量一般在0.1mm左右，为了保证磨出的刃口锋利及容纳切屑，在刃口前有容屑槽2；切削刃的前、后角应根据不同的材料及硬度加以调整。当冲压板材的厚度较大时，可以增加推刀齿数，齿升量0.1mm左右。如果齿数较多应增设分屑槽。推刀详细设计可参考刀具设计手册。板厚4mm左右的硬钢一般只需要一个切削刃即可。修整部分的长度L2一般略长于板厚，即完成切削后再进行挤压。挤压芯棒6与其相连的上下挤压弧面5光滑连接。上下挤压弧面5坐落在退刀槽4的底部，实际挤压结合面不得接触退刀槽4底部。挤压弧面5与芯棒6外表面的表面粗糙度Ra＝0.1～0.2，单边挤压量为0.04～0.06mm。为了增加挤压量进而提高强化效果，可以设置多级挤压凸台，每级凸台的单边挤压量为0.04～0.06mm。挤压工作长度L3为2mm左右。L4略长于板厚即可。为了提高凸模刚度，内缘一步冲挤凸模可增设凸模支承面Φd4，冲挤时凸模Φd4面与支承配合面相对滑动，支承凸模而起到提高凸模侧向刚度的作用。在图2所示的冲挤模中，凸模支承面与导向板14上的孔配合，冲挤时相对滑动，起到支承凸模12的作用。内缘一步冲挤过程如下，冲床压头带动上模板16向下移动，导向板14上的卸料板13将板材11压紧，然后凸模12进行冲孔、修孔、挤孔。冲床压头向上止点方向运动时，碟簧15推动卸料板13将板材11推离挤压凸模12完成卸料。挤压芯棒6进入并通过板材11圆孔后，圆孔直径由于回弹将小于挤压芯棒直径Φd3，碟簧15推力只有大于芯棒6反向挤压力才能将板料11推出。导向冲挤模应保证冲压时凸模12与凹模9的对中，其同轴度允差为Φ0.005mm。凹模9直径大小的确定应保证孔能获得最小实体状态即可。挤压芯棒直径Φd3与凹模9的间隙为0.01～0.03mm。凸模12材料推荐选用高速钢如W18Gr4V，硬度为HRC58～62。导柱式一步冲挤模与其它冲模的最大不同点是冲压行程较长，凸模的刚度较低，应尽量减少凸模各部分的长度，如果需要可采用增设凸模支承面的办法提高侧向刚度。内缘一步冲挤模的其它部分与一般冲模基本相同。
对于冲压结构件的刚度有余量而危险部位有冲孔等内缘冲裁面的零件，内缘挤压强化可以大幅度提高疲劳强度。如果保持强度不变，冲压件的板厚能够减薄，这类情形在汽车及工业产品上大量存在，该工艺的应用能够产生巨大的经济效益，有广阔的应用前景。