任务二 冲压设备
任务说明
冲压设备、冲压模具和冲压材料是冲压工艺的三要素，冲压模具必须安装在冲压设备上才能使用，因此模具的有关尺寸要与设备的技术参数相适应。那么，冲压设备的选择又与哪些因素有关呢？我们将通过图1-8所示的手柄零件来加以说明。该零件材料选用Q235，料厚t=1.2mm，中批量生产。采用冲孔落料连续工序冲压成形，弹性卸料，下出件，通过计算可知所需冲压力F冲=246.8kN，试选择冲压该手柄的冲压设备。
图1-8 手柄零件
基础知识
知识链接1——曲柄压力机
一、常用冲压设备的种类与型号
冲压设备的种类很多，常用的冲压设备主要有机械压力机、摩擦压力机和液压机等，它们都属于锻压机械。按机械行业标准ZB—J62030—1990规定，锻压机械的分类见表1-3。机械压力机（又叫曲柄压力机，习惯上称为冲床）按其结构形式和使用对象又分为若干系列，每个系列又分为若干组，见表1-4。
表1-3 锻压机械类别代号表
表1-4 机械式压力机系列、组别表
下面以JA31—160A型号为例说明如下：
现将型号的表示方法叙述如下：
型号的第一字母表示类别，“J”表示机械压力机。
型号的第二字母表示压力机的变型设计代号。类、别、组和主要规格与基型完全相同，只是次要参数与基型不同的压力机，按变型处理，在原型号的字母后（数字前）加一个字母A、B、C等，依次表示第一种、第二种、第三种……变型。“A”表示第一种变型产品。
字母后面的第一个数字表示压力机的列别，第二个数字表示压力机的组别，如“31”表示闭式曲柄压力机系列中的闭式单点压力机组。
横线后面的数字代表主参数，表示压力机的公称压力。“160”表示公称压力为1600kN。
型号最末端的字母表示压力机重大改进序号，如A、B、C…分别表示第一次、第二次、第三次……重大改进。重大改进指结构和性能与原产品有显著不同，“A”表示第一次重大改进。
压力机的规格除了在型号中已表示出来的公称压力外，还有滑块行程、行程次数、最大封闭高度、封闭高度调节量、工作台尺寸、电动机功率等。这些具体的技术参数是压力机选用、安装调整及工艺设计和模具设计等的必要依据。
二、曲柄压力机的分类
曲柄压力机是冲压生产中最常用的设备之一，按其机身结构的不同，可分为开式压力机和闭式压力机两种。开式压力机的机身形状类似于英文字母的“C”（见图1-9），其机身三面敞开，操作空间大，但机身刚度差，压力机在工作负荷下会产生角变形，影响精度。所以这类压力机的吨位一般比较小，通常在2000kN以下。超过2500kN的大中型压力机可采用闭式结构，如图1-10所示。闭式压力机的机身左右两侧是封闭的，机身组成一个框架，刚性好，精度高。开式压力机又分为单柱和双柱压力机两种，图1-9所示为单柱偏心式压力机，其机身工作区域也是前面和左、右三面敞开，但后壁无开口。图1-11所示的双柱压力机，其机身后壁有开口，形成两个立柱，故称为双柱压力机。双柱式压力机可实现前后和左右送料两种操作方式。此外，开式压力机按照工作台的结构不同又可分为可倾台式压力机、固定台式压力机和升降台式压力机。
图1-9 单柱偏心式压力机
图1-10 闭式压力机
1—工作台；2—床身；3—制动器；4—防护罩；5—齿轮；6—离合器；7—曲轴；8—连杆；9—滑块；10—操纵器
图1-11 JB23—63曲柄压力机的外形图
三、曲柄压力机的结构及工作原理
曲柄压力机的结构和工作原理如图1-12所示。
1—电动机；2—三角皮带；3—大皮带轮；4—中间传动轴；5—小齿轮；6—大齿轮；7—离合器；8—机身；9—曲轴；10—制动器；11—连杆；12—滑块；13—上模；14—下模；15—垫板；16—工作台
图1-12 曲柄压力机的结构及工作原理
其工作原理是：电动机1通过三角皮带2把运动传递给大皮带轮3使中间轴4转动，齿轮5与齿轮6啮合使曲轴9转动，经过连杆11带动滑块12作上下直线运动。上模13固定于滑块上，下模14固定于工作台垫板15上，压力机对置于上、下模间的材料施加压力，即能进行冲裁及其他冲压成形工艺。由于生产工艺的需要，滑块有时运动，有时停止，所以在曲轴的两端装有离合器7和制动器10，以实现滑块的间歇运动。由于压力机在整个工作周期内进行工艺操作的时间很短，也就是说，有负荷的工作时间很短，大部分时间是无负荷的空闲时间。为了使电动机的负荷均匀，并能有效地利用能量，应该安装飞轮。在曲柄压力机上大齿轮6起到了飞轮的作用。
从上述的工作原理可以看出：曲柄压力机由以下几部分组成：
（1）工作部分。由曲轴、连杆、滑块组成的曲柄滑块机构。
（2）传动系统，包括齿轮传动、皮带传动等机构。
（3）操作系统，如离合器、制动器和电气控制装置等。
（4）能源系统，如电动机、飞轮等。
（5）支撑部件，如机身。
四、曲柄压力机的主要技术参数
1.公称压力
公称压力（额定压力）是指滑块在离下止点前某一特定距离（此特定距离称为公称压力行程或额定压力行程）或曲柄旋转到离下止点前某一特定角度（此角度称为公称压力角或额定压力角）时，滑块上所允许承受的最大作用力。公称压力已经系列化，如630、2500、3150、4000、6000kN等。
2.滑块行程
滑块行程是指滑块从上止点到下止点所经过的距离。它的大小随工艺用途和公称压力的不同而不同。曲柄运动到最高点时滑块也运动到最高点，此点称为上止点。曲柄运动到最低点时，滑块也运动到最低点，此点称为下止点。滑块行程的数值等于曲轴半径的2倍。
3.行程次数
行程次数是指滑块每分钟从上止点到下止点，再回到上止点所往返的次数。其数值的大小标志着生产率的高低。
4.闭合高度
闭合高度是指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台上表面（不是到垫板上表面）的距离。由于压力机的连杆长度可以调节，故分为最大闭合高度和最小闭合高度。当闭合高度调节装置将滑块调节到最上位置时，闭合高度最大，称为最大闭合高度。当闭合高度调节装置将滑块调节到最下位置时，闭合高度最小，称为最小闭合高度。闭合高度从最大到最小可以调节的范围，称为闭合高度调节量。
5.装模高度
当工作台面上装有垫板，滑块在下止点时，滑块下平面到垫板上平面的距离称为装模高度。在最大闭合高度状态时的装模高度称为最大装模高度；在最小闭合高度状态时的装模高度称为最小装模高度。闭合高度与装模高度之差为垫板厚度。
6.工作台面尺寸
工作台面的长、宽尺寸应大于模具下模座尺寸，并单边留出50～70mm，以便安装固定模具用的螺钉、垫片和压板。当制件或废料需下落时，工作台面孔的尺寸必须大于下落件的尺寸。对有弹顶装置的模具，工作台面孔尺寸还应大于下弹顶装置的尺寸。
7.滑块模柄孔尺寸
模柄直径要与模柄孔直径相符，模柄孔的深度应大于模柄的长度。
五、曲柄压力机的选择原则
压力机的选择主要包括类型选择和规格选择两个方面，选择曲柄压力机时应遵循如下原则。
（1）类型选择。冲压设备类型较多，其刚度、精度、用途各不相同，应根据冲压工艺的性质、生产批量、模具大小、制件精度等正确选用。一般生产批量大的中小制件多选用操作方便、生产效率高的开式曲柄压力机。
（2）公称压力选择。曲柄压力机的许用负荷随滑块行程位置的不同而不同，其公称压力一般是在离下止点前的一段距离产生的，而在一个行程的其他位置，则达不到其公称压力。因此，对工作行程较长的工序，在选择压力机公称压力时，不能仅满足冲压力的大小，还必须同时考虑满足其工作负荷曲线。如图1-13所示。冲裁加工只需选择符合冲裁力实际变化曲线的压力机即可满足加工要求；而对于拉深，则需选择符合拉深力实际变化曲线的压力机才可以满足要求。
图1-13 J23—40型压力机许用压力曲线
（3）滑块行程。压力机滑块行程应保证制件在高度上能获得所需尺寸，并在冲压工序完成后能顺利地从模具上取出来。对于上出件的拉深等冲压工序，滑块行程应大于零件高度的两倍。
（4）行程次数。压力机的行程次数应根据所需的生产率、操作的可能性和允许的变形速度等来确定。
（5）其他参数。压力机的闭合高度、工作台面尺寸、滑块尺寸、模柄孔尺寸等都要能满足模具正确安装的要求。对于曲柄压力机，模具的闭合高度与压力机的闭合高度之间应符合：
式中，H为模具的闭合高度（mm）；Hmax为压力机的最大闭合高度（mm）；Hmin为压力机的最小闭合高度（mm）；H垫为垫板厚度（mm）。
工作台尺寸一般应大于模具下模座50～70mm（单边），以便模具安装；垫板孔径应大于制件或废料的投影尺寸或弹顶器径向尺寸，便于漏料或安装弹顶器；模柄尺寸应与模柄孔尺寸相符。
六、曲柄压力机的使用与维护
压力机在使用过程中由于正常的磨损、使用不当或维护不良，常会出现一些故障，这些故障不仅影响正常的工作，更重要的是不能保证工作过程中的人身和设备安全，因此必须正确使用和维护压力机。使用和维护压力机应注意以下几个方面。
（1）选用压力机时，应使所选压力机的加工能力（公称压力、许用负荷曲线、电动机额定功率等）对冲压加工留有余地，这样才能避免压力机出现超负荷而受到破坏，延长压力机及模具寿命。
（2）开机前，应检查压力机的润滑系统，并将润滑油压送至各个润滑点，检查轴瓦间隙和制动器松紧程度是否合适，以及运转部位有没有杂物等。
（3）在启动电动机后，应观察飞轮的旋转方向是否与规定的方向（箭头标注）一致。确认方向一致后方可接通离合器，否则飞轮反转会使离合器零件和操作机构损坏。
（4）空车检查制动器、离合器、操作机构各部分的动作是否准确、灵活、可靠。
（5）模具的安装应准确、牢靠，保证模具间隙均匀、闭合状态好、冲压过程中不移位。模具安装好以后，先用手动试转压力机，以检验模具安装是否正确，然后再启动电动机。
（6）冲压过程中，严禁坯料重叠冲压，要及时清理工作台上的冲件及废料。清理时要用钩或刷子等专用工具，严禁徒手直接进入冲压危险区清理。
（7）随时注意压力机的工作情况，当发生不正常情况（如滑块自由下落、出现不正常的的冲击声及噪声、冲件质量不合格、冲件和废料卡在冲模上等）时，应立即停止工作，切断电源，进行检查处理。
（8）工作完毕，应使离合器脱开后再切断电源，清除工作台上的杂物，用抹布将压力机和冲模擦拭一遍，并在模具刃口及压力机未油漆部分涂上一层防锈油。
（9）对压力机进行定期检修、保养，包括离合器与制动器的保养、拉紧螺栓及其他各类螺栓的检修、供气系统的检修、传动与电气系统的检修、各种辅助装置的检修及定期精度检查等。
知识总结与运用
曲柄压力机是最常用的冲压设备，它的选用与冲压件及冲压模具有着密切的关系。在压力机的选用中，既要满足冲压件的冲压力、冲压行程及生产效率的要求，又要符合模具的安装尺寸，因此要综合考虑。如图1-14所示的垫圈，其材料为10钢，料厚t =2.0mm。对压力机的行程要求不高，只要公称压力和模具安装的有关参数符合即可。经计算可知，它所需的冲压力为475kN。因此可选用型号为J23—63的压力机。
图1-14 垫圈
知识链接2——液压机
一、液压机的结构及工作原理
液压机是根据静压传递原理，即帕斯卡原理制成的。它是利用液体的压力能，靠静压作用使工件产生变形的压力机械。因为它传递能量的介质为液体，故称为液压机。与机械压力机相比，液压机工作平稳，压力和工作行程大，操作空间大，结构简单，操作方便，便于实现遥控和自动化。在冲压生产中被广泛应用于拉深、成形等工序。
液压机的工作介质有两种，一是乳化液，相应的液压机称为水压机；另一种是油液，相应的液压机称为油压机。其结构和工作原理如图1-15所示。工作时，模具安装在活动横梁4和下横梁5之间，工作缸1带动活动横梁4对模具施压；工作完成后，工作缸1带动活动横梁及安装在活动横梁上的模具恢复，打开模具，取出制件，需要时顶出缸6可将制件顶出。
1—工作缸；2—上横梁；3—立柱；4—活动横梁；5—下横梁；6—顶出缸
图1-15 液压机结构图
二、液压机的主要技术参数
1.公称压力
公称压力是液压机名义上能产生的最大压力，在数值上等于工作液体压力与工作活塞有效工作面积的乘积（取整数）。公称压力反映了液压机的主要工作能力，一般用它来表示液压机的规格。
2.工作液压力
液压机的工作液压力是与液压机公称压力和压制能力有关的一个技术参数。工作液压力不宜过低，否则不能满足液压机公称压力的要求。反之，工作液体压力过高，液压机密封难以保证，甚至损坏液压密封元件。每台液压机都标有工作液的最大工作压力。目前，国内液压机所使用的工作液压力有16MPa、25MPa、32MPa、50MPa等，大多数用32MPa左右的工作液压力。使用液压机时，根据冲压所需的实际压力，可适当调整油压，但不能超过其最大值。
3.最大回程力
上压式液压机压制完成后，其活动横梁必须回程，回程时要克服各种阻力和运动部件的重力。活动横梁回程所需的力称为回程力。液压机最大回程力为公称压力的20%～50%。
4.最大顶出力
有些液压机在下横梁底部装有顶出缸以顶出工件或拉深时压边使用。最大顶出力与液压机顶出缸活塞有效工作面积及工作液体压力有关，顶出力的大小及行程应满足冲压的工艺要求。
5.其他技术参数
（1）活动横梁距工作台的最大/最小距离。最大距离反映了液压机在高度方向上工作空间的大小，最小距离限制了模具的最小闭合高度。
（2）最大行程。指活动横梁位于上限位置时，活动横梁的立柱导套下平面到立柱限程套上平面的距离，即活动横梁能移动的最大距离。
（3）活动横梁运动速度。活动横梁运动速度分为工作行程速度和空行程（充液及回程）速度两种。工作行程速度的变化范围较大，应根据不同的工艺要求来确定。空行程速度一般较高，用以提高生产率，但速度太快时会在停止或转换时引起冲击及震动。
（4）立柱中心距。在四柱式液压机中，立柱宽边中心距和窄边中心距分别用L和B表示。
立柱中心距反映了液压机平面尺寸上工作空间的大小。立柱宽边中心距应根据工件及模具的宽度来选用，立柱窄边中心距的选用则应考虑更换及放入各种工具、涂抹润滑剂、观察工艺过程等操作上的要求。此外，立柱中心距对三个横梁的平面尺寸及质量均有影响，与液压机的使用性能及本体结构尺寸有着密切的关系。
三、液压机的安全操作
（1）液压机操作者必须经过培训，掌握设备性能和操作技术后，才能独立作业。
（2）作业前，应先清理模具上的各种杂物，擦净液压机杆上的污物。
（3）液压机安装模具必须在断电情况下进行，禁止碰撞启动按钮、手柄和用脚踏在脚踏开关上。
（4）装好上、下模具，调整好模具间隙，不允许单边偏离中心，确认固定好模具后再试压。
（5）液压机工作前首先启动设备空转5min，同时检查油箱油位是否足够、油泵声响是否正常，以及液压单元及管道、接头、活塞是否有泄漏现象。
（6）开动设备试压，检查压力是否达到工作压力，设备动作是否正常可靠，有无泄漏现象。
（7）调整工作压力，但不应超过设备额定压力的90%，试压一件工件，检验合格后再生产。
（8）对于不同型材及工件在压装、校正时，应随时调整液压机的工作压力和施压、保压次数与时间，并保证不损坏模具和工件。
（9）活动横梁上下滑动时，严禁将手和头部伸进横梁及模具工作部位。
（10）严禁在施压的同时，对工作进行敲击、拉伸、焊割、压弯、扭曲等作业。
（11）液压机周边不得抽烟、焊割、动火，不得存放易燃、易爆物品。做好防火措施。
（12）液压机工作完毕，应切断电源、将液压机的液压杆擦拭干净，加好润滑油，将模具、工件清理干净，摆放整齐。
知识总结与运用
液压机也是常用的冲压设备之一，与曲柄压力机相比，液压机工作平稳，压力和工作行程大，操作空间大，结构简单，操作方便，但其加工速度慢，承受冲击载荷的能力差，因此，它常用于拉深、成形等工序，而不太适合于冲裁工序。
任务实施
图1-8所示冲压件采用冲孔落料连续工序冲裁，根据已知条件和前面所学知识，对冲压设备的确定如下。
一、类型选择
该零件结构简单，精度要求不高，采用冲孔落料连续工序批量生产，故选用开式曲柄压力机。
二、公称压力的选择
该零件的成形压力为F冲=246.8kN，故所选择冲压设备的压力F设≥F冲=246.8kN。
三、滑块行程和行程次数的选择
由已知条件可知，此零件的材料厚度为 t =1.2mm，加上冲裁时凸模进入凹模的深度在0.5～1mm，因而所需的冲压行程应大于或等于1.7～2.2mm，属中批量生产，因此一般压力机的滑块行程都能满足要求。
四、闭合高度的确定
冲压该产品的模具结构如图1-16所示，模具的闭合高度为197mm，因此压力机的封闭高度应满足：Hmin-H垫+10mm≤197≤Hmax-H垫-5mm，即压力机的最大闭合高度Hmax≥202mm+H垫。
图1-16 模具结构图
五、初选设备
根据上面的分析，初选压力机为J23—25。
六、设备校核
J23—25压力机的技术参数如下：
（1）公称压力：250kN。
（2）滑块行程：65mm。
（3）最大闭合高度：270mm。
（4）最大装模高度：220mm。
（5）工作台尺寸（前后×左右）：370mm×560mm。
（6）垫板尺寸（厚度×孔径）：50mm×200mm。
（7）模柄孔尺寸：φ40mm×60mm。
通过校核，选择J23—25型开式双柱可倾式压力机可满足使用要求。
知识拓展
深入工厂或模具实训室，了解常用冲压设备的结构、工作原理、安全操作及维护保养等方面的知识。结合生产现场和前面所学知识，在技术人员或老师的指导下，分组讨论并完成图1-17所示电动机外壳冲压件所用设备的选择。
图1-17 电动机外壳
复习思考
一、填空题
1.冲压用的常用设备有___和___。
2.曲柄压力机的闭合高度是指滑块在___时，滑块下平面至___上平面之间的距离。
3.模具的闭合高度可以小于曲柄压力机的___闭合高度，但不能大于曲柄压力机的___闭合高度。
4.液压机的工作介质有___和___。
二、选择题
1.曲柄压力机的公称压力是指滑块在（）时，滑块上所允许承受的最大作用力。
A.下止点
B.下止点前某一特定距离
C.下止点后某一特定距离
2.曲柄压力机滑块行程的数值（）曲轴半径的2倍。
A.小于
B.等于
C.大于
3.J23—63型曲柄压力机的公称压力为（）。
A.63N
B.63kN
C.630kN
4.液压机一般用（）来表示它的规格。
A.公称压力
B.工作液压力
C.最大回程力
三、简答题
（1）曲柄压力机是由哪几部分构成的？
（2）曲柄压力机的技术参数有哪些？
（3）与机械压力机相比，液压机有哪些特点？
（4）液压机的技术参数有哪些？
（5）选择曲柄压力机时应遵守哪些原则？
项目总结
通过本项目的学习，应熟练掌握以下重点内容：
（1）冲压的概念、特点及运用。
（2）冲压工序的类型和确定方法。
（3）冲压常用材料的性能、要求和选用原则。
（4）常用冲压设备的结构、工作原理、技术参数，以及冲压设备的选用原则和方法。
项目巩固与拓展
（1）在生产现场或实习工厂仔细观察一些冲压件的生产过程，认真分析它们的工序性质和工序安排，结合本项目所学知识，对其分组加以讨论，提出合理化建议。
（2）在掌握冲压设备的安全操作规程后，在工厂技术人员或老师的指导下，认真操作曲柄压力机等常用的冲压设备，熟悉它们的结构、工作原理和安全操作、维护保养等方面的知识。
（3）在工厂技术人员或老师的指导下，能在曲柄压力机上安装一些简单的冲压模具，进一步掌握设备与模具有关的技术参数，并熟悉模具在设备上的安装流程和方法。