模具第二章冲裁模.ppt

第二章冲裁模 第一节冲裁模的设计基础第二节冲裁模设计示范 第一节冲裁模的设计基础 冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序 主要包括落料和冲孔 经过冲裁得到的制件 可以用它作为零件或为弯曲 拉深 成形等工序准备毛坯 从板料冲压所需形状的零件 或毛坯 称落料 在工件上冲出所需形状的孔称为冲孔 一 冲裁件的工艺分析冲裁件的工艺性 工件在冲裁中的难易程度 良好的冲裁工艺性应保证 材料消耗少 工序数目少 模具结构简单寿命长 产品质量稳定 操作简单等 影响冲裁件工艺性的因素 很多 如冲裁件的形状特点 尺寸大小 尺寸标注方法 精度要求和材料性能等 1 冲裁件的形状和尺寸 冲裁件的形状应尽量简单 对称 最好由圆弧和直线组成 并应避免冲裁件上有过长的悬臂和狭槽 其最小宽度要大于料厚t的两倍 即b 2t 冲裁件上的孔与孔 或孔与边缘的距离b b1 见下图 其值也不能过小 一般取b 1 5t b1 t 为了防止冲裁时凸模折断或压弯 冲孔的尺寸不能太小 有关要求见下表 一 一般冲孔模可冲压的最小孔径值 mm 注 t 材料厚度 为了防止冲裁时凸模折断或压弯 冲孔的尺寸不能太小 有关要求见下表 二 带保护套凸模冲孔最小值 mm 2 冲裁件的尺寸精度 一般冲裁件内 外形所能达到的经济精度 两孔中心距离公差 孔中心与边缘距离尺寸公差 冲裁件的角度偏差值以及剪切段面粗糙度值 分别见表2 3 表2 7 表2 3冲裁件内外形所能达到的经济精度 表2 4两孔中心距离公差 mm 注 1 表中所列孔距公差 适用于两孔同时冲出的情况 2 一般精度指模具工作部分达IT8 凹模后角15 30 的情况 较高精度指模具工作部分达IT7以上 凹模后角不超过15 3 表中数值均为正负值 表2 5孔中心与边缘距离尺寸公差 mm 注 本表适用于先落料再进行冲孔的情况 表中数值均为正负值 表2 6冲裁件角度偏差值 表中数值均为正负值 表2 7一般冲裁件剪断面表面粗糙度 注 如果冲压件剪断面表面粗糙度要求高于本表所列 则需要另加整修工序 各种材料通过整修后的表面粗糙度Ra 黄铜0 4 m 软钢0 4 0 8 m 硬钢0 8 1 6 m 3 尺寸标注 冲裁件的尺寸标注应符合冲压工艺要求 如上图a的尺寸标注方法不合理 这样标注 两孔的中心距会随着模具磨损而增大 应为图b的标注方法 则两孔的中心距与模具磨损无关 其公差值也可减少 二 模具类型的确定 常见的模具形式 单工序模 复合模 级进模 三种 确定模具形式的基本方法 应以冲裁工作的要求 生产批量 模具加工条件等为主要依据 三 冲裁间隙 一 冲裁间隙 冲裁模凸 凹模刃口部分尺寸之差 且有双面冲裁间隙与单面间隙之别 其双面冲裁间隙用Z表示 单面间隙为Z 2 如右图所示 冲裁间隙的大小对冲裁件的断面质量 冲裁力 模具寿命等影响很大 所以冲裁间隙是冲裁模设计中一个很重要的工艺参数 冲裁间隙 二 合理间隙 考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损 生产中通常要选择一个适当的范围作为合理间隙 最小合理间隙 最大合理间隙 只要间隙在这个范围内 就可以冲出良好的零件 考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大 故设计与制造新模具时应采用最小合理间隙值 间隙Z的确定 1 直接查表2 10 2 利用下述经验公式计算 Z mt式中t 材料厚度m 系数 与材料性能及厚度有关 当t3时 软钢 纯铁m 15 19 铜 铝合金m 16 21 硬钢m 17 25 四 凸 凹模刃口尺寸的计算 冲裁件的尺寸精度取决与凸 凹模刃口部分的尺寸 冲裁的合理间隙也靠凸 凹模刃口部分的尺寸来实现和保证 所以正确地确定刃口部分尺寸是相当重要的 1 尺寸计算原则 在决定模具刃口尺寸及制造公差时 1 落料件的尺寸取决于凹件尺寸 冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸 因此 设计落料模时 以凹模为基准 间隙取在凸模上 设计冲孔模时 以凸模为基准 间隙取在凹模上 2 考虑到冲裁时 凸 凹模的磨损 在设计凸 凹模刃口尺寸时 对基准件刃口尺寸在磨损后增大的 其刃口的公称尺寸应取工件尺寸公差范围内较小的数值 对基准件刃口尺寸在磨损后减小的 则反之 这样 在凸 凹模磨损到一定程度的情况下 仍能冲出合格的零件 3 在确定模具刃口制造公差时 要既能保证工件的精度要求 又能保证有合理的间隙数值 一般模具制造精度应比工件精度高3 4级 若零件没有标注公差 则可通过查表确定 2 尺寸计算方法 由于模具加工和测量方法的不同 凸模和凹模刃口部分尺寸的计算公式和制造公差的标注也不同 基本上可分为两类 分开加工 配合加工 1 凸模和凹模分开加工采用这种方法 要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差 它适用于圆形或简单形状的工件 为了保证间隙值 必须满足关系式 凸 凹 Zmax Zmin 式中 凸 凸模的制造公差 凹 凹模的制造公差 凸 凹已有标准见表 下面对冲孔和落料两种情况分别进行讨论 1 冲孔设工件孔的尺寸为 根据刃口尺寸计算原则 冲孔时应首先确定凸模刃口尺寸 由于基准件凸模刃口尺寸在磨损后会减小 因此 应使凸模的基本尺寸接近工件孔的最大极限尺寸 再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙Zmin 凸模的制造取负偏差 凹模取正偏差 其计算式为 式中 d凸 d凹 冲孔凸 凹模基本尺寸 mm 工件制造公差 mm X 因数 见表2 13 冲孔时各部分尺寸公差的分配位置如右图a 2 落料设工件尺寸为D 根据刃口尺寸计算原则 落料时应首先确定凹模刃口尺寸 由于基准件凹模的刃口尺寸在磨损后会增大 因此应使凹模的基本尺寸接近工件轮廓的最小极限尺寸 再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值Zmin 仍然是凸模取负偏差 凹模取正偏差 落料时各部分尺寸公差的分配位置如右图b 其计算公式如下 D凹 D X 凹D凸 D Zmin 凸 D X Zmin 凸式中D凹 D凸 落料凹 凸模基本尺寸 mm 凸模和凹模配合加工对于形状复杂或料薄的冲裁件 为了保证凸 凹模之间一定的间隙值 必须采用配合加工 此方法是先加工好其中的一件 凸模或凹模 作为基准件 然后以此基准件为标准来加工另一件 使它们之间保持一定的间隙 这种加工方法的特点是 模具间隙是在配制中保证的 因此不需要校核 凸 凹 Zmax Zmin 所以加工基准件时可以适当放宽公差 使其加工容易 尺寸标注简单 只需在基准件上标注尺寸和公差 配制件仅标注基本尺寸并注明配做所留间隙值 因此目前工厂大多采用这种方法 但此方法制造的凸 凹模不能互换 由于复杂形状工件 其各部分尺寸性质不同 凸模和凹模磨损情况也不同 所以基准件的刃口尺寸需要按不同方法计算 如右图为一落料件 应以凹模为基准件 凹模的磨损情况可分为三类 第一类 凹模磨损后增大的尺寸 图中A类尺寸 第二类 凹模磨损后增小的尺寸 图中B类尺寸 第三类 凹模磨损后没有增减的尺寸 图中C类尺寸 同理 对于图 的冲孔件 应以凸模为基准件 可根据凸模的磨损情况 按图示方法将尺寸分成A B C三类 当凸模磨损后 其尺寸的增减情况也是增大 减小 不变这一同样的规律 因此 对于复杂形状的落料件或冲孔件 其模具基准件的刃口尺寸均可按下式计算 A类 Aj Amax X 4B类 Bj Bmin X 4C类 Cj Cmin 0 5 8式中Aj Bj Cj 基准件尺寸 mm Amax Bmin Cmin 工件极限尺寸 mm 工件公差 mm 对于与基准件相配合的非基准件凸模或凹模的刃口尺寸和公差一般不在图样上标注 而是仅标注基本尺寸 并注明其公差按基准件凹模或凸模的实际尺寸配做 并保证应留的间隙值 另外 如果由于加工的需要 希望对落料件以凸模为基准件 对冲孔件以凹模为基准件 则模具基准件的刃口尺寸可按右式计算 A类 Aj Amax X Zmin 4B类 Bj Bmin X Zmin 4C类 Cj Cmin 0 5 8 五 冲压力的计算计算冲压力的目的是为了合理地选择冲压设备和设计模具 1 冲压力的计算采用平刃口凸模和凹模冲裁时 其冲裁力的计算为F0 Lt 式中 F0 冲裁力 N L 冲裁件的周长 mm t 材料厚度 mm 材料抗剪强度 MPa 见教材附录A 考虑到凸 凹模刃口的磨损 模具间隙的波动 材料力学性能的变化以及材料厚度偏差等因素 实际所需的冲裁力还需增加30 故选择冲床时的冲裁力 N 应为 F 1 3F0 Lt b式中 b 材料的抗拉强度 MPa 其值见附录A 2 降低冲裁力的方法 1 采用斜刃口模具 落料时凹模斜 冲孔时凸模斜 2 采用阶梯形布置的凸模 为了提高模具寿命 避免小冲头折断 一般都把小冲头做短一些 阶梯形布置的凸模间高度差H取决于材料厚度 一般为 t 3时 H t t 3时 H 0 5t 采用阶梯凸模冲材时 选用冲床的冲裁力为 F 1 3F0式中F0 阶梯模中同一高度凸模冲裁力之和的最大值 N 3 材料加热红冲 3 卸料力 推件力和顶出力的计算 由于冲裁中材料的弹性变形及摩擦的存在 冲裁后带孔部分的材料会紧箍在凸模上 而落下部分的材料会紧卡在凹模洞口中 从凸模上卸下紧箍着的材料所需的力称为卸料力 把落料件从凹模洞口顺着冲裁方向推出去的力称为推件力 逆着冲裁方向顶出来的力称为顶出力 如下图 1 影响卸料力 推件力和顶出力的因素 很多 如材料的种类 材料厚度 冲材间隙 零件形状尺寸以及润滑情况等 2 卸料力 推件力和顶出力的计算 卸料力 F卸 K卸F推件力 F推 nK推F顶出力 F顶 K顶F式中 F 冲裁力 N n 卡在凹模洞口中的工件 或废料 的数目 K卸 K推 K顶 分别为卸料力 推件力 顶出力因数 其值见下表 卸料力 推件力和顶出力因数 注 卸料力因数K卸在冲多孔 大搭边和轮廓复杂的工件时取上限值 冲裁间隙取大时 因数数值可取小些 选择冲床时 要根据不同的模具结构 计算出所需的总冲压力 采用弹性卸料和上出料方式的总冲压力 F总 F F顶 F卸采用刚性卸料和下出料方式的总冲压力 F总 F F推采用弹性卸料和下出料方式的总冲压力 F总 F F推 F卸采用弹性卸料和刚性出料方式的总冲压力 F总 F F卸 六 排样 排样 冲压件在条料 带料或板料上的布置方法 1 排样的方式 多种多样 常见的如图a b c d分别为直排 斜排 直对排和混合排 属于有废料排样 模具沿工件全部外形进行冲裁 工件周边都留有搭边 其特点 能保证冲裁件的质量 冲模寿命长 但材料利用率低 如图e f分别为少废料和无废料排样 其特点 节省材料 并有利于一次冲裁多个工件 提高生产率 因冲裁周边减少 故可简化冲模结构和降低冲裁力 但工件的质量和精度较低 又因为采用单边冲裁 也影响断面质量及模具寿命 2 材料的利用率 排样时 在保证工件质量的前提下 主要考虑如何提高材料的利用率 材料的利用率的计算 一个进距的材料利用率 nA bh 100 式中 A 冲裁件面积 包括内形结构废料 n 一个进距冲裁件数目 B 条料宽度 H 进距 一张板料上总的利用率 总 n总A LB 100 式中 n总 一张板料上冲裁件总数目 L 板料长 B 板料宽 3 搭边 搭边 排样时工件之间 工件与条料侧边之间留下的余料 搭边的作用 补偿条料的定位误差 保证冲出合格工件 还可以保持条料有一定的刚度 便于送料 搭边是废料 故其值应越小越好 但又不能过小 过小的搭边容易挤进凹模 增加刃口磨损 降低模具寿命 影响冲裁件的减切表面质量 搭边值的确定 一般情况下 搭边值由经验确定 亦可查表 见下表 冲裁金属材料的搭边值 mm 冲非金属材料时 搭边值应乘1 5 2 七 凸模与凹模的设计 1 凸模1 凸模形式凸模的结构形式 主要根据冲裁件的形状和尺寸而定 常见的凸模结构形式如上图所示 图中a c适用的冲裁直径d 1 20mm 为避免应力集中和保证强度与刚度方面的要求 而做成圆滑过度的阶梯形或在中部增加过度阶段 图b适用的冲裁直径d 8 30mm 图d适用于冲制孔径与料厚相近的小孔 采用保护套结构既可以提高抗弯能力 又能够节省模具钢 图e适用于冲大孔或落料用的凸模 为减少磨削面积 凸模外径与端面都加工成凹进形状 下图为非圆形凸模 与凸模固定板配合的固定部分可做成圆形或矩形 如图a b 如采用线切割加工时 固定部分和工作部分的尺寸应一致 如图c 上图为快换凸模结构 用于大型冲模中冲小孔的易损凸模 2 凸模的长度 对采用弹性卸料板的冲裁模 其凸模的长度应根据模具的具体结构确定 采用固定卸料板的冲裁模 基本结构如右图所示 凸模的长度L t1 t2 t3 l式中 t1 凸模固定板的厚度 mm t2 卸料板的厚度 mm t3 导尺的厚度 mm l 附加长度 包括 凸模进入凹模的深度0 5 1mm 总修磨量6 12mm 凸模固定板与卸料板之间的安全距离L1 15 20mm 3 凸模强度的校核 一般情况下 凸模强度不用校核 但对特别细长的凸模或板料厚度较大的情况下 应进行压应力和弯曲应力的校核 检查其危险断面尺寸和自由长度是否满足强度要求 1 压应力的校核圆形凸模按dmin 4t 压 进行压应力校核 非圆形凸模按Amin F 压 进行压应力校核 式中 dmin 凸模最小直径 mm Amin 凸模最小截面的面积 mm2 t 料厚 材料的抗剪强度 MPa F 冲裁力 N 压 凸模材料的许用压应力 MPa 压 的值取决于材料 热处理和冲模的结构 如T8A T10A Cr12MoV GCr15等工具钢淬火硬度为58 62HRC时 取1000 1600MPa 当有特殊导向时 可取2000 3000MPa 2 弯曲应力的校核 凸模的抗弯能力 根据模具结构特点 可分为无导向装置和有导向装置凸模两种情况 如图所示 无导向装置的圆形凸模 Lmax mm 非圆形凸模 mm 带导向装置的圆形凸模 mm 非圆形凸模 mm 式中 Lmax 允许的凸模最大自由长度 mm d 凸模的最小直径 mm F 冲裁力 N I 凸模最小横截面的惯性矩 mm4 2 凹模 1 凹模的刃口形式 图a为锥形刃口凹模 冲裁件或废料容易通过 凹模磨损后的修磨量较小 但刃口强度较低 刃口尺寸在修磨后略有增大 适用于形状简单 精度要求不高 材料厚度较薄工件的冲裁 当t 2 5mm时 15 当t 2 5 6mm时 30 当采用电火花加工凹模时 4 20 图b c为柱形刃口筒形或锥形凹模 刃口强度较高 修磨后刃口尺寸不变 但孔口容易积存工件或废料 推件力大且磨损大 适用于形状复杂或精度要求较高工件的冲裁 当t 0 5mm时 h 3 5mm 当t 0 5 5mm时 h 5 10mm 当t 5 10mm时 h 10 15mm 3 5 几种常见的凹模刃口形式 2 凹模外形尺寸 凹模厚度的确定 H Kb 凹模壁厚 指凹模刃口与外边缘的距离 的确定 小凹模c 1 5 2 H大凹模c 2 3 H式中 b 凹模孔的最大宽度 mm K 因数 其值见表2 17 H 凹模厚度 其值为15 20mm c 凹模壁厚 其值为26 40mm 3 凸凹模的最小壁厚 复合模的结构特点是一定有一个凸凹模 凸凹模的内 外缘均为刃口 内 外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸 为保证凸凹模的强度 凸凹模应有一定的壁厚 凸凹模的最小壁厚值m一般可按经验数据决定 不积聚废料的凸凹模最小壁厚值m见 冲裁硬材料时m 1 5t 冲裁软材料时m t 积聚废料的凸凹模 由于胀力大 故最小壁厚值要比上述数据适当加大 3 凹模和凸模的镶拼结构 镶拼结构 把凸模或凹模按一定形状分割成若干块分别制作 然后再把它们组合拼装在一起的方法 在设计镶拼凸模或镶拼凹模时 应注意所分镶块的形状要便于机械加工和热处理 容易维修 更换和调整 要考虑镶块组合拼装时的定位和固定 防止相对移动等问题 常见的镶拼凸模和镶拼凹模的镶拼形式和分块方法 见下图 八 冲裁模各主要零 部件的尺寸 九 模具压力中心的计算 一 对称形状的工件 其压力中心位于轮廓图形的几何中心O点 如图a b 等半径圆弧段的压力中心 位于任意角2 的角平分线上 且距离圆心为x0的点上 如图c所示 X0 rsin 角 以弧度计 冲裁模的压力中心 冲裁力合力的作用点 冲压时 模具的压力中心一定要与冲床滑块的中心线重合 故在设计模具时 必须要确定模具的压力中心 并使其通过模柄的轴线 从而保证模具压力中心与冲床滑块中心重合 九 模具压力中心的计算 二 对于复杂工件或多凸模冲裁的压力中心 可利用力矩原理用计算法求得 即各分力对某坐标力矩之和等于其合力对该坐标轴的力矩 计算步骤如下 1 按比例画出工件的轮廓形状 如右图 2 在任意处作坐标轴xOy 3 将工件轮廓线分成若干基本线段L1 L2 L6 因冲裁力F与冲裁线段长度l成正比 故l可代表冲裁力的大小 4 计算各基本线段的重心位置到y轴的距离x1 x2 x6和到x轴的距离y1 y2 y6 5 据力矩原理得到压力中心c点到x轴和y轴的距离公式 xc L1x1 L2x2 L6x6 L1 L2 L6 Yc L1y1 L2y2 L6y6 L1 L2 L6 根据以上的原理和步骤 可推导出计算压力中心的一般公式 xc L1x1 L2x2 Lnxn L1 L2 Ln Yc L1y1 L2y2 Lnyn L1 L2 Ln 第二节冲裁模设计示范 一 无导向落料模零件简图 生产批量 小批量 材料 08钢 材料厚度 2 5mm 1 冲压件的工艺分析因该冲压件外形简单 精度要求也不高 批量又小故可采用单工序 无导向落料模进行加工 无导向模的特点 结构简单 质量轻 尺寸小 模具制造简单 成本低廉 但凸 凹模的间隙配合由压力机滑块的导向精度决定 使用时调整麻烦 模具寿命低 冲裁件质量差 该类模具适用于精度要求不高 形状简单 小批量 2 排样 查表2 16得最小搭边值a 2 5mm a1 2mm 计算冲裁件的面积 A 152mm2 9 202 152 mm2 767 55mm2采用斜排的排样方式 如图 条料宽度 b 39mm进距 h 32mm一个进距的材料利用率 nF bh 100 1 767 55mm2 39mm 32mm 62 3 计算冲压力该模具采用刚性卸料和下出料方式 1 冲裁力F Lt b 107 68 2 5 380 102 103 2 推件力F推 nK推F取凹模刃口形式a n 1 查表K推 0 05故F推 1 0 05 102 103 5100 选择冲床时的总冲压力 F总 F K推 107k 4 确定模具压力中心 选定坐标系xOy 如图 因冲压件对称于x轴 所以yc 0 L1 320 360 30 mm 83 73mm x1 15sin 320 2 40 2 180 mm 3 16mm x2 20sin 40 2 40 2 180 mm 17 71mm 5 计算凸 凹模的刃口尺寸查表2 10得间隙值Zmin 0 29Zmax 0 35查表2 12得凸 凹模的制造公差 凸 0 02mm 凹 0 025mm校核 Zmax Zmin 0 06 凸 凹 0 045 满足Zmax Zmin 凸 凹条件 可采用分开加工的方法 对零件图中未注公差尺寸 由附录D查出各尺寸的极限偏差 查表2 13得系数x 0 5 凸模的刃口尺寸 计算出凹模的厚度和外径分别为 H 17mm 86mm 6 模具总体设计和主要零 部件设计 模具的上下部组成见右图 两侧的导尺控制送料的方向 挡料销保证条料的送料进距 该挡料销设置在下模座上并为可调结构 本冲压件的批量较小 以后经过调整还可用于其它冲裁件的挡料 上模座厚度 30mm下模座厚度 35mm凸模固定板厚度 18mm凹模厚度 17mm固定卸料板厚度 5mm导尺厚度 7mm另外 凸模的修磨量为5mm 凸模进入凹模深度为1mm 因此 凸模的全长为 18mm 20mm 5mm 7mm 1mm 5mm 56mm 模具的闭合高度H模 30mm 18mm 20mm 5mm 7mm 17mm 35mm 132mm7 冲压设备的选择选择单柱固定台压力机J11 16公称压力160KN滑块行程6 70mm最大闭合高度226mm闭合高度调节量45mm垫板厚度50mm模柄孔尺寸 40mm 55mm 三 正装下顶出落料模 零件简图 如图所示生产批量 大批量材料 30钢材料厚度 0 3mm1 冲压件的工艺分析分析该零件的尺寸精度 其两孔中心距的尺寸及公差为82 0 2mm 查表得用一般精度可达到的两孔中心距离公差为 0 15mm 即可满足零件的精度要求 从零件的形状 尺寸标注及生产批量等情况看 也均符合冲裁的工艺要求 并且只需一次落料即可 故采用单工序落料进行加工 2 排样采用直排有废料排样方式 如右图 计算冲裁件的面积A A 116 82 17 172 2 2 14 17 72 mm2 3190mm2按表2 16查得最小搭边值 a 2mm a1 1 5mm条料宽度 b 120mm进距 h 34mm 1 5mm 35 5mm一个进距的材料利用率 nA bh 100 1 3190mm2 120mm 35 5mm 100 75 3 计算冲压力该模具采用弹性卸料和上出料方式 1 冲裁力F Lt b N 其中L 116 2 14 82 6 17 2 7 17 mm 369 34mmt 0 3 b 500MPa故F 369 34mm 0 3mm 500MPa 55 4 1000N2 卸料力F卸 K卸FK卸 0 05F卸 0 05 55 4 1000N 2770N3 顶出力F顶 K顶FK顶 0 08F顶 0 08 55 4 1000N 4432N选择冲床时的总压力 F总 F F顶 F推 62 6KN4 确定模具压力中心按比例画出工件形状 将工件轮廓线分成L1 L2 L5的基本线段 并选定坐标系xOy 如上图 因工件左右对称 其压力中心一定在对称轴y上 即xc 0 故只计算yc L1 116mm 2 14mm 88mm y1 0L2 6 34 17 mm 102mm y2 1 2 34 17 mm 8 5mmL3 2 7mm 44mm y3 17mm 7sin 2 2 mm 21 4mmL4 2 17 2mm 53mm y4 17mm 17mmsin 4 4 cos 4 mm 27 69mmL5 82mm y5 34mmyc L1y1 L2y2 L3y3 L4y4 L5y5 L1 L2 L3 L4 L5 16 44mm 5 计算凹 凸模的刃口尺寸 通过查表2 10分别得到 间隙值Zmin 0 03 Zmax 0 05 因数x 0 5 对零件图中未注