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第三篇 冲压模具第8章 冲模结构与设计冲模是冲压生产的主要工艺设备，冲模结构设计对冲压件品质、生产率及经济效益影响很大。因此，了解冲模结构，研究和提高冲模的各项技术指标，对冲模设计和发展冲压技术是十分必要的。8.1 冲模分类及其特点按不同的特征对冲模进行分类，其分类方法主要有：（1） 按冲压工序性质可分为冲裁模、拉深模、翻边模、胀形模、弯曲模。习惯上把冲裁模当作所有分离工序模的总称，包括落料模、冲孔模、切断模、切边模、半精冲模、精冲模及整修模等。（2） 按冲压工序的组合方式可分为单工序模、级进模和复合模。1） 单工序模 在压力机一次冲压行程内，完成一道冲压工序的模具。2） 级进模 在压力机一次冲程内，在模具不同工位上完成多道冲压工序的模具。3） 复合模 在压力机一次行程内，在模具一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。表8-1 三种模具的简单比较模具项目简单模级进模复合模外形尺寸复杂程度工作条件生产效率工件精度模具成本模具加工设备能力生产批量小简单不太好低低低易小中小批量为主大较复杂好最高高高难大中复杂较好高最高高难中以大批量为主三种模具的简单比较如表8-1。（3） 按模具的结构形式，根据有无导向装置和不同的导向装置形式可分为无导向的开式模、有导向的导板模、导筒模、导柱模等；根据挡料或定位方式可分固定挡料销、活动挡料销、导正销和侧刃定距冲模；根据卸料方式可分为带刚性卸料板和带弹性卸料板的冲模。（4） 按进料、出件及排除废料方式可分为手动模、半自动模、自动模。（5） 按模具零件组合通用程度可分为专用模（包括简易模）和组合冲模。（6） 按凸、凹模材料可分钢模、硬质合金模、钢结硬质合金模、聚氨酯模、低熔点合金模等。（7） 按模具轮廓尺寸可分为大型模、中型模、小型模等。8.2 冲模零部件分类及功能各种类型冲模复杂程度不同，所含零件各有差异，但根据其作用都可归纳为如下五种类型：（1） 工作零件工作零件直接使被加工材料变形、分离，而成为工件，如凸模、凹模、凸凹模等。（2） 定位零件定位零件控制条料的送进方向和送料进距，确保条料在冲模中的正确位置，有挡料销、导正销、导尺、定位销、定位板、导料板、侧压板和侧刃等。（3） 压料、卸料与顶料零件压料、卸料与顶料零件包括冲裁模的卸料板、顶出器、废料切刀、拉深模中的压边圈等。卸料与顶料零件在冲压完毕后，将工件或废料从模具中排出，以使下次冲压工序顺利进行；拉深模中的压边圈的作用是防止板料毛坯发生失稳起皱。（4） 导向零件导向零件的作用是保证上模对下模相对运动精确导向，使凸模与凹模之间保持均匀的间隙，提高冲压件品质。如导柱、导套、导筒即属于这类零件。（5） 固定零件固定零件包括上模板、下模板、模柄、凸模和凹模的固定板、垫板、限位器、弹性元件、螺钉、销钉等。这类零件的作用是使上述四类零件联接和固定在一起，构成整体，保证各零件的相互位置，并使冲模能安装在压力机上。8.3 冲模主要零部件结构设计8.3.1 工作零件（1） 凸模a)凸缘固定方式 b）铆接固定方式 c)、d）、e）、f）、g）螺钉固定方式h）环氧树脂固定方式 i）钢球固定方式 j）定位销固定方式 k）小孔冲裁凸模固定方式1垫板；2凸模板；3侧向螺钉；4环氧树脂；5弹簧；6钢球；7推钢球孔；8凸模板或凸模座；9定位销；10固定螺栓；11凸模套；12针状凸模；13挡销图81 凸模的固定形式1） 凸模结构型式与固定方法 图81列举了若干种凸模固定方法。常见的圆形凸模结构及固定方法如图8-1a所示。为了增加凸模的强度和刚度，凸模做成台阶式，用固定板固定，台阶处圆滑过渡，以避免应力集中。小端是工作部分，其尺寸和公差根据工作尺寸和制造方法确定。中间台阶与凸模固定板过渡配合（H7/m6）。最大台阶是用其台肩保证凸模在卸料时不被拉出。这种凸模一般用于d=830mm。冲d=18mm的小圆孔凸模，可以采用图8-1b所示的结构和固定方法。固定部分做成直通式，淬火时尾端回火，装配后铆开磨平。容易损坏的凸模可做成快换式凸模结构，其结构和固定方法如图8-1f、g所示。为了便于更换，凸模的固定部分采用间隙极小的间隙配合（H7/h6）。在厚板上冲小孔时，细小的凸模受力较大，容易折断。为了提高凸模的抗纵向弯曲能力，可将小凸模装在护套里，然后再将护套固定在凸模固定板上。这种凸模叫做护套式凸模，其结构如图8-1k所示。冲大圆孔或落料大件用的凸模，可采用图8-2所示的结构。它采用窝孔定位，窝孔与模板或凸模为过渡配合，再用螺钉紧固。为了减少磨削加工面积，凸模外圆的非工作部分要车小，端面加工成凹坑形式。大圆凸模也可以采用镶块式结构，如图83所示。镶块采用工具钢制造并进行热处理。同样，为了减少凸模的磨削面积，将其中部挖成空心。镶块镶嵌在凸模固定座上，中间用螺钉紧固，然后再将凸模固定座用螺钉和销钉紧固在模板上。 1薄刃口凸模；2凸模 本体；3凸模固定板 图85 非圆凸模的圆柱形固定 图86 非圆凸模的长方图84 薄刃口组合圆凸模 形固定 1模板；2凸模 1凸模固定座；2凸模镶块 图82 大圆凸模 图83 镶块式凸模还有一种薄刃口组合圆凸模，如图84所示。它由刃口部分1和本体部分2组成。相互之间采用螺钉或其他连接方式紧固。刃口部分材料与一般凸模相同；本体部分用普通材料，如Q235钢。本体部分可不进行热处理。对于非圆形凸模，为了便于加工和装配，通常将其固定部分做成圆柱形（图85）或长方形（图86）。如果非圆形凸模的固定部分采用圆柱形，则应有防止转动的结构，如图87中的止动销钉，或采用止动面。具有复杂外形的凸模应设计成直通式（图88），以便于成形磨削或线切割加工，采用铆接固定方式。如凸模横断面足够大，可采用图89所示的固定方式。较小的凸模、冲多孔的凸模或冲薄板的凸模除用机械固定外，还可采用低熔点合金固定（图810）或环氧树脂粘结固定（图81h）。这两种固定方法不如机械固定法的紧固强度高，但可使模具制造和装配大为简化。其方法是在固定板与凸模连接处留有空槽，装配时，将凸模与凹模的间隙调整好，然后在空槽中灌注低熔点合金或环氧树脂，冷却后即可把凸模紧固住。图810 低熔点合金浇注固定 图87 防止凸模转动的止动销 图88 直通式凸模 图89 大断面直通式凸模的固定2） 凸模长度的确定 凸模长度一般根据模具结构来确定。采用固定卸料板和导尺的模具结构时（图811），其凸模长度用下列公式计算：图811 凸模长度的确定L=h1+h2+h3+h4+h （81）式中 L凸模长度，mm；h1凸模固定板厚度，mm；h2卸料板厚度，mm；h3导料板厚度，mm；h4凸模进入凹模的深度(0.51mm)；h 附加长度，包括凸模的修磨量及模具闭合状态下卸料板到凸模固定板之间的安全距离等。一般取h1520mm。3） 凸模强度校核 凸模长度确定后，一般不做强度校核，但对于细长的或冲厚料的凸模，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核。a. 承压能力的校核 冲裁时，凸模承受的压应力应小于或等于凸模材料的允许压应力： 对圆形凸模，由上式可得： （8-2）对于其他各种断面的凸模： （8-3）式中 凸模最小直径，mm； 料厚，mm； 材料抗剪强度，MPa；F 冲裁力，N；Amin凸模最小截面积，mm2；凸模材料的许用压应力，MPa。b. 凸模抗弯能力的校核 根据模具结构特点，可分为无导向装置和有导向装置的凸模（见图812）进行校核。凸模无导向装置时，对于圆形凸模 （84）对于其他各种断面的凸模 （85）凸模有导向装置时，对于圆形凸模 （86）对于其他各种断面的凸模 a) 无导向 b) 有导向图812 无导向和有导向凸模 （87）式中 Lmax凸模不失稳弯曲的最大自由长度，mm；d凸模的最小直径，mm；F冲裁力，N；I凸模最小断面的惯性矩，mm4。（2） 凹模1） 凹模的结构形式与固定方法 常见的凹模结构形式有整体式凹模和组合式凹模两种形式。图813所示为整体式凹模结构，其俯视外形按毛坯和工件形状可做成矩形或圆形，用螺钉和销钉直接固定在模板上。整体式凹模特点是制造简单，但工作部分与非工作部分做为一体，全由优质钢制造，使用时，若局部损坏就得整体更换。因此，整体式凹模只适用于冲制中小型工件。图814所示为组合式凹模结构。凹模工作部分与非工作部分是分开制成的，非工作部分（图中凹模套1）可以用普通钢材制造。凹模2以过渡配合压装在凹模套1内，然后再用螺钉和销钉把凹模套紧固在模板上。组合式凹模可以节约贵重的模具材料，且当凹模损坏后易于维修更换。这种凹模适用于冲制大、中型工件上的小孔。图815 凹模刃口形式 1凹模套；2凹模 图813 整体式凹模 图814 组合式凹模2） 凹模的刃口形式 如图815所示为凹模刃口常见的几种形式。图中a、e为直壁形，刃口强度高，刃磨后工作尺寸不变，制造方便。但是在孔内易积存工件或废料，增大了凹模胀力、推件力和孔壁的磨损；磨损后每次修磨量大，凹模总寿命较低。该形式的凹模刃口内可安装压料板，向上顶出工件或废料，适用于冲裁精度较高、厚度较大的工件。a适用于圆形或矩形工件；e适用于形状较复杂的工件。b、c、d的刃口为锥形，孔内不易积存工件或废料，孔壁所受的胀力、摩擦力小，所以凹模磨损及每次刃磨量小，但刃口强度较低，且刃口尺寸在修磨后略有增大。一般用于形状简单、精度要求不高和较薄的冲裁件。c适用较复杂的冲裁件；d用于冲裁薄料和凹模厚度较薄的情况。f为凸台式凹模，适用于冲裁软而薄的金属与非金属材料。凹模孔型的直壁高度（h）、斜度角（和）与工件的材料厚度和加工方法有关，其数值见表82。表8-2 凹模孔型参数t/mm主要参数备 注h/mm6.08303o3） 凹模外形尺寸的确定 凹模外形尺寸应保证有足够的强度和刚度。由于凹模的结构型式不一，受力状态又比较复杂，一般根据冲裁件尺寸和板料厚度，按下列经验公式确定外形尺寸（见图816）。凹模高度 H=Kb （15mm） （88）凹模壁厚（刃口到外边缘的距离）C=(1.52.0)H （3040mm） （89）式中 b冲裁件最大外形尺寸，mm；K考虑坯料厚度影响的系数，其值可参考表83。）键、楔固定 ）垫片、楔固定 ）热压配合 ）键固定）止口和横向螺栓固定 ）低熔合金和斜楔固定图817 凹模镶块及固定方法表8-3 系数K值t/mmb/mm0.512332000.30.20.150.10.350.220.180.120.420.280.20.150.50.350.240.180.60.420.30.22注：t为厚度图816 凹模外形尺寸上述方法适用于确定普通工具钢经过正常热处理，并在平面支撑条件下工作的凹模尺寸。用于大批量生产条件下的凹模，其高度应该在计算结果中增加总的修磨量。（3） 镶拼结构式组合凹模大、中型和形状复杂、局部薄弱的整体凹模，往往给锻造、机械加工或热处理带来很大困难，当它局部磨损后又会造成整个凹模报废。为此，常采用镶拼结构式组合凹模。镶拼结构一般有拼接与镶接两种。拼接是将整体凹模块分割成若干块拼接起来；镶接则是将局部形状分割出再镶入。图8-17所示为镶拼结构的几个例子。镶拼结构设计的一般原则为：1）便于加工制造，减少钳工工作量，减少热处理变形。具体办法是：a. 尽量将形状复杂的内形分割后变为外形加工，以便于机械加工和成形磨削；同时，拼块断面可以做得较均匀，以减小热处理变形，提高模具制造精度。b. 如有对称轴线，应沿对称轴线分割，对于圆形件应尽量沿径向线分割。这样形状、尺寸相同的分块可以同时加工磨削，并便于装配紧固。c. 沿转角、尖角分割，拼块角度应90，以便于机械加工，并避免热处理开裂。d. 圆弧单独做成一块，拼接线应在离切点47mm的直线处。大弧线、长直线可以分为几块，拼接线要与刃口垂直。结合面接触处不宜过长，以减少磨削量，一般为1215mm。2）便于维修更换与调整a. 比较薄弱或易磨损的局部凸出或凹进部分，单独做成一块。b. 拼块之间可以通过增减垫片或磨接合面的方法，以调整间隙或中心距。3）满足冲裁工艺要求a. 如果凸模与凹模都采用镶拼结构，凸模与凹模的拼接线应错开35mm，以避免产生冲裁毛刺。b. 大型或厚料冲裁件的镶拼模，为减小冲裁力，可以将冲孔凸模或落料凹模做成波浪形斜刃，如图8-18所示，斜刃要对称，分块线一般取在波浪的高点或低点，每块最好取一个或半个波形，以便于加工制造。 图818 斜刃冲裁模的镶拼结构 图819 框套螺钉紧固示意图图820 用斜楔紧固镶块镶块或拼块的固定可以采用热套、锥套、框套、螺钉销钉紧固以及低熔点合金和环氧树脂浇注等方法。采用螺钉销钉固定时，螺钉布置应接近刃口而销钉则远离刃口，两者参差排列，每块镶块应以两个销钉定位。还有一种框套螺钉紧固法，多用于中小镶块。螺钉通过框套将镶块拉紧或顶紧，使镶块间紧密配合，如图819。图8-20所示为用于两半对合的镶块模的双斜楔紧固方式。图8-21所示为螺钉销钉紧固方式，一般用于大、中型镶块模上。图中a用于冲压料厚t1.5mm的零件，b增加了止推键，用于冲压料厚t1.52.5mm的零件，c采用了窝槽形式，用于冲压料厚t2.5mm的零件。镶拼式组合凹模具的优点有：每个拼块可以磨削，刃口尺寸和模具间隙可以得到精确控制；冲模制造精度高，使用寿命长；分块后消除了应力集中，断面均匀，减少或消除热图821 用螺钉与销钉紧固镶块处理的内应力、变形与开裂；便于维修与更换损坏部分，减少模具制造与维修费用，节约模具钢；凹模分块后，可以用小设备加工大模具。其缺点是拼块尺寸精度高，加工工艺复杂；装配和调整也比整体结构复杂。）低熔点合金、螺钉或销钉固定 ）六角螺钉、矩形键固定）压入配合固定 ）止动螺钉固定 ）套筒式键固定图822 小孔筒状凹模结构及安装冲小孔凹模采用镶嵌筒状凹模，为使废料顺利落下，废料孔采用阶梯扩大。筒状凹模的安装采用螺钉或键连接，或用凸缘压接，必须注意对其定位止转。小孔筒状凹模的结构及安装方法如图822。采用螺钉、销钉固定时，要保证凹模有足够的强度。螺孔之间、螺孔与销孔之间及与刃口边之间最小距离可参考表84。表84 螺孔、销孔之间及至刃口边的最小距离 mm 螺 钉 孔M4M6M8M10M12M16M20A淬 火不淬火86.510812101411161320162520B淬 火7121417192428C淬 火不淬火53销 钉 孔46810121620D淬 火不淬火7496117128151016132016（4） 凸凹模复合模中的凸凹模内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸，它不像一般凹模那样可以将外缘轮廓尺寸扩大，所以从强度考虑，壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚受冲模结构影响：凸凹模装于上模（正装复合模）时，内腔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；凸凹模装于下模（倒装复合模）时，直壁型孔内积存废料，胀力大，最小壁厚要大些。凸凹模的最小壁厚值一般按经验数据确定。不积存废料的凸凹模的最小壁厚：对冲制黑色金属和硬材料，约为工料厚的1.5倍，但不小于0.7mm；对冲制有色金属和软材料，约等于工件料厚，但不小于0.5mm。积存废料的凸凹模的最小壁厚(a)和最小直径(D)可参考表85的选用。 表85 凸凹模最小壁厚 mm t0.4.0.50.60.70.80.91.01.21.51.75a1.41.61.82.02.32.52.73.23.84.0D151821t2.02.12.52.753.03.54.04.55.05.5a4.95.05.86.36.77.88.59.310.012.0D212528323540458.3.2 定位零件（1） 定位板和定位销一般用于对单个毛坯的定位，其主要形式如图823所示。图823 定位板与定位销1） 工件外形简单时，应以外缘定位，外形复杂时以内孔定位；2） 定位要可靠，放置毛坯和取出工件要方便，确保操作安全；3） 对于形状不对称的工件，定位板要有鲜明的方向性（如图824），以防止出现废品或由于操作不当而引起事故。4） 若工件须经几道冲压工序完成时，各套冲模应尽可能利用工件上同一个定位基准，以避免累积误差。表86 定位销头部高度h板料厚度t/mm11335h/mmt+2t+1t图825 分离式和整体式导料板图824 定位板的方向性定位板应有两个销钉固定以防止移动。定位板或定位销与毛坯件的配合一般按H9/f9配合。定位板或定位销头部高度h值，可按表86选取。（2） 导料销和导料板导料销结构简单，制造容易，多用于简单模或复合模。在条料的同一侧设置两个固定导料销，保持条料沿导料销一侧送进，即可保证条料正确的送进方向。为了保证条料在首次或末次冲裁时的送料方向正确，可专门设置一活动导料销。导料销也可以压装在凹模上。采用导料销导料时，条料宽度可按有侧压装置的公式计算。导料板导料适用简单模和级进模。条料沿导料板送进保证送进方向。导料板与导板（卸料板）可以分开制造，如图825a、b所示。也可以制成整体的，如图825c所示。整体式导料板用于条料宽度小于60mm的小型模具。为使条料顺利通过，两导料板之间距离应该等于条料最大宽度加上双边间隙值。导料板高度（H）与条料厚度（t）、挡料销高度（h）及挡料方式有关，其数值可参考表87选取。 表87 导料板的厚度 mm thH固定挡料销自动挡料或侧刃0.32.02.03.03.04.04.06.06.010.0344586881010121215152548686108101015如果条料宽度尺寸公差较大，为了节省板材和保证冲压件品质，应在进料方向一侧装侧压装置，迫使条料始终紧靠另一侧导料板送进。图826所示为常用的几种侧压装置形式。）簧片式 ）弹簧压块式 ）压板式 ）双压板式 ）簧片压块式图826 常用的侧压装置簧片和簧片压块式侧压结构简单，但侧压力小，常用于料厚1mm以下的薄料，簧片数量视具体情况而定。弹簧压块式侧压力较大，适用于冲裁厚料，一般设23个。板压式侧压力大，且均匀，但一般只限于装在进料口，如果冲裁工位多，则在末端起不到侧压作用。双压板式能保证条料中心位置不变，不受条料宽度公差影响，常用于无废料排样，但其结构较为复杂。料厚小于0.3mm或自动送料时，不宜采用侧压装置。有侧压装置时，导