冷冲压工艺及模具设计教程-冲裁模设计

裁模设计 2章 冲 裁 模 冲裁模设计基础 冲裁模设计应用 冲裁模设计基础 冲裁变形原理 冲裁件的质量分析 冲裁工艺分析 冲裁模的分类 排样 计算冲压力 冲压设备的选择 确定模具压力中心 冲裁模刃口尺寸计算 凸模、凹模的结构设计 定位零件 导向零件 卸料与顶件装置 连接与固定零件 冲裁变形原理 在冲裁过程中，凸模与凹模的刃口轮廓与制件相同。凸、凹模之间有一定的间隙。当凸模下冲时，将在凸、凹模之间的毛坯板料冲裁成制件。为了控制冲裁件的质量，研究冲裁的变形机理，就需要分析冲裁时板料分离的实际过程。图 形过程大致可分为三个阶段。 (1) 弹性变形阶段 (2) 塑性变形阶段 (3) 分离阶段 图 板料被冲裁过程 (a)弹性变形阶段； (b)塑性变形阶段； (c)分离阶段 冲裁件的质量分析 1. 尺寸精度 冲裁件的形状尺寸精度在很大程度上取决于冲模的制造精度。冲模的精度愈高，冲裁件的精度愈高。 2. 断面质量 冲裁间隙对于断面质量起决定性的作用。在具有合理间隙的冲裁条件下，冲裁件所产生的初始裂纹将重合，可得正常的冲裁件断面质量。 当间隙过大或过小时，上、下裂纹便不能重合。如果间隙过大，如 图 2.4(a) 所示，使凸模产生的裂纹向内偏移。板料受拉伸、弯曲，剪切断面塌角变大，光亮带变窄，断裂带变宽，锥度增加，冲裁件将产生穹弯。如果间隙过小，如 图 2.4(b) 所示，会使凸模产生的裂纹向外偏移。通常允许存在一定大小的毛刺。 图 间隙和表面质量的关系 (a)间隙过大； (b)间隙过小 冲裁工艺分析 1. 冲裁件的形状和尺寸要求 2. 冲裁件的精度与断面粗糙度 1. 冲裁件的形状和尺寸要求 (1) 冲裁件的形状应尽可能简单、对称。 (2) 冲裁件的凸出悬臂和凹槽的宽度不宜太小，以免凸模折断，其合理值见 表 (3) 冲裁件的外形或内形的转角处，要避免尖角出现。 (4) 冲孔时，由于受到冲孔凸模强度的限制，孔的尺寸不宜过小。冲孔的孔径尺寸与孔的形状、材料的机械性能、材料厚度等有关， (5) 冲裁件的孔与孔之间，孔与边缘之间的距离不应过小，否则模具的强度和冲裁件的质量不能保证， (6) 在弯曲件或拉深件上冲孔时，为了避免冲孔时使凸模受水平推力而折断，其孔边与制件直壁间应保持一定的距离， 表 冲裁件的凸出悬臂和凹槽的最小宽度 B( 材料 B 硬钢 黄铜、软钢 紫铜、铝 (.0)t (.2)t (.9)t 2. 冲裁件的精度与断面粗糙度 (1) 冲裁件的经济精度一般不高于 高可达孔比落料的精度约高 1级。冲裁件的尺寸公差、孔中心距的公差及孔对外缘轮廓的偏移公差分别见表 (2) 冲裁件的断面粗糙度一般为 最高可达高 冲裁件内外形所能达到的经济精度 基本尺寸 / 料 厚 度t/3 3 6 6 10 10 18 18 500 1 2 3 5 两孔中心距公差 材料厚度t/般精度 较高精度 孔距基本尺寸 /50 50 150 150 300 50 50 150 150300 1 1 2 2 4 4 6 孔中心与边缘距离尺寸公差 材料厚度t/中心与边缘距离 /50 50 120 120 220 220 360 2 2 4 4 冲裁模的分类 (1) 按工序的性质可分为落料模、冲孔模、切断模、切口模、剖切模、切边模等。 (2) 按工序的组合方式可分为单工序的简单模和多工序的连续模、复合模以及连续复合模。 (3) 按模具上、下模的导向方式可分为无导向的开式模和有导向的导板模、导柱模、滚珠导柱模、滚柱导柱模等。 (4) 按控制送料步距的方法可分为固定挡料销式、活动挡料销式、自动挡料销式、导正销式、侧刃式等。 (5) 按凸、凹模的材料可分为碳素工具钢冲模、合金工具钢冲模、硬质合金冲模、锌基合金冲模、橡皮冲模、聚氨酯橡胶冲模等。 (6) 按凸、凹模的结构形式可分为整体模与拼块模。 (7) 按凸、凹模的位置形式可分为正装模和倒装模。 (8) 按模具的卸料方法可分为刚性卸料模和弹性卸料模。 排样 1. 排样的方式 几种常见的排样方式见 表 2. 材料的利用率 排样时，在保证制件质量的前提下，主要考虑如何提高材料的利用率。材料利用率的计算公式如下： 一个进距的材料利用率的计算见式 ( 3. 搭边 排样时制件之间，以及制件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。搭边的作用是补偿条料的定位误差，保证冲出合格的制件。搭边还可以保持条料有 定的刚度，便于送料。 %1 00 排样方式 h h b b 直 排 斜排 b b h h 直对排混合排 b b h h 少废料 无 废 料 计算冲压力 1. 冲裁力的计算 采用平刃口凸模和凹模冲裁时，其冲裁力的计算见式 ( 2. 卸料力、推件力和顶件力的计算 如 图 影响卸料力、推件力和顶件力的因素很多，主要有材料的机械性能、材料厚度、冲裁间隙、制件结构形状和尺寸以及润滑情况等。在生产中，都是采用简单的经验公式来计算： 3. 冲裁工艺力的计算 0冲卸卸 冲推推 冲顶顶 图 卸料力、推件力和顶件力 推卸 冲压设备的选择 1. 冲压设备类型的选择 根据所要完成的冲压工艺的性质，生产批量的大小，冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择设备的类型。 2. 冲压设备规格的确定 在冲压设备的类型选定之后，应该进一步根据冲压件的尺寸、模具的尺寸和冲压力来确定设备的规格。 确定模具压力中心 对称形状制件冲模的压力中心，位于制件轮廓图形的几何中心上，非对称制件的冲模以及多凸模、连续模的压力中心可用解析法予以确定。 解析法采用空间平行力系的合力作用线的求解方法，根据“合力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和”的合力矩定理求得。 图 略 图 卸料力推件力顶件力 冲裁模刃口尺寸计算 1. 尺寸计算原则 生产实践证明：由于凸、凹模之间存在着间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度，落料件的大端尺寸等于或接近于凹模刃口尺寸，冲孔件的小端尺寸等于或接近于凸模刃口尺寸。如 图 2. 刃口尺寸计算方法 根据上述原则，就可确定凸、凹模的刃口尺寸及公差。但由于模具的加工和测量方法不同，在进行具体计算与尺寸公差标注时，其方法也不同，通常按下述方法进行。略 3. 冲裁间隙 冲裁间隙是指冲裁凸、凹模之间工作部分的尺寸之差。如无特别说明，冲裁间隙即指双边间隙。 图 刃口尺寸与冲件尺寸的关系 凸模尺寸凹模尺寸单面间隙冲孔 件尺寸落料 凸模、凹模的结构设计 1. 凸模设计 凸模又称冲头，是冲模的关键零件之一，凸模本身按其作用又可分为工作部分 (即刃口 )和固定部分，如 图 2. 凹模设计 3. 凸凹模 4. 镶拼式凸模与凹模 图 凸模 定位零件 1. 挡料销 挡料销的定位面抵住条料的前搭边或制件内廓的前 (后 )面，使条料送进步距准确。 2. 导正钉 导正钉亦叫导正销，在连续模中安装在落料凸模上。落料前由于它先插入已冲出的内孔中而获得制件良好的内孔定位，这时冲模上安装的固定挡料销，仅对条料起粗略定位的作用。 3. 侧刃 在连续模中若采用导正钉精确定位有困难时，可改用侧刃定位。侧刃定位主要用于板料厚度小于 种结构的定位元件的特点是步距定位精度高，操作方便，生产效率高，缺点是造成一定的板料消耗和增大冲裁力。 4. 导尺 导尺有分离式和整体式，如 图 图 导尺 (a)分离式； (b)整体式 导向零件 1. 导板 在导板模中，以导板对凸模导向，此时导板又兼作卸料板之用。导板的厚度可取凹模厚度的 1倍，长宽尺寸与凹模相同。导板用材料为 5钢。 2. 导柱、导套 (1) 滑动导柱、导套 (2) 滚动导柱、导套 滚动导向装置的导向是由无间隙的纯滚动副来实现的，因而与滑动式导向装置相比，其导向精度高、摩擦力小、发热量小，但刚度差，因而使用范围受到一定限制。如 图 图 滚动导向装置 卸料与顶件装置 1. 卸料与顶件装置的型式 2. 推 (顶 )件装置 推 (顶 )件装置多在复合模中采用，通过它的动作将卡在凹模内的制件或废料推 (顶 )出来。其结构如 图 3. 卸料机构中关系冲裁的计算 4. 弹性元件的选用与计算 图 打杆的长度 连接与固定零件 1. 模柄 2. 上模板和下模座 它们是冲模全部零件安装的基体，又承受和传递冲压力，因此它要具有足够的强度、刚度和足够大的外形尺寸。上、下模板 (座 )有带导柱和不带导柱两种。 常用标准模架的型式，如 图 图 常用标准模架 冲裁模设计应用 无导向的开式简单冲裁模设计实例 导板式落料模 导柱式落料模 连续模 正装复合模 倒装复合模 拼块式落料模 厚料冲孔模 小孔冲裁模 悬臂式冲孔模 两同心件落料模 硬质合金冲裁模 棒料切断模 非金属冲裁模 精密冲裁模 无导向的开式简单冲裁模设计实例 1. 模具结构简介 无导向开式简单冲裁模结构如 图 2. 设计实例 材料为 料厚度 3批量生产。 (1) 冲裁件工艺分析 (2) 排样 (3) 计算冲压力 (4) 冲压设备的选择 (5) 确定模具压力中心 (6) 冲裁模刃口尺寸计算 (7) 凸模、凹模的结构设计 (8) 冲裁模具总图 图 无导向简单冲裁模结构 模柄凸模凹模卸料板定位板底座工件(a)无导向开式简单落料模； (b)无导向开式简单落料模爆炸图 导板式落料模 带固定挡料销的导板式落料模结构如 图 具的上模部分由模柄、上模座、垫板、凸模固定板和凸模组成。模柄与上模座采用过盈配合。上模座、垫板、凸模固定板由销钉定位、螺钉固定。凸模和凸模固定板采用过盈配合，凸模尾部铆接在固定板上，随后一起磨平。垫板由高硬度钢材制成，用以承受和分散凸模压力，以免上模座被压出凹坑而使凸模上下松动。 图 导板落料模结构图 挡料钉板料铆边(c)导板落料模平面图 导柱式落料模 对于精度要求较高，生产批量较大的冲裁件，多采用导柱冲裁模。导柱冲裁模的凸、凹模刃口由导柱、导套进行精确导向定位。导柱式落料模的结构如 图 套与上模座过盈配合，导柱与下模座过盈配合。导柱与导套之间为间隙配合，配合公差通常采用 H6/7/模具采用后置式导向方式，优点是有较大的操作空间。该模具采用了弹性卸料装置，由卸料板、弹簧与卸料螺钉组成。 图 柱落料模结构图 (a)导柱落料模轴侧图 连续模 连续模 (又称级进模、跳步模 )指的是压力机在一次冲压行程中，在几个不同的工位上同时完成多道工序的冲裁的冲模。下面以用侧刃定距的连续模为例来介绍。侧刃定距连续模的结构如 图 凸模固定板上，除装有一般的冲孔、落料凸模外，还装有一种特殊的凸模 侧刃凸模。侧刃断面的长度等于送料步距。在压力机的每次行程中，侧刃在条料的边缘冲下一块长度等于步距的缺口。侧刃凸模前后导料板之间前宽后窄，在由宽变窄的过渡处形成一个凸肩，与条料缺口凸肩相接处，起定位作用。当侧刃切去一个步距长度缺口时，条料便可向前送进一个步距，从而保证了孔与外形相对位置。为防止在条料末端无法定位，也可采用双侧刃冲裁定位方式。 图 侧刃定距连续模结构 板料冲孔刃口凹模下模座步距冲裁刃口落料刃口导料板导板凸模固定板垫板上模座(b)连续模爆炸图 正装复合模 复合模是多工序冲模中的一种。它可在压力机的一次冲压行程中，在同一位置上，同时完成几道工序冲压的冲模。它不存在连续模中的送料定位误差问题。由于复合模要在同一位置上完成几道工序，因此它必须在同一位置上安装几套相对应的凸、凹模。在模具的下模，外面装有落料凹模，里边装有冲孔凸模；而在上模，装着凸凹模 (这是在复合模中必不可缺的零件 )。 冲孔落料正装复合冲裁模的典型结构如 图 裁时，上模部分由压力机横杆通过推件系统推出冲孔废料，冲裁件由安装在下模座下的弹顶装置将其在落料凹模中由下向上顶出。 图 正装复合模结构图 (d)正装复合模平面图 倒装复合模 冲孔落料倒装复合冲裁模的典型结构如 图 模部分有落料凹模与冲孔凸模，通过冲孔凸模固定板、垫板由销钉定位、螺钉固定装在上模座上。凸凹模通过凸凹模固定板、垫板装在下模座上。采用导柱导套导向，导柱布置在两侧。为防止装反，两个导柱的直径不同。为了推件与卸料，上模装有由推杆、推板、推杆与推件板组成的刚性系统。下模装有由卸料板、卸料螺钉与橡皮组成的弹性卸料系统。弹性卸料板对条料起校平作用。冲裁时，落料凹模将弹性卸料板压下，冲孔凸模也进入冲孔凹模孔中，同时完成冲孔与落料。当上模回程时，弹性卸料板在橡皮作用下将条料从凸凹模上卸下，而推杆受到横杆的推动，通过推板、推杆与推件板将冲件从落料凹模中推出，冲孔废料由凸凹模孔中漏出。条料的定位依靠左侧的两个活动导料销，中间的一个活动挡料销控制送料位置。两种销的结构完全相同。这种导料与挡料的方法在复合模中的应用较多，它不影响弹性卸料板对条料的压平作用。 图 倒装复合模结构图 (a)倒装复合模轴侧图 拼块式落料模 1. 拼块模具的特点及其应用 2. 拼块方法 图 拼接法 3. 拼块划分原则 4. 拼块模具实例 图 拼接法 厚料冲孔模 本冲模适合于冲制厚度在 6构如 图 特点是具有锥尾的凸模由螺母紧固在固定座上。用这种方式固定凸模较为可靠，拆卸、更换非常方便。由于凸模头部带凸尖，对冲裁具有自动导向和定位效果，可以起到减少凸模折断的作用。定位板可在固定板上调整到合适位置后由螺栓和螺母固定。当需要移动时，由定位板上的柱销在固定板中槽内导向。废料经由压力机台面孔排出。 图 厚料冲孔模结构图 小孔冲裁模 1. 小孔冲裁的特点 冲小孔已不像冲一般孔那样是一个以剪切为主的受力、变形状态，而主要是通过凸模将材料挤压到凹模孔内。 小孔冲裁对孔边距要求更高。 小孔冲裁的间隙较小，其双面间隙一般在 (t。 小孔冲裁时，在孔周围施加较大的预压力。 小孔冲裁的卸料也增加了难度 2. 小孔冲模实例 小孔冲模的结构特点主要是保护凸模不被折断。通常采用凸模全长导向方式，或采用超短凸模方式。 对凸模采用全长导向的小孔冲模结构如 图 图 对凸模采用全长导向的小孔冲模结构 凸模固定板夹持板固定护套凸模导套压料板活动 悬臂式冲孔模 该模具用于冲裁筒形拉深件筒壁上的孔。孔按圆周均布。筒形拉深件由内壁与定位柱径向定位，轴向由定位螺钉定位。当冲完第一个孔时，由这个孔在圆周方向上用分度定位销定位，再冲第二个孔。凸模采用快换固定方式。橡胶的作用是，当冲孔结束后凸模退回时，压住工件，以防被凸模带起导致工件变形。模具结构简单，如 图 合于小批量生产。 图 悬臂式冲孔模结构图 两同心件落料模 同时冲两个同心件的复合模结构如 图 两个同心件的尺寸是相互嵌套的，外件的孔径为内件的外径。用复合模冲两个同心件，由于采用两个套裁，因此需要两套凸模和凹模。该模具显示了在同一位置上布置多套凸模和凹模的结构特点，它采用了套筒式的嵌套形式。凸模和凹模的布置：上模外圈装凸凹模，内装凸模。下模外圈装凹模，内装凸凹