1冲压工艺与模具设计_第2章_冲裁工艺与模具设计.ppt

第2章冲裁工艺与模具设计,机械工程系邢昌,第2章冲裁工艺与模具设计,本章主要内容：,2.1冲裁变形过程,2.2冲裁模间隙,2.3冲裁件质量及影响因素,2.4凸、凹模刃口尺寸的计算,2.5排样设计,2.6冲裁力和压力中心的确定,2.7冲裁工艺设计,2.8冲裁模的基本类型与构造,2.9冲模主要零件设计及标准选用,2.10精密冲裁简介,2.1冲裁变形过程,本节主要内容：,2.1.1冲裁概述,2.1.2冲裁变形的3个阶段,2.1.3冲裁变形时板料的受力情况,2.1.1冲裁概述,冲裁：利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。,2.1.1冲裁概述,应用：冲裁是冲压工艺中最基本的工序之一，在冲压加工中应用非常广泛。,直接冲出成品零件为弯曲、拉深和成形等制备毛坯对已成形的工件进行再加工,2.1.1冲裁概述,分类：1、按基本工序：落料、冲孔和其它。,a)落料：从板料上沿一定的轮廓冲下所需形状的冲件或工序件。b)冲孔：从工序件上冲出所需形状的孔（冲去部分为废料）。,冲孔动画,落料动画,2.1.1冲裁概述,分类：2、按变形机理：普通冲载和精密冲裁。,普通冲裁是以凸、凹模之间产生剪切裂纹的形式实现板料的分离。精密冲裁是以塑性变形的形式实现板料的分离，冲出的零件断面垂直、光洁，精度高，但一般需要专门的精冲设备及模具。,2.1.1冲裁概述,2.1.2冲裁变形的3个阶段,2.1.3冲裁变形时板料的受力情况,F3，F4模具对材料的横向侧压力，使材料产生横向挤压变形,F1，F2材料受凸、凹模端面的压力，使作用点间的材料产生剪切变形,F3，F4由F3，F4引起的摩擦力，方向与间隙大小有关，一般看作指向刃尖,F1，F2由F1，F2产生的摩擦力,M弯距，由于F1和F2不在同一垂直线上而产生，使材料产生穹弯,2.1.3冲裁变形时板料的受力情况,2.2冲裁模间隙,本节主要内容：,2.2.1冲裁间隙的概念,2.2.2间隙对冲裁工作的影响,2.2.3冲裁间隙值的确定,2.2.1冲裁间隙的概念,冲裁间隙：指冲裁模中凸、凹模刃口之间的空隙。每侧的间隙称为单面间隙，用Z/2表示；两侧间隙之和称为双面间隙，用Z表示。如无特殊说明，冲裁间隙都是指双面间隙。,2.2.1冲裁间隙的概念,冲裁间隙在数值上等于凸、凹模刃口尺寸的差值，即：,2.2.2间隙对冲裁工作的影响,冲裁间隙的大小影响到冲裁时弯曲、拉伸、挤压等附加变形的大小，因而对冲裁工艺影响很大。间隙对冲裁件质量的影响(1.3节详细介绍)间隙对冲裁力的影响（主要影响缷料力、推或顶件力）间隙对模具寿命的影响,2.2.2间隙对冲裁工作的影响,模具寿命通常是用模具失效前所冲得的合格冲件的数量来表示。冲裁模的失效形式有磨损、变形、崩刃、折断和胀裂。间隙大小主要对模具的磨损及凹模的胀裂产生较大影响。,2.2.3冲裁间隙值的确定,一、理论计算法,二、经验确定法（查表法教材表2-1）,2.2.3冲裁间隙值的确定,经验确定法选用合理间隙值的原则：对断面垂直度、尺寸精度要求不高的零件，在保证零件质量的前提下，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，采用较大的间隙值；对断面垂直度、尺寸精度要求较高的零件，应选用较小的间隙值。,2.3冲裁件质量及影响因素,本节主要内容：,2.3.2断面质量的影响因素,2.3.3尺寸精度的影响因素,2.3.4形状误差的影响因素,2.3.1冲裁断面特征及尺寸大小,2.3.1冲裁断面特征及尺寸大小,一、冲裁断面,a、圆角带b、光亮带c、断裂带d、毛刺,二、冲裁件尺寸大小,冲裁件尺寸大小以光亮带尺寸为准。若忽略弹性变形的影响，则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸，而落料件光亮带柱体的尺寸约等于凹模尺寸。,这是计算凸、凹模尺寸的重要依据。,2.3.1冲裁断面特征及尺寸大小,2.3.2断面质量的影响因素,断面的光亮带越宽、断裂带越窄、圆角及毛刺越小，冲裁件的质量就越好。,影响因素：,材料性能（塑性指标）,模具间隙（裂纹取向）,模具刃口锐钝情况（毛刺高度）,导向情况（间隙均匀性）,挤出毛刺：高而薄，易去除，如有后续去毛刺工序仍可继续生产。,拉断毛刺：高而厚，难去除，应及时停止生产。,2.3.2断面质量的影响因素,2.3.2断面质量的影响因素,2.3.3尺寸精度的影响因素,冲裁件的尺寸精度冲裁件实际尺寸基本尺寸,引起冲裁件尺寸偏差的因素：模具本身的制造、磨损引起的偏差冲裁件相对于凸、凹模尺寸的偏差,2.3.3尺寸精度的影响因素,影响因素：,模具制造精度,模具间隙（变形区应力状态）,材料性质及模具结构,材料的相对厚度t/D,冲裁件形状,2.3.3尺寸精度的影响因素,2.3.4形状误差的影响因素,材料在冲裁过程中受到弯曲力偶作用而出现的弯拱现象。,加工硬化指数大的材料，弯拱较大；凹模间隙愈大，弯拱也愈大。,2.3.4形状误差的影响因素,预防和减少弯拱的措施：,2.4凸、凹模刃口尺寸的计算,本节主要内容：,2.4.1计算依据,2.4.2计算原则,2.4.3计算方法,2.4.4应用举例,2.4.1计算依据,冲裁模刃口尺寸的计算依据主要有：冲裁变形规律零件的尺寸精度合理的间隙值磨损规律冲模的加工制造方法,2.4.2计算原则,冲裁模刃口尺寸的计算原则主要有：一、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。二、基准件尺寸在磨损后变大的，其基本尺寸应取工件公差范围内较小的数值；基准件尺寸在磨损后变小的，其基本尺寸应取工件公差范围内较大的数值；新模具的间隙应取最小合理间隙值。三、冲模刃口尺寸的制造公差原则上都应按“入体原则”标注为单向公差，一般凹模公差标注成”+”，凸模公差标注成”-”；但对磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。,2.4.3计算方法,分别规定了凸、凹模的尺寸及公差，分别进行加工制造，凸、凹模尺寸及公差都对间隙有影响。,一、分别加工法,二、配合加工法,先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。,2.4.3计算方法,一、分别加工法,2.4.3计算方法,1、落料,2、冲孔,3、孔心距,注意点：校验该式,应用及特点：适合于形状简单、规则的冲裁件；制造精度高，互换性好；制造周期短；制造困难、成本较高。,2.4.3计算方法,2.4.3计算方法,冲孔件和凸模的关系,二、配合加工法,2.4.3计算方法,1、凸模或凹模磨损后会减小的尺寸（A类）,2、凸模或凹模磨损后会增大的尺寸（B类）,3、凸模或凹模磨损后基本不变的尺寸（C类）,2.4.3计算方法,应用及特点：适合于形状复杂或薄料冲裁件；凸、凹模须对号入座，不能互换；易于保证合理间隙，模具制造更容易；,2.4.4应用举例,例1冲制图示零件，材料为Q235钢，料厚t=0.5mm计算冲裁凸、凹模刃口尺寸及公差。,2.4.4应用举例,例2冲制图示开口垫片，材料为10钢，采用复合模冲裁，料厚为1mm。试计算用配合法加工时冲孔凸模和落料凹模的刃口尺寸及公差。,2.5排样设计,本节主要内容：,2.5.1排样的概念和意义,2.5.2排样方法,2.5.3材料的合理利用,2.5.4搭边和条料宽度的确定,2.5.5排样图,2.5.1排样的概念和意义,排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。合理的排样是提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及模具寿命的有效措施。排样方案是模具结构设计的依据之一。,2.5.2排样方法,有废料排样少废料排样无废料排样,注意三者的比较（冲裁件质量、模具寿命、材料利用率）,一、按材料的合理利用情况,有废料排样,2.5.2排样方法,无废料排样（两工序）,2.5.2排样方法,2.5.2排样方法,按布置方式的主要排样形式,二、按冲裁件在条料上的布置方式,2.5.2排样方法,按布置方式的主要排样形式（续）,2.5.3材料的合理利用,一、材料利用率,冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比，它是衡量合理利用材料的经济性指标。,冲裁废料,2.5.3材料的合理利用,一个进距内的材料利用率,一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率,板料的裁板方法：纵裁、横裁和混合裁。,2.5.3材料的合理利用,二、提高材料利用率的方法,采用合理的排样方法；选用合适的板料规格和合理的裁板方法；利用结构废料冲小零件；在取得设计方同意后，适当改变零件结构形状。,2.5.3材料的合理利用,零件形状不同材料利用情况的对比,2.5.4搭边和条料宽度的确定,排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料称为搭边。搭边的作用：定位补偿定位误差，确保冲出合格零件增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率避免冲裁时毛刺被拉人模具间隙，提高模具寿命,一、搭边,2.5.4搭边和条料宽度的确定,影响搭边值的因素：材料的力学性能材料厚度冲裁件的形状与尺寸送料及挡料方式卸料方式,二、条料宽度的确定,1、有侧压冲裁,2.5.4搭边和条料宽度的确定,2、无侧压冲裁,3、侧刃冲裁,2.5.4搭边和条料宽度的确定,有侧压冲裁动画,2.5.4搭边和条料宽度的确定,条料宽度：,导料板间距：,有侧压冲裁,2.5.4搭边和条料宽度的确定,无侧压冲裁动画,2.5.4搭边和条料宽度的确定,条料宽度：,导料板间距：,无侧压冲裁,2.5.4搭边和条料宽度的确定,侧刃冲裁动画,2.5.4搭边和条料宽度的确定,条料宽度：,导料板间距：,侧刃冲裁,排样图是排样设计的最终表达形式，通常应绘制在冲压工艺规程的相应卡片上和冲裁模总装图的右上角。从排样图应能反映出排样方法、冲件的冲裁方式、用侧刃定距时侧刃的形状与位置、材料的利用率等。,2.5.5排样图,2.5.5排样图,单工序冲裁排样图,2.5.5排样图,复合冲裁排样图,2.5.5排样图,级进冲裁排样图,2.6冲裁力和压力中心的确定,本节主要内容：,2.6.1冲裁力的计算,2.6.2降低冲裁力的方法,2.6.3卸料力及推（顶）件力的计算,2.6.4压力中心的计算,通常所说的冲裁力是指冲裁力的最大值。冲裁力是选用冲压设备、模具设计及强度校核的重要依据。,2.6.1冲裁力的计算,一、冲裁力和凸模行程的关系,理论上冲裁为剪切断裂，所以最大冲裁力可以按板料的抗剪强度来计算：,2.6.1冲裁力的计算,二、冲裁力的计算,F冲裁力（N）L零件的剪切周长（mm）t材料厚度（mm）材料抗剪强度（MPa）K系数，一般取K1.3,原理：凸模做成不同长度，使其工作端面呈阶梯布置，使各凸模的冲裁力最大值不同时出现，从而达到降低冲裁力的目的。适用场合：多凸模冲裁,2.6.2降低冲裁力的方法,一、阶梯凸模冲裁,2.6.2降低冲裁力的方法,阶梯冲裁动画,设计要点：1、将小直径凸模做短2、阶梯高度应大于冲裁断面的光亮带高度3、冲裁力按产生最大冲裁力的那一层凸模来计算4、对称布置,2.6.2降低冲裁力的方法,原理：将凸模或凹模做成斜刃后，就不是全部刃口同时冲裁，而是逐渐切入板料，从而降低冲裁力。适用场合：大型件或厚板冲裁,2.6.2降低冲裁力的方法,二、斜刃冲裁,2.6.2降低冲裁力的方法,设计要点：1、落料时凸模为平刃，凹模为斜刃；冲孔时相反2、斜刃角和斜刃高度H3、对称布置,落料冲孔,2.6.2降低冲裁力的方法,各种斜刃的形式,原理：加热后板料的抗剪强度降低，从而降低了冲裁力。适用场合：厚板或表面质量及精度要求不高的零件冲裁,2.6.2降低冲裁力的方法,三、加热冲裁,2.6.3卸料力及推（顶）件力的计算,卸料力：从凸模上卸下箍着的板料所需要的力。,推件力：将卡在凹模内的板料顺着冲裁方向推出所需要的力。,顶件力：逆着冲裁方向将板料从凹模内顶出所需的力。,模具的压力中心：冲压力合力的作用点。要求：为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线相重合。压力中心计算方法：解析法、图解法、实验法等。,2.6.4压力中心的计算,一、压力中心的概念,1、简单几何图形的压力中心位置1）对称冲件的压力中心，位于冲件轮廓图形的几何中心。2）冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中心。3）冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置，按下式计算：,2.6.4压力中心的计算,二、压力中心的计算方法,2、多凸模模具压力中心位置,2.6.4压力中心的计算,二、压力中心的计算方法,方法：确定多凸模模具的压力中心，是将各凸模的压力中心确定后，再计算模具的压力中心。,3、复杂形状零件模具压力中心位置,2.6.4压力中心的计算,二、压力中心的计算方法,方法：复杂形状零件模具压力中心的计算原理与多凸模冲裁时的计算原理相同。,2.7冲裁工艺设计,本节主要内容：,2.7.1冲裁件工艺性分析,2.7.2冲裁工艺方案的确定,2.7.1冲裁件工艺性分析,一、冲裁件的结构工艺性二、冲裁件质量,2.7.1冲裁件工艺性分析,一、冲裁件的结构工艺性,1、应尽量避免应力集中的结构；2、冲裁件形状应力求简单、规则；3、冲孔孔径不宜过小；4、避免有过长的悬臂和窄槽；5、孔与孔、孔与边缘间的距离不能过小；6、成形件上冲孔时，孔壁与制件直壁间应保持一定距离。,2.7.1冲裁件工艺性分析,冲裁件的结构工艺性,2.7.1冲裁件工艺性分析,二、冲裁件质量,1、尺寸精度应在经济精度（IT11级）范围内；2、断面质量应在规定范围内（表面粗糙度、毛刺高度）；3、材料轧制方向应满足后续加工的需要；4、形位公差应在规定范围内。,2.7.2冲裁工艺方案的确定,工艺路线：,三种工序组合形式的比较,2.7.2冲裁工艺方案的确定,2.7.2冲裁工艺方案的确定,工序顺序安排的基本原则：1、复合冲裁无工序顺序安排2、级进冲裁时：先冲孔，后落料侧刃定距时，侧刃切边安排在前套料由里向外冲裁3、多工序工件采用单工序冲裁时：先落料，后冲孔大小不同、相距较近的孔，先大孔，后小孔,2.8冲裁模的基本类型与构造,本节主要内容：,2.8.1冲裁模的分类,2.8.2冲裁模的结构组成,2.8.3典型冲裁模,2.8.1冲裁模的分类,按工序性质：落料模、冲孔模、切边模等；按工序的组合：单工序模、复合模和级进模；按模具导向方式：开式模、导板模、导柱模等；按模具工作零件所用材料：可分为钢质冲模、硬质合金冲模、锌基合金冲模、橡胶冲模等；,2.8.2冲裁模的结构组成,一、冲裁模的总体结构,冲裁模通常由上模和下模两个部分组成。上模：通过模柄或上模座固定在压力机滑块上，可随滑块上、下往复运动，是冲模的活动部分。下模：通过下模座固定在压力机的工作台或工作台垫板上，是冲模的固定部分。,2.8.2冲裁模的结构组成,上模下模,2.8.2冲裁模的结构组成,二、冲裁模的组成零件,冲裁模零部件,工艺零件,结构零件,工作零件,定位零件,卸料与出件,导向零件,支承与固定,紧固零件,卸料装置,推件装置,顶件装置,凸模,凹模,凸凹模,挡料销,导正销,定位板(销),导料板(销),侧刃,上下模座,模柄,固定板,垫板,导柱,导套,导板,螺钉,销钉,2.8.3典型冲裁模,一、单工序冲裁模,二、复合冲裁模,三、级进冲裁模,2.8.3典型冲裁模,刚性卸料装置（导板）落料模,2.8.3典型冲裁模,弹性卸料装置落料模,2.8.3典型冲裁模,单工序冲孔动画,2.8.3典型冲裁模,单工序落料动画,2.8.3典型冲裁模,二、复合冲裁模,设计难点：如何在同一工作位置上合理地布置好几对凸、凹模。结构上的主要特征：有一个既是落料凸模又是冲孔凹模的凸凹模。优点：生产率高，冲裁件的内孔与外缘的相对位置精度高，冲模的轮廓尺寸较小。缺点：结构复杂，制造精度要求高，成本高。适用：生产批量大、精度要求高的冲裁件。,2.8.3典型冲裁模,复合模结构原理1-推件块2-冲孔凸模3-落料凹模4-卸料板5-凸凹模,2.8.3典型冲裁模,倒装式复合模,2.8.3典型冲裁模,正装式复合模,2.8.3典型冲裁模,倒装式复合模动画,2.8.3典型冲裁模,正装、倒装复合模的比较,2.8.3典型冲裁模,三、级进冲裁模,优点：级进模比单工序模生产率高，减少了模具和设备的数量，工件精度较高，便于操作和实现生产自动化。缺点：轮廓尺寸较大，制造较复杂，成本较高。适用：大批量生产小型冲压件。,2.8.3典型冲裁模,1-冲孔凸模2-落料凹模3-导正销4-卸料板5-导料板6-固定挡料销7-凹模8-始用挡料销,级进模结构原理,2.8.3典型冲裁模,双侧刃定距的冲孔落料级进模,1-内六角螺钉2-销钉3-模柄4-卸料螺钉5-垫板6-上模座7-凸模固定板8、9、10-凸模11-导料板12-承料板13-卸料板14-凹模15-下模座16-侧刃17-侧刃挡块,2.8.3典型冲裁模,矩形侧刃成形侧刃,2.8.3典型冲裁模,用导正销定距的冲孔落料级进模,1-模柄2-螺钉3-冲孔凸模4-落料凸模5-导正销6-固定导料销7-始用导料销,2.9冲模主要零件设计及标准选用,本节主要内容：,2.9.1冲模的标准化,2.9.2工作零件的设计与标准选用,2.9.3定位零件的设计与标准选用,2.9.4卸料与出件装置,2.9.5固定与紧固零件,2.9.6导向零件,2.9.1冲模的标准化,国家标准总局对冷冲模先后制定了中华人民共和国国家标准和机械行业标准。包括：冷冲模模架及其技术条件冷冲模零件及其技术条件14种典型组合形式,2.9.1冲模的标准化,标准模架：标准模架由上模座、下模座、导柱、导套等组成。根据导柱导套的类型、数量和布置方式，可有如下分类：按类型：滑动导向和滚动导向按数量：两导柱和四导柱按布置方式：后侧、对角和中间,2.9.1冲模的标准化,两导柱模架与四导柱模架,2.9.1冲模的标准化,后侧导柱模架,优缺点及应用：送料及操作方便；冲压时易产生偏心，影响模具寿命与工件质量；适用于精度要求不高的中、小型制件；,2.9.1冲模的标准化,中间和对角导柱模架,优缺点及应用：条料宽度受两导柱间距的限制；冲压时不会引起偏心，利于提高模具寿命和工件质量；适用于形状较复杂、精度要求较高的制件；,2.9.1冲模的标准化,典型组合形式：根据模架、导向方式、卸料方式、导料方式、以及工序组合等情况，国家标准规定了14种冷冲模典型组合。典型组合是由模架、凸模固定板、凹模板、卸料装置、导料装置、螺钉、圆柱销等组成。,2.9.1冲模的标准化,冲模标准化的意义：简化模具设计，降低模具成本；缩短设计周期，提高产品竞争力；为模具计算机辅助设计奠定基础。,2.9.2工作零件的设计与标准选用,一、凸模,1、凸模的结构形式2、凸模的固定方法3、凸模长度的计算4、凸模强度和刚度的校核,1、凸模的结构形式,2.9.2工作零件的设计与标准选用,2、凸模的固定方法台肩固定铆接固定粘结剂浇注固定螺钉与销钉固定,2.9.2工作零件的设计与标准选用,2.9.2工作零件的设计与标准选用,圆形凸模,2.9.2工作零件的设计与标准选用,非圆形凸模,2.9.2工作零件的设计与标准选用,镶拼式凸模,2.9.2工作零件的设计与标准选用,护套式凸模,3、凸模长度的计算,2.9.2工作零件的设计与标准选用,采用固定卸料板和导料板时：,当采用弹性卸料板时：,4、凸模强度和刚度的校核凸模一般不需作强度和刚度校核，只有当凸模特别细长时或凸模断面尺寸小而板料厚度大时，才进行凸模的抗弯能力和承压能力的校核。,2.9.2工作零件的设计与标准选用,2.9.2工作零件的设计与标准选用,二、凹模,1、凹模外形结构及其固定方法2、凹模刃口形式3、凹模外形尺寸的计算,1、凹模外形结构及其固定方法,2.9.2工作零件的设计与标准选用,结构整体式镶拼式嵌块式固定方法螺钉直接固定凹模固定板固定,2.9.2工作零件的设计与标准选用,镶接凹模拼接凹模,2.9.2工作零件的设计与标准选用,镶拼凹模的固定方式a)嵌入式b)压入式c)斜楔式,2.9.2工作零件的设计与标准选用,镶拼结构实例,2、凹模刃口形式,2.9.2工作零件的设计与标准选用,直筒形刃口锥形刃口,3、凹模外形尺寸的计算,2.9.2工作零件的设计与标准选用,凹模高度：H=kb（15mm）凹模壁厚：C=（1.52）H（3040mm）,2.9.3定位零件的设计与标准选用,定位零件的作用：用来保证条料的正确送进及在模具中的正确位置。,2.9.3定位零件的设计与标准选用,定位板和定位销的结构形式,外形定位,内形定位,定位板厚度或定位销定位高度应比坯料或工序件厚度大12mm,2.9.3定位零件的设计与标准