第二章 冲裁工艺与冲裁模具设计.ppt

第2章冲裁工艺与冲裁模基础,概述,是利用模具将板料的一部分沿一定轮廓形状与另一部分分离的冲压工序。（注意广义和狭义的区别）,若是为了获取具有所需内孔形状的零件，则称为冲孔。冲下来的是废料，得到的是工件。,若是为了获取具有所需外形轮廓的零件，则称为落料。冲下来的是工件，剩余的是废料。,冲裁模,冲裁变形过程：,1弹性变形阶段下沉，上翘初始塌角；撤力后恢复。,3断裂分离阶段上下裂纹重合，断裂,2塑性变形阶段屈服极限之上，曲线前段；直至微裂纹出现。,三个阶段：,冲裁基本概念：,圆角带,发生在弹性变形后期和塑性变形初期，由金属的弯曲和拉伸而形成。其大小与材质有关。,光亮带,产生于塑性变形阶段，断面主要受剪应力和压应力作用。断面平整、光滑。通常占整个区域的1/21/3，与材质有关。,断裂带,产生于冲裁变形的第三阶段，受拉应力作用，得到表面粗糙无光泽且有一定斜度和表面。,毛剌区,是由于冲裁间隙的存在而产生，该区域一般不可避免。,影响因素：材质、模具间隙、刃口状态。,冲裁断面特征：,冲裁间隙,概念：,冲裁间隙是凸、凹模刃口尺寸之差。（其值可正可负，但通常为正值）,单边间隙：Z/2=（DdDp）/2,双边间隙：Z=（DdDp）,凸模,凹模,冲裁板料,单边间隙,间隙对断面质量的影响,间隙合理但不均匀时，间隙小的一边出现a图特征，间隙大的一侧将出现c图的断面特征。,材料塑性好时，则冲裁的断面光亮带多且圆角大；反之，材料塑性差时，冲件易裂，且断面光亮带少、圆角小、毛剌多；刃口钝时，冲件断面毛剌相对增多。,间隙对弯曲的影响,通常间隙越大，则冲裁件就弯曲越严重。,间隙对冲裁力的影响,一般情况下，间隙越小，则所需的冲裁力越大；但冲裁间隙在一定范围内增大时，冲裁力也相对减小。,间隙对模具寿命的影响,间隙越小，摩擦越严重，模具寿命就越短；而较大的间隙，可以相对地提高模具寿命。,合理冲裁间隙值的确定：,工件断面质量无严格要求时，应取大间隙值；,工件的断面质量和制造精度较高时，应取较小间隙值；,在设计冲模刃口尺寸时，应考虑模具摩损因素，冲裁间隙应取最小值。,方法1：理论确定法,如右图所示，可得冲裁间隙为：,方法2：查表法,见教材P27表格,方法3：经验公式法,软材料：t1mm，Z=（0.060.08）t；,t=13mm，Z=（0.10.16）t；,t=35mm，Z=（0.160.20）t；,硬材料：t1mm，Z=（0.080.10）t；,t=13mm，Z=（0.120.16）t；,t=38mm，Z=（0.160.26）t；,是冲裁件对冲压工艺的适应性能，即冲裁件结构形状、尺寸大小、工件精度等在冲裁时的难易程度。,冲裁件的工艺性,形状：,简单、对称、规则,转角：,无尖角（导圆角）Rmin,孔径：,dmin,搭边：,2t,悬臂和槽：,避免细长,端弧：,RB/2,冲裁件的精度一般可分为精密级与经济级两类。,（1）冲裁件的经济公差等级不高于IT11级，一般要求落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。,（2）冲裁件的断面粗糙度与材料塑性、材料厚度、冲裁模间隙、刃口锐钝以及冲模结构等有关。当冲裁厚度为2mm以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra一般可达12.53.2m。,冲裁件尺寸的基准应尽可能与其冲压时定位基准重合，并选择在冲裁过程中基本上下不变动的面或线上。,凸、凹模刃口尺寸的计算,尺寸计算的原则：,重要性：,前提：,冲模刃口处的尺寸及制造公差直接影响工件的尺寸精度，合理的冲裁间隙也靠其保证。,因冲裁间隙的存在，落下的料和冲出的孔都带有锥度，且落料件的大端尺寸与凹模刃口尺寸相近，冲出的孔的小端尺寸与凸模尺寸相近。在实测中，落料件以大端为准，冲出的孔以小端为准。,区分冲裁方式,使模具刃口的基本尺寸具有最大实体状态,刃口尺寸偏差采用单向注向金属实体原则,冲模刃口尺寸、制造公差的大小主要取决于冲裁件的形状和精度。,刃口尺寸的计算方法,1.凸、凹模互换加工时的刃口计算,冲模刃口尺寸公差带分析图,运用该方法必须使模具的制造公差与间隙满足,dpZmaxZmin,或,p0.4（ZmaxZmin）,d0.6（ZmaxZmin）,根据刃口尺寸的计算原则，互换加工时凸、凹模刃口尺寸的计算公式如下：,冲孔（设工件的尺寸为,若在同一工步冲制两个以上的孔，其凹模型孔中心距Ld：,落料（设工件的尺寸为,该方法的优点是凸、凹模具有互换性，便于模具成批加工；缺点是为了解保证合理间隙，需较高的模具制造等级，使模具成本增加，生产周期长。,），以凸模为基准计算凹模，,），以凹模为基准计算凸模，,2.凸模和凹模配合加工时的刃口尺寸计算,方法：,先加工基准件（落料时为凹模，冲孔时为凸模，然后以基准件的实际尺寸配做另一件，并在另一件上修出最小合理间隙值）,采用此方法时，只需在基准件上标准尺寸及公差，另一件上只注基本尺寸，并注明“该件按基准件配制，且保证配合间隙”。,分析：,不论是冲孔还是落料，可将工件尺寸按模具磨损后的情况分为三种：工件尺寸变大、变小、不变。模具磨损使得工件尺寸变大的相当于孔，应使其具有最小尺寸；模具磨损使得工件尺寸变小的相当于轴，应使其具有最大尺寸；而尺寸不变的应具体分析。,（1）冲孔模刃口尺寸的计算,（冲孔时，仍依照前面的计算准则，以凸模为基准配制凹模）,冲孔工件,凸模,工件尺寸增大的是A类；减小的是B类；尺寸不变的是C类,凸模磨损后,配合加工时，凸、凹模刃口尺寸的计算公式见下表：,（2）落料模刃口尺寸的计算,（落料时，依照前面的计算法则，以凹模为基准配制凸模）,凹模磨损后：,工件尺寸增大的是A类；尺寸减小的是B类；尺寸不变的是C类。,配合加工时，凸、凹模刃口尺寸的计算公式见下表：,落料工件,凹模,冲裁件的排样,概念：,冲裁件在条料、板料或带料上的布置方式。（其是否合理直接关系到材料的利用率、制件质量、生产率、工件成本和模具寿命等）,材料的利用率,条料,工件,h,B,一个进距内材料的利用率：=（nS/Bh）100%,一张板料总的利用率：=（NA/AL）100%,从上可知，材料的利用率越高，则产生的废料就越少。,废料,1）设计废料，是工件的各内孔产生的，它处决于工件的形状，一般不能改变。,2）工艺废料，是因工件间的搭边、工件与条料的侧边的搭边、板料的料头料尾而产生的，它处决于冲压方式和排样方式。,工件,设计废料,工件,工艺废料,在满足工件使用要求的前提下，可以适当改变工件的结构形状来提高材料的利用率。,排样方法,无废料排样,沿工件全部外形冲裁，工件间、工件与板料边都有搭边。材料利用率低，但能保证冲裁件质量，模具寿命较高。,模具只沿工件部分外形轮廓冲裁，只有局部有搭边。废料较少，工件质量不高，模具摩损快。,工件间、工件与条料间均没有搭边的存在。模具刃口沿板料依次切下获取工件。材料利用率高，工件质量差，模具易损坏。,有废料排样,少废料排样,搭边,（排样时，工件间及工件与条料侧边间的余料称搭边。其作用是补偿定位误差和保证条料有一定的刚度，以便送料。它的选取应合理）,选取搭边值应考虑以下因素：,材料的力学性能,搭边,工件的形状与尺寸,材料的厚度,送料方式及挡料方式,（搭边值的选取可参考表23，P33）,条料宽度的确定,A）有侧压时，条料宽度：,B）无侧压时，条料宽度：,C）有侧刃时，条料宽度：,B=（D+2a+）-,B=D+2（a+c）-,B=（B2+nb）=（D+2a+nb）-,A,B,C,裁板,纵裁,横裁,联合裁,排样图,一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸,、条料长度L、板料厚度t、端距l、步距S、工件间搭边和侧搭边a。并习惯以剖面线表示冲压位置。,冲压工艺力和压力中心的计算,概念：,是冲裁时压力机应具有的最小压力，是完成分离所必需的力和其它附加力（卸料力、推料力、顶料力）的总和。它是设计模具、选择压力机的重要依据。,冲裁力的计算,使板料发生分离的力称为冲裁力。一般平刃冲裁模的冲裁力P可用下式计算：,（K系数，取1.3）,（对于同一材料，b=1.3）,卸料力、顶件力、推件力的计算,卸料力Px：,Px=KxP,顶件力Pt：,Pt=nKtP,推件力Pd：,Pd=KdP,冲压工艺力的计算：,（它是选取压力机吨位的主要依据，具体计算要考虑模具的结构型式）,采用刚性卸料自然漏料方式：PzP+Pt=P+nKtP,采用刚性打料、弹性卸料的倒装结构方式：PzP+Px=P+KxP,采用弹性卸料和弹性顶料方式：PzP+Px+Pd=P+KxP+KdP,采用弹性卸料自然漏料方式：PzP+Px+Pd=P+KxP+nKdP,（选择压力机时，压力机的公称压力N必须大于或等于Px）,压力中心的计算,（冲裁力合力作用点称为压力中心）,（压力中心应与冲床滑块中心重合，以保证冲裁模正常工作；在设计模具时应使模具的压力中心通过模柄的轴线，从而保证压力中心和冲床滑块中心重合）,对称形状的工件，其压力中心O位于工件轮廓图形的几何中心,（注意：冲裁件的压力中心与冲裁件的重心的区别）,复杂形状的工件或多凸模冲裁件的压力中心可用计算法和作图法求解，但作图法不准确，而且也较复杂。,冲裁圆弧线段时，其压力中心为：,计算法,原理：是平行力系合力作用点的方法。即合力对于一个坐标轴的力矩等于分力对该轴力矩之和。,计算步骤：,1）按比例画出工件（凸模横断面）的轮廓形状,2）在其轮廓外（或内）任意处，作坐标轴XY,3）将图形轮廓分成几部分，计算各段长度L1、L2Ln，求各部分重心位置的坐标（X1、Y1）、（X2、Y2）,4）冲模压力中心坐标：,X0=（P1X1+P2X2+PnXn）（P1+Pn）,Y0=（P1Y1+P2Y2+PnYn）（P1+Pn）,经转换：,X0=（L1X1+L2X2+LnXn）（L1+Ln）,Y0=（L1Y1+L2Y2+LnYn）（L1+Ln）,模具主要零部件结构设计,11螺钉10凸模9紧固螺钉8垫板7凸模固定板6上模座5卸料弹簧4卸料板3凹模镶块2凹模1下模座,12模柄13螺钉14限位拉杆15导套16导柱,凸模（工作零件）,凸模结构形式,圆凸模,A型,B型,（整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式；截面形状有圆形和非圆形）,快换型,护套型,装配型,凸模的固定方法（非圆形）,其固定部分通常为形状简单的圆形截面，台肩固定，并加止转销。,固定部分也为形状简单的圆形截面，铆接固定，加止转销。,直通式凸模，可采用线切割或成形加工完成，一般为复杂形面凸模所采用。,非圆凸模,凸模的固定方法（圆形）,用于平面尺寸大于80mm的凸模，销钉定位、螺栓连接。,与凸模固定板部分采用H7/m6、H7/n6过渡配合。,小直径凸模，用于冲裁力和卸料力大的场合。,快换凸模、维护方便,凸模的长度计算,当采用固定卸料板和导料板时，其凸模长度按下式计算：,当采用弹压卸料板时，其凸模长度按下式计算：,凸模强度的校核,（1）压应力校核,圆凸模：,非圆凸模：,AminF/,（2）失稳弯曲校核,凸模的技术要求,凸模刃口要求有较高的耐磨性，并能承受冲裁时的冲击力。因此应有高的硬度与适当的韧性。形状简单且模具寿命要求不高的凸模可选用T8A、T10A等材料;形状复杂且模具有较高寿命要求的凸模应选Cr12、Cr12MoV、CrWMn等制造，HRC取5862;要求高寿命、高耐磨性的凸模，可选硬质合金材料。,凹模（工作零件）,结构形式,整体式,组合式,镶拼式,凹模的刃口形式,凹模的外形尺寸,凹模厚度：H=Kb（15mm）,凹模壁厚：C=（1.52）H（30mm）,刃口轮廓为直线：C=C21.5H,刃口轮廓为平滑曲线时：C=C11.2H,刃口轮廓为复杂形状或类角时：C=C32.0H,a、b、c为直壁刃口，特点：制造方便，强度高，刃磨后尺寸不变，冲压质量高；de为斜刃口，内壁磨损小，刃口强度差，刃磨后尺寸有变化。,凹模外形结构及其固定方法,凹模外形：圆形、矩形,1凹模;2模板（座）;3凹模固定板;4垫板,凸凹模,其内外缘都是刃口，它们间的尺寸取决于工件尺寸；,从自身强度考虑，凸凹模壁厚有最小值限制；,定位零件,由导料装置、挡料及导正装置、定位装置组成,作用：保证材料的正确送进和在冲模中的正确位置,导料板、导料销、承料板、侧压装置,挡料销、定距侧刃,定位板、定位销,导料板（有与卸料板分离和联成整体两种）,导料板间距离：B0=D+2（b+）+F,导料板厚度H可依据材料厚度t和挡料销高度h而定,导料板长度取凹模板长度或取凹模板长度加上承料板长度,导正销,导料销（通常为两个，有固定式和活动式两种，一般用于单工序模和复合模）,承料板（加长冲压板料的支撑长度，以便送料）,侧压装置（其作用是将板材推向基准板一侧，以消除条料宽度误差）,挡料销（用来限制条料送进距离，抵住条料搭边或轮廓，起定位作用）,固定挡料销,活动挡料销,初始挡料销,侧刃（通过在条料侧边切去少许材料从而达到限定条料送进距离）,侧刃数量为12个，可对称或对角布置，其设计原则可依照冲孔模方法；,侧刃长度S=步距值+（0.050.1）mm，其宽度为610mm，制造公差取负值；,常用于连续模，冲裁薄板和不宜用导正销的场合。,导正销（为了获取内孔与外缘相对位置精度）,结构形式,导正销导正条料的方式有两种：一是直接利用冲件上的孔导正，另一种是利用条料上设置的工艺孔导正。（工艺孔：310mm）,a图中：,e=AD/2+d/2+0.1mm,b图中：,e=A+D/2d/2+0.1mm,以下几种情况不宜采用导正销：,条料太薄（小于0.5mm），这时导正销会使孔边弯曲。,冲孔直径太小。,落料凸模尺寸太小，导正销会削弱凸模强度，此时可改用侧刃。,定位板和定位销,常用作单个毛坯的定位，以保证前后工序相对位置精度或工件内孔与外形间的位置精度。采用过定位方式。,结构形式,定位板（销）以毛坯内孔定位,定位板（销）以毛坯外轮廓定位,卸料零件,作用：把板料从凸模上卸下，也可以起压料或为凸模导向的作用。,类型：刚性卸料板,弹性卸料板（弹性元件：橡皮、弹簧）,推件零件,作用：将工件从凹模中推出。,类型：弹性推件器（用于薄料的落料）,刚性推件器（用于厚而硬的工件）,刚性（推件）：打杆推板推杆推块安装在上模板,弹性（顶件）：顶块顶杆托板弹性件安装在下模板,导向零件,作用：保证冲压时上、下模有精确的位置关系。,导向装置：导板、滑动导柱导套、滚珠导柱导套,2个或4个布置形式：后侧、中侧、对角、四角（对平衡导向和送料的影响）按标准（查手册）相互配合（H7/h6）和分别与上下模板配合(H7/r6)要有足够耐磨和韧性，20钢，表面渗碳淬火处理导柱长度：,常用于高速、精密或硬质合金冲裁。,固定、连接零件,（包括模柄，上、下模板，凸、凹模固定板，垫板，螺钉和销钉等）,模柄,与上模座的连接形式：,直径和长度与冲床模柄孔匹配；材料：A3、A5、45钢,旋入式：螺纹连接,压入式：H7/m6过渡配合,凸缘式：3-4个螺钉固定,浮动式：球面相连,模座,上模座,下模座,导向装置,模架,模架类型,模座类型,模具设计时，常按标准选用合适的模架或模座，只有在不能使用标准的情况下才进行模板设计。,（圆形模板的外形应比圆形凹模直径大3070mm，以便安装固定。）,（矩形模板的长度应比凹模长度大4070mm，而宽度取凹模宽度值或稍大。）,下模板的轮廓尺寸应比压力机工作台漏料孔每边至少大4050mm;上、下模板的厚度可参考凹模厚度估算，一般取凹模厚度的11.5倍左右。,上、下模座上的孔采用同镗法配合加工；同时上、下模座板间有严格的平行度的要求。,凸模固定板,（安装凸模，其厚度为凹模厚度的0.60.8倍，与凸模间采用H7/m6配合，