低精度冲床上模具结构改进的意义

1、全国高级技师资格鉴定论文（附模具图一套）基于机床精度影响下侧向冲裁模机构优化设计 姓 名： 肖 茂 华 工作单位： 广东省高级技工学校 鉴定工种： 模 具 制 造 工 日 期： 2008年6月1日 目 录摘要1一、冲床精度及对冲压影响1二、 冲压模具常见保证精度的措施6三、冲床精度对侧向冲压模具的影响7四、侧冲模机构设计8五、侧向冲裁模具设计实例13六、结束语17基于冲床精度影响下侧向冲裁模机构优化设计摘要 ：通过对冲床常见精度问题分析，探讨在侧向冲压模具设计中选择合适的机构避免或减少设备精度对模具造成影响，提高模具寿命，并提出相应措施和办法。关键词：冲床精度 斜楔机构 侧向冲压 优化设计 实

2、际生产应用中，冲床精度问题广泛存在，造成精度原因很复杂，主要有：设备老化、使用不当、偶然致损，设备腐蚀和锈蚀等因素，致使机床在冲压时相关联的尺寸和精度发生较大偏差。这类设备虽然在实际生产中广泛存在，但因为从设备上改造或消除均很困难，模具设计时，往往习惯于通过模具导向来消除，而忽视从机构设计上去长远考虑。一、冲床精度及对冲压影响冲床精度对冲压的影响主要有两方面：一是影响模具的寿命，二是影响冲压制件精度。这两方面通常除与模具设计、制造、模具材料、润滑、加工材质和加工速度等因素有关以外，另一个很重要因素是冲床的精度，冲床工作应保证模具实现正确的相对运动。如果模具不能实现正确的相对运动，对模具有极坏的

3、影响。即在加工中由于凸模和凹模的中心倾斜而局部失去间隙或间隙不均，产生烧伤或粘着现象，使制件毛刺增加，甚至使凸模折断，凹模崩裂。冲床的精度，有静态精度和动态精度两方面。冲压时的动态精度，在技术上非常难掌握，因此多用未承受负载的静态精度和刚度来规定冲床精度。冲床的精度高，则冲制出的工件质量好、互换性强、尺寸稳定。对于冲模不易损坏、使用寿命长、便于连续性及自动化生产，从而降低了冲件的制造成本。冲床的精度主要包括如下几个方面内容：工作台面及滑块下面的平面度工作台面对滑块下平面的平行度滑块行程对工作台面的垂直度滑块模柄孔与其下平面的垂直度滑块导轨与床身导轨的间隙静态下的精度等级，可按压力机静态精度指标

4、规定划分为特级、1级、2级、3级。对压力机来说静态等级是个主要因素，但压力机的刚性也是一个不可忽视的重要因素，这就是压力机的强度问题。压力机通过冲模对材料施加超过屈服点的足够压力，在公称压力下压力机虽然不破坏，但是床身的伸长和工作台的挠度等各部位弹性变形对冲压加工也有很大影响。因此，最好在压力机静态精度上增加动态特性，在冲裁力的作用下，台面、曲轴、床身产生变形，C型压力机产生开口等使其静态精度破坏，把这时的精度称为动态精度。由动态精度的好坏来决定压力机等级。动态精度与压力机各部分的刚性直接相关，刚性好的压力机动态精度高。目前国外已生产了刚性很高的压力机，其动态精度仍可控制在静态精度范围内。如表

5、1中，在压力机的静态精度下，把刚性好的划分为A特级、A1级、A2级，刚性一般的划分为B特级、B1级、B2级。表1冲床静态精度指标(mm) 测量项目基本尺寸精度等级A特A1A2B特B1B2工作台面及滑块下面的平面度2000.010.030.050.080.120.16工作台面对滑块下平面的平行度3000.020.040.070.120.180.24滑块行程对工作台面的垂直度1500.010.030.050.080.120.16滑块模柄孔与其下平面的垂直度1000.010.030.050.080.120.16滑块导轨与床身导轨的间隙3000.030.050.080.120.160.20冲床精度检测

6、：一般是以冲床静态精度为标准：1：正直度：取一直尺(校验过且宽度能支撑指针表钢珠)置于床台中央及两端位置，以指针表测定其左右方向及前后方向的最大误差。2：平行度：将滑座置于最下位置，然后再将指针表置于床台上，再移动左右方向及前后方向测定其最大误差：3：垂直角度：床台中央位置放置直角尺，并将指针表置于滑座上，使滑座上下运动，测定其最大误差。4：模(头)柄孔与滑座底面之直角度：以模(头)柄孔为基准，指针表置于滑座底面回转，以测定左右方向及前后方向之最大误差。5：总合间隙：以千斤顶置于冲床中心，滑座在下死点，指针表置于滑座底面，千斤顶加压至标准压力使滑座往上微动，以测定其最大误差。各种等级数和不同吨

7、位有不同数据标准。动态精度与冲裁过程受力特性直接相关，如:冲裁力大小，受力方向或受力是否均衡等。如图1，受力大小对滑块挠度影响。 图1、 冲裁力大小与滑块挠度之间关系另外，如果滑块运动方向与台面的垂直度或者工作台面与滑块下平面的平行度不好，即使保证了模具的平行度，在各种加工中也会出现加工缺陷。特别是C形冲床在承受负载时要张口，滑块下平面和工作台面的平行度测量方法是将装有千分表的表架放置在工作台面上，在千分表与滑块下平面接触的状态下纵向与横向移动表架，在移动中，随时观察干分表表针的摆动情况。千分表表针跳动越大，表明平行度越差。测量范围以与该冲床大小相适应的实际使用的模具的大小为准。若滑块行程与工

8、作台的垂直度误差太大，将导致上、下模的同轴度降低，冲模刃口易损伤。垂直度的检查，用千分表并以角尺配合来进行，千分表固定在滑块上，并与滑块一同上、下运动。角尺固定在台面上、检查时使滑块上、下运动，千分表顶针与角尺接触，观察千分表读数大小，确定垂直度误差，如图2 所示。在小型冲床上只靠模柄安装上模的场合，如果模柄孔和滑块下平面的垂直度不好，凸模不能和凹模正确地相对运动，会使模具受损。安装上模时，应使上模和滑块下平面贴紧，防止模具倾斜。 图2、滑块运动方向与工作台面垂直度测量 1、工作台 2、角尺 3、磁性表座 4、滑块在冲裁加工中，从滑块下面到模座上面的精度和其它各种精度对工件精度都有影响。最重要

9、的影响：(1)凸模和凹模的垂直度，也就是保证上下模同心。(2)弹性缓冲，在冲裁结束时负荷变为零，由于压力机的变形能量使凸模突然插入凹模内，这种锤击缓冲是导致模具损耗的原因。在高精度冲裁时，变形缓冲量是重要的，应限制在大于最小限度。为此，压力机必须保证静态高精度。特别是C形开式压力机由于开口变形，容易出现上下模中心线倾斜，平行度也相应地发生偏差。如图3所示，倾斜使剪断面不一致，产生毛刺，明显地缩短了模具寿命。尤其是高速自动冲床，因为冲裁力是周期性反复的，所以刚性达不到普通压力机的两倍以上的话，各部位就要产生异常的挠度和变形，产生大的噪音和振动，以致不能进行连续运转。 图3、 滑块底面与工作台面不

10、垂直 1、滑块 2、凸模 3、凹模 4、工作台图4、滑块与工作台平行度和垂直度对凸、凹模间隙的影响 图5 压力机精度与模具寿命（毛刺高度）的关系无论哪种影响模具寿命或影响制件精度的原因，归根结底是主要因为冲床精度误差造成模具工作零件错位或偏向而引起的。二、 冲压模具常见的保证精度措施使用无导向固定卸料结构及敞开式结构冲裁模，在无安全防护装置的普通开式压机上冲压，特别是用板裁条料及单个坯件，采用手工送料和取件，是近年来冲压行业压手断指的人身伤害事故，以及模具和设备损坏事故不断发生并呈上升趋势的主要原因之一。采用有导向装置并带送料机械的冲模是减少上述事故并提高冲件精度和冲压效率的主要技术措施。广泛

11、使用的冷冲模GB国际与JB行标中的滑动导向导柱模架，其导柱与导套采用微间隙滑动配合。    要保证冲裁件的质量、精度和冲模寿命，冲裁时确保间隙在合理的基础上保持一致而均匀，至关重要。在正常情况下，模架导向间隙比冲裁间隙小才能实施凸模对准凹模的导向，只有使导向间隙比冲裁间隙小一半以上，才能完全准确的导向，保证冲模获得均匀一致的冲裁间隙，有效提高冲模寿命。实际应用中的冲裁间隙，可参照国标确定，也可通过经验或计算方法确定。在间隙均匀和稳定的保证上措施上，最常见的是采用合理的导向方法。对小间隙和微间隙的高精密模具，尤其需要有可靠的导向来确保其模具精度和稳定性。在普遍正冲模

12、具中，这是一种简单而有效的措施。 三、冲床精度对侧向冲压模具的影响相比正冲而言，侧向冲裁受冲床精度影响更大，一方面，正直度、平行度、垂直度、模柄孔与滑座底面之直角度误差往往在不同方向上存在一边正向变化，而另一边却反向变化，其实际效果是在不同方向上放大了误差。如图6,假如模具设计楔角为,如果机床模柄孔与工作台面存在垂直度误差,则右楔角实际变为Ø=+,左楔角将变为Ø=-（图六所示）,左右实际工作时楔角之差为2,在前述的机床静态指标项中（表1），工作台面对滑块下平面的平行度、滑块行程对工作台面的垂直度、滑块导轨与床身导轨的间隙、工作台面及滑块下面的平面度，均会产生类似的结果。最终

13、都有可能造成斜楔机构中实际工作角发生变化。尤其在多方向侧冲时，每个方向角度变化往往无规律可循，因而每个方向实际楔角受机床精度影响而偏离设计值，在滑块机构主动件和从动件的啮合传动过程中，这种设备精度造成楔角差异将对模具造成致命损害。使本来需面接触的斜楔面变成线接触，长期的工作摩擦，将会加剧斜楔面的磨损甚至整个机构损害。模具导向零件也会因为长期磨损而失效（表2）。尤其在对于多向受力不均匀的冲裁制件，冲裁力大而且周边受力不均匀，更可能造成模具寿命显著降低。对于这种因为设备的因数造成的模具寿命的降低，实际应用中，人们往往会忽视，或者采用简单上下模导向加以解决，有时即便注意也少有可行的办法。因为设备的改

14、造或维修成本太大，也不可能长期大修。最现实的方法还是通过模具设计中相应机构优化设计改进为妥。 图6、滑块垂直度右偏差时的实际工作楔角Ø 右边： Ø=+ 左边： Ø=+表2、冲床精度对多向侧冲的主要影响对模具影响斜楔机构使斜楔工作表面由面接触变成线接触，局部方向和位置磨损加剧而易失效。凸、凹模由于斜楔磨损不均，滑块行程将不一致，凸、凹冲裁时入模深度不一致，影响工作同步性，增加卸料难度。导柱导套导柱导套将承载部分水平方向力以克服滑块垂直度偏差和冲裁力，单边磨损厉害，导向精度降低。模 架因对冲床精度偏差部分纠偏而受力较大，发生挠度变形。影响凸、凹模对中。卸料机构各向冲裁

15、步调不一，入模深度参差不齐，卸料难度大。对制件精度影响当模具零件特别是滑块导向的导滑槽正常时，制件精度正常。但模座挠度变形会造成间隙不均、产生断面毛刺。其它零件磨损最终将影响到滑块导向面磨损。 四、侧冲模机构设计在成批与大量生产各种复杂形状的板料冲压件过程中 ,随着冲压技术的发展 ,大量使用多工位或连续复合模 ,为提高冲压过程的机械化和自动化程度 ,冲模中广泛采用斜楔传动。由楔及配对使用的楔滑块构成的冲模楔传动机构 ,不仅可以改变压力机施加冲压力的方向 ,使冲模可以进行正冲以外的冲压作业 ,还可以驱动专用或通用送料及卸、推件装置 ,实现冲模的自动送料、 自动卸(出)件作业 ,故该机构不仅是冲压

16、过程机械化和自动化的需要 ,也有利于安全生产。1 斜楔的作用和类型楔传动机构的作用是改变压力机冲压力的方向 ,并通过斜楔驱动的楔滑块直接或间接完成以下动作:(1)楔滑块端部安装的凸模或凹模等工作零件 ,在冲模带动下直接完成水平、 上倾、 下斜或任意角度偏斜的、 从里向外或从外向里以及由下向上的各种冲压动作 。(2)在冲模带动下 ,斜楔直接驱动冲模上安装的专用送料装置、 拨件器或推件器 ,实现自动送料、 自动推(卸)件出模。(3)斜楔通过与其配对使用的楔滑块横向推拉一套摆杆系统或杠杆机构 ,在冲模带动下实现对单个落料毛坯或半成品工件的自动送料动作。(4)斜楔机构类型：斜楔机构有很多类型，分类方法

17、也有不同，主要有：(1)按传动方向分：有水平方向传动、向上倾斜传动、向下倾斜传动。(2)按斜楔机构工作面形式分：单作用面斜楔、双作用面斜楔、三作用面斜楔等。2 斜楔标准结构单作用驱动斜楔利用其工作段单向的斜面 ,用传递的压力机冲压力驱动与其配对使用的楔滑块沿水平或任意倾斜的方向完成各种不同方向的动作 ,并传递冲压力直接或间接进行冲压加工、 送卸料等作业。楔滑块的复位需另谋动力。 图 7、 冲模斜楔及楔传动机构可以利用弹簧或专门设置的液压、 气动装置进行弹性复位;楔工作段有双向及多向斜面 ,不仅可以驱动楔滑块完成既定作业 ,还可利用反向斜面强制其复位 ,即刚性复位 ,这就是双作用驱动楔。无论是哪

18、一类斜楔都具备单作用驱动楔的基本结构与功能 ,其标准结构见图 7。如图 8所示 ,斜楔机构由主动斜楔 1 (也称主动件或斜楔 )、 从动斜楔 2 (也称从动件或楔滑块)和机架 3（含导滑槽）组成 ,也称楔块机构或斜面机构。斜楔机构在一般机械原理教材的常用机构中极少讨论 ,但它在夹具、 模具、 自动和半自动机械上得到广泛的应用 ,它工作时传动准确、 平稳、 无噪音 ,具有自锁、 省力、 图 8、冲模水平方向斜楔机构速比大和容易改变构件的运动方向或方式等特点 ,它能将主动斜楔的垂直运动 (或水平运动 )转化为从动斜楔的水平运动 (或垂直运动 )或倾斜运动。这里就斜楔机构中构件 (楔块 )的运动和受

19、力等作一简单讨论。1 斜楔机构中楔块的运动分析在斜楔机构中主动和从动楔块分别与机架组成移动副 ,两楔块间也组成移动副 ,可见斜楔机构中的运动副全为移动副 ,故它属于低副机构。常见的有水平运动斜楔机构和倾斜运动斜楔机构两大类。1 . 1 水平运动斜楔机构 (如图 9)若机构中斜楔作向下或向上垂直运动 ,而滑楔作向左或向右水平运动 ,则该机构称为水平运动斜楔机构。斜楔角的取值范围是 30° 60° ,一般取= 40° ,若要增大滑楔行程S ,可增大斜楔角 ,可取= 45° 、 50° ,在行程要求很大且又受到结构限制的特殊情况下 ,可取= 55&#

20、176; 、 60° 。斜楔角 、 滑楔行程 S和斜楔行程 S1的关系 S = S1 tan 。 图9、水平方向楔楔机构运动时两零件行程关系图2、 斜楔机构中楔块的受力分析在忽略摩擦效应的前提下 ,斜楔机构中的压力角等于滑楔移动的速度方向线与滑楔上所受的力的方向线之间所夹的锐角。斜楔角越大 ,滑楔的行程也越大 ,压力角 也越大 ,但机构的传动角 (压力角 的余角 )越小 ,传力性能越差。如图 10所示。2 . 1 水平运动斜楔机构若滑楔上受的阻力为 F,则斜楔上所需的驱动力为Ftan ,楔块间的正压力为 Fsec 。见图 10所示。 图10、 水平方向斜楔机构各方向受力关系图 3、斜

21、楔和滑块运动和受力分析： S垂直F1F2QWS水平 图11、斜楔主、从动件受力及运动行程关系图 如图,不难知道+=900 力的关系 ：不考虑摩擦力影响。F1,F2是作用力和反作用力，F1=F2。 如图示，F1×sin=W, F2×sin=Q , sin=cos 所以= =tg W=可知: 当0450时， 0tg1 W=Q 有增力效果。当450900时 + tg1 W=Q 有减力效果。 滑块水平行程与垂直行程关系： 根据运动时几何关系可知：=tg=ctg S水平=S垂直×tg 当0450时，0tg1 S水平S垂直 ，水平行程衰减。 当450900时，+ tg1 S水

22、平S垂直 水平行程放大。以上 分析可以知，滑块水平行程与水平冲裁力是与斜楔角不同向的变化的两个矛盾体。即：当时， 则W S水平。 当时， 则 W， S水平实际设计中如何权衡这两个方面矛盾呢？一般情况，取450 ， 在此基础上按如下原则进行：a水平冲压力大， 行程较小时 ，取偏小值 如=300250b 水平冲压力小，行程数较大时 取偏大值 如=400350c 水平冲压力大，行程也较大时 优先考虑冲压力因素，在此基础上，增大滑块推进面尺寸，保证水平行程达到要求。 滑块尺寸参数的确定 在大体确定斜楔角后，即可根据滑块需要的行程要求，确定推进面长度最小值，从而确定滑块工作面尺寸，再综合考虑模具结构等其

23、它各方面要求，确定整个斜楔机构的主要尺寸。需要注意的是，机构设计需要权衡不同方案，并经仿佛计算和验证，最后选取最优方案才行。3、其它斜楔机构 在模具设计中，斜楔机构类型很多，前述的分析仅仅是提供简单通用的分析途径，应用中往往需根据特定的机构形式进行必要的计算，主要有两方面内容： 3.1 受力分析计算：斜楔机构往往有增力或减力特点，除对工作时冲裁力的要求给与满足外，对局部机构零件也需要适当校核并满足强度刚度要求。因为斜楔方向和角度变化对局部零件受力将产生较大影响。 3.2 运动行程计算：除满足工作时主、从动斜楔达到既定运动要求之外，还需对多机构，多斜楔间的协调精心计算。特别要保证机构步调协调，不

24、干涉、不卡死或不意外自锁等。 一般来说，力和行程在斜楔机构的设计中往往是一对矛盾的统一体，大体出现反向变化特点，即保证行程往往以减力为代价，保证增力却需以牺牲行程为前提，因此，在确定方案时需权衡利弊选择折衷的比较理想方案，这也是斜楔机构正常工作的前提。斜楔机构方案选择和相关计算或校核，是设计的难点。五、侧向冲裁模具设计实例一）、零件图：如附图一附图一: 2-R4125 2.5 8 55 12 272 60ºØ278 名称：导风罩128 材料：08厚度：1 MM二）、工序内容：冲裁如图所示六个腰形孔三）、工艺分析：1、制件精度：制件尺寸精度和形位精度未作要求。可按IT12-I

25、T14级保证。2、模具设计精度：根据加工现场实际技术能力，包括设备、工艺条件、人员技术等，工作部分和主要机构可按照IT6-IT8精度设计。3、确定工序方案：四周六孔属螺钉紧固孔，为保证六孔相对位置要求，以及保证生产效率，宜采用多工位模具一次冲裁六孔。四）、模具结构分析：1、对侧向六孔一次冲裁加工，总体上确定用侧向冲裁模具结构方案设计。2、根据零件特点，孔高度位于同一水平面内，斜楔采用水平方向布置。五）、问题预见性分析：从工艺可行性分析，侧向同时冲裁六孔是完全可以实现的。但存在如下可以预见的问题：1、 设备精度问题（许多企业都设备老化）：滑块与导轨面间隙、滑块行程方向与工作台面垂直度、模柄孔轴线

26、与滑块底面（或工作台面）垂直度、滑块下平面与工作台面平行度均存在精度误差。2、这些误差在通常正冲模具中是可以通过设计模具导向（如：导柱、导套）来简单克服的。但因为本零件侧向冲裁，不完全对称，侧向冲裁时将受力不均，致使在周向冲裁时会朝受力大的一个方向单向受力不均。如果上述误差累积太大，冲裁时将直接靠导向零件侧面承载以纠正设备的误差。可以想象，当周边受力各向偏差越大，导柱导套受到周向纠偏的力也将越大。势必长期造成导柱导套单边磨损。当导柱导套磨损失效后，接下的是斜楔面线接触磨损。直接后果，将使整个侧冲机构失效，模具寿命显著降低。3、取件问题：鉴于零件高度尺寸较高，采用通常主动楔在上模的方式，侧面将有

27、六个主动斜楔驱动工作。并且，这六个驱动楔直接从上模罩住零件。而当模具定型之后，通过调节闭合高度来拓展取件空间基本上不可能了。因此对操作时速度效率将直接受到影响，对操作安全也时一个显而易见的隐患。六）、设计思路：根据上述分析，该模具设计时除需遵循一般设计原则外，还要着重在解决可遇见问题上进行权衡考虑，进行结构方案的优化设计，思路如下：1、 解决冲床精度的影响：斜楔布置有两种选择。第一种方案，主动楔在上模，从动楔在下模。上下模用导柱导套导向，冲床精度完全由导向机构来纠正。正如前面的分析，导柱导套除上下模导向功能外，还需起纠正设备精度偏差的功能，必然承载侧面单向磨损，模具寿命将降低。第二种方案，主动

28、楔和从动楔均在下模。工作时不脱离。导向机构只需下模自身导向。主动楔工作时驱动力由滑块提供，卸料力由下模设计的弹簧机构一起提供。该方案明显的优点是：上下模机构连接单独化，不会受到上下机构工作时需高精度斜楔配合要求的影响，因为主要机构都在下模上了。尤其关键的是，该结构使上下模分模面变成可相对摩擦的缓冲区。无论导轨与滑块间隙精度如何，也无论滑块与工作台面垂直度偏差多大，都会在两面接触时通过摩擦得到缓冲纠正。其结果，可以基本上完全消除导柱导套来纠正设备精度的状况，也就是说，工作时基本可消除由导柱导套承受侧向力的可能，因而可以减少主要机构的磨损，提高模具寿命。2、解决取件难问题：同样分析，第一种方案是主

29、动楔在上模，从动楔在下模，六个斜楔将罩住制件，无论上模斜楔设计多高，除了增加斜楔间围住内空空间之外，上下模之间受闭合高度要求无法增加空间。对取件并没改进。第二种方案，主动楔和从动楔均布置在下模，上模变成仅作传力的压板，可以在上下模之间增设另三根传力柱，起结果是可以根据取件方便任意布置传力柱角度位置和高度尺寸。在保证模具高度不高于设备最大闭合高度的前提下，很好地拓展了取件空间。七、模具工作原理： 图11、导风罩边孔冲模示意装配图如装配图，件4活动模板上平面为分模面，上模由12上模板和11模柄组成，上模很简单，只是传递冲压力，其余均属下模部分。模具主要零件均布置在下模，包括定位零件，工作零件，卸料机构，斜楔机构等，其目的主要根据前述分析进行选择后的优化后设计，其目的着重在于克服冲床精度的影响和解决取件空间拓展两大问题。1) 工作过程：制件定位在件22凹模体（1）和24凹模组成整体后的圆周上。工作时，当上模下行，通过件12上模板件4活动模板件7侧滑块件1滑块件2冲头传递冲压力，使周向6个冲头内移冲裁六孔，完成冲裁。当上模上行时，下模六个件9压簧回弹产生卸料力源，通过12上模板件7侧滑块件1滑块件