冲压工艺及模具设计课件

1、 冲压工艺及模具设计 冲压是一种金属塑性加工方法，其坯料主要是板材、带材、管材及其他型材，利用冲压设备通过模具的作用，使之获得所需要的零件形状和尺寸。 材料、模具和设备是冲压的三要素。 冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率16%、屈强比s/b70%，低合金高强度钢14%、s/b80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。 模具是冲压加工的主要工艺装备。冲压件的表面质量、尺寸公差、生产率以及经济效益等与模具结构及其合理设计的关系很大。6-1 概述特点：v无屑加工，材料利用率高。v在压力机简单冲压下，能，

2、能得到形状复杂的零件。v完成的零件一般不需要进一步加工，可直接用来装配，并具有一定精度和互换性。v被加工的金属在再结晶温度一下产生变形，不产生切屑，变形中金属产生加工硬化。v生产率高。v冲压零件的质量主要靠冲模保证所以操作简单，要求工人技术等级不高便于组织生产。v在大量生产的条件下，产品的成本低。v缺点是模具要求高、制造复杂、周期长、制造费用高冲压工艺分类一、按变形性质分 分离工序和成形工序1、分离工序 被加工材料在外力作用下产生变形，当作用在变形部分的应力达到了材料的抗剪强度，材料便产生剪裂而分离。剪裁、冲孔、落料、切口、切边、剖切。2、成形工序 被加工材料在外力作用下，作用在变形部分的相当

3、应力处于材料的屈服强度和抗拉强度之间，材料仅仅产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸的零件。弯曲：压弯 把坯料弯成一定的形状卷板 对板料进行连续三点弯曲，制成曲面形状不同的零件滚弯 通过一系列轧辊把平板卷料滚弯成复杂形状拉弯 在拉力与弯矩共同作用下实现弯曲变形可得精度较好的零件拉深 拉深 把平板形坯料制成空心工件、壁厚基本不变变薄拉深 把空心工件拉深成侧壁比底部为薄的工件成形缩口 把空心工件的口部缩小翻边 把工件的外缘翻起圆弧或曲线状的竖立边缘翻孔 把工件上有孔的边缘翻出竖立边缘扩口 把空心工件的口部扩大，常用于管子起伏 把工件上压出筋条，花纹或文字，在起伏处的整个厚度上都有变形卷边 把空心件的

4、边缘卷成一定形状胀形 使工件的一部分凸起，呈凸肚形整形 把形状不太准确的工件校正成形，如获得小的r等校平 校正工件的平直度压印 在工件上压出文字或花纹，只在制件厚度的一个平面上有变形按照冲压工序的组合方式分有：简单工序 一副模具只完成零件的一个工序组合工序1、复合冲压 在压力机的一次行程中，在模具的同一位置上同时完成两种或两种以上的简单工序2、连续冲压 在压力机的一次行程中，在模具的不同位置上同时完成两种或两种以上的简单工序3、连续-复合冲压 在一副模具内包括连续冲压和复合冲压的组合工序6-2 冲裁工艺与模具设计 落料和冲孔统称为冲裁。落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯 料变形和

5、模具结构相同，只是用途不同。落料时被分离的部分为所需工件，留下的周边部分 为废料，冲孔则相反。为能顺利地完成冲裁过程，要求凸模和凹模都有锋利的刃口，且凸模 与凹模之间的间隙Z适当。冲裁件品质和冲裁模结构与冲裁时板料的塑性变形有关。同时还包括切口、剖切、整修和精密冲裁。冲裁所得到的零件可直接作为零件使用或作为弯曲、拉深、成形等其它工序的毛坯。 1、冲裁变形过程v弹性变形阶段 当凸模与板料接触时，便开始冲裁由于凸模和凹模之间有间隙，板料在承受凸模较小压力的同时，也受到弯矩的作用，板料不仅产生弹性压缩也产生弯曲和拉伸变形，结果是凸模下的材料挤入凹模孔口内，凹模上面的材料向上翘，在凸模与凹模间形成很小

6、的圆角。v塑性变形阶段 凸模继续下降刃口处由于应力集中，材料应力首先达到屈服强度，板料进入塑性变形阶段。v断裂分离阶段 当刃口附近材料达到极限应变和应力时，材料裂纹便产生。第一节 冲裁工艺分析 冲裁时的变形区 冲裁时材料的变形是由其受力状况决定的，上下刃尖连线为中心的纺锤形区域为主要变形区，从模具刃尖向材料中心变形区逐渐扩大，当凸模挤入材料后，新形成的纺锤形变形区被以前已经变形而冷作硬化了的区域所包围。2、板料受力情况 如图，凸模下行与板面接触时，材料受到凸凹模端面的压力作用，使作用力点间的材料产生剪切变形，由于间隙的存在，两个力不在一个垂直线上，故材料受到弯矩作用，而是材料翘曲材料向凸模侧面

7、靠近凸模端面下的材料被强迫压进凹模，故材料受横向侧压力，产生横向挤压变形。此外材料在模具端面和侧面还受摩擦力。所以说冲裁时由于有间隙的存在材料受垂直方向的压力、切力、横向挤压力、弯矩和拉力作用 冲裁变形过程中冲裁力与凸模行程关系图。AB段弹性变形阶段。凸模开始接触板料时，由于板料翘曲，力增加缓慢，之后便迅速增加。BC段为塑性变形阶段。切刃一旦挤入板料，力的上升缓慢下来，主要是因为虽然承受力的板料面积减少了，但是材料硬化的影响超过了剪切面积的减小的影响，冲裁力仍然上升。当硬化与受切面积两者影响达到相等时，冲裁力便达到最大值。CD为裂纹扩展直至板料断裂阶段，这一阶段中，受切面积的减少超过了硬化的影

8、响，于是冲裁力下降。DE则是凸模的推料过程。第二节 冲裁件质量和影响因素一、冲裁件断面特征 有圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分1、圆角带 光滑的圆弧带，是刃口刚压入材料时，刃口附近的材料牵连拉入产生弯曲和伸长变形的结果2、光亮带 由于板料产生塑性变形时，材料在和模具侧面接触中被模具侧面挤光而形成的光亮垂直的断面。3、断裂带 是由于刃口处的微裂纹在拉应力的作用下不断扩展断裂而形成。4、毛刺 塑性变形阶段后期产生，凸模和凹模的刃口切入一定深度后刃口正面材料被压缩，刃尖部分为压力状态，使裂纹起点不在刃尖处，而在距刃尖不远的模具侧面，此处受拉应力裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。二、冲裁件尺寸 无论是孔

9、还是落下的料，其尺寸都有大小两个部分，小的部分等于凸模尺寸，而大的部分等于凹模尺寸。冲孔尺寸等于凸模刃口尺寸，落料件尺寸等于凹模刃口尺寸。三、影响冲裁件质量的因素 冲裁件质量是指断面质量、尺寸精度及形状误差，剪切断面应垂直光滑，尺寸及制件外形应满足图样要求，表面尽可能平整。（一）影响断面质量的因素1、材料性能的影响 塑性好则裂纹出现较迟，板料被剪切的深度大，光亮带占比例大，毛刺也较大，断裂带较窄。2、模具间隙的影响 断面质量与裂纹走向有关，而裂纹走向与间隙有关。间隙大小关系剪切时附加变形的大小，也决定着凸凹模刃口附近板料产生的上、下裂纹是否重合。只有凸凹模间隙适当，裂纹才重合，此时零件断面斜度

10、很小，且比较平直光滑，毛刺小，无裂纹分层断面质量比较满意。如图。3、模具刃口钝利情况的影响 凸模钝落料件产生毛刺，凹模钝，冲孔件产生毛刺。4、模具和设备导向情况 模具导向装置精度高，压力机滑块导向精确可靠，则可保证冲裁时间隙合理，冲裁件断面质量就好。（二）影响尺寸精度的因素 冲裁件尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则冲裁件精度越高。这个差值主要有模具本身的制造、磨损引起的偏差；冲裁件相对于凸、凹模尺寸的偏差。1、模具制造精度的影响2、模具间隙的影响 落料=零件外形实际尺寸-凹模刃口尺寸冲孔=零件孔实际尺寸-凸模刃口尺寸3、材料性质、厚度和轧制方向的影响4、零件形状尺寸的影响

11、6-3 冲裁模间隙 一、间隙对冲裁工作的影响1、对零件质量的影响2、对冲裁力的影响3、对模具寿命的影响二、合理间隙值的确定 设计模具时一定要选择合理的间隙，使冲裁件的断面质量好，所需冲裁力较小，模具寿命较高。生产中通常是选择一个适当的范围做为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就能得到合格的产品和较长的模具寿命。分别为Zmin和Zmax，（一）理论确定法理论确定法的主要根据是保证上下裂纹重合，以获得良好的冲裁断面。影响间隙值的主要因素是材料的性质和厚度，材料愈硬愈厚，所需合理间隙值愈大。6-4 凸、凹模刃口尺寸的计算一、凸、凹模刃口尺寸的计算原则依据：冲裁变形规律，即落料件尺寸与凹模刃口尺寸相等，

12、冲孔尺寸与凸模刃口尺寸相同。零件的尺寸精度合理的间隙值冲模的加工制造方法。原则：v保证冲出合格的零件 根据冲裁变形规律，冲孔尺寸等于凸模刃口尺寸，落料件尺寸等于凹模刃口尺寸。因而冲孔时应以凸模为基准件；落料时，以凹模为基准件，基准件的尺寸应在零件的公差范围内。冲孔时间隙取在凹模上，落料时间隙取在凸模上。v保证模具有一定的使用寿命v考虑冲模制造修理方便、减低成本二、刃口尺寸计算方法 制造冲模的关键主要是控制凸、凹模的刃口尺寸及其合理间隙。由于模具加工方法不同，凸、凹模刃口尺寸的计算公式和公差标注也不同 （一）凸模与凹模分别加工 这种方法使用于圆形或简单规则形状的冲裁件。采用这种方法要分别标注凸模

13、与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差（凸模p、凸模d)需要满足：p+dZmax-Zminp=0.4（ Zmax-Zmin ）d=0.6 （ Zmax-Zmin ）冲孔：设工件孔的尺寸为 ，根据以上原则首先确定基准件的凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙Zmin。凸模制造偏差取负偏差，凹模取正偏差。0()ppddx 0dmin0min0()()dddpddZdxZ -冲孔凸、凹模直径pddd、pd、-凸、凹模制造公差-工件制造公差落料：设工件尺寸为 。根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸，使凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸，再

14、减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值 。minZD0()ddDDx 0minmin()()pppdDDZDxZ pdDD、 -落料凸、凹模尺寸x - 磨损量（二） 凸模与凹模配合加工 对于形状复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，一般采用配合加工。即先做好其中的一件作为基准件，然后以此基准件为标准来加工另一件，使它们之间保持一定的间隙。只在基准件上标注尺寸和制造公差，另一件只标注基本尺寸并著名配做所六间隙值。=/4。1、冲孔 以凸模为基准，然后配做凹模，一般分三种：变小的尺寸变大的尺寸无变化的尺寸2、落料 应以凹模为基准件，然后配做凸模变大的尺寸变小的尺寸无变化的尺寸6-5 排样一、排

15、样的意义和材料利用率 排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。材料利用率：减少废料面积，废料包括结构废料和工艺废料。结构废料：由零件的形状特点产生的废料。一般不能改变但可利用大尺寸的结构废料冲制小尺寸的零件。工艺废料：由零件之间和零件与条料侧边之间的废料，以及料头、料尾所产生的废料。 要提高材料利用率，主要是减少工艺废料着手，设计合理排样方案，在不影响设计要求的情况下，改善零件结构。二、排样形式的确定1、有废料排样 沿零件全部外形冲裁，零件周边都留有剩料。2、少废料排样 沿零件部分外形切断或冲裁只局部有剩料。3、无废料排样 除头尾外无任何废料 影响排样形式的主要因素：q零件的形状q零件的断

16、面面积、精度q材料利用率q冲模结构q模具寿命q操作的方便和安全q生产率直排 几何形状简单的零件斜排 T形或其他复杂零件对排 T、形零件混排 两个材料及厚度相同的零件有搭边排样形式选择多排 大批量生产中轮廓尺寸较小的零件冲裁搭边 大批量生产中小而窄的零件无搭边排样形式直排 矩形零件斜排 T形或其他形状的零件，外形允许有不大缺陷对排 梯形零件混合排 两个外形互相嵌入的零件多排 大批量生产中尺寸较小的矩形、方形和六角形零件冲裁搭边 用宽度均匀的条料或卷料制造的长形件板料排样三、搭边 是指排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的剩料。作用是使条料定位，保证零件的质量和精度，补偿定位误差，确保冲出合格

17、的零件，并使条料具有一定的刚度，不弯曲，便于送进，并能使模具寿命提高。搭边值大小有关因素：v材料的机械性能 硬材料的搭边值小一点，软材料和脆材料要大一些。v工件的形状和尺寸 工件尺寸大或是有尖突的复杂形状时要大一些v材料厚度 厚材料的的要大一些v送料及挡料方式 手工送料有侧压板导向的要小一些6-6 冲裁工艺力的确定1、计算冲裁力 目的是为了合理选用压力机和设计模具平刃模具冲裁时，其冲裁力可以利用下式： F0=KLt t-材料厚度 L-零件剪切周长 -材料抗剪强度 K-系数，一般取1.3考虑材料相对厚度和凸、凹模相对间隙（Z/t）冲裁力有 =（mt/d+0.6)b m-与间隙有关的系数2、减低冲

18、裁力的方法在多凸模冲裁中，将凸模作阶梯形布置材料加热红冲斜刃冲裁3、卸料力和推件力卸料力：从凸模上将零件或废料卸下来所需要的力推件力：顺着冲裁方向将零件或废料从凹模腔内推出的力顶件力：逆着冲裁力方向将零件或废料从凹模顶出的力称为顶件力FK F卸卸FK F推推FK F顶顶FFF总冲推FFFF总冲推卸FFFF总顶冲卸采用刚性卸料装置和下出料采用弹性卸料装置和下出料采用弹性卸料装置和上出料6-7 冲裁模的基本结构和类型一、冲模分类 v工序性质分类 冲孔模、落料模、切边模、剖切模、切口模、整修模和精冲模。v按工序组合分 单工序模、级进模（连续模）、复合模v按导向方式分 有无导向的敞开式模和有导向的导板

19、模、导柱模和导筒模。v按卸料装置分 有带固定卸料板和弹压卸料板v按挡料或定料形式分 有带固定挡料销、活动挡料销、导正销和侧刃的冲模v按凸、凹模选用材料不同分 硬质合金冲模、钢结硬质合金冲模、钢皮冲模、橡皮冲模、聚氨酯冲模等分分 类类特特 点点 与与 用用 途途根据工序的复合性（1）单工序模（2）复合模（3）级进模 单工序模只完成一个工序 复合模是在压力机一次行程中，在同一工位上完成两道或更多工序的冲模 级进模是具有两个或更多工位的冲模，材料随压力机行程逐次送进一工位，从而使冲件逐步成形根据工序性质（1）冲裁模（2）弯曲模（3）拉深模（4）成形模（5）冷挤模 冲裁模使部分材料或工序件与另一部分材

20、料、工（序）件或废料分离 弯曲模使材料产生塑性变形，从而被弯成有一定曲率、一定角度的形状 拉深模把平坯料或工序件变为空心件，或者把空心件进一步改变形状和尺寸 成形模用以将材料变形，使工序件形成局部凹陷或凸起 冷挤模使材料在三向压应力下塑性变形挤出所需尺寸、形状及性能的零件按冲模制造的难易程度（1）简易冲模（2）普通冲模（3）高精度冲模 简易冲模成本低，制造周期短，特别适用于新产品试制和小批生产，主要有通用组合冲孔模、分解式组合冲模、钢皮冲模、薄板冲模、锌基合金模、聚氨酯像胶冲模等 普通冲模是目前用得最多、最广的冲模 高精度冲模用于精密冲件生产按生产适应性（1）通用冲模（2）专用冲模 通用冲模适

21、用于小批和试制性生产的冲件按生产管理（1）大型冲模（2）中型冲模（3）小型冲模 往往以不同的行业而有所区分按照导向装置（1）无导向装置的模具（2）有导板导向的模具（3）有导柱导向的模具 对生产批量较大，冲件精度较高，模具寿命要求较长的模具必需采用导向装置。应用导柱导套来导向的模具最为普遍按送料方式（1）手工送料模具（2）带有自动送料装置的模具 带有自动送料装置的模具，在调整完成后不需要人工进行操作，适用于多工位级进模1、单工序模冲模结构 v工作零件 实现冲裁变形使材料正确分离，保证冲裁件形状的零件，包括凸模与凹模。v定位零件 确定条料在模具中的正确位置的零件，导尺（导料销）对条料送进起导向作用

22、，挡料销限制条料送进的位置。v卸料及推件零件 卸料板及顶件装置v导向零件 保证上模对下模正确运动的零件，分别安装在上下模座的导柱和导套。保证凸模和凹模之间间隙均匀。v连接固定零件 将凸模和凹模固定在上下模座，以及将上下模固定在压力机上的零件落料模落料模 落料模是沿封闭的轮廓将制件或工序件与板料分离的冲模。 图1所示为冲制锁垫的落料模。该模具有导柱、导套导向，因而凸、凹模的定位精度及工作时的导向性都较好。导套内孔与导柱的配合要求为H6/h5。凸模断面细弱，为了增加强度和刚度，凸模上部放大。凸模与固定板紧配合，上端带台肩，以防拉下。凹模刃壁带有斜度，冲件不易滞留在刃孔内，同时减轻对刃壁的磨损，一次

23、刃磨量较小。刃口尺寸随刃磨变化。凹模刃口的尺寸决定了落料尺寸。凸模和凹模间有刃口间隙图1 落料模1-模柄 2-垫板 3-凸模固定板 4-凸模 5-卸料板 6-定位销 7-凹模 8-导柱 9-导套 在条料进给方向及其侧面，装有定位销，在条料进给时确定冲裁位置。工件从凹模的落料孔中排出，条料由卸料板卸下，这种无导向弹压卸料板广泛用于薄材料和零件要求平整的落料、冲孔、复合模等模具上的卸料，弹压元件可用弹簧或硬橡胶板，卸料效果好，操作方便冲孔模冲孔模 冲孔模是在落料板材或成形冲件上，沿封闭的轮廓分离出废料得到带孔制件的冲模。 1.冲单孔的冲孔模 其结构大致与落料模相同。冲孔模的凸模、凹模类似于落料模。

24、但冲孔模所冲孔与工件外缘或工件原有孔的位置精度是由模具上的定位装置来决定的。常用的定位装置有定位销、定位板等。 2.冲多孔的冲孔模 图1是印制板冲孔模，用于冲裁印制板小孔，孔径为1.3mm，材料为复铜箔环氧板，厚1.5mm。为得到较大的压料力，防止孔壁分层，上模采用六个矩形弹簧。导板材料为CrWMn，并淬硬至5054HRC，凸模3采用弹簧钢丝，拉好外径后切断、打头，即可装入模具中使用。凸模与固定板动配合。下模为防止废料胀死，漏料孔扩大，工件孔距较近时，漏料孔可以相互开通。 图1 印制板冲孔模1-矩形弹簧 2-导板 3-凸模 4-凸模固定板 5-凹模3.深孔冲模 当孔深化t/D（料厚/孔径）1，

25、即孔径等于或小于料厚时，采用深孔冲模结构。图2是凸模导向元件在工作过程中的始末情况，该结构给凸模以可靠的导向。主要的特点是导向精度高，凸模全长导向以及在冲孔周围先对材料加压。图2 凸模导向元件在工作行程中的始末情况 a)冲孔开始 b)冲孔结束2、级进模（连续模）冲裁级进模冲裁级进模 冲裁级进冲模是在条料的送料方向上，具有两个以上的工位，并在压力机一次行程中，在不同的工位上完成两道或两道以上的冲压工序的冲模。 对孔边距较小的工件，采用复合模有困难，往往采取落料后冲孔，由两副模具来完成，如果采用级进模冲裁则可用一副模具来完成。 为了保证冲裁零件形状间的相对位置精度，常采用定距侧刃和导正销定距的结构

26、。 1.定距侧刃（图1） 在条料的侧边冲切一定形状缺口，该缺口的长度等于步距，条料送进步距就以缺口定距。 图1 侧刃定距1-落料凸模 2-冲孔凸模 3-侧刃 2.导正销定距（图2） 导正销在冲裁中，先进入预冲的孔中，导正材料位置，保证孔与外形的相对位置，消除送料误差。在图2中，冲裁时第一步送料用手按压始用挡料销抵住条料端头，定位后进行第一次冲制，冲孔凸模在条料上冲孔。第一次冲裁后缩回始用挡料销，以后冲压不再使用。第二步把条料向前送至模具上落料的位置，条料的端头抵住固定挡料钉初步定位，此时在第一步所冲的孔已位于落料的位置上，当第二次冲裁时，落料凸模下降，装于落料凸模工作端的导正销首先播进原先冲好

27、的孔内，将条料导正到准确的位置，然后冲下一个带孔的工作，同时冲孔凸模又在条料上预冲好孔，以后各次动作均与第二次同 图2 导正销定距1-落料凸模 2-导正销 3-冲孔凸模3、复合模 图1 复合模1-打棒 2-打板 3-冲孔凸模 4-落料凹模 5-卸料板 6-凸凹模 7-推块 8-推杆 冲裁复合模是只有一个工位，并在压力机的一次行程中，同时完成落料与冲孔两道冲压工序，见图。 凸凹模既是落料凸模又是冲孔凹模，因此能保证冲件内外形之间的形状位置。6-8 冲模主要零件的设计及标准的选用一、模具零件的分类 按作用不同分为工艺零件和结构零件1、工艺零件 在完成工序时与材料或制件直接发生接触工作零件：凸模、凹

28、模、凸凹模定位零件：定位板、定位销、挡料销、导正销、导尺、侧刃压料、出件和卸料部件：卸料板、推件装置、顶件装置、压料板、弹簧、橡胶等。2、结构零件在模具的制造和使用中起装配、安装作用，以及制造和使用中起导向作用。导向零件：导柱、导套、导板、导筒固定零件：上下模座、模柄、凸凹模固定板、垫板、限位器紧固及其他零件：螺钉、销钉、键2、工作零件的设计和标准的选用凸模：凸模的结构形式有圆截面式、等截面式、护套式、快换式四种。图中a、b、c、d、I适用于圆截面，c、d是快速更换的凸模形式，e、f、g、h适用在等截面凸模。2、凸模的长度A、固定卸料板长度B、采用弹性卸料板3、凸模强度校核承载力校核失稳弯曲应力校核无导向圆