冲压工艺与模具设计电子教案第2章

冲压工艺与模具设计电子教案第2章冲裁工艺与冲裁模设计材料成形及控制工程·模具设计与制造专业核心课Contents本章内容框架冲压工艺与模具设计·第2章01冲裁工艺概述与基本原理02冲裁变形过程与断面质量03模具间隙与刃口尺寸计算04冲裁力计算与压力机选择05排样设计与材料利用率06冲裁工艺设计与方案制定07冲裁模具结构与零件设计08精密冲裁工艺与模具Chapter01冲裁工艺概述与基本原理从基本概念出发，建立对冲裁工艺的系统认知冲压工艺·第二章冲裁工艺的基本概念与分类冲裁是利用模具使板料沿轮廓线分离的基本冲压工序，在所有冲压加工中应用最广、占比最高。冲裁加工生产现场冲裁定义利用冲模使板料沿封闭或不封闭轮廓线产生分离的冲压工序，是冲压加工中最基本、应用最广泛的成形方式。落料与冲孔落料时冲下部分为工件，留下部分为废料；冲孔则相反，冲下为废料，留下为工件。变形机理普通冲裁利用剪切断裂，断面有光亮带与断裂带；精密冲裁实现纯塑性剪切，断面质量更高。60%+占比冲裁在汽车、电子、家电等行业的冲压件中占比超60%，既可单独使用，也常作为弯曲、拉深等成形工序的预备或后续工序。Chapter2·冲裁工艺冲裁工艺的技术特点与应用领域冲裁工艺以高效率、高一致性、可优化的材料利用率成为大批量生产的首选成形方式，广泛应用于汽车、电子、家电等行业。但其模具成本高的特点决定了只有达到一定生产批量才具备经济性。01生产效率优势冲床单次行程即可完成分离，高速冲床每分钟可达300–1500次行程，远超切削、铸造等工艺，特别适合大批量生产。02材料利用率可优化通过合理排样设计（直排、斜排、套排等），材料利用率可达60%–85%，配合卷料送进可进一步降低废料率。03尺寸一致性与互换性模具精度直接复现到工件上，同批次工件尺寸偏差可控制在IT8–IT10级，满足互换装配要求。04典型应用场景汽车覆盖件修边冲孔、电机定转子硅钢片、电子连接器接触片、家电面板冲孔等，覆盖从毫米级到米级的尺寸范围。冲裁工艺典型工件——汽车冲压件与金属垫片CHAPTER02冲裁变形过程与断面质量深入板料分离机理，揭示断面特征的形成规律BLANKINGDEFORMATION冲裁变形的三个阶段冲裁过程可划分为弹性变形、塑性变形、断裂分离三个依次演进的阶段，每个阶段对应不同的应力状态和变形特征。这三个阶段在冲裁件断面上留下了圆角带、光亮带、断裂带和毛刺等典型形貌特征，是理解断面质量的基础。01弹性变形阶段：凸模接触板料后施压，材料产生弹性压缩、弯曲和拉伸，应力未达屈服极限，卸载后可完全恢复，此阶段在断面上形成圆角带02塑性变形阶段：凸模继续下行使应力超过屈服强度，材料被挤入凹模孔产生塑性剪切，形成光滑平整的光亮带，此阶段变形程度决定断面质量上限03断裂分离阶段：刃口附近应力集中处萌生微裂纹，裂纹沿最大剪应力方向扩展并最终贯通，板料被撕裂分离，断面上留下粗糙的断裂带04裂纹扩展方向决定断面质量：凸、凹模刃口处裂纹若能重合则断面光洁、毛刺小；若错位则产生二次剪切或大毛刺，这是合理选择模具间隙的理论依据冲裁断面微观形貌·圆角带/光亮带/断裂带/毛刺BlankingCross-SectionAnalysis冲裁件断面四个特征区域冲裁件断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区域组成，各区域比例受材料塑性、模具间隙、刃口锋利程度等因素影响。光亮带比例越高表示冲裁质量越好，是评价冲裁件品质的核心指标。01圆角带（塌角）5%–10%位于断面顶部，由冲裁初期材料被弯曲拉伸形成，材料塑性越好圆角带越宽02光亮带（剪切带）15%–50%塑性剪切阶段形成，表面光洁、垂直于板面、尺寸精度最高，是冲裁件质量的核心表征03断裂带40%–60%裂纹扩展撕裂形成，表面粗糙、带有锥度（通常与板面成5°–8°角），材料越脆比例越大04毛刺≤10%–15%断裂后期裂纹未完全重合导致的金属残留，超差则提示间隙不当或刃口磨钝冲裁件断面宏观实拍·圆角带/光亮带/断裂带/毛刺区域对比BLANKINGQUALITY影响冲裁断面质量的主要因素冲裁断面质量受材料性能、模具参数和工艺条件三方面因素综合影响。其中模具间隙是最关键的可控参数，直接决定裂纹是否能良好重合，进而决定光亮带比例和毛刺高度。材料因素塑性指标越高光亮带越大，低碳钢可达40%–50%，铸铁几乎无软钢韧性撕裂、硬钢脆性断裂，断面形貌差异显著40%–50%模具因素合理间隙使裂纹贯通；过大产生毛刺，过小导致双光亮带刃口磨钝后毛刺急剧增大，需定期修磨维持断面质量KEYFACTOR工艺因素高速冲裁下热效应与裂纹扩展变化，光亮带比例略有提高良好润滑降低冲裁力10%–20%，减少刃口磨损提升寿命10%–20%CHAPTER03模具间隙与刃口尺寸计算掌握冲裁模设计的核心参数确定方法DieClearance冲裁模具间隙的概念与合理选取冲裁模具间隙（Z）是凸模与凹模刃口之间的横向距离差，是影响冲裁件质量、冲裁力和模具寿命的最关键设计参数。间隙过大或过小都会导致断面质量恶化和模具异常磨损，必须根据材料种类与厚度合理选取。Definition双面间隙Z凹模刃口尺寸减凸模刃口尺寸，单面间隙c=Z/2Z=Dd−DpForce冲裁力影响合理增大间隙降低冲裁力，过大则卸料力增加降低5%–15%Lifespan模具寿命影响间隙过小挤压摩擦剧增，偏大可延长寿命寿命+30%–50%Selection经验选取公式按材料种类与板厚取百分比，薄料取小值Z=(4%–13%)t常用材料冲裁双面间隙推荐值（mm）材料种类t≤0.50.5<t≤11<t≤22<t≤33<t≤4低碳钢（08/10钢）0.04–0.060.06–0.090.12–0.180.20–0.300.32–0.44中碳钢（45钢）0.05–0.070.08–0.110.14–0.220.24–0.360.38–0.52不锈钢（1Cr18Ni9Ti）0.05–0.080.08–0.120.15–0.240.26–0.380.40–0.56黄铜（H62）0.03–0.050.05–0.080.08–0.140.16–0.240.26–0.36铝合金（LY12）0.03–0.040.04–0.070.07–0.120.14–0.200.22–0.30不同材料和板厚对应的双面间隙值差异显著，设计时需严格查表选取DieEdgeDimensionCalculation刃口尺寸计算的基本原则刃口尺寸计算遵循"落料以凹模为基准、冲孔以凸模为基准"的核心原则，通过调整配对零件获得间隙。设计时必须同时考虑工件公差、模具制造公差和磨损方向三个因素。模具零件数控精密加工实拍01落料基准：落料件外形由凹模决定，以凹模刃口尺寸为基准，凸模尺寸按凹模减去双面间隙Zmin获得，即dp=dd−Zmin02冲孔基准：冲孔孔径由凸模决定，以凸模刃口尺寸为基准，凹模尺寸按凸模加上双面间隙Zmin获得，即Dd=Dp+Zmin03磨损方向：凹模磨损后刃口尺寸增大，取其最小极限尺寸；凸模磨损后尺寸减小，取其最大极限尺寸，以延长模具合格寿命04公差分配：凸、凹模制造公差取工件公差的1/3~1/4，需满足δp+δd≤Zmax−Zmin，否则需提高加工精度或采用配作FORMULASYSTEM刃口尺寸计算公式体系刃口尺寸计算分为落料和冲孔两类，每类均需先确定基准件尺寸再推算配对件。公式核心变量包括工件名义尺寸、工件公差、磨损系数和最小间隙，设计时需严格按工序性质选择对应公式。凸模与凹模刃口尺寸计算公式汇总工序类型基准件及公式配对件及公式说明落料凹模:Dd=(Dmax−xΔ)+δd凸模:Dp=(Dd−Zmin)−δp基准件取工件最大极限尺寸减去磨损量冲孔凸模:dp=(dmin+xΔ)−δp凹模:dd=(dp+Zmin)+δd基准件取工件最小极限尺寸加上磨损量配作落料凹模:Dd=(Dmax−xΔ)+δd凸模按凹模配作保证Zmin~Zmax凸模不注公差，按间隙配作配作冲孔凸模:dp=(dmin+xΔ)−δp凹模按凸模配作保证Zmin~Zmax凹模不注公差，按间隙配作x为磨损系数（0.5~1），Δ为工件公差，Zmin为最小双面间隙，δp/δd为制造公差CALCULATIONEXAMPLE刃口尺寸计算实例演练通过完整的计算实例，演示从查表确定参数、选择公式、计算基准件和配对件尺寸到验算公差条件的全过程。模具尺寸检测工作场景01题目条件：落料件φ50mm、IT14级（Δ=0.62mm），10钢板厚t=1mm，查表Zmin=0.06mm、Zmax=0.09mm，磨损系数x=102凹模（基准件）：Dd=(Dmax−xΔ)+δd=(50−0.62)+0.02=49.38+0.02mm，取δd=0.02mm03凸模（配对件）：Dp=(Dd−Zmin)−δp=(49.38−0.06)−0.02=49.32−0.02mm，取δp=0.02mm04公差验算：δp+δd=0.04mm>Zmax−Zmin=0.03mm，条件不满足；需提高加工精度至δ=0.015或改用配作方式Chapter04冲裁力计算与压力机选择确定冲裁工序所需载荷，合理匹配冲压设备Chapter2·BlankingForce冲裁力计算公式与降力措施冲裁力F=KLtτ是冲压设备选型的基础依据，其中K=1.3为安全系数。当计算冲裁力超过设备吨位时，可通过斜刃、阶梯、加热三种工艺措施有效降低峰值冲裁力，其中斜刃冲裁应用最广。斜刃冲裁凸模零件示意01基本公式F=KLtτ：K为安全系数取1.3（考虑刃口钝化、间隙波动），L为冲裁轮廓周长(mm)，t为板厚(mm)，τ为材料抗剪强度(MPa)02抗剪强度τ选取：低碳钢260-360、中碳钢360-480、不锈钢440-560、黄铜220-300、铝合金150-220MPa03斜刃冲裁降力：将凸模或凹模端面做成斜面，冲裁沿轮廓渐进进行，峰值力降低30%-50%，斜刃高度h=(1.5-3)t04阶梯冲裁降力：多凸模布置在不同高度台阶上，错开冲裁时刻，各台阶高差H=(0.3-0.5)t，适用于多孔同时冲裁FORCESCALCULATION卸料力、推件力与总冲压力计算总冲压力是冲裁力与卸料力、推件力、顶件力的组合，具体组成取决于模具的卸料和出件方式。选择压力机时公称压力必须留有20%-30%的安全余量，确保设备不过载。F卸卸料力F卸=K卸×F弹性卸料K卸=0.02–0.06，薄料取小值、厚料取大值0.02–0.06F推推件力F推=nK推×F，n为凹模孔内工件数，n=h直壁/tK推0.02–0.06F顶顶件力F顶=K顶×F弹性顶件装置使用，顶件力一般大于推件力K顶0.04–0.08COMBINATION总冲压力组合弹性卸料+下出件：F总=F+F卸+F推；弹性卸料+上出件：F总=F+F卸+F顶；刚性卸料+下出件：F总=F+F推3种组合模式PRESSSELECTION压力机选型条件公称压力P≥1.3F总，冲裁功不超过许用功，模具闭合高度在装模高度范围内P≥1.3F总CHAPTER02·冲裁工艺压力中心的确定方法压力中心是冲裁力合力的作用点，必须与压力机滑块中心线重合以避免偏心载荷。偏心会导致导轨磨损、间隙偏移和冲裁件报废。RISK压力中心偏移导致滑块导轨单侧磨损、模具间隙不均（一侧偏大一侧偏小）、冲裁件毛刺不一致，严重时导致导柱折断。FORMULA以各凸模刃口轮廓周长Li和坐标(xi,yi)为参数，x₀=Σ(Li·xi)/ΣLi，y₀同理，即加权平均法。SIMPLIFY单凸模且工件几何对称时，压力中心即为工件几何中心，无需额外计算。SOLUTION当压力中心偏离模柄轴线时，可通过调整凸模布局位置、增加平衡凸模（冲工艺孔）或加大模座尺寸来修正。多凸模冲裁模具结构实拍CHAPTER05排样设计与材料利用率通过合理排样最大限度降低材料成本Chapter2·BlankingLayout排样方式分类与搭边值确定排样方式决定了材料利用率的上限，有废料排样保证质量但利用率较低，少废料和无废料排样可显著提高利用率但对工件精度有影响。搭边值的合理选取在定位精度与材料节约之间取得平衡。有废料排样工件间和工件与条料边缘均留搭边，冲裁件质量最好、尺寸精度最高，适用于精度要求高的场合60%–75%少废料排样仅在工件之间留搭边，工件与条料边缘不留搭边（沿边缘冲裁），工件一侧断面质量略差+5%–15%无废料排样工件之间和边缘均不留搭边，尺寸精度和断面质量较低，仅适用于精度要求低的垫片类零件85%–95%搭边值选取工件间a=(1.5–2.5)t，侧面a₁=(1.2–2.0)t；硬料取小值、软料取大值，厚料取大值、薄料取小值(1.5–2.5)t常用排样方式对比排样方式布局特征材料利用率工件质量适用场景有废料直排工件间+边缘均留搭边60%–75%最高精度要求高的结构件有废料斜排工件按一定角度倾斜排列65%–80%最高非矩形/非圆形异形件少废料排样仅工件间留搭边70%–85%中等精度要求一般的冲压件无废料排样全部不留搭边85%–95%较低垫片、毛坯等低精度件套排/混合排多种工件嵌套排列75%–90%高批量生产中多品种配套UTILIZATION&OPTIMIZATION材料利用率计算与优化方法材料利用率是衡量排样方案经济性的核心指标，大批量生产中每提高1%利用率可带来显著的成本节约。通过优化排样方式、套排、废料利用等策略，可将材料利用率从60%提升至85%以上。01单步距利用率：η=A工件/(S×B)×100%，其中S为送料步距，B为条料宽度，A工件为一个步距内所有工件面积之和02整张板料利用率：η总=n×A工件/(L×B)×100%，n为一张板料上冲出的工件总数，L和B为板料长度和宽度03套排优化策略：将两种以上不同形状工件搭配排列于同一副模具中，利用形状互补减少搭边废料，利用率可提升10%–20%04废料再利用：冲裁废料可用于冲制更小零件（如垫片、挡圈），或回收为废钢原料，实现材料的梯级利用冲压条料排样布局实拍·工件在条料上的排列方式直接影响材料利用率CHAPTER06冲裁工艺设计与方案制定从工件图纸到完整工艺方案的系统方法PROCESSANALYSIS冲裁件工艺性分析要点冲裁件工艺性分析是工艺设计的第一步，从材料适用性、结构合理性、精度可行性和经济性四个维度评估工件是否适合冲裁成形。工艺性不佳的零件应在设计阶段就提出修改建议，避免模具投产后出现质量和成本问题。01材料适用性延伸率≥10%，厚度公差符合国标，表面无严重氧化皮和裂纹，否则断面质量与模具寿命难以保证02结构尺寸极限圆孔d≥1.3t（硬钢），方孔边长≥0.9t；孔间距和孔边距≥1.5t，防止冲裁时孔间撕裂03悬臂与凹槽宽度≥1.5t–2t，过窄导致凸模强度不足、易折断，必要时改用镶拼结构或增加支撑04圆角过渡外形转角R≥0.25t，尖角处应力集中严重，冲裁时易开裂且模具刃口磨损加快冲裁件最小工艺尺寸参考值工艺参数软钢/铜/铝中硬钢硬钢/不锈钢最小圆孔直径≥1.0t≥1.3t≥1.5t最小方孔边长≥0.8t≥0.9t≥1.2t最小孔间距/孔边距≥1.2t≥1.5t≥1.8t最小悬臂/凹槽宽度≥1.5t≥1.8t≥2.0t最小外形圆角半径≥0.2t≥0.25t≥0.3tt为材料厚度，实际取值还需考虑工件精度要求和模具结构强度SECTION2·冲裁工艺冲裁工序组合方案的选择冲裁工序可分别采用单工序模、复合模或级进模完成，三种方案在模具成本、生产效率、工件精度和适用批量上各有优劣。方案选择的核心决策变量是生产批量——小批量用单工序模，大批量用复合模或级进模。单工序模01每副模具仅完成一道工序，工件需多次送进不同模具，模具结构简单、制造成本低02适用于试制、小批量生产（年产量<1万件），工件尺寸较大或工序数较少的场合复合模01压力机一次行程中在同一工位完成落料、冲孔等多道工序，工件同轴度和尺寸精度高02适用于精度要求高的中大批量生产（年产量1万-100万件），典型如电机定转子冲片级进模（连续模）01条料在多个工位间顺序送进，每个工位完成一道工序，最终工位落料得到成品，生产效率最高02适用于大批量高速生产（年产量>100万件），如电子连接器、端子、小五金件等CHAPTER07冲裁模具结构与零件设计从工艺计算到模具实物结构的落地方法冲压工艺与模具设计冲裁模典型结构与零件分类冲裁模由成形零件和结构零件两大类组成：成形零件直接参与材料分离，需按工艺计算自行设计；结构零件承担支撑、导向、卸料等辅助功能，大量采用标准件以缩短制造周期。01具钢，热处理HRC58-6202和材料利用率03精度滚珠导柱导套04卸料与出件卸料板（弹性/刚性）、推件器、顶件器负责冲裁后将工件或废料从模具中分离送出05支撑与连接上/下模座、固定板、垫板、螺钉、销钉构成模具骨架，承受冲裁力并传递到压力机冲裁模具整体结构·上下模实拍CHAPTER02·冲压模具凸模结构设计要点凸模设计需综合考虑强度、刚度和固定可靠性。小直径凸模必须加装护套防止折断，大直径凸模的关键是选择合适的固定方式。材料选择和热处理硬度直接决定凸模的使用寿命。01小凸模保护—直径d<5mm的凸模弯曲刚度不足，必须采用护套结构（全长或半长护套），可将抗弯能力提升3-5倍，有效防止冲裁时折断。02固定方式选择—台肩固定适用于直径≥8mm圆凸模，拆装方便；铆接固定适用于中小型凸模；螺钉固定适用于大型异形凸模；粘结固定适用于精密小凸模。03凸模长度确定—L=h固定板+h卸料板+h导料板+(1-2)t+刃磨量(3-5mm)，需保证工作行程和修磨余量。04材料与热处理—T10A适用于简单形状凸模（HRC56-60），Cr12MoV适用于复杂形状（HRC58-62），硬质合金YG15适用于超大批量生产（HRA87-90）。冲裁凸模零件实拍—精密加工冲头结构DIEDESIGN凹模结构设计与刃口形式选择凹模刃口分为直壁式和锥形式两大类，各有优缺点和适用场景。凹模外形尺寸需满足强度和布置空间要求，刃口高度、刃口形式和材料热处理是设计的三个核心维度。冲压凹模零件·镶拼结构示意01直壁式刃口刃口直壁高度h=4-10mm（按板厚选取），修磨后刃口尺寸不变、工件精度高，但孔内容易卡料需配推件装置，适用于精度要求高的冲裁。02锥形式刃口锥角α=15'-30'（小角度）或3°-5°（大角度），工件或废料容易自行落下，无需推件装置，但修磨后刃口尺寸增大，适用于精度要求一般的落料。03凹模外形尺寸按刃口轮廓外扩15-30mm确定长宽，厚度H=(0.8-1.2)b（b为最大刃口轮廓尺寸），需满足螺钉和销钉布置空间。04镶拼结构大型或形状复杂凹模采用多块镶件拼合成型腔，节约模具钢、便于加工更换，拼合面精度要求IT6级以上。第2章·冲压模具结构定位零件与导向零件的设计选择定位零件保证条料送进位置的准确性，导向零件保证上下模相对运动的精度。两者共同决定了冲裁间隙的均匀性和工件尺寸精度。POSITIONING定位零件固定挡料销：安装于凹模面，控制送进步距，精度±0.1mm，适用单工序模GUIDANCE导向零件滑动导柱导套：45钢或20钢渗碳淬火，间隙0.01–0.02mm，适用一般精度冲裁模，成本低、维护方便滚珠导柱导套：GCr15钢淬火，间隙0.005–0.01mm，导向精度比滑动式高3–5倍，精密冲裁与复合模必须采用冲压模具设计卸料装置与出件方式的选择卸料与出件装置的设计直接影响冲裁件表面质量和生产效率。弹性卸料适用于薄料高精度场景，刚性卸料适用于厚料；上出件保证工件平整度，下出件结构简单效率高，需根据工件要求合理匹配。弹性卸料板·氮气弹簧·模具零件实拍01弹性卸料采用弹簧、橡胶或氮气弹簧提供卸料力，F卸=(0.02-0.06)F冲，卸料平稳、表面质量好，适用于板厚t<1.5mm精密冲裁。氮气弹簧压力恒定，模具寿命更长。薄料首选·精度高02刚性卸料固定卸料板安装在凹模面上，利用回程惯性刮下废料，卸料力大、结构简单，适用于厚板t>2mm及精度要求不高的场合。维护成本低，可靠性高。厚板适用·结构简单03上出件方式工件由顶件器从凹模上方顶出，不经过凹模孔、不变形，表面质量好，适用于外观要求高的面板类零件。配合弹性卸料可实现全自动生产。表面无损伤·外观件首选04下出件方式工件冲裁后直接落入凹模孔下方，结构最简单、生产效率最高，适用于大批量生产的一般精度冲压件。可与自动化送料机构配合实现连续生产。效率最高·大批量生产CHAPTER08精密冲裁工艺与模具实现全光亮断面与高精度冲压的先进工艺FINEBLANKING·PRINCIPLE精密冲裁的基本原理与实现条件精密冲裁通过齿圈压边、极小间隙和反顶力三个关键条件的协同作用，使变形区处于三向压应力状态，抑制裂纹产生，实现纯塑性剪切分离，精度达IT6–IT8级。精密冲裁工件实拍·光亮断面特征01齿圈压边圈（V形齿圈）：冲裁前先压紧条料，齿圈嵌入材料形成金属流动壁垒，阻止材料被拉入变形区，保证剪切面光整V形齿圈02极小间隙：精冲单面间隙仅为板厚的0.5%–1%（普通冲裁5%–10%），使材料几乎不产生弯曲，裂纹难以萌生0.5%–1%03反顶力（反压力）：凹模下方液压顶杆施加反顶力F反=(20%–60%)F冲，使变形区处于三向压应力状态，进一步抑制断裂三向压应力04精冲断面质量：光亮带比例可达100%，表面粗糙度Ra0.4–1.6μm，尺寸精度IT6–IT8级，垂直度误差<0.02mm/mmIT6–IT8FINEBLANKING·PROCESSREQUIREMENTS精冲件工艺性要求与典型应用精冲对材料塑性和工件结构有较高要求，最适合低碳钢和有色金属的中等厚度工件。精冲可显著减薄工件厚度、减少后续加工工序，在汽车变速箱齿轮、安全件