《冲压设计指导》-第二章

2.1支板冲孔切断级进模图2-1所示零件为开关柜支板，材料为Q235，厚度

t=4mm。2.1.1零件冲压工艺分析零件属于中等批量生产，尺寸公差较大，内外形简单对称，宽度尺寸为mm，长度尺寸为380mm，冲压工艺性较好，特别适合少、无废料冲裁加工。2.1.2确定冲压工艺方案采用无搭边冲孔切断级进模，两种冲裁方案的排样与模具简图分别见图2-2、2-3。方案1采用单边切断，将产生较大的侧向压力，模具刃口磨损及冲压噪声都较大，工件断面平整度也差。因此，冲模设计时应尽可能避免采用单边切断冲裁方式，尤其材料较厚时（t＞

2mm），更应如此。下一页返回2.1支板冲孔切断级进模方案2采用双边切断方式获得零件，模具刃口受力平衡，噪声小，模具寿命较长，工效高，一个冲次获得2个零件（由图2-3可见）。故下面以方案2进行分析计算。2.1.3冲压工艺与模具设计计算2.1.3.1冲裁力计算根据公式，冲裁力F=LtRm式中，L——冲裁长度（mm）；

Rm（即旧标准中的

b）——冲件材料抗拉强度，取440MPa；

t——冲件材料厚度（mm）。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模F={[（90+20）/2]

/4+380/2}×4/440

=2886400（N）≈2886（kN）查表，得卸料力系数

KX=0.04；冲孔的推件力系数

KT=0.045；则总冲裁力：F总

–F+F×0.04+F

×0.045–2886×1.085≈3131（kN）2.1.3.2确定压力中心经计算（计算过程略），理论压力中心位置如图2-4所示，与模具几何中心相近，所以实取凹模几何中心为压力中心。2.1.3.3各主要零件的尺寸计算凹模外形尺寸：凹模厚度H=K

×b（≥

15mm）上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模式中，b——凹模刃口最大尺寸（mm），考虑冲件形状，取封闭孔口的最大尺寸，本例中

b=90.9mm；

K——考虑板厚影响所取的系数，查得K=0.42。计算得，H=0.42×90.9=38mm，确定取H=40mm。凹模壁厚C=（1.5～2）×H（＞30mm）取系数1.5计算，得C=1.5×38=57mm，确定C=50mm。根据排样图即可得到凹模外形尺寸L×B×H（长×

宽×

高）-（400+2×50）×（187.9+2×50）×40=500×287.9×40取整数，确定凹模外形尺寸为L

×

B×H=500mm×300mm×40mm。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模2.凸模固定板厚度H固：H固

=0.7H=0.7×40=28（mm），确定取30mm。3.垫板：首先以承压面较小的凸模进行承压应力计算，以判断是否采用垫板。冲矩形孔的凸模承压面尺寸如图2-5所示，其承压应力为：

=冲裁力/凸模承压面面积=（90.3+20.3）×2×4×440/（90.3×20.3）=212（MPa）查得钢模座的许用压应力[

P]为110～

150MPa，由于

＞[

1]，因此需采用垫板。确定垫板厚度

H=12mm，材料为45钢，硬度为40～45HRC。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模4.卸料板：本模具采用弹性卸料，考虑到卸料力较大，卸料板外形尺寸亦较大，故厚度取15mm，材料为45钢，硬度为38～

42HRC。5.卸料橡皮的安装高度：经计算（计算过程略），冲裁4mm厚度的零件，橡皮的安装高度为30mm。6.计算切断凹模及凸模、冲孔凸模及凹模刃口部分尺寸。零件形状比较简单，冲裁模的凸模及凹模的加工在拥有普通线切割机床、平面磨床等一般模具加工设备的前提下，可考虑在热处理后，按图纸分开加工制造。1）切断凹模及凸模刃口尺寸：首先判断能否分开加工切断凹模、凸模的刃口宽度尺寸

Dd切、Dp切按落料凹模、凸模刃口尺寸计算公式计算，即上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模Dd切

=（D件max–X

件）+

0Dp切

=（Dd切

–Zmin）0-

零件宽度尺寸mm（见图2-1），为IT13精度，系数

X取0.75；查得凹模制造公差

d=0.03mm；凸模制造公差

p=0.02mm；冲裁间隙Zmin=0.60mm，Zmax=0.80mm。校核分开加工条件：

d+

p=0.02+0.03=0.05；

Zmax–Zmin=0.80–0.60=0.20。满足（

d+

p）＜（Zmax–Zmin）条件，所以可以分开加工制造凹、凸模。有计算式，确定切断凹模长度尺寸取400mm（＞380mm即可）。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模确定切断凸模长度尺寸取398mm（400mm即可)。2）冲孔凸模与凹模刃口尺寸：经判断（过程与上同，略），满足分开加工制造的条件。冲孔凸模刃口计算公式零件孔尺寸（见图2-1），为IT13精度，系数

X取0.75。查得冲孔凸模制造公差

p=0.02mm故上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模凸模均采用直通式结构（图2-5，2-6），经普通平面磨床可达到图纸尺寸要求。7.凸模固定板：凸模固定板的厚度尺寸

H=0.7×40=28mm，确定取30mm。凸模固定板上型孔尺寸均按凸模实际尺寸配作（M7/h6），孔距尺寸与凹模保持一致。2.1.3.4模具主要零件设计1.凸模的吊装紧固直通式凸模方便线切割加工，在模具制造企业中的应用日趋广泛，因此模具的冲孔与切断凸模均设计成直通式结构，用螺钉采用吊装方式紧固（见图2-9）。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模2.凹模与凸模材料的选择按照现有一般制模工艺，凹模刃口均为热处理后线切割加工。碳素工具钢热处理后内应力较大，线切割加工可能引起尖角处炸裂，故凹模材料一般宜采用9Mn2V、CrWMn、Cr12、Cr12Mov等，本例采用CrWMn。考虑到刃口磨损匹配，凸模材料亦为CrWMn。3.上、下模座的选择本实例模具的模架采用非标准模架，须自行设计。根据凹模的外形尺寸以及采用中间滑动导柱，确定上、下模座的外形尺寸为700mm×400mm×50/60mm。考虑模具工作时受力较大，模座材料选用Q235。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模2.1.3.5选用压力机本实例总冲裁力：F总

=3131kN；模具闭合高度：237mm故选用J31–400（400t）压力机，主参数为：最大冲压力：4000kN；滑块行程：230mm；连杆调整量：160mm；最大闭合高度：660mm；工作台尺寸：1060mm×990mm；行程次数：23次/min需要注意的是，该型号压力机滑块上无模柄孔，滑块底面有T形槽，可用于上模的固定，所以上模座不要设计安装模柄。2.1.3.6模具零件图凸模固定板、凹模零件图分别见图2-7、2-8。上一页下一页返回2.1支板冲孔切断级进模2.1.3.7模具总装图模具总装图与模具零件名称（见图2-9）。上一页返回2.2托架还料冲裁复合模2.2.1零件的冲压工艺分析图2-10所示为高压开关柜上的托架，材料为10钢，料厚2mm，中等批量生产，镀锌后使用。该零件的2个

8.5mm孔可供托架与柜体相连之用，2个

6.5mm孔则可供行程开关固定之用。零件形状简单对称，由冲裁和弯曲工序即可成形。2×6.5孔距离弯曲变形区较远，可弯曲前冲出；2×

8.5孔的孔距为60±0.23mm，有尺寸精度要求，应弯曲后再冲此两孔。零件高度（15mm）开口宽度（30mm）、长度（82mm）、宽度（36mm）等尺寸均为IT14。需要注意的是，零件高度尺寸（15mm）尽管是IT14，但使用时两边要求等高。下一页返回2.2托架还料冲裁复合模2.2.2冲压工艺方案的分析和确定由零件冲压工艺分析可知，冲压基本工序为冲孔（冲

6.5孔）、落料、弯曲、冲孔（

8.5孔）。根据零件特点及工艺要求，可以有以下冲压工艺方案（见图2-11）和带料级进冲压：方案1：冲2×

6.5孔及落料复合→弯曲两外角→弯曲两内角→冲2×8.5孔。方案2：冲2×

6.5孔及落料复合→弯曲两外角并预弯内角45°弯曲两内角→冲2×

8.5孔。方案3：冲2×

6.5孔及落料复合→弯曲四角→冲2×

8.5孔。方案4：冲2×

6.5孔和落料复合→两次弯四角（复合）→冲2×

8.5孔。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模方案5：采用带料级进冲压。方案1、2都需要分两次弯曲四个角，相应需要两套弯曲模，操作也欠方便。方案4则弯曲外角的凹模口宽度（约50mm）小于零件外形尺寸（82mm），完成四角弯曲后难以取件。方案5需要设计多工位弯曲级进模，模具结构复杂，零件生产批量不大，所以最终也未考虑该方案。方案3的弯曲模结构最简单，四角弯曲后可以保证零件两边等高。弯曲时零件表面产生的划痕可以在镀锌后得到改观。此外，零件外形尺寸精度不高，中等批量，可以考虑采用校正弯曲控制回弹。综合零件使用要求、生产成本、模具制造等因素，确定按方案3设计制造模具（事实上，笔者在企业中采用该方案设计制造了弯曲模，冲压的托架件完全满足使用要求）。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模2.2.3冲压工艺计算2.2.3.1坯料尺寸计算坯料（冲件展开尺寸）L

计算如下（见图2-12）：L=2×L1+2×L2+L3+4×L4=2×22+2×9+26+4×4.14=104.56≈104.6（mm）2.2.3.2落料件尺寸图、排样和裁板方案落料形状为矩形，排样图见图2-13。取搭边

a=a1=2.2mm；条料宽度

B=104.6+2.2+2.2=109mm；送料进距

S=36+2.2=38.2mm；选用板料规格为：2000mm×900mm×2mm。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模根据零件结构分析，因采用四角同时弯曲，且弯曲半径较小，为防止弯裂，剪裁条料时选用横裁法（使弯曲线与料纹垂直）于是条料尺寸为109mm×900mm。每板条料数

n1=2000/109=18（条）；每条制件数n2=900–2.2/38.2=23（件）；每块板制件数n3=n1×n2=18×23=414（件）；材料利用率

=414×（36×104.6）/（900×2000）=86.6%。2.2.3.3冲压力计算（略）上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模2.2.4模具设计实例2.2.4.1冲孔落料复合模按照方案三，首先采用复合工序（冲孔落料）制备托架的坯料。由零件形状尺寸可知，复合模的凸凹模壁厚远大于要求的最小壁厚，所以确定设计倒装冲裁复合模来完成坯料制备。倒装冲裁复合模结构相对简单，操作方便、安全，使用广泛。正装冲裁复合模中的冲孔废料由上模推件装置推出，落在凹模面上，很多情况下难以及时清除，容易造成安全隐患。实际上，笔者在企业从事冲模设计二十余年，所到之处，尚未见实际生产中使用正装冲裁复合模的。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模2.2.4.2复合模结构（1）同割工艺。根据大量生产实践经验，确定采用同割工艺（即采用线切割加工，当切缝宽度与凸、凹模间隙相同时，可同时切出凸模和凹模）。落料时以凹模尺寸为准切割，冲孔时以凸模尺寸为准切割，通过电极丝直径和电参数选择，切割时获得所需冲裁间隙。凹模尺寸壁厚较大，可将（电极丝）穿线孔设置在凹模上，按预定的程序进行整个型腔的加工（见图2-8）。本实例线切割丝直径势

=0.11mm，火花间隙为0.01～

0.02mm，则同割后双边间隙：Z=（0.11+0.01～

0.02）×2=0.24～0.26（mm）采用同割工艺设计冲裁模具，极大地节约了昂贵的切削加工费用，缩短了模具制造周期，也节约了模具钢材料，经济效益非常显著。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模凹模上留下的穿线孔与助走线，不影响冲裁模具（仅在助走线处的落料件断面上有不易察觉的凸痕）。笔者在企业工作期间，采用同割工艺设计制造的数十副模具，使用寿命与采用传统工艺制造的模具基本没有区别。当凸、凹模间隙小于切缝（如冲裁簿料的冲裁模制造）时，可采用有切割斜度的线切割机床，一次切出带锥度的凸、凹模，凸模的大端与凹模口小端配合可获得极小的冲裁间隙（当然凹模刃口带斜度）。（2）凹模、凸凹模设计。如图2-14所示，凹模各部分按常规设计并确定穿线孔位置，在凹模型腔内按零件图要求采用分开标注法标注出凹模及凸凹模上冲孔凹模的各部分尺寸，并选择适当位置设置紧固螺孔和定位销孔，用于凸凹模的固定与定位。上一页下一页返回2.2托架还料冲裁复合模凹模材料要求选用合金模具钢（不宜采用碳素工具钢）。（3）卸料板、推件块（打料器）的设计。凹模型腔为直壁形式，故推件块不能设计出挂肩，可以采用螺钉结构来替代（图2-15）。本实例中的卸料板及推件块也采用同割工艺制造。（4）凸凹模固定方法。采用同割工艺，凸凹模高度就是凹模厚度，且凹模厚度按常规设计一般取20～

30mm，故凸凹模高度不足，难以按常规方法采用固定板固定。本实例凸凹模尺寸较大，可采用螺钉固紧，销钉定位，如总装图（图2-16）所示。上一页返回2.3托架四角形件弯曲模在2.2节中，已对托架件进行了冲压工艺分析，并确定四角同时一次弯曲成形（有些企业将此种形状冲件弯曲称为帽形弯曲），这种弯曲方式保证了15mm这个尺寸左右一致，而这类零件的基本要求便是两边等高。此模具设计时有两点需要注意：①为使零件左右两直边平直，凸模的横向尺寸

L凸应略大于产品零件的横向尺寸

L件。可取L凸

=L件

+（2～4）+2R（R为凸模圆角）②用图2-17所示带顶板的凹模进行弯曲。实践表明，利用橡胶垫提供（背压）顶件力，弯曲时有足够的压平效果，可使拱弯回弹量明显减小。该弯曲模具的凸、凹模分别见图2-18、图2-19，总装图及各零件名称见图2-20。返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模2.4.1拉深工艺计算结果零件如图2-21所示，材料为10钢，厚度

t=2mm。将计算数据换算成与零件图相同的标准形式后，所得各工序件的尺寸见图2-22。2.4.2落料拉深模设计以毛坯落料尺寸及首次拉深计算为依据，设计落料拉深复合模。首次拉深取拉深系数m1=0.51。2.4.2.1首次拉深件的工艺性分析首次拉深件（工序件）也是带凸缘筒形件，毛坯落料尺寸

119mm，料厚2mm，厚度无公差要求，底部及凸缘处圆角半径

R=8.6mm，工序件尺寸均能满足拉深工艺要求。零件材料10钢，拉深性能好。计算后经查表，该工序件拉深需用压边圈。下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模2.4.2.2落料力、拉深力与压料力计算落料力：根据冲裁力公式F冲

=LtRm（10钢Rm

取400MPa）F冲

=（3.14×119）×2×400=298（kN）拉深力：根据拉深力公式F拉深

=K1

d1tRm式中，由m1=0.51，查得系数K1=1；

d1

-

拉深件直径（mm）F拉深

=1×3.14×59.8×2×400=150（kN）压料力：根据压料力公式FY=

[D2-（d1+2Rd1）2]P/4上一页下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模式中，D

-

坯料直径（mm）；

Rd1-首次拉深凹模圆角半径（mm）；

P

-

单位面积压料力（MPa）（查得

P=2.5MPa）。FY=3.14×[1192-（59.8+2×8.6）2]×2.5/4=16（kN）2.4.2.3确定压力机标称压力

F压力机由于冲裁与拉深不是同时进行的，计算表明，冲裁力比拉深力大得多，所以压力机标称压力

F压力机的确定以冲裁工艺力为依据。考虑到冲裁时压力机滑块离下止点较远，为保证冲压工艺力曲线全部在压力机负荷曲线之下，以下式为

F压力机确定的依据：F压力机≥1.8F冲总式中，F冲总为冲裁工艺力，包括冲裁力、卸料力、推件力。上一页下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模F冲总

=F冲+F卸+F推

=0.04×298+0.055×298=326.3（kN）计算式中0.04、0.055为卸料力系数和推件力系数。故

F压力机≥1.8×326.3=587.4（kN）。2.4.2.4模具工作部分尺寸1.落料凸、凹模间隙：查表，取凸、凹模（双边）间隙Z=0.20～0.30mm。2.拉深凸、凹模间隙：查表、计算得凸、凹模（单边）间隙

Z=1.2t=2.4mm。3.拉深凸、凹模圆角半径：见图2-22，可知拉深凸、凹模圆角半径均为R=8.6mm，考虑到半径规（测量量具）为逢0.5mm增减，故拉深凸、凹模圆角半径取R=8.5mm。上一页下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模4.凸、凹模工作尺寸及公差：工序件要求外形尺寸，故以拉深凹模为设计基准，确定尺寸及制造公差。考虑拉深后该冲件需从拉深凹模内推出，由于打杆行程小于冲件高度，故拉深凹模应取合适的倒锥，以利于冲件顺利推出（参见打料装置设计说明）。计算得到D凹

=mm，并取10′倒锥（1∶343.8）（图2-23），D凹

=61.8-（2×Z）=61.8-（2×2×1.2）=61.8–4.8=mm（图2-24）5.凸模通气孔：根据凸模尺寸及加工方便，取通气孔为

5mm×10mm，尾部直径

10mm。2.4.2.5模具的总体设计模具总装图如图2-25所示，其特点如下：上一页下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模（1）拉深凸模与落料凹模保证高度差。拉深凸模磨损较小，落料凹模因刃口磨损需磨锋，高度会逐渐减小，故拉深凸模与落料凹模给以5mm的高度差，不仅保证了落料凹模的刃磨余量，也保证了先落料后拉深。（2）无（条料）卸料装置。采用无搭边排样（将条料宽度控制在略小于或等于毛坯直径值119mm），所以未设计条料卸料装置；模具设计了导料板，对条料导向。条料宽度尺寸见总装图（图2-25）。（3）打料装置。拉深后，拉深件将卡在拉深凹模内，模具采用刚性打料装置推件。中小型压力机刚性打料装置行程一般不大于20～

30mm，本例拉深件高度为40mm，打料后拉深件仍留在拉深凹模内，所以拉深凹模须设计一定的倒锥，使拉深件被刚性推出后能自由落下。上一页下一页返回2.4有凸缘筒形件落料（首次）拉深模此外，设计时需注意打料杆的行程（推件行程）必须小于压力机刚性打料装置行程。（4）落料凹模的设计。落料凹模设计厚度为25mm，材料为Cr12MoV。