冲裁模设计及其工艺机械制造基础论文

1、宁夏大学 机械工程学院机械制造基础课程报告冲裁模设计及其工艺报告撰写人： 陈勇勇 指导教师： 段建中 教授 班级与学号：卓工班（12012243502） 报告完成日期： 2014、6、19摘要：近年来，随着我国经济的高速发展，对制造业提出了新的要求，尤其是机械制造业方面，因为机械制造业标志着一个国家的工业水平。而在机械制造业中，模具的设计与加工制造又是基础。因而模具的设计及其工艺的重要性自是不言而喻。本论文就模具中的冲裁模的设计及其工艺的基本知识作一简单的探讨与研究，从而使我们可以掌握关于冲裁模设计的基本知识，加深我们对冲裁模的认识与了解。关键词：冲裁模、设计方法、凸模、凹模、排样、工艺目录1

2、前言11.1模具技术的现状11.2本课程设计的主要任务11.3本课程设计的意义12冲裁模具技术12.1冲裁模具简介22.2冲裁模具的分类22.3冲裁模具的工作过程32.4冲裁变形过程分析42.4.1剪切区力态分析42.4.2冲裁变形过程52.4.3剪切断面分析62.5合理冲裁间隙的确定及其影响83冲裁凸模与凹模刃口尺寸的确定123.1凸模与凹模刃口尺寸的计算原则123.2凸模与凹模刃口尺寸的计算方法134冲压力的计算164.1冲裁力的计算174.2卸料力的计算174.3推料力的计算184.4顶料力的计算194.5降低冲裁力的方法194.6压力机公称压力的确定204.7冲模压力中心的确定215冲

3、裁模凸模的设计方法235.1凸模的结构形式和固定方法235.1.1圆形凸模的结构形式和固定方法235.1.2大、中型凸模的结构形式和固定方法245.1.3非圆形凸模的结构形式和固定方法255.2凸模的尺寸设计256冲裁模凹模的设计方法266.1凹模的刃口形式和固定形式276.2凹模结构尺寸的设计276.3凹模刃口轮廓线与凹模边缘尺寸的确定287冲裁模的典型结构297.1单工序冲裁模297.2级进模337.3复合模338冲裁工艺设计358.1冲裁件的工艺分析359冲裁排样的设计409.1材料的合理利用409.2排样方法419.3搭边439.4条料宽度与导料板间距离的计算449.5排样图4610冲

4、裁模具的设计流程4711总结与展望48致谢48参考文献491前言模具以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”；日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”；德国给模具工业冠之以“金属加工中的帝王”称号；欧盟一些国家称“模具就是黄金”；新加坡则把模具工业称为“磁力工业”；中国模具权威称“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中所具有的重要地位，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水品的重要标志之一。1.1模具技术的现状我国模具工业的产值在国际上排名位居第三位，仅次于

5、日本和美国。国内的模具生产厂已超过17000家，从业人员达50万。近年来，我国的模具工业一直以每年13左右的增长速度快速发展我国模具行业在“十五”期间的增长速度达到1315。 （1）中国模具产业的进出口。近几年来，我国每年进口模具约占市场总量的20左右，已超过10亿美元，成为世界上最大的模具进口国其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的50以上，冲压模具占全部进口模具约40 中、高档模具进口比例占市场总量的40以上。（2）我国模具技术的发展进步主要表现：研究开发了模具新钢种及硬质合金、钢结硬质合金等新材料，并采用了一些新的热处理工艺，延长了模具的使用寿命。比如冲模广泛使用合金工具钢代替碳素工具钢，提

6、高模具寿命，减少模具热处理变形。开发了多工位级进模和硬质合金模等新产品，并根据国内生产需要研制了精密塑料注射模。研究开发了一些模具加工新技术和新工艺。如三维曲面数控加工；模具表面抛光、表面皮纹加工及皮纹辊制造技术；模具钢的超塑性成型技术和各种快速成型技术等。模具加工设备已得到较大发展，已广泛使用精密坐标磨床、数控(cnc)铣床、cnc电火花线切割机床和高精度电火花成型机床等。模具零件的精度由数控机床保证，解决了以前传统切削加工生产模具零件，靠钳工技艺保证质量，质量难保证的问题。模具计算机辅助设计和制造(模具cad/cam/cae)已在国内得到了广泛的开发应用。三维造型软件和仿真软件的广泛应用，

7、不仅能自动编程，还能进行干涉检查，保证设计和工艺的合理性。 （3）中国模具工业存在的问题。精密加工设备还很少大型、精密、复杂和长寿命模具的产需矛盾十分突出许多先进的技术如cadcaecam技术的普及率还不高。 1.2本课程设计的主要任务本课程设计主要是对冲裁模设计方法及其工艺相关的知识进行梳理与探讨，并结合最新冲裁模具技术的发展现状将该知识进行一次系统的、基础的整理与完善。1.3本课程设计的意义通过本次课程设计，加深对冲裁模设计方法及其工艺相关的知识的认识与理解，从而为实际的冲裁模具的设计奠定坚实的基础。2冲裁模具技术2.1冲裁模具简介冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工

8、序。它包括落料、冲孔、切口、 剖切 、修边等工序，其中落料和冲孔是最常见的两种工序。如图1.1所示的垫圈即由落料和冲孔两道工序完成。 a）落料 b）冲孔 图1.1 垫圈的落料和冲孔根据变形机理的差异，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。冲裁所使用的模具称为冲裁模，它是冲裁过程必不可少的工艺装备，如落料模、冲孔模、切边模、冲切模等。冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛，它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯。2.2冲裁模具的分类冲裁模具的分类方法有4种：按工序组合程度分类、按凹模位置分类、按导向位置分类和工序性质分类。（1）按工序组合程度分类冲裁模具可分为单工序模、级进模和复合模。 单工序冲裁模：在

9、压力机滑块每次行程中只能完成一种冲裁工序。特点是磨具结构简单、制造方便、成本低廉，但不能精确保证外形与内孔的位置精度，且生产率低。 级进冲裁模具：也叫连续模，指由多个工位组成、各工位完成不同的加工、各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工。 复合模：在磨具上只有一个加工工位，在压力机的一次行程中完成两个或两个以上的加工工序。表1.1 复合模、级进模、单工序模优缺点比较比较项目单工序模复合模级进模结构简单较复杂复杂成本、周期小、短小、短高、长制造精度低较高高材料利用率高高低生产效率低低高维修不方便不方便方便产品精度高高低品质低低高安全性不安全不安全安全自动化较易难易于自动化冲

10、床性能要求低低高应用小批量生产大、中型零件的冲压试制大批量生产内外形精度要求高大批量生产 中、小零件冲压 （2）按凹模位置分类一般来说，冲裁模具可分为正装模与倒装模。正装与倒装是冲裁模具的两种基本结构形式。正装是指凸模装在上模，凹模装在下模；倒装是指凹模装在上模，凸模装在下模。（3）按导向位置分类冲裁模可分为外导向与内导向。外导向是指利用上模座、下模座、导柱、导套组成的模架进行的导向；内导向是指利用小导柱和小导套对卸料板进行导向，同时卸料板又对凸模进行导向。（4）按工序性质分类冲裁模具可分为落料模、冲孔模、切边模、冲切模、切断模、冲槽模、修整模等2.3冲裁模具的工作过程直接或间接固定在上模座上

11、的零件组成模具的上模，它通过模柄或利用压板与压力机滑块相连。固定在下模座的零件组成了模具的下模，并利用压板固定在压力机的工作台上。上模与下模通过导柱、导套导向。工作时，条料靠着挡斜销定位。当上模随滑块下降时，卸料板先压住板料，接着凸模冲落凹模（卸料板）上面的材料获得工件。这时工件卡在凹模内或自由下落，废料也紧紧箍在凸模上（正装结构）。在上模回程时，工件由顶料块借助弹簧的弹力从凹模洞口顶出（倒装结构）；同时箍在凸模上的废料，由卸料板靠弹簧的弹力卸掉，再取走工件，至此完成整个落料过程。再将条料送进下一个步距，进行下一次冲裁过程，如此往复进行。图1.2 冲裁模的工作过程板料送进上模下行冲裁上模回程卸

12、料机构卸料推件机构推料冲裁件或废料2.4冲裁变形过程分析2.4.1剪切区力态分析冲裁时，由于板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。对于无压料板压紧材料的冲裁，图1.3是模具对板料进行冲裁时其变形区应力状态图。当凸模下降至与板料接触时，板料受到凸模、凹模端面的作用力。由于凸模、凹模之间存在冲裁间隙，使凸模、凹模施加于板料的力产生一个力矩 m，其值等于凸模、凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂a的乘积。在无压料板压紧装置冲裁时，力矩使材料产生弯曲，故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触宽度约为板厚的0.20.4倍。并且凸模、凹模作用于板料垂直压力呈不均匀分布，随着向

13、模具刃口靠近而急剧增大。 图1.3 冲裁时作用在材料上的力其中 f1、f2 凸模、凹模对板料的垂直作用力；f3、f4凸模、凹模对板料的侧压力；f1、f2凸模端面与板料间摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口；f3、f4凸模、凹模侧面与板料间的摩擦力。2.4.2冲裁变形过程冲裁是分离变形的冲压工序。当凸模、凹模之间的设计间隙合理时，工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终，如图 1.4所示。图 1.4 冲裁变形过程（1） 弹性变形阶段由于凸模加压于板料，使板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸 (abab)等变形，板料底面相应部分材料略挤入凹模洞口内。此时，凸模下的板料略有

14、拱弯(锅底形)，凹模上的板料略有上翘。间隙越大，拱弯和上翘越严重。在这一阶段中，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，当凸模卸载后，板料立即恢复原状。（2） 塑性变形阶段当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服极限时，板料开始产生塑性剪切变形。凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内，形成光亮的剪切断面。同时，因凸凹模间存在间隙，故伴随着弯曲与拉伸变形 (间隙愈大，变形亦愈大)。随着凸模的不断压入，材料的变形程度便不断增加，同时硬化加剧，变形抗力也不断上升，最后在凸模和凹模的刃口附近，达到极限应变与应力值时，材料就产生微小裂纹，这就意味着破坏开始，塑性变形结束。（3）断裂分离阶段 裂纹产生后，此时凸模仍

15、然不断地压入材料，已形成的微裂纹沿最大剪 应变速度方向向材料内延伸，向楔形那样发展，若间隙合理，上下裂纹则相遇重合，板料就被拉断分离。由于拉断的结果，断面上形成一个粗糙的区域。当凸模再下行，凸模将 冲落部分全部挤入凹模洞口，冲裁过程到此结束。图 1.5冲裁力与凸模行程曲线图1.5为冲裁时冲裁力与凸模行程曲线。图中 ab段相当于冲裁的弹性变形阶段，凸模接触材料后，载何急剧上升，当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段后，载荷的上升就缓慢下来，如 bc段所示。虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减小，但只要材料加工硬化的影响超过受剪面积减小的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相等影响的瞬间

16、，冲裁力达最大值，即图中的 c点。此后，受剪面积 的减少超过了加工硬化的影响，于是冲裁力下降。凸模继续 下压，材料内部的微裂纹迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图 cd段所示，此为冲裁的断裂阶段。2.4.3剪切断面分析（1）断面特征冲裁件正常的断面特征如图1.6所示。它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。 圆角带 该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。 光亮带 该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/21/3。 断裂带 该区域是在断裂阶段形成，是由于刃口处产生

17、的微裂纹在拉应力的作用下，不断扩展而形成的撕裂面其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。 毛刺 毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分处于高静水压应力状态，使微裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。在四个特征区中，光亮带剪切面的质量最佳。各个部分，在整个断面上所占的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。a圆角带；b光亮带; c断裂带; d毛刺1.6冲裁件的断面特征（2）材料的性能对断面质量的

18、影响对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大。所以得到的光亮带所占比例大，圆角和穹弯较大，断裂带较窄。而塑性差的材料，当剪切开始不久材料便被拉裂，光亮带所占比例小，圆角小，穹弯小，而大部分是带有斜度的粗糙断裂带。（3）模具冲裁间隙大小对断面质量的影响冲裁单面间隙是指凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半，常称冲裁间隙。用c表示。间隙值的大小，影响冲裁时上、下形成的裂纹会合；影响变形应力的性质和大小。当间隙过小时，如图1.7 a所示，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带 (夹层)。小间隙会使应力

19、状态中的拉应力成分减小，挤压力作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。当间隙过大时，如图1.7c所示，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大， 拱弯翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面出现2个斜度，断面质量也不理想。当间隙适中时，上、下裂纹会合成一条线。尽管断面有斜度，但断面较平直，圆角和毛刺均不大，

20、有较好的综合断面质量。这种间隙是设计选用的合理间隙，图1.7 b所示。 当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现 部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件断面质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。图1.7间隙大小对冲裁件断面质量的影响a)间隙过小b)间隙合适c)间隙过大（5）模具刃口状态对断面质量的影响刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。图 1.8模具刃口状态对断面质量的影响2.5合理冲裁间隙的确定及其影响冲裁

21、间隙是冲模设计中一个重要的工艺参数，它对冲裁件的断面尺寸、尺寸精度、冲裁力和模具的寿命等都有影响。因此设计冲裁模具时一定要选择一个合理的间隙值。（1）间隙是相互配合的凸模和凹模相应尺寸的差值或其之间的空隙。（2）单面间隙是从中心至一侧的间隙或一侧的空隙，用z/2表示，如图1.9所示。（3）双面间隙是从一侧至对面另一侧的间隙或两侧间隙之和，用z表示，如图1.9所示。 z=d凹d凸式中 z双面间隙，mm； d凸凸模尺寸，mm； d凹凹模尺寸 图1.9 冲裁间隙（4）间隙对冲裁件尺寸精度的影响 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高，这个差值包括两方面的偏差，一是

22、冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。冲裁件相对于凸、凹模尺寸的偏差，主要是制件从凹模推出 (落料件)或从凸模上卸下（冲孔件）时，因材料所受的挤压变形、纤维伸长、穹弯等产生弹性恢复而造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这个偏差值的因素有：凸、凹模间隙，材料性质，工件形状与尺寸。其中主要因素是凸、凹模间隙值。表1.2 模具精度与冲裁件精度的关系（5）间隙对模具寿命的影响模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是影响模具寿命等因素中最主要的因素之一。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重。所以过小的间隙对模具

23、寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面与材料间的摩擦减小，并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。（6）间隙对冲裁工艺力的影响随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5%20%左右时，冲裁力的降低不超过5%10%。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料和从凹模里推出零件都省力，当单边间隙达到材料厚度的1525%左右时卸料力几乎为零。但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。（7）间隙值的确定由以上分析可见，凸模、凹模间间隙对冲裁件

24、质量、冲裁工艺力、模具寿命都有很大的影响。因此，设计模具时一定要选择一个合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求、所需冲裁力小、模具寿命高。但分别从质量、冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙zmin，最大值称为最大合理间隙zmax。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值zmin。确定合理间隙的方法有理论确定法与经验确定法。 理论确定法理论确定法

25、的主要依据是保证上下裂纹重合，以便获得良好的断面。图1.10所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。图1.10 冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态根据图中几何关系可求得 z=2( t - h0 ) tan =2 t (1-h0/t) tan式中 h 凸模切入深度；最大剪应力方向与垂线方向的夹角。从上式看出，间隙z与材料厚度t、相对切入深度h0t以及裂纹方向有关。而h与又与材料性质有关，材料愈硬,h0t愈小。因此影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。材料愈硬愈厚，所需合理间隙值越大。表 2.2.2为常用冲压材料的ht与的近似值。由于理论计算方法在生产中使用不方便，故目前间隙值的确定广泛使用的是经验公式

26、与图表。 经验确定法根据近年来的研究与使用经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件应选用较小间隙值（表1.3）。对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大双面间隙值（表1.4）。其值可按下列经验公式和实用间隙表选用：软材料：t1 mm z= （3% 4% ）tt = 1 3mm z= （5% 8%）t t = 3 5mm z =（8% 10%）t 硬材料：t 1mm z = （ 4% 5%）t t = 1 3mm z = （ 6% 8%）tt = 3 8mm z = （ 8% 13%）t 表1.3 冲裁模初始双面间隙值

27、z注：1.初始间隙的最小值相当于间隙的公称数值。2.初始间隙的最大值是考虑到凸模和凹模的制造公差所增加的数值。3.在使用过程中，由于模具工作部分的磨损，间隙将有所增加，因而间隙的使用最大数值会超过表列数值。4.wc为碳的质量分数，用其表示钢中的碳含量。表1.4 冲裁模初始双面间隙值z3冲裁凸模与凹模刃口尺寸的确定3.1凸模与凹模刃口尺寸的计算原则冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现：（1）由于凸模、凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度，且落料

28、件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。（2）在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是以小端尺寸为基准。（3）冲裁时，凸模、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，结果使间隙越来越大。由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需考虑下述原则：（1）落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。故设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。（2）考虑到冲裁中凸模、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。这样，在凸模

29、、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格制件。凸模、凹模间隙则取最小合理间隙值。（3）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。如果对刃口精度要求过高( 即制造公差过小)，会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低(即制造公差过大)，则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。制件精度与模具制造精度的关系见表2.2.1。若制件没有标注公差，则对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”it14级处理，冲模则可按it11级制造；对于圆形件，一般可按it7it6级制造模具。冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注，落料件上偏差为零，下偏差为负；冲孔件下偏差为零，上偏差

30、为正。3.2凸模与凹模刃口尺寸的计算方法由于模具加工方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，刃口尺寸的计算方法可分为二种情况。 （1）凸模与凹模分别加工采用这种方法，是指凸模和凹模分别按图纸标注的尺寸和公差进行加工。冲裁间隙由凸模、凹模刃口尺寸和公差来保证。要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差(凸模凸、凹模凹)，优点是具有互换性，但受到冲裁间隙的限制，它适用于圆形或简单形状的冲压件。从图1.11冲压件与凸模、凹模刃口尺寸及公差的分布状态可以看出，要保证初始间隙值小于最大合理间隙zmax，必须满足下列条件：凸凹zmaxzmin也就是说，新制造的模具应该是凸凹zminz

31、max。 否则制造的模具间隙已超过允许变动范围 zminzmax，影响模具的使用寿命。若凸凹zmaxzmin，可取凸0.4(zmaxzmin)，凹0.6(zmaxzmin)作为模具的凸模、凹模的制造偏差。下面对落料和冲孔两种情况分别进行讨论。（a）落料（b）冲孔图 1.11 凸 、凹模刃口尺寸的确定:落料：设工件的尺寸为d0-，根据计算原则，落料时以凹模为设计基准。首先确定凹模尺寸，使凹模基本尺寸接近或等于制件轮廓的最小极限尺寸，再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值zmin。各尺寸分配位置见图1.11(a)。凹模制造偏差取正偏差，凸模偏差取负偏差，其计算公式如下：d凹=(dmax-x)+0凹d凸

32、=（d凹-zmin)0凸=（dmax-x-zmin）0 -凸:冲孔：设冲孔尺寸为d+0，根据以上原则，冲孔时以凸模设计为基准，首先确定凸模刃口尺寸，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。各部分尺寸分配位置见图1.11（b），凸模制造偏差取负偏差，凹模取正偏差。其计算公式如下： d凸=(dmin+x)-凸0d凹 =（d凸+zmin)+0凹=（dmin+x+zmin）+0凹孔心距属于磨损后基本不变的尺寸。在同一工步中，在工件上冲出两个以上孔时，凹模型孔中心距 ld按下式确定 ：式中：d凹落料凹模基本尺寸(mm)；d凸落料凸模基本尺寸(mm)；dma

33、x落料件最大极限尺寸(mm)；d凹冲孔凹模基本尺寸(mm)；d凸冲孔凸模基本尺寸(mm)；dmin冲孔件孔的最小极限尺寸(mm)；ld同一工步中凹模孔距基本尺寸(mm)；lmin制件孔距最小极限尺寸(mm)；制件公差 (mm)；zmin凸模、凹模最小初始双面间隙(mm)；凸凸模下偏差，可按it6选用(mm)；凹凹模上偏差，可按it7选用(mm)；x系数，是为了使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸，与工件制造精度有关，按下列关系取值，也可查表2.3.1：当制件公差为 it10以上，取x当制件公差为 it11it13，取x0.75当制件公差为 it14以下时，取x0.5。表1.5系数x

34、（2） 凸模和凹模配制加工计算刃口尺寸对于形状复杂或料薄的冲压件，为了保证冲裁凸、凹模间有一定的间隙值，必须采用配合加工。此方法是先做好其中的一件(凸模或凹模)作为基准件，然后以此基准件的实际尺寸来配加工另一件，使它们之间保持一定的间隙。这种加工方法的特点是： 模具的冲裁间隙在配制中保证，不需受到凸凹zmaxzmin条件限制，加工基准件时可适当放宽公差，使加工容易。根据经验，普通冲裁模具的制造偏差凸或凹一般可取4（为制件公差）。 尺寸标注简单，只在基准件上标注尺寸和制造公差，配制件只标注公称基本尺寸并注明配做所留的间隙值。但该方法制造的凸模、凹模是不能互换的。在计算复杂形状的凸模、凹模工作部分

35、的尺寸时，其各部分尺寸在模具工作时磨损性质不同，一个凸模或凹模会同时存在着三类不同磨损性质的尺寸：凸模或凹模磨损会增大的尺寸；：凸模或凹模磨损后会减小的尺寸；：凸模或凹模磨损后基本不变的尺寸。这时计算基准件的刃口尺寸，需要根据磨损情况按不同方法计算。如图1.12（a）所示为落料件，根据设计原则，故以凹模设计为基准；（b）为落料凹模刃口轮廓图，虚线为凹模磨损后尺寸的变化情况。：凹模磨损后增大的尺寸:a1,a2,a3.按一般落料凹模计算公式：a凹=(amax-x) +0凹：凹模磨损后减少的尺寸：b1，b2.按一般冲孔凸模计算公式：b凹=(bmin+x) -凸0：凹模磨损后不变的尺寸：c1，c2，c

36、3.其基本公式为：c凹=(cmin+0.5)0.5凹式中 a凹，b凹，c凹相应的凹模尺寸，mm amax工件的最大极限尺寸，mmbmin工件的最小极限尺寸，mmc工件的基本尺寸, mm工件的公差, mm凹凹模的制造公差，通常取凹=/4。（a）（b）图1.12 形状复杂落料件的尺寸分类及凹模磨损情况4冲压力的计算冲压力是指在冲裁时，压力机应具有的最小压力f总=f冲+f卸+f推（f顶）式中 f总总的冲压力，nf冲冲裁力，nf卸卸载力，nf推推件力，nf顶顶件力，n总冲压力是选择压力机吨位，进行模具强度、刚度校核的重要依据。4.1冲裁力的计算（1）定义冲裁时材料对凸模的最大抗力称为冲裁力。f冲=lt

37、式中 f冲冲裁力，nl冲裁轮廓线长度，mmt板料厚度，mm材料的抗剪强度，mpa（2）影响冲裁力的主要因素 材料的抗剪强度； 材料的厚度； 冲裁件的轮廓周长； 冲裁间隙； 刃口的锐利程度； 冲裁速度及润滑情况。考虑到以上因素，实际所需的冲裁力还要增加30，因此，选择冲床时的冲裁力应为f冲=1.3 f冲=1.3 lt=lt（n）式中 材料的抗拉强度，mpa。4.2卸料力的计算（1）定义卸下包在凸模上材料所需的力；如图1.15所示。图1.15 卸料力1凸模；2材料或工件f卸=k卸f冲式中 f卸卸料力，nk卸卸料力系数，见表1.6f冲冲裁力，n表1.6 卸料力、推料力和顶料力系数4.3推料力的计算（

38、1）定义顺着冲裁方向推出卡在凹模里的料所需的力，如图1.16所示f推=nk推f冲 ; n=h/t式中 f推推料力，nn卡在凹模里料的个数（锥形出口无工件卡主，故f推=0，不计算推件力）h凹模刃壁垂直部分高度，mmt料厚，mmk推推料力系数，见表1.6f冲冲裁力，n 图1.16 推料力和顶料力4.4顶料力的计算（1）定义逆着冲裁方向推出卡在凹模里的料所需的力，如图1.16所示。f顶=k顶f冲式中 f顶顶料力，nk顶顶料力系数，见表1.6f冲冲裁力，n4.5降低冲裁力的方法在冲压高强度材料、厚料和大尺寸冲压件时，需要的冲裁力较大，生产现场压力机的吨位不足时，为不影响生产，可采用一些有效措施降低冲裁

39、力。 图1.13凸模阶梯布置 凸模的阶梯布置（图1.13）凸模阶梯布置由于各凸模工作端面不在一个平面，各凸模冲裁力的最大值不同时出现，从而达到降低冲裁力的目的。当凸模直径有较大差异时，一般把小直径凸模做短一些，高度差h=(0.51 )t。凸模的阶梯布置会给刃磨造成一定困难，仅在小批量生产采用。图1.14斜刃冲裁（a）、（b）落料凹模为斜刃；（c）、（d）、（e）、冲孔凸模为斜刃；（f）用于切口或切断的单边斜刃 斜刃冲裁（图1.14）斜刃是将冲孔凸模或落料凹模的工作刃口作成斜刃，冲裁时刃口不是全部同时切入，而是逐步地将材料分离，能显著降低冲裁力，但斜刃刃口制造和刃磨都比较困难，刃口容易磨损，冲件

40、也不够平整。为了能得到较平整的工件，落料时斜刃做在凹模上；冲孔时斜刃做在凸模上。加热冲裁使金属抗剪强度降低，也能降低冲裁力。4.6压力机公称压力的确定压力机的公称压力必须大于或等于各种冲压工艺力的总和f冲。f冲的计算应根据不同的模具结构分别对待：（1）采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时 f冲=f冲+f卸+f推（2）采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时f冲=f冲+f卸+f顶（3）采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时f冲=f裁+f推4.7冲模压力中心的确定模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。对于带有模柄的

41、冲压模，压力中心应通过模柄的轴心线。否则会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨之间产生过大的磨损，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。（1）简单几何图形压力中心的位置对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中心。冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置，如图1.15所示。 图1.15 圆弧线段的压力中心计算公式为： y=(180rsin)/()（2）形状复杂的零件、多凸模的压力中心确定多凸模模具的压力中心，是将各凸模的压力中心确定后，再计算模具的压力中心。利用解析法进行计算的步骤如下：利用解析法的计算依据是：各分力对某坐标轴的

42、力矩之代数和等于诸力的合力对该坐标轴力矩。求出合力作用点的座标位置 o0(x0, y)，即为所求模具的压力中心(图 1.16)。（a）（b）图 1.16 解析法求压力中心（a）复杂零件冲压压力中心; （b）多凸模冲压压力中心计算公式为：因冲裁力与冲裁周边长度成正比， 所以式中的各冲裁力 fp1、fp2、fp3fpn，可分别用各冲裁周边长度l1、l2、l3ln代替，即：5冲裁模凸模的设计方法5.1凸模的结构形式和固定方法由于冲件的形状和尺寸不同，冲模的加工以及装配工艺等实际条件亦不同，所以在实际生产中使用的凸模形式很多。其截面形状有圆形和非圆形；刃口形式有平刃和斜刃等；结构有整体式、镶拼式、阶梯

43、式、直通式和带护套式等。凸模的固定方式有台肩固定、铆接、螺钉和螺销固定，粘结剂浇注法固定等。5.1.1圆形凸模的结构形式和固定方法 图1.17圆形凸模按标准规定，圆形凸模有三种形式，如图1.17所示。台阶式的凸模强度刚度较好，装配修模方便，其工作部分的尺寸由计算而得；与凸模固定板配合部分按过渡配合制造；最大直径的作用是形成台肩，以便固定，保证工作时凸模不被拉出。图1.17（a）用于较大直径的凸模。图1.17（b）用于较小直径的凸模，它们适用于冲裁力和卸料力大的场合。图1.17（c）是快换式的小凸模，维修更快方便。5.1.2大、中型凸模的结构形式和固定方法大、中型冲裁凸模，有整体式和镶拼式两种。

44、图1.18（a）是大中型整体式凸模，直接用螺钉、销钉固定。图1.18（b）为镶拼式的，它不但节约贵重的模具钢，而且减少锻造、热处理和机械加工的难度，因而大型凸模宜采用这种结构。 图1.18 大、中型凸模5.1.3非圆形凸模的结构形式和固定方法在实际生产中广泛应用的非圆形凸模，如图1.19所示。其中图1.19（a）和图1.19（b）是台阶式的。凡是截面为非圆形的凸模，如果采用台阶式的结构，其固定部分应尽量简化成简单形状的几何截面。图1.19（a）是台阶固定；图1.19（b）是铆接固定。这两种固定方法应用较广泛，但不论哪一种固定方法，只要工作部分截面是非圆形的，而固定部分是圆形的，都必须在固定端接

45、缝处加防转销。以铆接法固定时，铆接部分的硬度较工作部分要低。图1.19（c）和图1.19（d）是直通式凸模。直通式凸模用线切割加工或成形铣、成形磨削加工。截面形状复杂的凸模，广泛应用这种结构。图1.19（d）用低熔点合金浇注固定的。图1.19 非圆形凸模5.2凸模的尺寸设计凸模尺寸包括两方面：工作部分刃口尺寸和凸模总长。工作部分刃口尺寸在前面已经介绍了，故现在只介绍凸模总长的设计技法。凸模总长尺寸应根据模具的具体结构，并考虑修磨、固定板和卸料板之间的安全距离、装配等的需要来确定。当采用固定卸料板和导料板时，如图1.20（a）所示，其凸模长度按下式计算：l=h1+h2+h3+h当采用弹压卸料板时

46、，如图1.20（b）所示，其凸模长度按下式计算： l=h1+h2+t+h式中 l凸模长度，mm h1凸模固定板厚度，mmh2卸料板厚度，mmh3导料板厚度，mmt材料厚度，mmh增加长度，它包括凸模的修模量、凸模进入凹模的深度（0.51mm）、凸模固定板与卸料板之间的安全距离等，一般取1020mm。图1.20 凸模长度尺寸6冲裁模凹模的设计方法6.1凹模的刃口形式和固定形式（1）结构凹模结构有整体式、镶拼式（用于大型、形状复杂的零件）（2）外形凹模的外形有圆形和板型。（3）刃口形式刃口形式有直筒式和锥形。选用刃口形式，主要应根据冲裁件的形状、材料厚度、尺寸精度以及模具的具体结构来确定。6.2凹

47、模结构尺寸的设计（1）整体式凹模结构尺寸的确定圆形凹模的轮廓尺寸包括直径、高，高度就是厚度。板式凹模的轮廓尺寸包括长、宽、高，高度就是厚度，如图1.21所示。在生产中，通常根据冲裁的板料厚度和冲件的轮廓尺寸等，按经验公式来确定a、b、h和c的数值。凹模厚（高）度的确定h=kb （15）式中 b凹模孔的最大宽度，mmk系数，见表1.6 h的最小值为7.5mm，但如果凹模表面积大于55 m,则最小值为10.5mm。如果生产批量大，凹模厚度还应加上刃磨量。图1.21 凹模形状尺寸表1.6 系数k （2）凹模壁厚的确定凹模壁厚是指凹模刃口到外边缘的距离。 c=（1.52）h（3040）结合图1.19，

48、可依据算出长度a=b+2c ；宽度b=刃口宽度+2c按以上公式计算的凹模外形尺寸，可以保证凹模有足够的强度和刚度，一般可不再进行强度校核。凹模壁厚也可以按表1.7选取。表1.7 凹模壁厚的取值范围 mm制件宽度 制件料厚0.80.81.51.53354020252228243228364050222824322836304050702836304032423545709032423545384840529012035454052425445581201504052425445584862如果一个凹模板上有多个刃口，刃口和刃口之间的距离应满足强度要求，可按复合膜的凸凹模最小壁厚进行设计。6.3凹

49、模刃口轮廓线与凹模边缘尺寸的确定（1）凹模刃口轮廓线是平滑曲线时 c1.2h（2）凹模刃口轮廓线是直线时c1.5h（3）凹模刃口轮廓线复杂和有尖角时c2.0h（4）从凹模外缘到螺钉孔距离标准尺寸：h1=（1.72.0）d最小允许尺寸见表1.8.表1.8 凹模外缘到螺钉孔最小允许尺寸 mm凹模材料状况等距时h1不等距时h2h3淬火未淬火1.13d1.25d1.5d1.5d1.0d1.13d（5）从凹模外缘到圆柱销孔中心的距离见表1.9。表1.9 凹模外缘到圆柱销孔中心距离最小允许尺寸 mm圆柱销孔径3456810121620最小允许尺寸67891112151620（6）螺孔到凹模孔间距和螺孔到销

50、钉孔间距标准尺寸：a2.0d最小允许尺寸:amin=1.0d（凹模材料未经淬火）amin=1.3d（凹模材料淬火）（7）螺纹孔间距离见表1.10。表1.10 螺孔间距离 mm使用螺钉尺寸最小间距最大间距凹模厚度m5m6m8m10m121525406080507090115150101815252232273830（8）凹模厚度与紧固螺钉尺寸见表1.11表1.11 不同凹模厚度的紧固螺钉尺寸选用凹模厚度/mm32使用紧固螺钉m4或m5m5或m6m6或m8m8或m10m10或m12（9）凹模上还有螺钉孔、销钉孔等，要保证螺钉（或沉孔）间、螺孔与销孔间及螺孔、销孔与凹模刃壁间的距离不能太近，否则会影

51、响模具寿命。7冲裁模的典型结构7.1单工序冲裁模在压力机滑块每次行程中只能完成一种冲裁工序。特点是磨具结构简单、制造方便、成本低廉，但不能精确保证外形与内孔的位置精度，且生产率低。（1）落料模无导向单工序落料模。如图1.20所示。图1.20 无导向单工序落料模1模柄 2凸模 3卸料板 4导料板5凹模 6下模座 7定位板导板式单工序落料模。如图1.21所示。导柱式单工序落料模，如图1.22所示。（2）冲孔模导柱式冲孔模，如图1.23所示。7.2级进模级进冲裁模具：也叫连续模，指由多个工位组成、各工位完成不同的加工、各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工。7.3复合模在磨具上只有一个加工工位，在压力机的一次行程中完成两个或两个以上的加工工序。如图1.24为复合膜的基本结构。 图1.24 复合膜的基本结构（1）正装式复合膜，如图1.25所示。（2）倒装式复合模，如图1.26所示。8冲裁工艺设计冲裁工艺设计包含冲裁件的工艺性分析、冲裁工艺方案的确定和技术经济分析等内容。良好的工艺性和合理的工艺方案，可以用最少的材料，最少的工序数量和工时，并使模具结构简单，模具寿命高。合格冲裁件质量和经济的工艺成本是衡量冲裁工艺设计的主要指标。 8.1冲裁件的工艺分析冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的结构、形状、尺寸及公差等技术要求是否符合