冲裁工艺与模具设计概述

1、冲裁工艺与模具设计一、冲裁工艺概述一、冲裁工艺概述 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序。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序。它既可以直接冲出成品制件，也可以作为弯曲、拉深等其他工序的坯料，还它既可以直接冲出成品制件，也可以作为弯曲、拉深等其他工序的坯料，还可以在已成形的制件上进行再加工（切边、切口、冲孔等）。可以在已成形的制件上进行再加工（切边、切口、冲孔等）。1.什么是冲裁工艺？什么是冲裁工艺？2. 冲裁时板料变形区的受力情况冲裁时板料变形区的受力情况图1 冲裁时作用于板料上的力1凹模；2板料；3凸模a3.冲裁时板料的变形过程冲裁时板料的变

2、形过程冲裁变形过程可分为三个阶段冲裁变形过程可分为三个阶段：第一阶段：第一阶段：弹性变形弹性变形阶段阶段。在这一阶段中，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，。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。当凸模卸载后，板料立即恢复原状。第二阶段：第二阶段：塑性变形阶段塑性变形阶段。凸模继续压人，压力增加，材料内的应力达到屈服点，产。凸模继续压人，压力增加，材料内的应力达到屈服点，产生塑性变形生塑性变形。第三阶段：第三阶段：断裂分离阶段断裂分离阶段。凸模继续压入材料，先后在凹、凸模刃口侧面产生裂纹，。凸模继续压入材料，先后在凹、凸模刃口侧面产生裂纹，裂纹产生后

3、沿最大切应力方向向材料内层发展，裂纹产生后沿最大切应力方向向材料内层发展，当裂纹当裂纹相遇重合时，材料便被切断分相遇重合时，材料便被切断分离。离。图2 冲裁变形过程图3 冲裁时材料的应力状态图图4 冲裁力-凸模行程曲线裂纹最先产生于凹模侧面裂纹最先产生于凹模侧面4.冲裁件的质量冲裁件的质量（1）断面质量及其影响因素）断面质量及其影响因素冲裁件端面由冲裁件端面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺圆角带、光亮带、断裂带和毛刺组成。组成。圆角带是刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形的部分；圆角带是刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形的部分；光亮光亮带是板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的端面；带是板料与模具侧面挤

4、压而形成的光亮垂直的端面；断裂带是刃口处产生的微裂纹在拉力作用下，不断断裂带是刃口处产生的微裂纹在拉力作用下，不断 拓展而形成的撕裂面；拓展而形成的撕裂面；毛刺是断面上高于制件的部分，是不可避免的。毛刺是断面上高于制件的部分，是不可避免的。图5 冲裁件的断面特征a)冲孔件 b）落料件断面质量的影响因素断面质量的影响因素 在四个特征区中，光亮带剪切面质量最佳，而断裂带的断面粗糙，且带有斜在四个特征区中，光亮带剪切面质量最佳，而断裂带的断面粗糙，且带有斜度。各个部分在整个断面上的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口度。各个部分在整个断面上的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及

5、摩擦等条件有关。主要有以下几个方面：状态及摩擦等条件有关。主要有以下几个方面：（a）材料的塑性越好，光亮带所占比例越大，圆角和穹弯较大，断裂带较）材料的塑性越好，光亮带所占比例越大，圆角和穹弯较大，断裂带较窄；材料的塑性差，反之。窄；材料的塑性差，反之。（b）间隙过大间隙过大，使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹，使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向里移动一个距向里移动一个距离离；间隙过小间隙过小，使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向外移动向外移动一个一个距距离。离。图6 间隙对断面质量的影响（c）模具刃口状态对断面质量的影响）模具刃口状态对断面质量的影

6、响图7 模具刃口状态对断面质量的影响 a）凹模磨钝 b）凸模磨钝 c）凸、凹模均磨钝凸模钝时，落料件产生较大毛刺；凹模钝时冲孔件产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生较大毛刺；凹模钝时冲孔件产生较大毛刺。（2）影响冲裁件尺寸精度的因素）影响冲裁件尺寸精度的因素表表1 1 冲裁件的精度冲裁件的精度（a）由表）由表1可知，可知，冲模的制造精度越高、材料厚度越小，冲裁件的精度越高冲模的制造精度越高、材料厚度越小，冲裁件的精度越高。图5 材料的回弹理论（c）冲裁间隙）冲裁间隙 间隙过大，材料的拉伸作用变大（3）形状误差）形状误差冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变

7、形等缺陷。冲裁件呈曲面不平现象称为翘曲。冲裁件呈曲面不平现象称为翘曲。主要由主要由间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的，此外，此外材料的各向异性和卷材未矫正材料的各向异性和卷材未矫正 也会产生翘曲。也会产生翘曲。冲裁冲裁件呈扭歪现象称为扭曲。件呈扭歪现象称为扭曲。是由于是由于材料不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀材料不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的。等造成的。金属冲裁件所能达到的经济精度为金属冲裁件所能达到的经济精度为IT14IT10级，要求高的可达到级，要求高的可达到IT10IT8级。级。二二、冲裁模具

8、的设计思路、冲裁模具的设计思路1、冲裁模设计的总原则、冲裁模设计的总原则： 在满足制件尺寸精度和形状精度的前提下力求使在满足制件尺寸精度和形状精度的前提下力求使模具模具结构简单、操作方便、材料消耗少、制件成本低。结构简单、操作方便、材料消耗少、制件成本低。2、冲裁模设计思路、冲裁模设计思路三、冲裁工艺性分析三、冲裁工艺性分析 冲裁冲裁件的工艺性是指该工件在冲裁加工中的难易程度。良好的冲裁工艺件的工艺性是指该工件在冲裁加工中的难易程度。良好的冲裁工艺性应保证材料消耗少、工序数少、模具结构简单且寿命长、产品质量稳定、性应保证材料消耗少、工序数少、模具结构简单且寿命长、产品质量稳定、操作安全方便等操

9、作安全方便等。1、冲裁工艺性要求、冲裁工艺性要求1）应避免冲裁件上有过窄的悬臂和狭槽。）应避免冲裁件上有过窄的悬臂和狭槽。2）冲裁件的孔与边缘间距离）冲裁件的孔与边缘间距离b1、孔与孔之间的距离、孔与孔之间的距离b2不能太小。不能太小。3）冲裁件的外形或内孔的转角处，应避免有锐角的清角，应采用圆）冲裁件的外形或内孔的转角处，应避免有锐角的清角，应采用圆弧过渡。弧过渡。4）冲孔的尺寸不能太小。）冲孔的尺寸不能太小。2.冲裁件的尺寸精度和粗糙度冲裁件的尺寸精度和粗糙度普通冲裁件普通冲裁件1）尺寸精度一般在）尺寸精度一般在IT10IT11级以下级以下2）剪切断面表面粗糙度）剪切断面表面粗糙度Ra2t

10、。，制件上内孔4与6的公差为0.07mm（由附录K可知为IT10级），其他尺寸无精度要求（视为IT13级），因此，制件总体精度为IT10级。因该制件为电子器材的外观配件，制件内外轮廓相对尺寸精度要求较高，同时要求冲压材料表面光洁、平整,无氧化皮、裂纹、锈斑、划痕等缺陷。所用材料为纯铝(1200)，冲裁性能较好，但容易产生毛刺。综上所述，制件具有较好的冲裁性能，适宜采用冲裁加工。四、四、冲裁模冲裁模刃口尺寸计算刃口尺寸计算1、冲裁间隙、冲裁间隙冲裁间隙冲裁间隙Z是指冲裁模中凹模刃口横向尺寸是指冲裁模中凹模刃口横向尺寸Dd与与凸模刃口横向凸模刃口横向尺寸尺寸Dp的差的差值。值。Z表示双面间隙，单面

11、间隙用表示双面间隙，单面间隙用Z/2表示，如无特殊说明，冲裁间隙就是指双表示，如无特殊说明，冲裁间隙就是指双面间隙。面间隙。Z值可为正，也可为负，但在普通冲裁中，均为正值。值可为正，也可为负，但在普通冲裁中，均为正值。 1）.冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶料力的影响冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶料力的影响间隙越小，冲裁力就越大；反之，间隙越大，冲裁力就小间隙越小，冲裁力就越大；反之，间隙越大，冲裁力就小。间隙间隙越小，卸料力和推料力随之增加；间隙越大，卸料力和推料力随之减小越小，卸料力和推料力随之增加；间隙越大，卸料力和推料力随之减小。间隙对卸料力、推料力的影响大于对冲裁力的影响。

12、间隙对卸料力、推料力的影响大于对冲裁力的影响。2）.冲裁间隙对冲模寿命的冲裁间隙对冲模寿命的影响影响 较小较小的间隙可提高模具的使用寿命。过小的间隙对模具的寿命极为不利。的间隙可提高模具的使用寿命。过小的间隙对模具的寿命极为不利。3）.合理间隙值的确定合理间隙值的确定 合理间隙是一个合理间隙是一个范围值范围值，这个范围的最小值称为最小合理间隙（这个范围的最小值称为最小合理间隙（Zmin），最大值），最大值称为最大合理间隙（称为最大合理间隙（Zmax）。确定合理间隙值有理论法和经验确定法两种。确定合理间隙值有理论法和经验确定法两种。a）理论确定法理论确定法 主要是根据凸、凹模刃口产生的裂纹相互重

13、合的原则进行主要是根据凸、凹模刃口产生的裂纹相互重合的原则进行计算。计算。根据图中几何关系根据图中几何关系可求得合理可求得合理间隙为间隙为Z。中硬钢中硬钢硬钢硬钢b）经验经验确定确定法法根据研究与实际生产经验，间隙值可按要求分类查表确定。对于尺寸精度、根据研究与实际生产经验，间隙值可按要求分类查表确定。对于尺寸精度、断面质量要求高的冲裁件应选用较小间隙断面质量要求高的冲裁件应选用较小间隙值。值。这时冲裁力与模具寿命作为次要因这时冲裁力与模具寿命作为次要因素考虑。素考虑。对于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件，在满足冲裁件要求的前提下，应以对于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件，在满足冲裁件要求

14、的前提下，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的双面间隙降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的双面间隙值。值。2、 凸、凹模刃口尺寸计算的原则凸、凹模刃口尺寸计算的原则 影响冲裁件尺寸精度的首要因素是模具刃口尺寸的精度，合理间隙值也需要影响冲裁件尺寸精度的首要因素是模具刃口尺寸的精度，合理间隙值也需要刃口尺寸及其制造公差来保证。刃口尺寸及其制造公差来保证。 在在确定刃口尺寸及制造公差时应遵循的确定刃口尺寸及制造公差时应遵循的原则原则：1）落）落料料件件尺寸尺寸取决于凹取决于凹模模刃口刃口尺寸尺寸，冲孔冲孔件件尺寸尺寸取决于凸取决于凸模模刃口刃口尺寸尺寸。 在计算落在计算落料模时，以凹模

15、为基准，间隙取在凸模上；在计算冲孔模时，以凸模为基准，间隙料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；在计算冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。取在凹模上。2）根据磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小）根据磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取制件孔尺寸公差范围内的较大尺寸尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取制件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。冲。冲裁裁间隙一般采用最小合理间隙值。间隙一般采用最小合理间隙值。3）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。制造公差太小，会增加模确定冲模刃口制造公差时，应考

16、虑制件的公差要求。制造公差太小，会增加模具的成本和制造难度；公差太大，会降低模具的使用寿命具的成本和制造难度；公差太大，会降低模具的使用寿命3、凸、凹模刃口尺寸的计算方法、凸、凹模刃口尺寸的计算方法 冲裁模加工方法的不同，其刃口尺寸的计算方法也不同。冲裁模的加工冲裁模加工方法的不同，其刃口尺寸的计算方法也不同。冲裁模的加工方法分为互换加工法和配做加工法两种。方法分为互换加工法和配做加工法两种。l 凸、凹模互换加工时，凸、凹模刃口尺寸的计算凸、凹模互换加工时，凸、凹模刃口尺寸的计算 （1）落料）落料根据根据计算原则，落料时以凹模为设计基准。首先确定凹模尺寸，使凹模的计算原则，落料时以凹模为设计基

17、准。首先确定凹模尺寸，使凹模的基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸；将凹模尺寸减小最小合理间隙基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸；将凹模尺寸减小最小合理间隙值即得到凸模尺寸。值即得到凸模尺寸。（2）冲孔）冲孔（3）孔）孔心距心距 孔孔心距属于磨损后基本不变的尺寸。心距属于磨损后基本不变的尺寸。或取：或取： A=0.6(Zmax-Zmin) T=0.4(Zmax-Zmin) 足以下条件例题：例题：冲制图冲制图2.4.2所示零件，材料为所示零件，材料为Q235钢，料厚钢，料厚t=0.5mm。计算冲裁凸、凹模刃。计算冲裁凸、凹模刃口尺寸及公差。口尺寸及公差。解：由图可知，该零件属于无特殊要

18、求的一般冲孔、落料。解：由图可知，该零件属于无特殊要求的一般冲孔、落料。l 凸凸、凹模配合加工时，凸凹模刃口尺寸的计算、凹模配合加工时，凸凹模刃口尺寸的计算 配合加工方法，是先按照工件尺寸计算出基准件凸模（或凹模）的公称尺寸及配合加工方法，是先按照工件尺寸计算出基准件凸模（或凹模）的公称尺寸及公差尺寸，然后配做另一个相配件凹模（或凸模）公差尺寸，然后配做另一个相配件凹模（或凸模）。采用配作法，计算凸模或凹模刃口尺寸，采用配作法，计算凸模或凹模刃口尺寸，首先判断首先判断出模具刃口各个尺寸在磨出模具刃口各个尺寸在磨损过程中是变大，变小还是不变这三种情况，然后分别按不同的公式计算。损过程中是变大，变

19、小还是不变这三种情况，然后分别按不同的公式计算。(1）凸模或凹模磨损后会增大的尺寸）凸模或凹模磨损后会增大的尺寸第一类尺寸第一类尺寸A (2）凸模或凹模磨损后会减小的尺寸）凸模或凹模磨损后会减小的尺寸第二类尺寸第二类尺寸B(3）凸模或凹模磨损后会基本不变的尺寸）凸模或凹模磨损后会基本不变的尺寸第三类尺寸第三类尺寸C号钢。试计算冲裁件的凸模、凹模刃口尺寸及制造公差。解：该冲裁件属落料件，选凹模为设计基准件，只需要计算落料凹模刃口尺寸及制造公差，凸模刃口尺寸由凹模实际尺寸按间隙要求配作。由表2.3.3查得：。由公差表查得工件各尺寸的公差等级，然后确定X，对于尺寸80mm，选x=0.5；尺寸15mm

20、，选x=1；其余尺寸均选x=0.75。落料凹模的基本尺寸计算如下：第三类尺寸：磨损后基本不变的尺寸落料凸模的基本尺寸与凹模相同，分别是79.79mm，39.75mm，34.75mm，22.07mm，14.94mm，不必标注公差，但要在技术条件中注明：凸模实际刃口尺寸与落料凹模配制，保证最小双面合理间隙值 。落料凹模、凸模的尺寸如图2.4.4。五、五、凸凹模结构设计凸凹模结构设计1、凸、凹模结构设计凸、凹模结构设计凸凸模的结构模的结构形式按形式按其工作断面的形式可分为圆形和非圆形凸模。其工作断面的形式可分为圆形和非圆形凸模。（1）圆形凸模：工作断面为圆形）圆形凸模：工作断面为圆形凸模设计凸模设计

21、（2）非圆形凸模：近似分为圆形类和矩形类）非圆形凸模：近似分为圆形类和矩形类 圆形圆形类凸模注意凸模定位，常用骑缝销来防止凸模的转动类凸模注意凸模定位，常用骑缝销来防止凸模的转动。如果。如果用线切割加用线切割加工非圆形凸模，则固定部分和工作部分的尺寸及形状一致，即为直通式凸模。工非圆形凸模，则固定部分和工作部分的尺寸及形状一致，即为直通式凸模。凸模长度的确定凸模长度的确定 在满足使用要求的前提下，凸模尽量减短。采用固定卸料板的冲裁模凸模在满足使用要求的前提下，凸模尽量减短。采用固定卸料板的冲裁模凸模长度为：长度为：L=h1+h2+h3+(1520)mm式中式中 h1凸模固定板厚度；凸模固定板厚

22、度； h2卸料板厚度；卸料板厚度； h3导料板厚度；导料板厚度； L凸模长度；凸模长度； 1520mm包括凸模进入凹模包括凸模进入凹模的深度、凸模修磨量、冲模在闭合状态下卸料板到凸模固定板间的距离。的深度、凸模修磨量、冲模在闭合状态下卸料板到凸模固定板间的距离。采用弹压卸料板的冲裁模凸模（包括凸凹模）长度：采用弹压卸料板的冲裁模凸模（包括凸凹模）长度： L=h1+h2+h4+t 式中式中 ， h1凸模（包括凸凹模）固定板厚度；凸模（包括凸凹模）固定板厚度；h2弹压卸料板厚度；弹压卸料板厚度；h4凸模修模量（一般取凸模修模量（一般取46mm）、凸模进入凹模深度（）、凸模进入凹模深度（0.52mm

23、，且大，且大于毛刺高度）、预压状态下凸模固定板与弹压卸料板之间的距离（大于卸料于毛刺高度）、预压状态下凸模固定板与弹压卸料板之间的距离（大于卸料板工作行程）；板工作行程）；t 冲压材料厚度；冲压材料厚度；L凸模长度。凸模长度。2）凹模结构设计）凹模结构设计 凹凹模的刃口形式模的刃口形式2.凹模外形尺寸凹模外形尺寸凹模厚度：凹模厚度：H=Kb 凹模壁厚：小凹模凹模壁厚：小凹模 C=(1.52)H 大凹模大凹模 C=(23)H式中式中 b凹模孔的最大宽度（凹模孔的最大宽度（mm）；）； K系数，见表系数，见表2-27； H凹模厚度，其值为凹模厚度，其值为1520mm； C 凹模壁厚，其值为凹模壁厚

24、，其值为2640mm。3.凸凹模的最小壁厚凸凹模的最小壁厚 凸凹模的内、外缘均为刃口，内、外缘之间的壁厚取决于冲裁凸凹模的内、外缘均为刃口，内、外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸，为保证凸凹模的强度，凸凹模应具有一定的壁厚。件的尺寸，为保证凸凹模的强度，凸凹模应具有一定的壁厚。凸凹模的最小壁厚凸凹模的最小壁厚C一般按经验数据确定一般按经验数据确定 ，不积聚废料的凸凹模（正装复，不积聚废料的凸凹模（正装复合模）最小壁厚值为：冲裁硬材料时合模）最小壁厚值为：冲裁硬材料时C=1.5t 冲裁软材料时冲裁软材料时Ct，积聚废料，积聚废料的凸凹模（倒装复合模）的凸凹模（倒装复合模） ，由于胀力大，故最小壁厚

25、只要比上述数据适当，由于胀力大，故最小壁厚只要比上述数据适当加大。加大。a）有效刃口以下壁厚的增加 b）增加壁厚且废料反向顶出凸凹模壁厚的增加六、六、冲裁模主要零部件的设计冲裁模主要零部件的设计1、冲压力的计算冲压力的计算（a）冲裁力）冲裁力（b）卸卸料力、推料力、顶料力料力、推料力、顶料力2、模具压力中心的计算、模具压力中心的计算 冲裁模冲裁模的压力中心是指冲压合力的作用点。简单对称的工件的压力中心为它的压力中心是指冲压合力的作用点。简单对称的工件的压力中心为它的几何中心，复杂的用软件计算。的几何中心，复杂的用软件计算。 在设计冲模时必须确定模具的压力中心，并使其通过模柄的轴线，从而保证在设

26、计冲模时必须确定模具的压力中心，并使其通过模柄的轴线，从而保证模具压力中心与冲床滑块中心重合。模具压力中心与冲床滑块中心重合。3、定位方式确定、定位方式确定 在在送料方向上的定位，用来控制送料的进距；在与送料方向垂直方向上的定送料方向上的定位，用来控制送料的进距；在与送料方向垂直方向上的定位，通常称为送进导向。位，通常称为送进导向。定位板与定位销定位板与定位销用于单个毛坯进行冲压加工时定位。用于单个毛坯进行冲压加工时定位。挡料销挡料销保证条料送进时有准确的送进距。保证条料送进时有准确的送进距。4、卸料方式确定卸料方式确定 分为分为刚性卸料板和弹性卸料板两种形式。封闭式适用于冲压厚度在刚性卸料板

27、和弹性卸料板两种形式。封闭式适用于冲压厚度在0.5mm以以上的条料；悬臂式适用于窄而长的毛坯；钩形适用于简单的弯曲模和拉深模。上的条料；悬臂式适用于窄而长的毛坯；钩形适用于简单的弯曲模和拉深模。 工作空间工作空间敞开，操作方便，生产效率高，冲压前对毛坯有压紧作用，冲压后又敞开，操作方便，生产效率高，冲压前对毛坯有压紧作用，冲压后又使冲压件平稳卸料，从而使冲裁件较为平整。但受弹簧、橡胶等零件的限制，卸料使冲压件平稳卸料，从而使冲裁件较为平整。但受弹簧、橡胶等零件的限制，卸料力较小，且结构复杂，可靠性与安全性不如刚性卸料板。力较小，且结构复杂，可靠性与安全性不如刚性卸料板。推件装置推件装置 刚性刚性推件装置，推力大，推件可靠，但不具有压料作用。弹性推件装置，在推件装置，推力大，推件可靠，但不具有压料作用。弹性推件装置，在冲压时能压住工件，冲出的工件质量较高，但推力有限。冲压时能压住工件，冲出的工件质量较高，但推力有限。5.压边圈压边圈防止在拉深过程中材料起皱。防止在拉深过程中材料起皱。6.导柱和导套导柱和导套保证上、下模的精确导向。保证上、下模的精确导向。（1）滑动导柱、导套）滑动导柱、导套 加工加工方便，容易安装，是应用最广的导向装置。方便，容易安装，是应用最广的导向装置。（2）滚珠导柱、导套）滚珠导柱、导套 适用于适用于高速冲模、精密冲裁模以及硬质合金模具。高速