冲压工艺与模具设计（第二版）课件 第4、5章 冲裁、弯曲

冲压工艺及模设计课程名称冷冲压工艺及模具设计2

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课程编号

1111400.

学时学分

48（4）学时3学分.

专业层次材料成型及控制工程.

备课教材

《冲压工艺与冲模设计》.

吕建强主编西电版2021

第4章冲裁工艺与模具冲裁是利用模具使板料分离的冲压工序，其所使用的模具称为冲裁模具。冲裁工艺种类很多，是断裂分离工序的总称，其中又以冲孔和落料两种工序应用最多。冲裁比火焰切割、锯切、切削及磨削等加工方法具有效率高、质量好、成本低、适合于成批大量生产等突出优点。冲裁工艺可以直接冲出成品制件，也可以为弯曲、拉深等其它工序准备毛坯，还可以在已成形的制件上进行再加工。在一般企业的冷冲压生产中，冲裁所占的比例很大，往往超过60%。4.1冲裁变形机理4.1.1冲裁变形过程冲裁过程中，凸模与凹模具有与工件轮廓一样的刃口，凸凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块将凸模推下时，便将放在凸、凹模中间的板料冲裁成所需形状和尺寸的制件,凸模回程时由卸料板将卡在凸模上的条料卸下。1－凸模固定板；2—凸模；3—卸料板；4—板料；5—凹模冲裁过程是在瞬间完成的。为了控制冲裁件的质量，就需要研究冲裁的变形过程。如图所示，当模具间隙正常时，这个变形过程大致分为三个阶段。视频1.弹性变形阶段当凸模下压并开始接触板料时，材料进入短暂的弹性变形阶段。此时凸模下的材料略有拱弯，凹模上的材料则向上翘。材料越硬、凸、凹模刃口间隙越大，穹弯和上翘越严重。凸、凹模刃口附近的板料产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等复杂的变形，并略有挤入凹模洞口的现象。压力去掉之后，材料立即恢复原状。2.塑性变形阶段当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服点，板料与凸模和凹模的接触处进入塑性变形状态。凸模切入板料，板料挤入凹模洞口。在板料剪切面的边缘由于弯曲、拉伸等作用形成塌角（又称为圆角带），同时由于剪切变形在切断面上形成一小段光亮且与板面垂直的剪切面（又称为光亮带）。3.断裂分离阶段当凸模切入板料达到一定深度时，在凹模侧壁靠近刃口处的材料首先产生微裂纹，意味着塑性变形的结束和断裂分离的开始。微裂纹一旦出现即会迅速向材料内部扩展。当凹模侧壁刃口附近产生微裂纹后，紧接着在凸模侧壁刃口附近也产生了微裂纹。上、下裂纹分别向各自的方向扩展。当上、下裂纹在扩展的过程中相遇时，板料便断裂分离开来，形成粗糙的断裂面（又称为断裂带），并被继续下压的凸模推入凹模洞口内。至此，冲裁变形过程完全结束，凸模回升到起点，准备下一个冲裁过程。4.1.2冲裁过程板料受力分析1.板料的受力状态在自由冲裁时，即没有压板和顶出器的情况下，板料冲裁变形区的受力状态如图所示。由于凸、凹模之间存在间隙，使得板料在受到凸、凹模正压力作用的同时还受到弯矩M的作用。力矩M使板料产生了弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹。故冲裁时凸、凹模与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触面宽度约为板料厚度的20%-40%。因此凸、凹模作用于上、下板面的正压力的分布是不均匀的，越靠近刃口压力越大。4.1.2冲裁过程板料受力分析1.板料的受力状态由于板料的弯曲变形，对凸、凹模刃口的侧壁产生了挤压作用，同时刃口侧壁也对材料产生了反挤压。反挤压形成了弯矩M’，其方向与弯矩M相反，阻止了板料的进一步弯曲变形。因此自由冲裁时冲压制件虽有一定的不平整度，但程度有限，对要求不高的制件是可以接受的。2.剪切变形区的应力状态自由冲裁时的应力状态如右图所示。实验证实，冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内，如图中红色区域所示。纺锤形内以剪切变形为主。当凸模与凹模的间隙较小时，纺锤形区域的宽度将减小，冲裁变形将更接近剪切。2.剪切变形区的应力状态A点：位于凸模端面靠近刃口处，受凸模压力的作用，并处于弯曲内侧，故此处受三向压应力作用，且为强压应力区。B点：位于凹模端面靠近刃口处，受凹模压力的作用，并处于弯曲外侧，故厚向应力σz为压应力，径向应力σρ和切向应力σθ均为拉应力，但以压应力为主。2.剪切变形区的应力状态C点：位于凸模侧壁靠近刃口处，受凸模的拉拽、侧壁上摩擦力和侧向挤压力的作用，故厚向σz为拉应力，径向σρ为压应力，而切向σθ为板料弯曲引起的压应力和侧向挤压力引起的拉应力的合成应力，一般为压应力。2.剪切变形区的应力状态D点：位于凹模侧壁靠近刃口处，受凸模下压引起的拉应力和侧壁摩擦力的作用，厚向σz为拉应力。凹模侧向挤压力引起了径向压应力和切向拉应力，另一方面板料的弯曲又引起径向拉应力和切向压应力，因此径向σρ和切向σθ均为合成应力，一般都是拉应力，D点为强拉应力区。3.裂纹的产生与发展当凸模与凹模的间隙正常时，裂纹的发展可能有两种方式：一是如A曲线所示，第二种如B曲线所示。比较而言，第一种情况比较多见。4.2冲裁件质量分析及控制冲裁件质量是指其断面质量、毛刺、尺寸和形状精度、表面平整度等。不同行业和产品对冲裁件质量内容的要求是不一样的，目前还缺乏统一的质量标准。4.2.1冲裁件的断面特征及其影响因素1.冲裁件的断面特征在正常的冲裁条件下，上、下裂纹发展到最后是重合的，这时可以得到如右图所示的冲裁件断面，其具有四个明显的特征区：1）圆角带，又称塌角。是在凸、凹模刃口刚切入板料时，刃口附近材料受弯曲、拉伸作用而形成的。材料的塑性越好，凸模与凹模的间隙越大，形成的圆角也越大。对于轮廓复杂的冲裁件沿轮廓的周边受力情况差异较大，圆角的大小也可能区别较大。2）光亮带。是在剪切变形的过程中，毛坯一部分相对于另一部分移动时刃口侧壁挤压材料而产生的。光亮带表面光滑且垂直于板料底面，是理想的冲裁断面。如图中所示，冲裁件的尺寸精度就是以光亮带处的尺寸来测量的。通常光亮带的高度约占板厚的1/3—1/2左右，材料塑性越好，凸模与凹模的间隙越小，光亮带的高度就越大。另外光亮带高度还与模具刃口的磨损程度等加工条件有关。3）断裂带，又称撕裂带。是由冲裁产生的裂纹扩展相遇而形成的。断裂带表面粗糙，并带有40-60（图中的β角）的内斜角，对于一般用途的冲裁件并不影响其使用性能。但对于以断面为主要工作面的零件（齿轮、凸轮等）来说，一般冲裁件的断面是不能满足其使用要求的。4）毛刺。是由于裂纹的起点离开了刃尖，在刃口侧壁产生而形成的。若忽略材料的弹塑性共存规律的影响，则可认为落料件的尺寸与凹模形孔尺寸一致，而冲孔的尺寸与凸模尺寸一致。由此得出如下重要关系：落料尺寸=凹模尺寸冲孔尺寸=凸模尺寸这是计算凸、凹模尺寸的主要依据。料厚t/mm≈0.3﹥0.3~0.5﹥0.5~1.0﹥1.0~1.5﹥1.5~2.0生产时≤0.05≤0.08≤0.10≤0.13≤0.15试模时≤0.015≤0.02≤0.03≤0.04≤0.05普通冲裁毛刺的允许高度2.冲裁件断面质量的影响因素冲裁件的断面质量包括圆角的大小、光亮带所占厚度的比例及表面粗糙度、断裂带斜角大小、毛刺高度等。冲裁件断面质量的影响因素:材料的性能；模具冲裁间隙；模具刃口状态的影响。其中模具间隙影响最主要。4.2.2冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。冲裁件的尺寸精度包括两类：一是外形与内形的形状尺寸精度；二是孔距、同心度、平面度等形位尺寸精度。冲裁件的精度一般可分为精密级与经济级两类。一般要求落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。如果工件要求的公差值小于上述值，冲裁后需经整修或采用精密冲裁。(1)冲模的制造精度。(2)材料的性质。(3)冲裁间隙。

由于材料塑性变形时具有弹塑性共存规律，冲裁结束后制件从模具中脱离出来，原来在冲裁时所承受的力及产生的变形都将发生一定程度的弹性回复，这使得冲裁件与模具的刃口尺寸及形状产生了偏差。偏差的大小与冲模的制造精度、材料性质和冲裁间隙值的变化有关。当Z/t值过小时，落料件尺寸将大于凹模形孔尺寸，产生正偏差；当Z/t值较大时，则产生负偏差；当Z/t为一特定值时，偏差才可能为零，这在实际中是不可能的。当Z/t值过小时，冲孔件尺寸将小于凸模刃口尺寸，产生负偏差；当Z/t值较大时，则产生正偏差；当Z/t为一特定值时，偏差才可能为零，这在实际中同样不可能。4.2.3冲裁件形状误差及其影响因素冲裁件的形状误差指翘曲、扭曲、变形等缺陷。冲裁件呈曲面不平现象称之为翘曲。它是由于冲裁间隙过大、弯矩增大、拉伸和弯曲成分增多而造成的，另外材料的各向异性和条料或带料未矫正也会产生翘曲。冲裁件呈扭歪现象称之为扭曲，它是由于材料的不平、冲裁间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的。冲裁件的变形是由于胚料的边缘冲孔或孔距太小等原因造成胀形而产生的。冲裁件形状误差及其影响因素冲裁间隙过大时，对制件的平整度也有较大的影响。这是由于间隙越大，弯曲作用就越大，从而引起的板料翘曲变形就越严重。如右图所示，当冲裁间隙不超过20%时，制件平整度基本能满足一般性的使用要求。（采用弹性压板和顶件器等）冲裁间隙是指凹模与凸模刃口横向尺寸的差值，即Z=D凹

-D凸如无特殊说明，冲裁间隙通常是指双边间隙，单边间隙用Z/2表示。冲裁间隙对冲裁件的质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响。当选取的冲裁间隙值差别较大时，将直接影响冲裁模的结构设计、制造工艺和成本。因此冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个极其重要的问题，是最重要的工艺参数。4.2.4冲裁间隙对冲裁件的影响（1）对于常用的塑性材料，当冲裁间隙取在一定合理值的范围内时，上、下裂纹在发展的过程中相遇，断裂分离过程能够正常地完成。所得断面有一微小的塌角，光亮带与板面垂直，且高度约占板料厚度的1/3—1/2。断裂带虽然粗糙但比较平坦，且斜角和毛刺都不大。（2）当冲裁间隙值过小时由于弯曲作用的减小，冲裁变形区的静水压力明显增大。从凹模刃口侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中将进入强压应力区，使裂纹无法继续扩展而隐没在材料内部，成为潜伏裂纹。当凸模继续下压时，将发生二次剪切现象。冲裁结束时将形成明显的第二光亮带。总光亮带的高度可达板厚的50%—70%，且圆角的高度也很小，约占板厚的2%—5%。另外毛刺高度虽有所增加，但因是挤出毛刺，根部强度较小，通过振动或滚压等方法容易去处。当冲裁间隙略有增大时，Z/t约为2%—5%。因为静水压力作用有所减弱，下裂纹可能向材料深处发展，形成较深的潜伏裂纹。如图所示，此时第二光亮带将呈块状分布。如果材料的硬度较小且呈粘性，则第二光亮带在剪切时产生的摩擦力较大，潜伏裂纹将被进一步撕开，并与第二光亮带形成强度较小的尖舌状的断面，称为舌片（或舌翘）。这样的冲裁件如在使用中发生舌片脱落现象，则可能造成意外事故。（3）当冲裁间隙过大时Z/t约为25%—30%以上。由于弯矩的增大，凹模刃口侧壁处的材料所受的拉应力将明显增大，材料的塑性变得较差。在凸模切入板料深度不大时，凹模刃口侧壁处的裂纹提前产生，这时凸模刃口侧壁往往不产生裂纹。凹模刃口侧壁处的裂纹一般发展不大就停止了，当凸模下压达到一定程度时，裂纹至凸模刃口侧壁处的材料才逐渐缩颈直至断裂。所得的冲裁件断面质量变坏，圆角高度、断裂带高度及斜角β将比正常冲裁时明显增大，光亮带宽度大大减小，同时冲裁件表面的不平度将增大，自由冲裁时甚至会严重翘曲。此时冲裁断面会产生较大的拉断毛刺，且根部强度较大，不易去除。此外，除了冲裁间隙，材料种类及其供应状态对冲裁件断面质量的影响也是比较大的。一般在相同冲裁间隙的条件下，硬度大的材料比硬度软的材料或是硬化状态比退火状态，圆角和光亮带的高度都约减半。2冲裁间隙对冲裁件毛刺的影响冲裁间隙是影响毛刺大小的主要因素，但同时与材料性质也有极大的关系。如对于锡青铜、铅黄铜等中等硬度的材料，毛刺高度几乎不随冲裁间隙值而改变。对于低碳钢等常见的塑性材料却影响很大，如图所示。4.2.5冲裁间隙对冲裁力的影响冲裁力是指冲裁时凸模所承受的最大压力。冲裁力包括了凸模对板料施加的正压力及克服由于凸、凹模侧壁材料挤压而产生的摩擦阻力。如右图所示，冲裁力F与材料性质和冲裁间隙值的变化有关。由于第二剪切现象的产生使得冲裁力的变化呈现出与正常冲裁时明显不同的特点。这里指出，随着冲裁间隙的变小，变形力增大不是太多，而变形功却增大很多。4.2.6冲裁间隙对模具寿命的影响在实际生产中，模具可能因多种原因而损坏。凸模与凹模是冲裁模的主要工作零件，通常的损坏形式有磨损、崩刃和折断等。评定模具寿命应当排除意外崩刃、折断及其它的不正常损坏形式，而以正常磨损所造成的模具失效来评定模具寿命。通常以两次刃口磨削之间或模具全部磨损后所冲出的合格制件的数目来衡量，分别称之为模具的刃磨寿命及总寿命。如右图所示为冲裁时作用在模具刃口处的外力。由图中可知，越靠近凸模与凹模的刃尖处，其所承受的正压力、侧向挤压力及摩擦力就越大，因此凸、凹模的磨损主要集中在刃尖处，受力严重时甚至可能崩刃。当冲裁间隙变小时，刃口处所承受的外力也增大。光亮带高度虽然增加，但材料与刃口侧壁的摩擦距离也随之增大。另外高压作用使刃口与被冲材料接触面之间产生局部粘附而导致附着磨损。这些因素都使得刃口处的磨损进一步加剧。如右图所示为凸、凹模刃口随冲裁次数而产生磨损的状况。如图所示为冲裁件的毛刺高度随着磨损程度而变化的规律。模具使用中的初期及后期的磨损速度快，磨损量大，毛刺增大速度也快。中期为正常磨损阶段，刃口缓慢变钝，毛刺高度增大也缓慢。模具刃口变钝后，将使冲裁件质量全面变坏。这时应在正常磨损阶段内及时进行刃磨，否则反而会增大刃磨量。一般刃磨量每次不应超过0.3—0.4mm。如果适当地增大冲裁间隙，即采用合理大间隙值进行冲裁，刃口的磨损将减轻，模具的寿命可以显著提高。这已被许多的生产实践所证实。例如：冲裁1.2mm厚的低碳钢板，间隙Z/t值取10%时，刃磨寿命为1万次；当Z/t值取25%时，刃磨寿命达6.8万次，提高了近6倍。冲裁1.2mm厚的黄铜板时，Z/t值分别取7%和14%时，刃磨寿命分别为1.5万次和11万次，提高了6倍多。冲裁1.2mm厚的不锈钢板时，Z/t值分别取13%和22%时，刃磨寿命分别为1.2万次和3万次，也能将刃磨寿命提高1.5倍。4.3冲裁件的排样4.3.1材料的经济利用在冲压零件的成本中，材料费用多时可占60%以上，因此材料的经济利用是一个重要问题。冲裁件在条料或板料上的布置方法叫排样。排样不合理就会浪费材料，衡量排样经济性的标准是材料利用率，也就是工件的实际面积A0与板料面积A的比值，即

η=（A0/A）×100%式中η—材料的利用率；

A0—工件的实际面积（mm2）；

A—所用材料面积，包括工件面积与废料面积。

从上式可看出，若能减少废料面积，则材料利用率高。废料分为工艺废料与结构废料两种，如右图所示。工艺废料是与排样形式及冲压方式有关的废料；而结构废料由工件的形状特点决定，一般不能改变。所以只有设计合理的排样方案，减少工艺废料，才能提高材料利用率。4.3.2排样方法根据材料经济利用的程度，排样方法可以分为：1.有废料排样法有废料排样，是在冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间，都有工艺余料（称为搭边）存在，冲裁是沿着冲裁件的封闭轮廓进行，所以冲裁件质量和模具寿命较高，但材料利用率较低。2.少废料排样法少废料排样，是只在冲裁件之间或只在冲裁件与条料侧边之间留有搭边。这种排样方法的冲裁只沿着冲裁件的部分外轮廓进行，材料利用率可达70%—90%。3.无废料排样法无废料排样法如下图所示，是在冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间均无搭边存在。这种排样方法的冲裁件实际上是直接由切断条料获得，所以材料利用率可达85%—95%。图中表示步距为两倍工件宽度的一模两件的无废料排样。侧边之间均无搭边存在。这种排样方法的冲裁件实际上是直接由切断条料获得，所以材料利用率可达85%—95%。图中表示步距为两倍工件宽度的一模两件的无废料排样。采用少、无废料排样法，材料利用率高，不但有利于一模获得多个冲裁件，而且可以简化模具结构、降低冲裁力。但是，因条料本身的宽度公差以及条料导向与定位所产生的误差会直接影响冲裁件尺寸而使冲裁件的精度降低。同时，往往因模具单面受力而加快磨损，降低模具寿命，直接影响冲裁件的断面质量。为此，排样时必须全面权衡利弊。无论是采用有废料或少、无废料的排样，根据冲裁件在条料上的不同布置方法，排样方法又有直排、斜排、对排（直对排、斜对排）、混合排、多排和裁搭边等多种形式的排列方式。在实际应用中应根据不同的冲裁件形状加以选用。排样方式（一）有废料少、无废料直排斜排直对排4.3.2排样方法有废料少、无废料斜对排混合排

多行排冲裁搭边排样方式（二）4.3.3搭边排样时冲裁件与冲裁件之间的距离a以及冲裁件与条料侧边之间的距离a1所留下的工艺余料称为搭边，如上图中所示。4.3.3搭边搭边的作用是：1）补偿条料的剪裁和送料误差这是因为条料的剪裁误差、送料步距误差以及由于条料与导料板之间有间隙所造成的送料歪斜误差等都对冲件的精度产生影响。若没有搭边则可能发生工件缺角、缺边或尺寸超差等废品。2）使凸、凹模刃口双边受力由于搭边的存在，使模具刃口沿封闭轮廓线冲裁，受力平衡，合理间隙不易破坏，模具寿命与工件断面质量都能提高。3）有利于自动送料对于利用搭边条料自动送料的模具，搭边使条料有一定的刚度，以保证条料的连续送进。1.搭边值的选取搭边过大，浪费材料。搭边太小，起不到上述应有的作用。过小的搭边将被拉入凸、凹模间隙，使模具容易磨损，甚至损坏模具刃口。搭边的合理值就是保证冲裁件质量、保证模具较长寿命。保证自动送料时不被拉弯拉断条件下所允许的最小值。

搭边值的大小与下列因素有关：（1）材料的力学性能硬材料的搭边值可小一些。软材料、脆性材料的搭边值要大一些。（2）零件的形状与尺寸冲裁件的尺寸大小或有尖凸的复杂形状，搭边值要取大一些。（3）材料厚度材料越厚所取的搭边值相应大些。（4）

送料方式与挡料方式若为手工送料，在有侧压板导向的情况下，搭边值可以小些。塔边值通常是由经验确定的。实际选取时可查阅相关经验数值表。搭边值4.3.4条料的计算与排样图选定排样方法与确定搭边值后，需要进一步计算条料的尺寸，绘制排样图，以用于模具的设计和计算。1、送料步距S条料在模具上每次送进的距离称为送料步距。每个步距可以冲出一个零件，也可以冲出几个零件。送料步距的大小应为条料上两个对应冲裁件的对应点之间的距离。如图中所示，每次只冲一个零件的步距S的计算公式为：S=D+a1式中D—平行于送料方向的冲裁件宽度；

a1—冲裁件之间的搭边值。2、条料宽度B条料是由板料剪裁下料而得，为保证送料顺利，剪裁时的公差带分布规定为上偏差为零，下偏差为负值（-△）。条料在模具上送进时一般都有导向，当使用导料板导向而又无侧压装置时，在宽度方向也会产生送料误差。条料宽度B的计算应保证在这二种误差的影响下，仍能保证在冲裁件与条料侧边之间有一定的搭边值a1。当导料板之间有侧压装置时或用手将条料紧贴单边导料板（或两个单边导料销）时。条料宽度：B=（D+2a1）-△导料板间距离：A=（D+2a1+Z）

式中D—冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸；

a1—冲裁件与条料侧边之间的搭边；△—板料剪裁时的下偏差。

Z—导料板与条料宽度间的送料最小间隙，mm。当条料在无侧压装置的导料板之间送料时。条料宽度：B=（D+2a1+Z）

-△导料板间距离：A=D+2a1+2Z表4-3条料宽度偏差Δmm表4-4导料板与条料间的送料最小间隙Z3.排样图排样图是排样设计及计算后最终的表达形式，是编制冲压工艺与设计模具的重要工艺文件。一张完整的模具装配图应在其右上角画出冲裁件图及排样图。在排祥图上应标注条料宽度及其公差、送料步距及搭边a、a1值，如右图所示。采用斜排方法排样时，还应注明倾斜角度的大小。必要时，还可用双点划线画出条料在送料时定位元件的位置。对有纤维方向要求的排祥图，则应用箭头表示条料的纹向。冲裁如图所示的零件，采用的板料规格为2000×1000×4mm，试计算采用何种排样和下料最为合理。对于题中所给板料其裁样方式有三种：纵裁；横裁；套裁三种，见下图。4.3.5

冲裁排样实例解：根据零件形状分析，排样方案为直排、单行对排、多行对排三种。排样图（直排）（单行对排）（多行对排）冲裁排样实例（方案一）

据相关资料得搭边值：0.8t=3.2mm；

查表4-3得条料宽度公差：3.0mm.

计算冲裁件毛坯面积：方案一：条料宽度：B=D+2a1+Z=120+2×3.2+3≈130（mm）

进料距S=D+a=45+3.2=48.2（mm）

一个进料距内的材料利用率：横裁：可裁条料数量（条）冲裁排样实例（方案一）

每条可冲零件数量

可冲制零件总数

n总=n1n2=15×20=300（件）该方案的材料利用率（件）冲裁排样实例（方案一）纵裁：可裁条料数量（条）每条可冲零件数量（件）可冲制零件总数

n总=n1n2=7×41=287（件）该方案的材料利用率冲裁排样实例（方案二）方案二：条料宽度：b=130mm

进料距（mm）横裁：可裁条料数量（条）每条可冲零件数量（件）可冲制零件总数n总=15×27=405（件）该方案横裁的材料利用率冲裁排样实例（方案二）纵裁：可裁条料数量（条）每条可冲零件数量（件）可冲制零件总数n总=7×55=385（件）该方案纵裁的材料利用率冲裁排样实例（方案三）方案三：条料宽度：（mm）进料距（mm）横裁条数（条）每条可冲零件数量（件）可冲制零件总数n总=11×41=451（件）该方案横裁的材料利用率冲裁排样实例（方案三）纵裁：纵裁条数（条）每条可冲零件数量（件）可冲制零件总数n总=5×82=410（件）该方案纵裁的材料利用率从以上计算看出：三种排样方式其材料利用率差别较大，方案三的横裁多行对排为最佳。可冲裁零件数材料利用率直排零件横裁条料300纵裁条料287单行对排零件横裁条料405纵裁条料385多行对排零件横裁条料451纵裁条料410直排零件横裁条料55%纵裁条料51.8%单行对排零件横裁条料70%纵裁条料66.5%多行对排零件横裁条料77.95%纵裁条料70.8%4.4冲裁力与冲压力的计算

4.4.1冲裁力的计算冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必需的数据。在冲裁过程中，冲裁力的大小是不断变化的，如右图所示。图中OA段为弹性变形阶段，板料上的冲裁力随凸模的下压直线增加。AB段为塑性变形阶段。B点为冲裁力的最大值。凸模再下压，材料内部产生裂纹并迅速扩张，冲裁力下降，所以BC是断裂阶段。到达C点，上下裂纹重合，板料已经分离。CD所用的压力，仅是克服摩擦阻力，推出已分离的料。冲裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。用板料作用在凸模上产生最大抗力而出现裂纹时（即图中的B点）的板料内剪切变形区的切应力作为材料的抗剪强度τ（MPa）。1、对于普通平刃刀口的冲裁，其冲裁力F可按下式计算：F=KLtττ—材料的抗剪强度（MPa）；K—系数。是考虑到刃口钝化、间隙不均匀、材料力学性能与厚度波动等因素而增加的安全系数。常取K=1.3。2、降低冲裁力的措施冲裁高强度材料或厚料和外形尺寸大的工件时，需要的冲裁力较大。超过了所选设备的公称压力，就必须设法降低冲裁力。（1）

加热冲裁材料在加热状态下剪切强度大大下降，因而可以降低冲裁力。但材料加热后会产生氧化皮，还会产生变形，故此法只适用于厚板或工件表面质量及尺寸精度要求不高的工件。（2）

阶梯布置凸模冲裁在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同长度，呈阶梯布置，可使各个凸模冲裁力的最大值不同时出现。从而降低了总的冲裁力。凸模间的高度差按材料厚度确定：t＜3mm,h=t；t＞3mm,h=0.5t（3）

单边斜刃剪裁F=1.3×（0.5t2τ/tanφ）=0.5t2σb/tanφφ——斜刃口斜角，一般取消2°~6°封闭轮廓斜刃剪裁H≥t时：H=t时：F=1.3tτ（a+b）=tσb

（a+b）（4）

双边斜刃剪裁时：t≤3mm时，H=2tφ<5°3<t<10mm时，H=tφ<8°或3、圆盘剪裁时：F=1.3K

t2Q/2tanαK——料厚系数，t<3mm时，K=1.8α——切入角Q——材料剪切比压。10、20钢Q=100MPa；铜及合金Q=60Mpa；铝及合金Q=15MPa4、两种材料重叠冲裁时：4.4.2卸料力、推件力和顶件力

材料发生塑性变形同时也存在着弹性变形。在一般冲裁条件下，由于冲裁后材料的弹性回复，使得落料或冲孔废料梗塞在凹模内，而板料则紧箍在凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的板料卸下，同时将梗塞在凹模内的工件或废料向下推出或向上顶出。因此将从凸模上卸下板料所需的力称为卸料力；从凹模内向下推出工件或废料所需的力称为推件力；从凹模内向上顶出工件或废料所需的力称为顶件力。在设计模具时，F卸与F顶是选择卸料装置与弹顶器的橡皮或弹簧的依据。在冲裁的过程中，F卸、F推、F顶与冲裁力F是否同时发生，取决于冲裁方式与模具的结构。压力机所提供的冲压力应能足够克服冲裁力F和与之同时发生的其它各工艺力（F卸、F推、F顶）。上述的力与冲件形状、冲裁间隙、材料种类和厚度、润滑情况、凹模洞口形状等因素有关，无法准确计算。在实际生产中常用以下经验公式计算：F卸

=K卸FF推

=nK推FF顶

=K顶F式中的K卸、K推、K顶分别为各自的计算系数，可查阅相关的经验数表。当冲件形状复杂、润滑较差、材料强度较高时则应取较大的值；反之应取较小的数值。推件力、顶件力、卸料力系数4.4.3总冲压力的计算采用刚性卸料装置和下出件模具结构时：

F总

=F+F推4.4.3总冲压力的计算采用弹性卸料装置和下出件模具结构时：

F总

=F+F卸

+F推4.4.3总冲压力的计算采用弹性卸料装置和上出件模具结构时：

F总

=F+F卸

+F顶4.5冲裁工艺设计4.5.1冲裁件工艺性分析及方案确定

1、冲裁件的结构工艺性冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。所谓冲裁工艺性好是指能用普通冲裁方法，在模具寿命和生产率较高、成本较低的条件下得到质量合格的冲裁件。因此，冲裁件的结构形状、尺寸大小、精度等级、材料及厚度等是否符合冲裁的工艺要求，对冲裁件质量、模具寿命和生产效率有很大影响。（1）

冲裁件的形状

（2）

冲裁件内形及外形的转角零件种类黄铜、铝合金铜软钢备注/mm落料交角≥90°<90°0.18t0.35t0.35t0.70t0.25t0.50t﹥0.25﹥0.50冲孔交角≥90°<90°0.2t0.4t0.45t0.90t0.3t0.6t﹥0.3﹥0.6表4-6冲裁件最小圆角半径（3）

冲裁件上凸出的悬臂和凹槽（4）

冲裁件的孔边距与孔（5）

在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔边与直壁之间应保持一定距离，以免冲孔时凸模受水平推力而折断。（6）

冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小，否则凸模易折断或压弯。2、冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度（1）

冲裁件的经济公差等级不高于IT11级，一般要求落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。冲裁得到的工件公差列于表4-7、表4-8。如果工件要求的公差值小于表值，冲裁后需经整修或采用精密冲裁。（2）

冲裁件的断面粗糙度与材料塑性、材料厚度、冲裁模间隙、刃口锐钝以及冲模结构等有关。当冲裁厚度为2mm以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra一般可达12.5～3.2μm。3、冲裁件尺寸标注（a）

（b）（a）

不合理

（b）

合理1、理论确定法由冲裁变形过程的分析可知，当冲裁间隙值适当时，凸、凹模刃口处所产生的上、下裂纹在扩展的过程中相遇重合。以凸、凹模刃尖连线代替实际裂纹。从图中的几何关系可得：Z=2（t–h0）tgβ=2t（1-h0/t）tgβ式中h0—凸模切入板料的深度；β—裂纹的斜角。软钢的β值为50-60；中硬钢为40-50；硬钢约为40。4.5.2模具间隙确定与选择冲裁间隙值对冲裁件的断面质量、尺寸精度、冲裁力、模具寿命等方面的影响规律并非一致，所以，并不存在一个绝对的合理间隙值。Ⅰ类为小间隙，适用于尺寸精度和断面质量要求都高的冲裁件，但模具寿命较低。Ⅱ类为中等间隙，适用于尺寸精度和断面质量要求一般的冲裁件，且特别强调采用该间隙的冲裁件的残余应力较小，用于后续成形加工可减少破裂现象。Ⅲ类为大间隙，适用于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件，但模具寿命较高，即是所谓的合理大间隙，推荐优先选用。2、经验确定法表4-11冲裁模合理间隙值2、经验确定法非金属材料冲裁模初始双面间隙

4.5.3刃口尺寸计算刃口尺寸计算的一般原则由前述可知，凸、凹模刃口部分的尺寸直接决定了冲裁件的尺寸和模具间隙的大小，是模具上最重要的尺寸。(1)确定计算基准。落料时的制件尺寸是由凹模决定的，因此应以落料凹模为计算基准。冲孔时的尺寸是由凸模决定的，因此应以冲孔凸模为计算基准。(2)凸、凹模应考虑磨损规律。从模具的磨损规律可知，凹模磨损后会增大落料件的尺寸，而凸模磨损后会减小冲孔件的尺寸。为了提高模具寿命，在制造新模具时应把凹模尺寸做得趋向于落料件的最小极限尺寸，把凸模尺寸做得趋向于冲孔件的最大极限尺寸。(3)凸、凹模之间应保证有合理间隙。对于落料件，凹模是计算基准，间隙应由减小凸模尺寸来取得；对于冲孔件，凸模是计算基准，间隙应由增大凹模尺寸来取得。由于间隙在模具磨损后会增大，所以在计算凸、凹模时均取最小合理间隙Zmin。(4)确定凸、凹模的制造公差。凸、凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸精度相适应。而偏差值应按入体方向标注。(5)考虑模具制造的特点。制造模具时常用以下两种方法来保证合理间隙：分别加工法。分别规定凸模和凹模的尺寸和公差，分别进行制造。用凸模与凹模的尺寸及制造公差来保证间隙要求。这种加工方法必须把模具的制造公差控制在间隙的变动范围之内，使模具制造难度增加。这种方法主要用于冲裁件的形状简单、间隙较大、精度较低的模具或用线切割等精密设备加工凸、凹模的模具。用分别加工的凸、凹模具有互换性，制造周期短，便于成批制造。配合加工法，用凸模与凹模相互单配的方法来保证合理间隙。加工后，凸模与凹模必须对号入座，不能互换。通常，落料件选择凹模为基准模。冲孔件选择凸模为基准模。在作为基准模的零件图上标注尺寸和公差，相配的非基准模的零件图上标注与基准模相同的基本尺寸。但不注公差，然后在技术条件上注明按基准模的实际尺寸配作，保证间隙值在Zmin—Zmax之内。这种方法多用于冲裁件的形状复杂、间隙较小的模具。1、分别加工法的尺寸计算

冲裁件和凸、凹模的尺寸与公差分布状态如图所示。由图可得出下列计算公式：落料冲孔式中△—冲裁件的公差；

x—磨损系数，其值在0.5—1之间，与冲裁件的精度有关，可查表。

δ凹、δ凸

—分别为凸、凹模的制造公差。其可按IT6~IT7级来选择，对冲裁件精度要求较高时取表--磨损系数x对于采用分别加工的凸、凹模为了保证初始间隙不超过Zmax即，应保证以下关系：|δ凹|+|δ凸|≤Zmax-Zmin

新制造的模具应该符合上述关系，否则，新的模具间隙就已超过了允许的变动范围Zmin～Zmax，将会影响模具的使用寿命。

孔心距4.5.4例

加工一批垫圈，材料为Q235A钢，分别计算落料和冲孔的凸、凹模刃口部分尺寸。垫圈零件尺寸如图所示。解：落料的凸模、凹模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：凸模刃口尺寸：查表4-11得Zmax=0.64,Zmin=0.46

垫圈凸模取IT6级，δ凸=-0.02；凹模取IT7级，δ凹=0.03

为IT14级，取x=0.5∵|-0.02|+|0.03|≤0.64-0.46∴能满足|δ凹|+|δ凸|≤Zmax-Zmin的条件。将已查得的数据代入计算式，即得冲孔的凸、凹模刃口尺寸：凸模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：

查表4-11得Zmax=0.64,Zmin=0.46。

为IT14级，取x=0.5凸模取IT6级，δ凸=-0.06；凹模取IT7级，δ凹=0.025∵|-0.016|+|0.025|≤0.64-0.46∴能满足|δ凹|+|δ凸|≤Zmax-Zmin的条件。将已查得的数据代入计算式，即得2、凸模与凹模配作法采用凸、凹模分开加工时，为保证冲模的间隙值，必须严格限制冲模制造公差，因此，造成冲模制造困难，常常采用凸模与凹模配作的加工方法。配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配作保证，工艺比较简单，不必校核初始间隙条件，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。设计时，基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注，而配作件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸上注明：“凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证最小双面合理间隙值Zmin”。。对于形状较复杂的冲裁件，如右图所示。在计算复杂形状的凸、凹模工作部分的尺寸时，往往可以发现在一个凸模或凹模上会同时存在着三类不同性质的尺寸需要区别对待。第一类：凸模或凹模在磨损后会增大的尺寸；第二类：凸模或凹模在磨损后会减小的尺寸；第三类：凸模或凹模在磨损后基本不变的尺寸。如图中所示的工件，其中尺寸a、b、c对凸模来说是属于第二类尺寸，对于凹模来说则是属于第一类尺寸；尺寸d对于凸模来说属于第一类尺寸，对于凹模来说是属于第二类尺寸；尺寸e，对于凸模和凹模来说都是属于第三类尺寸。下面分别讨论凸模或凹模上这三类尺寸的不同计算方法。对于落料凹模或冲孔凸模在磨损后将增大的第一类尺寸，相当于简单形状的落料凹模尺寸，计算公式如下：对于冲孔凸模或落料凹模在磨损后将减小的第二类尺寸，相当于简单形状的冲孔凸模尺寸，计算公式如下：对于凸模或凹模在磨损后基本不变的第三类尺寸不必考虑磨损的影响，凸、凹模的基本尺寸就取冲裁件的中间尺寸，其公差取正负对称分布。4.6

冲裁模总体结构设计4.6.1冲裁模的分类（1）按工序性质分类有落料模、冲孔模、切边模、切断模、切口模、剖切模、整修模、精冲模等。（2）按工序的组合程度分类可分为单工序模、复合模和级进模。单工序模又称为简单模，而复合模和级进模称为复杂模。（3）按模具导向方式分类有无导向模和有导向的导板模、导柱模、滚珠导柱模、导筒模等。（4）按卸料与出件方式分类可分为固定卸料式与弹压卸料式模具；按出件方式可分为上出件与下出件式模具。固定卸料式模具又称为封闭式模具，弹压卸料式模具又称为敞开式模具，封闭式模具比较安全。（5）按挡料或定距方式分类有固定挡料式、活动挡料式、自动挡料销式、导正销式和侧刃定距式冲模。（6）按凸、凹模所用材料不同分类可分为普通金属模、硬质合金模、橡胶块冲模、聚氨酯橡胶冲模、低熔点合金及锌基合金模等。（7）按凸、凹模的结构不同分类可分为整体模和拼块模。（8）按凸、凹模的布置方法不同分类可分为正装模和倒装模。（9）按自动化程度分类可分为手工操作模、半自动模和自动模。冲裁模的工作过程在实际应用中，大多数冷冲压模具尽管种类和结构不同，有的甚至差异较大，但它们的工作过程却是相似的，即为送料→定位→冲压→卸料→取件。4.6.2冲裁模的典型结构1、单工序模单工序模（又称简单模）是指压力机在一次行程中完成一道工序的冲压模。

例1开式简单冲裁模（一）模具工作过程1）条料贴着凹模5表面、沿导料板4导送入刃口冲裁区域，由挡料块7阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，由凸模2、凹模5对板料进行冲裁。3）冲裁完成后，工件从凹模5洞口下落，剩余条料则卡箍在凸模2上。4）压力机滑块带动上模上行，由刚性卸料板3将卡箍在凸模2上的条料卸下。5）抬起条料，越过挡料块7放下，继续由其阻挡定位，准备下一次冲裁。（二）模具结构特点1）模具上、下模无导向装置，制造简单，成本较低。2）模架结构合理，凸模2、凹模5、导料板4、卸料板3均可方便装拆和调整，以适合不同尺寸的相近产品。3）上模由压力机滑块导轨导向冲裁，精度较低，冲出制品质量较差。4）模具为开式结构，不便于存放和安装，对使用操作和模具寿命均产生不利影响。例2导柱式落料模（一）模具工作过程1）条料贴着凹模12表面、沿导料销23自右向左导送入刃口冲裁区域，由固定挡料销18阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，上、下模由导柱19和导套20导向闭合。3）冲裁前弹性卸料板11将板料压紧，然后由凸模10、凹模12对板料进行冲裁。4）冲裁完成后，压力机滑块带动上模上行。5）工件由顶件板13顶住，随凸模10上升回至原处；剩余条料则被弹性卸料板11压紧在凹模12上直至卸料板11随上模上行脱离。6）将工件取出模外。7）抬起条料，越过固定挡料销18放下，继续由其阻挡定位，准备下一次冲裁。1）模架结构标准，制造方便，精度较高，使用和安装简单。2）采用弹性卸料板11和顶件板13，适合于材质较软、料厚较薄和质量要求较高的冲裁件，能有效地保证产品的质量。3）模具质量较多依赖于模具零件的装配质量。（二）模具结构特点2、级进模级进模（又称连续模、跳步模）是指压力机在一次行程中，依次在2个以上不同的位置同时完成多道工序的冲压模。冲压件在模具中是逐步成形的。例1用导正销定距的级进模（一）模具工作过程1）条料贴着凹模9表面、沿导料板8自右向左导送入冲孔刃口区域，由始用挡料销7阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，由冲孔凸模3、凹模9对板料进行冲孔。3）冲孔完成后，冲孔废料从凹模9洞口下落，剩余条料卡箍在冲孔凸模3上。4）压力机滑块带动上模上行，由刚性卸料板8将卡箍在冲孔凸模3上的条料卸下。5）始用挡料销7缩回，条料继续送进，由固定挡料销6阻挡定位。6）压力机滑块带动上模下行，导正销5插入上一步冲出的孔中，对板料位置进行精确校正。7）由落料凸模4和凹模9进行落料，同时冲孔凸模3和凹模9对板料进行冲孔。8）冲裁完成后，工件和冲孔废料从凹模9洞口下落，剩余条料卡箍在凸模上。9）压力机滑块带动上模上行，由刚性卸料板8将卡箍在凸模上的条料卸下。10）抬起条料，越过固定挡料销6放下，继续由其阻挡定位，准备下一次冲裁。（二）模具结构特点1）工序集成度高，操作简单，可进行高效率生产。2）采用导正销5对板料位置进行精确校正，结构简单，制造成本较低，能有效地保证产品的质量，但不适于材质较软、料厚过薄的冲裁件。3）上、下模无导向装置，不便于存放和安装，对使用操作和模具寿命均产生不利影响。例2用侧刃定距的级进模（图4—18）

（一）模具工作过程1）条料贴着凹模6表面、沿导料板7自右向左导送入冲孔刃口区域，由导料板7的台肩阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，上、下模由导柱5和导套3导向闭合。3）由冲孔凸模2、凹模6对板料进行冲孔，同时右侧刃4将条料边冲切出一步距宽和一定深度的缺口，条料宽度减小。4）冲孔完成后，冲孔废料从凹模6洞口下落，剩余条料卡箍在冲孔凸模2上。5）压力机滑块带动上模上行，由刚性卸料板8将卡箍在冲孔凸模2上的条料卸下。6）因宽度减小，条料得以继续送进，并由导料板7的台肩阻挡定位。7）压力机滑块带动上模下行，上、下模由导柱5和导套3导向闭合。8）由落料凸模1和凹模6进行落料，冲孔凸模2和凹模6对板料进行冲孔，同时右侧刃4将条料边冲切出一步距宽和一定深度的缺口。9）冲裁完成后，工件和冲孔废料从凹模6洞口下落，剩余条料卡箍在凸模上。10）压力机滑块带动上模上行，由刚性卸料板8将卡箍在凸模上的条料卸下。11）条料继续送进，由导料板7的台肩阻挡定位，准备下一次冲裁。12）左侧刃9的作用是保证条料全部通过右侧刃4后，条料尾端能够继续定位和送进，冲出条料所有的合格产品。（二）模具结构特点1）模架结构标准，制造方便，精度较高，使用和安装简单。2）工序集成度高，操作简单，可进行高效率生产。3）采用侧刃对条料冲切缺口进行定位和送进，特点是可以不受工件的形状限制，灵活方便，送料简便安全且速度较高，便于实现自动化生产。4）侧刃存在着受力不平衡、磨损不均匀等问题，定距精度较低，一般用于精度要求不高的工件或作为粗定位使用。5）材料浪费较明显等问题，且不适于材质较硬、厚度较大的冲裁件。3、

复合模复合模是指压力机在一次行程中，在同一位置上同时完成多道工序的冲压模。因受产品质量和模具结构的限制，复合的工序一般不超过3～4道。

（一）模具工作过程1）条料贴着弹性卸料板4表面、沿活动导料销22送入刃口冲裁区域，由活动挡料销5阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，上、下模由导柱2和导套6导向闭合。例1倒装复合模3）冲裁前弹性卸料板4将板料压紧，然后由凸凹模18外刃口和落料凹模17进行落料，同时凸凹模18内刃口和冲孔凸模14、16进行冲孔。4）落料和冲孔同时完成后，冲孔废料从凸凹模18洞口下落，工件则胀卡在落料凹模17洞口内，剩余条料卡箍在凸凹模18上。例1倒装复合模5）压力机滑块带动上模上行，剩余条料被弹性卸料板4顶起将条料从凸凹模18上卸下。6）上模上行至一定位置时，压力机滑块内的横打杆被止动，但滑块继续上行，由横打杆推动推杆12、推板11、推杆10和推件块9将胀卡在落料凹模9洞口内工件推落。7）将工件取出模外。8）抬起条料，越过活动挡料销5放下，继续由其阻挡定位，准备下一次冲裁。（二）模具结构特点1）模架结构标准，制造方便，精度较高，使用和安装简单。2）落料、冲孔在同一位置上复合完成，消除了级进模中工序的定位误差问题，有利于产品质量的提高。3）采用倒装式结构，废料下落，工件较易引出模外，操作方便安全，生产效率较高。4）模具质量较多依赖于模具零件的装配质量。例2正装复合模（一）模具工作过程1）条料贴着落料凹模8表面、沿固定导料销13自下向上导送入刃口冲裁区域，由固定挡料销12阻挡定位。2）压力机滑块带动上模下行，上、下模由导柱和导套导向闭合。3）冲裁前弹性卸料板7将板料压紧，然后由凸凹模6外刃口和落料凹模8进行落料，同时凸凹模7内刃口和冲孔凸模11进行冲孔。4）落料和冲孔同时完成后，压力机滑块带动上模上行。5）工件由顶件板9顶住，随凸凹模6上升回至原处；冲孔废料胀卡在凸凹模6洞口内随凸凹模6上升；剩余条料则被弹性卸料板7压紧在凹模8上直至卸料板7随上模上行脱离。6）上模上行至一定位置时，压力机滑块内的横打杆被止动，但滑块继续上行，由横打杆推动推杆1、推板3、推杆4将胀卡在凸凹模6洞口内的废料推落。7）将工件和废料取出模外。8）抬起条料，越过固定挡料销12放下，继续由其阻挡定位，准备下一次冲裁。（二）模具结构特点1）模架结构标准，制造方便，精度较高，使用和安装简单。2）落料、冲孔在同一位置上复合完成，消除了级进模中工序的定位误差问题，有利于产品质量的提高。3）采用弹性卸料板7和顶件板9，适合于材质较软、料厚较薄和质量要求较高的冲裁件，能有效地保证产品的质量。4）采用正装式结构，废料和工件均落在模面上，不利于操作，影响生产效率。5）模具质量较多依赖于模具零件的装配质量。4、橡胶模（1）橡胶寿命一般为1000~2000件；（2）只适用于薄板冲裁，冲裁厚度在0.3mm以下；（3）橡胶冲裁要求搭边量大。5、尖刃凸模冲模4.7模具主要零件的设计与标准化

如图所示为一副典型的落料冲裁模的立体模型。总体上可将模具分为上模与下模两大部分，其剖视结构如图所示。1、工作零件2、定位零件3、压料、卸料和出件零件4、导向零件5、固定零件6、紧固及其它零件冲裁模的结构组成及功用4.7.1模具结构的标准化1

.

模具结构标准化由于模具和产品的对应性及产品零件的多样性，作为单件生产的模具控制其成本便成为模具生产的一大难题。由前述可知，由于模具结构的相似性，组成模具的许多零件便可以实现标准化与系列化生产。一般在下列几方面可以实现模具结构标准化：1）由上、下模座与导柱、导套组成的模架。这是各工业国家最早实现模具标准化的项目，并收到显著的效益。2）已配套的导柱与导套，可用来组装标准模架以外的大型模架。3）模具通用件，如联接件、定位件等。4）凹模板、卸料板、固定板、垫板等的厚度和平面尺寸标准化及系列化。5）圆形凸、凹模，规定容易更换的标准结构形式与固定方式，连同固定件都规格化与系列化。

2．

模具结构标准化的意义

模具标准化的意义可归纳如下几方面：1）简化了模具设计过程，减少了许多重复的绘图工作量，因而缩短了设计时间。2）可以预先制造出模具标准中规定的成品件或半成品件，从而缩短制模周期。标准化程度越高，制模周期可以越短。3）便于组织专业化生产，降低材料和能源消耗，提高模具质量与寿命。4）为模具的CAD、CAM和CAE创造了必要的条件。5）模具标准化后，便于进行企业、地区及国际间模具技术交流与协作。6）模具标准化、规格化与系列化，可以扩大模具商品化的范围。只有模具零件实现了商品化，才能大幅度缩短制模周期。

1、凸模1）

凸模的结构形式及其固定方法4.7.2工作零件的设计与标准的选用（1）

圆形凸模（2）

非圆形凸模

（3）

大、中型凸模大、中型的冲裁凸模（4）

冲小孔凸模①冲小孔凸模加保护与导向②采用短凸模的冲孔模。由于凸模大为缩短，同时凸模又以卸料板为导向，因此大大提高了凸模的刚度。③在冲模的其它结构设计与制造上采取保护小凸模措施。如提高模架刚度和精度；采用较大的冲裁间隙；采用斜刃壁凹模以减小冲裁力；取较大卸料力(一般取冲裁力的l0％)；保证凸、凹模间隙的均匀性并减小工作表面粗糙度等。2）

凸模长度计算采用固定卸料板和导料板时：L=h1+h2+h3+h采用弹压卸料板时：L=h1+h2+t+h3）

凸模的强度校核2、

凹模1）

凹模外形结构及其固定方法2）

凹模刃口形式3、凸凹模凸凹模是复合模中同时具有落料凸模和冲孔凹模作用的工作零件。它的内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸。从强度方面考虑，其壁厚应受最小值限制。凸凹模的最小壁厚与模具结构有关：当模具为正装结构时，内孔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；当模具为倒装结构时，若内孔为直筒形刃口形式，且采用下出料方式，则内孔积存废料，胀力大，故最小壁厚应大些。

4、凸、凹模的镶拼结构1）镶拼结构的应用场合及镶拼方法

2）

镶拼结构的设计原则3）

镶拼结构的固定方法（1）

平面式（2）

嵌入式固定（3）

压入式固定（4）

斜楔式固定4.7.3定位零件的设计与标准的选用1、导料销、导料板2、侧压装置3、挡料销固定挡料销活动挡料销初始挡料销4、侧刃5、定位板和定位销1、卸料装置1）

固定卸料板4.7.4

压料、卸料、送料零件的设计与标准的选用2）

弹压卸料装置卸料板凸台部分的高度值h=H-(0.1~0.3)t3）

废料切刀2、推件（顶件）装置(1)推件装置2）顶件装置4.7.5

导向零件的设计与标准的选用1、

模柄4.7.6连接与固定零件的设计与标准的选用2、

模架3、

模柄套4、

冲模固定方法

4.8冲裁模的使用4.8.1冲裁模的试冲与调整1、

冲模的调试（1）新模装配后；（2）每批冲压件生产前；（3）冲裁模发生损坏经修理后。2、

冲裁时凸模进入凹模的深度冲裁厚度小2mm时，凸模进入凹模的深度不应超过0.8mm，厚材料可适当加大；硬质合金冲模、硅钢片冲模不应超过0.5mm；斜刃、切口冲模凸模进入凹模的深度以完成切口工序为准；负间隙冲模的凸模在冲裁完成时，不应对凹模产生撞击。3、

凸模的装配凸模在固定板上固定后，凸模的中心轴线必须与固定板的安装基面垂直，一般选用垂直度误差不超过0.02mm，薄料冲裁时不超过0.01mm。4.8.2冲压加工的经济性分析所谓经济性分析，就是分析在冲压生产过程中，如何采用尽可能少的生产消费获得尽可能大的经济效益。冲压件的制造成本C∑包括：

C∑=C材+C工+C模式中C材——材料费；

C工——加工费（工人工资、设备折旧费、管理费等）；

C模——模具费。降低成本有以下各种措施：(1)降低小批量生产中的冲压件成本(2)工艺合理化(3)多件同时冲压产量较大时，采用多件同时冲压，可使模具费、材料费和加工费降低，对成形工艺来说也有利于材料变形的应力、应变对称均匀。(4)冲压过程的高速(5)提高材料(6)节约模具费用模具费用在冲压件的制造成本中占有相当比重

练习思考题

1、冲裁件的断面特征分几个区域？其形成原因？分析各区对冲裁件的质量影响？2、什么是落料和冲孔？举例说明。3、冲裁间隙的大小与冲裁件质量的关系？4、冲裁间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命的影响？5、什么是合理间隙？其值因如何选取？

练习思考题

6、如图所示零件，材料Q235，板厚2mm。计算冲裁力。7、什么是排样？有哪几种排样方法？8、搭边的作用是什么？9、图示零件，采用弹压卸料，求冲裁力；采用单排方式时，各搭边量，条料纵、横裁时材料利用率。（板料1000X2000mm）

练习思考题

10、确定冲裁工艺方案的依据是什么？冲裁工序组合方式是依据什么确定的？11、如图所示支条片，材料为Q235A钢，料厚2mm，计算落料的凸、凹模刃口部分尺寸。零件尺寸如图所示。

练习思考题

练习思考题

12、如图所示硅钢片，材料为D硅钢，料厚t=0.35mm，用配作法制造模具，试确定该落料模凸、凹模刃口尺寸？

练习思考题

13、什么是单工序模、复合模和级进模？各自的特点是什么？14、采用凸、凹模的镶拼结构的场合和作用？

冷冲压工艺及模设计备课讲义

课程名称冷冲压工艺及模具设计2

.

课程编号

1111400.

学时学分

48（4）学时3学分.

专业层次材料成型及控制工程.

备课教材

《冲压工艺与冲模设计》.

吕建强主编西电版2021授课班级

材控1201

.授课日期

2023年2～5月.

授课教师吕建强.

归口系部材料成型系.

版次

01.

第5章弯曲工艺与弯曲模具

弯曲是将金属坯料沿弯曲线弯成具有一定角度和形状的成形工艺方法。实际生产中可用于弯曲的坯料主要有板料、棒料、管料、型材等。弯曲加工的类型很多，按弯曲方法可分为压弯、拉弯、折弯、滚弯等。但以在压力机上用模具进行压弯最为常见。板材弯曲管材弯曲型材弯曲棒材弯曲拉弯折弯折弯滚弯5.1弯曲变形过程及特点5.1.1弯曲变形过程V形件的弯曲是板料弯曲中最基本的一种，其弯曲变形过程如图所示。在弯曲变形过程中板料与凹模之间有相对滑移现象。弯曲变形主要集中在弯曲圆角r处，在弯曲过程中还发生了直边变形，只在最后贴合时被压直。凸模、板料与凹模三者完全贴合后，如果再增加一定的压力对弯曲件施压，则称为校正弯曲。否则就称为自由弯曲。5．1．2弯曲变形分析为了简化问题，弯曲变形的理论分析只讨论在纯弯矩作用下的弯曲。采用圆柱坐标系，板厚方向为径向（ρ方向）、板长方向为切向（θ方向），板宽方向为轴向（B方向）。研究材料的冲压变形，常采用网格法，如图所示。在弯曲前的坯料侧面用机械刻线或照相腐蚀的方法画出网格，观察弯曲变形后位于工件侧壁的坐标网格的变化情况，就可以分析变形时坯料的受力情况，从坯料弯曲变形后的情况可以发现：1、

变形区的位置变形主要发生在弯曲带中心角Ø区域内，中心角以外基本上不变形。弯曲带中心角Ø与制件的弯曲角α之间的关系为：α+Ø=1800。2、变形区变形特点

（1）

长度方向由图可见，变形后网格由正方形变成了扇形。外层表面产生了最大的切向伸长变形，内层表面产生了最大的切向收缩变形。切向变形沿板厚的分布是不均匀的。在收缩与伸长的区域之间必然有一变形中性层，以此为界，将变形按其性质分为内、外两层区域。（2）

厚度方向在弯曲变形区的厚度方向，以中性层为界，内层材料切向受压缩，厚度应增加，而外层材料切向受拉伸，厚度将减薄。由于中性层内移，使外层受拉伸区域大于内层受压缩区域，故外层材料的减薄量将大于内层材料的增厚量，弯曲变形区的板料厚度会出现变薄现象。（3）

宽度方向弯曲后，板料的断面形状发生了畸变。其中窄板（B<3t）的断面变成了内宽外窄的扇形。对于宽板（B>3t），因弯曲变形时宽度方向的变形会受到相邻材料较大的牵制阻碍作用，因此断面的变化较小，基本上保持了原来的形状。对于B<10t以下的弯曲件，其弯曲线会产生挠度，且两端的翘曲和畸变较明显。3、

弯曲变形中性层的位置

如右图所示为板料变形区在弯曲前后的形状。按体积不变条件可求得变形中性层的曲率半径ρ0。变形前的体积V0=LtB=ρ0φtB，变形后的体积V=π(R2-r2)φ/2π×B，由V0=V得ρ0=(R2-r2)/2t以R=r+t1代入上式，整理得ρ0=(r+t1/2)t1/t

令η=t1/t，称为变薄系数，代入上式得ρ0=(r+ηt/2)η由上式可知，η<1，ρ0<r+ηt/2。而r+ηt/2为变形区板料几何中心层的曲率半径，这表明弯曲后变形中性层不与几何中心层重合而发生了内移。随着r/t值的不断减小，应变中性层也将不断内移。此外，由应变中性层内移可知，应变中性层处的材料在弯曲前期的变形是切向压缩，而在弯曲后期必然为切向伸长。因此，应力中性层在弯曲时也发生了内移，且内移量比应变中性层还大。5.1.3

弯曲变形区的应力应变状态5.1.3.1弯曲变形阶段

板料弯曲时，变形区内的应力应变状态与弯曲变形程度有关。在弯曲的过程中，弯曲变形具有明显的阶段性，由初始的弹性变形逐渐过渡到塑性变形。由于变形程度的不均匀，使弯曲变形具有特殊的复杂性，并影响弯曲工艺的制定。1、弹性弯曲变形在弯曲变形开始时，由于外弯曲力矩M的数值较小，此时变形区内、外表层所受的切向应力σθ尚未达到材料的屈服应力σS，沿板厚的全部材料层只产生弹性变形，其切向应力σθ的分布如下图所示。2、弹—塑性弯曲变形当弯曲力矩M增大到一定数值时，变形区内、外表层材料将首先屈服而进入塑性状态。随着弯曲变形程度的加大，塑性变形便由内、外表层向板料中心