《模具设计与制造李集仁》课件-第2章

第2章冲裁工艺及冲裁模设计2.1冲裁变形机理2.2冲裁间隙2.3凹、凸模刃口尺寸的计算2.4冲裁力2.5排样与搭边2.6冲裁件的工艺性2.7整修和精密冲裁2.8冲裁模基本类型及典型结构2.9冲模的部件及零件2.10冲裁模设计要点冲裁是利用冲裁模使板料产生分离的冲压工序。从广义上说,冲裁是分离工序的总称,包括落料、冲孔、切口、切边、剖切等多种工序。但一般说来,冲裁主要是指冲孔和落料。冲裁可以直接冲出成品零件,也可为其它成形工序制备毛料。从板料上冲下所需形状的零件(或毛料)叫落料;在工件上冲出所需形状的孔(冲去部分为废料)叫冲孔。例如冲制一个平板垫圈,冲其外形称为落料,冲其内孔称为冲孔。落料与冲孔的变形性质相同,但在进行模具工作部分设计时,工艺计算是不一样的。图2－1冲裁工作示意图图2－1所示为冲裁工作示意图。凸模通过压力机滑块的带动能上下往复运动,凹模固定不动,板料置于凹模面上。当凸模向下运动时,由于凸模和凹模刃口的作用,使板料受剪分离,冲下的部分从凹模孔漏下;当凸模回程向上运动时,由于卸料板的作用,将箍在凸模上的材料卸下。凸模刃口和凹模刃口之间存在一定的间隙Z,单面间隙值为Z/2。 2.1冲裁变形机理

2.1.1冲裁变形过程

常用金属材料的冲裁过程如图2－2所示,模具间隙正常时,大致可分成三个阶段。图2－2冲裁变形过程

(a)弹性变形阶段;(b)塑性变形阶段;(c)断裂分离阶段

1.弹性变形阶段

凸模接触板料后,开始压缩材料,变形区内产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形。这时凸模略为挤入材料,材料的另一侧也略为挤入凹模洞口。随着凸模继续压入,变形区内的应力达到弹性极限。此时,凸模下的材料略有弯曲,凹模上的材料则向上翘。间隙越大,弯曲和上翘现象越严重。

2.塑性变形阶段

当凸模继续压入,压力增加,变形区内的应力满足屈服条件时,便进入塑性变形阶段。这时,凸模将部分材料挤入凹模洞口,产生塑剪变形,形成光亮的剪切断面。随着塑性变形的发生,变形区材料硬化加剧,冲裁变形力不断增大,当刃口附近的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时,冲裁变形力达到最大值。材料出现微裂纹,标志着塑性变形阶段的结束。由于凸模和凹模之间存在间隙,这个阶段除剪切变形外,冲裁区还产生弯曲和拉伸,显然,间隙越大,弯曲和拉伸也越大。

3.断裂分离阶段

凸模继续下压,已经形成的上、下微裂纹逐渐扩大并向材料内延伸,当上、下两裂纹相遇重合时,材料便被剪断分离。

冲裁过程的变形是很复杂的,除了剪切变形外,还存在拉伸、弯曲、横向挤压等变形。所以,冲裁件及废料的平面不平整,常有翘曲现象。2.1.2冲裁件的断面特征

冲裁件的断面具有明显的区域性特征,在断面上可明显地区分为圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个部分,如图2－3所示。圆角带是冲裁过程中由于纤维的弯曲与拉伸而形成的,软材料比硬材料的圆角大。光亮带是塑剪变形时,在毛料一部分相对另一部分移动的过程中,凸、凹模侧压力将毛料压平而形成的光亮垂直的断面,通常光亮带在整个断面上所占的比例小于1/3。断裂带是由刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面,使冲裁件断面粗糙不光滑,且有斜度。毛刺是因为微裂纹产生的位置不是正对刃口,而是在刃口附近的侧面上,加之凸、凹模之间的间隙以及刃口不锋利等原因,使金属拉断形成毛刺而残留在冲裁件上。凸模及凹模磨钝后,在刃口处形成圆角,会使毛刺增大。凸模刃口磨钝,在冲裁件边缘产生较大毛刺;凹模刃口磨钝,孔口边缘会产生较大毛刺;凸模和凹模刃口都变钝时,在冲裁件边缘与孔口边缘均产生较大毛刺。间隙不均匀,往往使冲裁件产生局部毛刺。图2－3冲裁零件的断面圆角带、光亮带、断裂带、毛刺等四个部分在冲裁件整个断面上所占的比例不是固定的,随材料的机械性能、凸模和凹模之间的间隙、模具结构等不同而变化。增加光亮带宽度的关键是延长塑性变形阶段,推迟裂纹的产生,可通过增加金属的塑性和减少凹模刃口附近的应力集中来实现。 2.2冲裁间隙

冲裁模凸、凹模之间的间隙称为冲裁间隙。凸模与凹模间每侧的间隙,称为单边间隙;两侧间隙之和,称为双边间隙。冲裁间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响,是冲裁工艺与冲裁模设计中至关重要的参数。2.2.1间隙对冲裁件质量的影响

1.间隙对冲裁件断面质量的影响

当间隙合理时,凸、凹模刃口处产生的裂纹将相互重合,冲出的冲裁件(或孔)断面呈一定的斜度,但比较平直、光洁、毛刺小,如图2－4(b)所示。

间隙过大或过小都会使上、下两方的裂纹不能重合。

间隙过小时,凸模刃口附近的裂纹比正常间隙时向外错开一段距离,这样,上、下两裂纹中间的材料随着冲裁过程的进行将产生二次剪切,在断面上形成二次光亮带。因此,断面的特征是中间留下撕裂面,两头呈光亮带,并在端面出现挤长的毛刺,如图2－4(a)所示。此时,毛刺虽有所增长,但易去除,且冲裁件穹弯小,断面垂直,故只要中间撕裂不是很深,仍可应用。

1—断裂带;2—光亮带;3—圆角带

图2－4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)间隙过大间隙过大时,凸模刃口附近的裂纹较正常间隙时向里错开一段距离,材料的弯曲与拉伸增大,拉应力增大,材料易被撕裂,冲裁件的光亮带减小,圆角带与断裂带斜度都增大,毛刺大而且厚,难以去除。其断面情况如图2－4(c)所示。

2.间隙对尺寸精度的影响

当冲裁间隙较大时,材料所受拉伸作用增大,冲裁完后因材料的弹性回复使落料件尺寸小于凹模尺寸,冲孔尺寸大于凸模尺寸。当间隙较小时,由于材料受凸、凹模挤压作用大,冲裁完后,材料的弹性回复使落料件尺寸增大,冲孔尺寸减小。尺寸变化量的大小与材料性质、厚度、板材轧制方向等因素有关。材料性质直接决定了材料在冲裁过程中的弹性变形量。软钢的弹性变形量较小,冲裁后的弹性回复量也较小,硬钢的弹性回复量则增大。2.2.2间隙对冲裁力的影响

间隙很小时,冲裁力必然较大。随着间隙的增大,冲裁力将降低。当间隙值合理时,冲裁力较低,这是因为上下裂纹重合之故。但是当单面间隙介于材料厚度的5%~20%范围时,冲裁力降低不多,不超过5%~10%。故在正常情况下,间隙对冲裁力的影响不甚严重。

但是,间隙对卸料力、推件力及顶件力的影响比较显著。间隙增大后,从凸模上卸料或从凹模中推出工件均会省力。一般单面间隙增大到材料厚度的15%~20%左右时,卸料力几乎减为零。2.2.3间隙对模具寿命的影响

模具的损坏形式主要是磨钝和崩刃。冲裁时,由于材料产生弯曲变形,使凸、凹模端面与材料接触的宽度限制在刃口附近,垂直作用的冲裁力主要集中在刃口部分。如果间隙小,冲裁力及摩擦力都增大,使刃口所受应力增大,造成刃口变形与端面磨损加剧,甚至崩刃。而侧向力也随间隙的减小而增大,使凸、凹模侧面磨损严重,间隙过小时的二次剪切产生的金属碎屑因摩擦发热粘附在凸、凹模上,造成熔敷现象,又加剧磨损。卸料与推件时模具与板料之间的滑动摩擦也造成凸、凹模的侧面磨损。因此,为减小凸、凹模摩损,延长模具使用寿命,需要采用较大的冲裁间隙,但过大的冲裁间隙也将因弯矩及拉应力的增大而导致刃口损坏,故不能无限制地取大间隙。此外,在实际生产中,模具受到制造误差和装配精度的限制,凸模不可能绝对垂于凹模平面,而且间隙也不会是完全均匀分布的。所以过小的间隙对模具寿命极为不利,而较大的间隙可使凸模与凹模侧面及材料间摩擦减小,并减缓间隙不均匀的不利影响,从而提高模具寿命。2.2.4间隙值的确定

由以上分析可见,凸、凹模之间的间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大影响,但影响的规律均不相同。因此,并不存在一个绝对的合理间隙值,能同时满足冲裁件断面质量最佳、尺寸精度最高、冲模寿命最长、冲裁力最小等各方面的要求。在冲压的实际生产中,间隙的选用应主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要因素。许多研究结果和实际生产经验都已证明,能够保证良好的冲裁件断面质量的间隙值和可以获得较高模具寿命的间隙值也不是一致的。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损,生产中通常是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,就可以冲出良好的零件。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,因此设计与制造新模具时要采用最小合理间隙Zmin。确定合理间隙的方法有理论确定法与经验确定法两种。图2－5冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态

1.理论确定法

理论确定法的主要依据是保证上、下裂纹重合,以便获得良好的断面。图2－5所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。

由图中的几何关系可得(2－1)式中:h0——刚产生裂纹时凸模压入材料的深度;

β——裂纹与垂线间的夹角,对软钢β=5°~6°,中碳钢β=4°~5°,硬钢β=4°;

t——板料厚度。由上式可以看出,合理间隙取决于t、h0/t、β三个因素,而h0与β又与材料性质有关,因此,影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。材料厚度t越大,合理间隙值也相应地增大,反之亦然;材料塑性愈好,h0愈大,合理间隙值就愈小,反之,硬脆材料的h0较小,合理间隙值就要大些。总之,材料厚度愈大,塑性愈差,其合理间隙值就愈大。

间隙的理论计算,仅用来说明上述几个因素与间隙的相互关系,并无多大实用价值,在生产中广泛采用经验数据来确定凸、凹模间隙。

2.经验确定法

表2－1和表2－2是国内工厂常用的间隙值。表2－1适用于电器仪表行业,表2－2适用于机电行业。 2.3凹、凸模刃口尺寸的计算

2.3.1尺寸计算原则

实践证明,落料件尺寸和冲孔时孔的尺寸都是以光亮带尺寸为准的,而落料件上光亮带的尺寸等于凹模刃口尺寸,冲孔时孔的光亮带尺寸等于凸模刃口尺寸。因此,计算刃口尺寸时,应按落料和冲孔两种情况分别处理,其原则如下:

(1)设计落料模时,因落料件尺寸等于凹模刃口尺寸,故应先确定凹模刃口尺寸,间隙取在凸模上;考虑到冲裁中模具的磨损,凹模刃口尺寸越磨越大,因此,凹模刃口的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸,以保证凹模磨损到一定程度时,仍能冲出合格零件;凸、凹模之间的间隙则取最小合理间隙值,以保证模具磨损到一定程度时,间隙仍然在合理间隙范围以内。

(2)设计冲孔模时,因孔的尺寸等于凸模刃口尺寸,故应先确定凸模刃口尺寸,间隙取在凹模上,考虑到冲裁中模具的磨损,凸模刃口尺寸越磨越小,因此,凸模刃口的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸,以保证凸模磨损到一定程度时,仍可使用;凸、凹模之间的间隙取最小合理间隙值。

(3)凸模和凹模的制造公差,应考虑工件的公差要求。如果对刃口精度要求过高,势必使模具制造困难,成本增加,生产周期延长;如果对刃口精度要求过低,则生产出来的零件可能不合格,或使模具寿命降低。零件精度与模具制造精度的关系见表2－3。若零件没有标注公差,则对于非圆形件按国家标准《非配合尺寸的公差数值》IT14精度来处理,冲模则可按IT11精度制造;对于圆形件,一般可按IT6~IT7精度制造模具。2.3.2尺寸计算方法

凸、凹模刃口尺寸按加工方法的不同,可分两种情况分别进行计算。

1.凸模与凹模分开加工

采用这种方法时,要分别标注凸模和凹模刃口尺寸及其制造公差。这种方法适用于圆形冲裁件。

1)冲孔

设工件孔的尺寸为d+Δ,根据上述设计原则,冲孔模应先确定凸模刃口尺寸,凸模刃口基本尺寸接近或等于工件孔的最大尺寸,再增大凹模刃口尺寸以保证最小合理间隙Zmin。凸模制造偏差取负偏差,凹模制造偏差取正偏差。其计算公式如下:(2－2)各部分的公差带见图2－6(a)。图2－6冲孔及落料时各部分分配位置

(a)冲孔;(b)落料

2)落料

设落料件尺寸为D-Δ,根据上述设计原则,落料模应先确定凹模刃口尺寸,其基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸,再减小凸模刃口尺寸以保证最小合理间隙Zmin。其计算公式如下:(2－3)

2.凸模与凹模配合加工

这种方法适用于形状复杂或薄板料的冲裁件,其基本的做法是:先按制件的尺寸和公差加工凸、凹模中的一件(落料时加工凹模,冲孔时加工凸模),再以此为基准件加工另一件,使它们之间保证一定的间隙。因此,只在基准件上标注尺寸和制造公差,配作的另一件只需标注基本尺寸,同时注明配作所留间隙即可。这样,凸、凹模的制造公差δp和δd不再受间隙的限制,根据经验一般取Δ/4。显然,这种方法的优点是既容易保证凸、凹模之间的间隙,又可放大模具的制造公差,使制造容易,故目前一般工厂对非圆冲件都采用这种方法。在设计基准件的刃口尺寸时,必须对冲裁件的有关尺寸进行具体分析,根据冲裁件结构尺寸的不同类型,分别加以对待。具体的计算方法如下:

1)落料

图2－7(a)为冲裁件图,图2－7(b)为冲制该冲裁件的凹模图。

落料时应以凹模为基准件来配作凸模,并按凹模磨损后尺寸变大、变小、不变的规律分三种类型进行计算。由图2－7(b)中可知:

第一类:当凹模磨损后变大的尺寸,即图中A1d、A2d、A3d、A4d,这些尺寸按一般落料凹模尺寸计算公式进行计算。即Ad=(A–xΔ)+δd

(2－4)

第二类:当凹模磨损后变小的尺寸,即图中B1d、B2d,按一般冲孔凸模尺寸计算公式进行计算。即Bd=(B+xΔ)-δd

(2－5)

第三类:当凹模磨损后没有变化的尺寸,即图中Cd,可分为三种情况:

(1)冲裁件尺寸标注为C+Δ时:Cd=(C+0.5Δ)±δd(2－6)(2)冲裁件尺寸标注为C-Δ时:Cd=(C-0.5Δ)±δd(2－7)(3)冲裁件尺寸标注为C±Δ′时:Cd=C±δd(2－8)式(2－4)~式(2－8)各式中,各符号的意义如下:

Ad、Bd、Cd——凹模尺寸(mm);

A、B、C——相应的冲裁件基本尺寸(mm);

Δ——冲裁件的公差(mm);

Δ′——冲裁件偏差,对称偏差时Δ=2Δ′(mm);

δd——凹模制造偏差(mm)。当标注形式为+δd或-δd时,δd=Δ/4;当标注形式为±δd时,δd=Δ′/4=Δ/8。以上是落料时凹模尺寸的计算方法,相应的凸模尺寸按凹模尺寸配制,并保证最小间隙Zmin。此时在图纸技术要求上应注明“凸模尺寸按凹模实际尺寸配制,保证双边间隙值Zmin~Zmax”。

2)冲孔

图2－8(a)为冲裁件孔的尺寸,图2－8(b)为冲孔凸模。图2－8冲孔时的冲裁件和凸模(a)冲裁件图;(b)凸模冲孔时应以凸模为基准件来配作凹模,凸模刃口尺寸的确定,同样要考虑不同的磨损情况,分下列三种类型进行计算。

第一类:凸模磨损后变小的尺寸,即图2－8(b)中的A1p、A2p、A3p、A4p,按一般冲孔凸模尺寸计算公式进行计算:

Ap

=(A+xΔ)-δp

(2－9)第二类:凸模磨损后变大的尺寸,即图2－8(b)中的B1p、B2p,按一般落料凹模尺寸计算公式进行计算:Bp=(B-xΔ)+δp

(2－10)

第三类:凸模磨损后没有变化的尺寸,即图2－8(b)中的Cd,又可分为下列三种情况:

(1)孔尺寸的标注为C+Δ时:

Cp=(C+0.5Δ)±δp(2－11)(2)孔尺寸的标注为C-Δ时:Cp=(C-0.5Δ)±δp

(2－12)(3)孔尺寸的标注为C±Δ′时:Cp=C±δp

(2－13)以上是冲孔时凸模刃口尺寸的计算方法,相应的凹模尺寸根据凸模实际尺寸及最小合理间隙Zmin配制。此时要在图纸技术要求上注明“凹模尺寸按凸模实际尺寸配制,保证双边间隙值Zmin~Zmax”。 2.4冲裁力

冲裁力是指冲裁时,材料对凸模的最大抵抗力,它是选择冲压设备和校核模具强度的重要依据。

2.4.1冲裁力的计算

用平刃冲裁模冲裁时,其冲裁力可按下式进行计算F=KLtτ

(2－14)式中:F——冲裁力(N);

L——冲裁件的周长(mm);

t——板料厚度(mm);

τ——材料的抗剪强度(N/mm2);

K——系数。这一公式是对冲裁区的变形进行简化,认为是纯剪变形而得到的。变形区的实际变形情况比较复杂,因此,采用系数K加以修正,一般可取K=1.3。

抗剪强度τ的数值,取决于材料的种类和状态,可取τ=0.8σb。

为了计算方便,也可以用下式估算冲裁力:F=Ltσb(2－15)式中:σb——材料的抗拉强度(N/mm2)。图2－9卸料力、推件力和顶件力为继续下一步的冲裁工作,必须将箍在凸模上的板料卸下,将卡在凹模洞口的板料推出,从凸模上卸下紧箍着的板料叫卸料,所需的力叫卸料力;顺着冲裁方向将卡在凹模洞口内的板料推出叫推件,所需的力叫推件力;有时需将卡在凹模洞口内的板料逆着冲裁方向顶出,这就叫顶件,顶件所需的力叫顶件力,如图2－9所示。

卸料力、推件力和顶件力是从冲床、卸料装置或顶件器获得的,所以,选择设备吨位或设计冲模的卸料装置及顶件器时,都需要对卸料力、推件力和顶件力进行计算。影响卸料力、推件力和顶件力的因素很多,主要有材料的机械性能、材料厚度、模具间隙、零件的形状和尺寸以及润滑条件等。大间隙冲裁时,由于板料所受拉伸变形大,故冲裁后的弹性回复使落料件比凹模尺寸小,而冲下的孔比凸模尺寸大,因此卸料力和推件力都有显著下降。要准确地计算这些力是困难的,生产中常用以下经验公式进行计算:推件力(2－16)顶件力F2=K2

F

(2-17)卸料力F3=K3

F

(2-18)这些力在选择压力机时是否考虑进去,要根据不同的模具结构区别对待。采用弹性卸料装置和上出件方式时,总冲裁力为F0=F+F2+F3采用弹性卸料装置和下出件方式时,总冲裁力为F0=F+F1+F3采用刚性卸料装置和下出件方式时,总冲裁力为F0=F+F12.4.3降低冲裁力的方法

在冲裁高强度材料或厚度大、周边长的工件时,所需冲裁力如果超过现有压力机吨位,就必须采取措施降低冲裁力。

一般采用如下几种方法:

(1)材料加热红冲。材料加热后抗剪强度可以大大地降低,从而降低冲裁力。但材料加热后产生氧化皮,故此法一般只适用于厚板或工件表面质量及精度要求不高的零件。

(2)在多凸模冲模中,将凸模作阶梯形布置,即将凸模刃口制成不同高度,使各凸模冲裁力的最大值不同时出现,这样就能降低总的冲裁力。

(3)用斜刃口模具冲裁。用普通的平刃口模具冲裁时,其整个刃口平面都同时压入材料中,故在冲裁大型或厚板工件时,冲裁力往往很大,若将凸模(或凹模)刃口平面做成与其轴线倾斜一个角度,冲裁时刃口就不是全部同时切入,而是逐步冲切材料,这就等于减少了剪切断面积,因而能降低冲裁力。

斜刃冲模虽降低了冲裁力,但增加了模具制造和修磨的困难,刃口也容易磨损,故一般情况下尽量不用,只用于大型工件冲裁及厚板冲裁。 2.5排样与搭边

2.5.1排样

冲裁件在条料或板料上的布置方法叫排样。排样的合理与否直接关系到材料利用率的高低,而冲压零件的成本中,材料费用一般占60%以上,因此,合理排样对提高材料利用率,降低成本具有十分重要的意义,也是冲裁模设计的重要内容。

排样的方法可分为如下三种。

1.有废料排样

如图2－10(a)所示,沿工件全部外形冲裁,工件四周都留有搭边。因有搭边,可由搭边来补偿误差,因而能保证冲裁件精度和质量,冲模寿命也较高,但材料利用率低。

图2－10排样方法对比

2.少废料排样

如图2－10(b)所示,沿工件部分外形冲裁,局部有搭边和余料。

3.无废料排样

如图2－10(c)所示,工件由条料顺次切下,直接获得零件,无任何搭边。

采用少、无废料排样,对节省材料具有重要意义。同时,因冲切周边减小,可降低冲压力并简化冲模结构。但采用少、无废料排样也存在一些缺点,如工件所能达到的质量与精度都较差,同时模具寿命也较低。此外,少无废料排样中,工件的毛刺也不在同一方向。

无论是有废料、少废料或无废料排样,其排样的型式均可分为直排、斜排、直对排、斜对排、混合排和多行排等,如表2－6所示。2.5.2搭边

排样时工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。搭边虽然形成废料,但在工艺上却有很大的作用。搭边的作用是补偿定位误差,保证冲出合格的零件。搭边还可以保证条料有一定的刚度,利于送进。

搭边值要合理确定。搭边值过大,材料利用率低;搭边值过小,在冲裁中有可能被拉断,使零件产生毛刺,严重时会拉入凸模与凹模间隙之中,损坏模具刃口。搭边值的大小通常与材料的机械性能、工件的形状和尺寸、材料厚度以及送料和挡料方式等因素有关。硬材料的搭边值比软材料的搭边值可小一些;工件尺寸大或是有尖突的复杂形状时,搭边值取大些,厚材料的搭边值应取大些;用手工送料,有侧压装置时,搭边值可取小一些。表2－7搭边a和a1的数值(低碳钢)2.5.3条料宽度的确定

在排样方式和搭边值确定之后,就可以确定条料的宽度了。为了保证送料顺利,必须考虑条料的单向(负向)公差,其计算公式为B=D+2a+Δ

(2－19)式中:B——条料宽度的基本尺寸(mm);

D——工件在宽度方向的尺寸(mm);

a——侧搭边的最小值(mm);

Δ——条料宽度的单向(负向)公差(mm)。 2.6冲裁件的工艺性

2.6.1冲裁件的精度等级

冲裁件精度一般可达IT10~IT12级,高精度可达IT8~IT10级,冲孔比落料的精度约高一级。具体数值可查有关设计手册。如果工件要求更高精度时,冲裁后需通过整修或辅以切削加工,或者采用精密冲裁。2.6.2冲裁件的结构工艺性

(1)冲裁件的形状应尽量简单,最好是规则的几何形状或由规则的几何形状所组成。同时应避免冲裁件上过长的悬臂与凹槽,它们的宽度要大于料厚的(1.5~2.0)倍,即b≥(1.5~2.0)t,如图2－11(a)所示。

(2)一般情况下,冲裁件的外形和内孔应避免尖角,采用R＞0.5t的圆角。当需要冲制不带圆角的工件时,可以用分段冲切的办法冲制,但模具寿命显著降低。图2－11冲裁件的结构工艺性

(3)冲孔时,因受凸模强度限制,孔的尺寸不宜过小。用一般冲模冲圆孔时,对硬钢,直径d≥1.3t;对软钢及黄铜,d≥1.0t;对铝及锌,d≥0.8t。冲方孔时,对硬钢,边长a≥1.0t;对软钢及黄铜,a≥0.7t;对铝和锌,a≥0.5t。

(4)孔与孔之间的距离或孔与零件边缘之间的距离a(如图2－11(b)、(c)),因受模具强度和冲裁件质量的限制,其值不能过小,一般应取a≥2t(＞3~4mm)。如用级进模,而且对零件精度要求不高时,a可适当减小,但也不宜小于板厚。

(5)在弯曲件或拉深件上冲孔时,其孔壁与工件直壁之间的距离不宜过小,否则,会使凸模受侧向力作用,同时,会影响弯曲件或拉深件的已成形区域。 2.7整修和精密冲裁

2.7.1整修

整修工艺如图2－12所示。整修是利用整修模沿冲裁件外缘或内孔壁刮去一层切屑,以除去普通冲裁时在断面上留下的圆角带、斜度、毛刺和断裂带,从而得到光滑而垂直的断面和准确尺寸的零件。一般经整修后的零件,其精度可达IT6~IT7级,粗糙度可达Ra=0.8~0.4μm。

图2－12(a)为整修冲裁件的外形,称为外缘整修;图(b)为整修冲裁件孔的内形,称为内缘整修。显然,整修的机理与普通冲裁完全不同,而与切削加工相似。图2－12整修工艺

(a)外缘整修;(b)内缘整修整修时应合理确定整修余量。总的整修量和零件的材料、厚度、形状等有关,也和整修前的加工情况有关。如整修前采用大间隙落料,为了切去断面上较大锥度的断裂带,整修余量就应该大些,其单边数值往往大于材料厚度的10%;而采用小间隙落料时,为了切去二次剪切所形成的中间粗糙带及潜伏裂纹,所需的整修余量并不是很大,其单边数值约为材料厚度的8%以下。此外,材料厚度大于3mm时,冲裁件断面的斜度和断裂带的数值也相应增大,一般需多次整修。内孔整修时,若为钻孔坯件,则整修余量比冲孔坯件小一些,如果整修孔的同时,孔间距的精度也有要求,则整修量应加大。整修次数越少越好,可能时尽量采用一次整修。但是一次整修量不可能太大,整修量过大,会出现类似于冲裁时的剪裂情况。一次可切除的单边整修量,一般小于材料厚度的10%。

整修时要考虑零件在通过模具时的弹性变形量,外缘整修时,零件略有增大,但在刃口锋利的情况下,增大的数值很小,一般小于0.05mm;内孔整修时,孔径也有回弹,铝约为0.0051~0.01mm,软钢约为0.08~0.015mm。整修时对零件的定位要求较高,整修工艺的效率不高,但不需要专用设备。

除了上述采用切削原理的整修外,在生产中还采用挤光原理的整修,如图2－13所示。即对冲裁件的断面采用表面塑性变形的办法来提高零件的精度和降低表面粗糙度。此时,凹模采用锥形孔口的型式,挤光余量单边小于0.04~0.06mm。这种工艺一般只适用于软材料,其质量低于精密冲裁和切削整修工艺。图2－13挤光整修2.7.2精密冲裁

普通冲裁获得的冲裁件,由于公差大,断面质量较差,只能满足一般产品的使用要求。利用整修工艺可以提高冲裁件质量,但生产率低,不能适应大批量生产的要求。在生产中采用精密冲裁工艺,可以直接从板料上获得精密零件,生产率高,可以满足精密零件批量生产的要求。

精密冲裁简称精冲,其基本出发点是改变冲裁条件,以增大变形区的静水压力,抑制材料裂纹的产生,使塑性剪切变形延续到剪切的全过程,在材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离,从而得到断面光滑而垂直的精密零件。

精密冲裁根据其冲裁机理的差异,可分为小间隙圆角刃口冲裁、负间隙冲裁等半精冲和齿圈压板精冲两大类。

1.半精冲

半精冲的机理虽然与普通冲裁差异不大,但因增强了冲裁变形区的静水压作用,所以断面质量明显提高,光亮带在整个断面上的比例增大。虽然冲裁件的质量介于普通冲裁与精冲之间,但模具和设备却比精冲简单得多。

1)小间隙圆角刃口冲裁

小间隙圆角刃口冲裁(见图2－14)与普通冲裁相比,其差别仅在于加强了冲裁变形区的静水压,起到了抑制裂纹产生的作用。这是由于采用了小圆角刃口和极小间隙的结果。

落料时,凹模带有小圆角刃口,如图2－14(a)所示,冲孔时,凸模带有小圆角刃口,如图2－14(b)所示。小圆角半径的数值,一般可取材料厚度的10%,模具间隙可取0.01~0.02mm。图2－14小间隙圆角刃口冲裁(a)落料;(b)冲孔这种方法适用于塑性较好的材料,如软铝、紫铜、软黄铜和08F等。冲裁件精度可达IT11~IT8级,粗糙度可达Ra=1.6~0.4μm。冲裁件从凹模孔推出后,其尺寸因回弹而增大0.02~0.05mm,在设计凹模时应预先加以考虑。冲孔时,则与此相反。

小圆角凹模落料时,其冲裁力约比普通冲裁力大50%左右。本方法比其它精冲法简单,不需要特殊设备,常用于冲裁冷挤压毛料或软材料工件。

2)负间隙冲裁

负间隙冲裁的机理与小间隙圆角刃口冲裁基本相同。负间隙冲裁(见图2－15)的凹模也带有小圆角刃口,其半径可取材料厚度的5%~10%,而凸模刃口则可保持锋利。由于采用了凸模比凹模大的负间隙和小圆角刃口凹模,所以静水压作用更强。但冲裁时,凸模工作端面在下死点位置时不能与凹模面接触,而应保持0.1~0.2mm的距离,工件虽未全部挤入凹模,但可借助下一个工件冲裁时将它全部挤入并推出凹模。因此冲裁力比普通冲裁时大得多(冲铝件时,大30%~60%;冲软黄铜时,大2.25~2.8倍),凹模也容易开裂。采用多层组合凹模并保持良好的润滑,可以延长模具寿命。图2－15负间隙冲裁采用负间隙冲裁时,其单边负间隙值的分布是很重要的。对于圆形零件,单边负间隙的分布是均匀的,其值可取0.1t;对于复杂形状的零件,单边负间隙的分布是不均匀的,直边部分可取0.1t,突出部分可取0.2t,凹进部分应取0.05t。

因负间隙冲裁法所得的落料件带有挤压特征,所以冲裁断面光滑,其粗糙度可达Ra=0.8~0.4μm,尺寸精度可达IT11~IT8,但仅适用于塑性较好的软铝、紫铜、软黄铜和软钢。工件从凹模推出后,其尺寸回弹增大量为0.02~0.05mm。

2.精冲

精冲一般是指齿圈压板精冲法。图2－16是齿圈压板精冲示意图。由图可知,它和普通冲裁的弹顶落料模相似,但是,压板带有齿形凸台(齿圈),凹模带有小圆角,间隙极小,压边力与反顶压力较大,所以它能使材料的冲裁区在三向应力状态下进行纯剪切,形成精冲的必要条件,达到精冲的目的。

精冲可获得断面垂直、表面平整、精度高(可达IT8~IT6)、粗糙度小(可达Ra=0.8~0.4μm)的精密零件。适用的材料、零件厚度和形状的范围较广,且能一道工序即完成零件的加工,因此应用较广。但是,一般需要专用的精冲压力机,模具要求也高,因此成本较高。图2－16齿圈压板精冲示意图

1)精冲力

精冲时各工艺力的计算如下:

冲裁力F=(1.3~1.5)Ltτ=(1~1.2)Ltσb(N)(2－20)式中:L——冲裁件周边总长(mm);

t——材料厚度(mm);

τ——材料抗剪强度(MPa);

σb——材料的强度极限(MPa)。压边力Q=(0.2~0.4)F(N)顶板反压力Q1=(0.1~0.15)F(N)齿圈压边力Q和顶板反压力Q1的大小,对模具寿命和冲裁件质量均有影响,使用时均需经试冲调整,要在满足精冲要求的条件下,尽量选取最小值,以提高模具的使用寿命。精冲总压力为F0=F+Q+Q1

2)凸、凹模间隙

为了减小冲裁区的拉应力成分,增强静水压作用,间隙应越小越好。但间隙过小,模具寿命则有所降低。为了两者兼顾,一般取材料厚度的1%作为双边间隙值。

3)凸、凹模圆角

为了加强静水压作用,落料凹模和冲孔凸模的刃口略带圆角。落料凹模刃口的圆角半径一般取0.01~0.03mm,冲孔凸模刃口的圆角半径取0.01mm以下。试冲时应先采用较小的圆角半径,当断面上出现剪裂带而增大压边力又不能解决时,才逐步增大刃口的圆角半径。

4)齿圈压板

齿圈压板就是在压板上离冲裁周边一定距离的部位作出“V”形凸埂。其作用是将“V”形凸埂压入材料后,限制冲裁时冲裁变形区外围材料随凸模下降而向外扩展,以形成三向压应力状态,从而避免剪裂的发生。精冲小孔时,由于凸模刃口外围的材料对冲裁变形区有较大的约束作用,材料向外扩展困难,所以不必采用齿圈。当冲孔直径达30~40mm以上时,应在压板上做出齿圈。当落料件厚度t＞4mm时,应在压板和凹模双方均做出齿圈,但上、下齿应略微错开。齿圈的平面布置情况应根据加工条件和零件形状来分布,简单形状的零件,齿圈可与零件周边一致,复杂形状的零件,可在有特殊要求的部位做出与零件外形相似的齿圈,其余部位则可简化。齿形的几何参数如图2－17所示,一般取

g≥0.05~0.01(mm)

当t=1~4mm时,取h=0.2t，a=0.7t

当t＞4mm时,取h=0.17t，a=0.6t

式中:t——材料厚度(mm)。

2.8冲裁模基本类型及典型结构

2.8.1冲裁模的分类

冲模是冲压生产中必不可缺的工艺装备,是实现冲压变形的专用工具。冲模的结构应满足冲压生产的要求,不仅要冲制出合格的零件和适应生产批量的要求,而且要考虑制造容易、使用方便、操作安全、成本低廉等各方面的要求。随着冲压技术的发展和新型模具材料的出现,对模具的结构及模具的制造、装配和调整等都产生了一定的影响。冲压生产机械化、自动化和高速化的出现,也要求模具结构有相应的发展,同时,与模具配套的送料装置、出件装置、快换模具装置、各种检测装置及各种机械手,也应具有相当的水平。

1.按工序性质分

(1)落料模:沿封闭的轮廓将工件与板料分离,冲下来的部分为工件。

(2)冲孔模:沿封闭的轮廓将废料与工件分离,冲下的部分为废料。

(3)切断模:沿敞开的轮廓将材料分离。

(4)切口模:沿敞开的轮廓将零件局部切开但不完全分离。

(5)切边模:将工件多余的边缘切掉。

(6)剖切模:将一个工件切成两个或多个工件。

2.按工序的组合分

(1)简单模:压力机一次冲程中只完成一种冲裁工序的模具。根据凸模的多少,简单模又可分为一个凸模一个凹模的简单模和多个凸模及多孔凹模的复式模。

(2)级进模:压力机一次冲程中,在模具的不同位置上同时完成两道或多道工序的模具。级进模所完成的冲压工序依次分布在条料送进的方向上,压力机每次冲程条料送进一个步距,同时冲出相应的工序。条料送到最后工位时,完成全部冲压工序,至此,每次冲程冲出一个工件。

(3)复合模:压力机一次冲程中,在模具的同一位置上完成几个不同工序的模具,复合模中具有能完成两种工序的凸凹模。

此外,还有按导向形式、送料方式、卸料与出件方式来分类的,这里不再一一列举。2.8.2典型冲裁模结构

1.简单模

1)无导向简单冲裁模

图2－18为无导向简单冲裁模。模具分为两部分:上部分由模柄1和凸模2组成,通过模柄安装在压力机滑块上,能随滑块上、下往复运动,称为活动部分;下部分由卸料板3、导尺4、凹模5、下模板6和定位块7组成,通过下模板安装在压力机工作台上,称为固定部分。模具的上、下两部分之间没有直接导向关系。图2－18无导向简单冲裁模无导向简单冲裁模的特点是结构简单,尺寸较小,重量较轻,模具制造简单,成本低廉。模具依靠压力机导轨导向,模具的安装调整麻烦,很难保证上、下部分对正,从而也难以保证凸、凹模之间间隙均匀,冲裁件精度差,模具寿命低,操作也不安全。

无导向简单冲裁模适用于精度要求不高,形状简单,批量小或试制的冲裁件。

2)导板式简单冲裁模

图2－19是导板式简单冲裁模。模具的上模部分主要由模柄1、上模板2、垫板3、凸模固定板4和凸模5组成,全部上模部分零件通过螺钉联接紧固在上模板2上,再通过模柄与压力机滑块相连。下模部分主要由下模板9、凹模8、导尺14、导板7、活动挡料销6和托料板13组成,全部下模零件通过螺钉和销钉联接紧固在下模板上,再通过下模板紧固在压力机工作台上。图2－19导板式简单冲裁模这种模具的动作是条料沿托料板和导尺从右向左送进,条料搭边越过活动挡料销后,再反向向右拉拽条料,使挡料销后端面抵住搭边进行定位,凸模下行实现冲裁。由于挡料销对第一次冲裁起不到定位作用,为此采用了临时挡料销10。在冲第一件前用手压入临时挡料销限定条料位置,在以后的各次冲裁工作中,临时挡料销被弹簧弹出,不再起作用。

这种模具的特点是模具上、下两部分依靠凸模与导板的间隙配合导向。导板兼作卸料板,工作时凸模始终不脱离导板,以保证模具导向精度,为此,一般要求导板的厚度大,大于所使用冲压设备的行程。导板一般是不进行热处理的,以避免热处理变形影响导向精度,因此,冲压生产中导板磨损较快。导板模比无导向模的精度高,使用安装容易,能较好地保证凸、凹模之间的间隙均匀,产品质量稳定,操作安全,但制造较复杂。尤其是对形状复杂的零件,按凸模配作形状复杂的导板孔形困难很大。一般适用于形状较简单、尺寸不大的冲裁件。

3)导柱式简单冲裁模

图2－20是导柱式简单冲裁模。模具的上、下两部分利用导柱1和导套2的间隙配合导向。安装导柱导套会加大模具的轮廓尺寸,使模具笨重,制造工艺复杂,模具成本高。但是,导柱导套导向比导板可靠,导向精度高,冲制的工件尺寸稳定,互换性好,模具不容易损坏,寿命长,使用安装方便,操作安全,所以,在大量和成批生产中广泛采用导柱式冲模。图2－20导柱式简单冲裁模

2.级进模

级进模是多工序冲模,在一副模具上能完成多道工序,因此,使用级进模可以减少模具和设备数量,提高生产效率。例如冲制环形垫圈,如用简单模,需要落料、冲孔两套模具,而改用级进模则可把落料冲孔两道工序合并,在一套模具上完成。级进模上还容易实现冲压生产自动化。但是,级进模比简单模结构复杂,制造麻烦,成本增加。级进模上着重要解决的是条料准确定位的问题,根据定位零件的特征,常见的典型级进模结构有如下几种型式:

1)有固定挡料销及导正销的级进模

图2－21是冲制垫圈的级进模。该模具由导板3导向,条料由右向左送进,工作时用手按入临时挡料销限定条料的初始位置,进行冲孔,冲孔后临时挡料销复位,不再起作用。条料再向左送进一个步距,先用固定挡料销初步定位,再在落料时用装于落料凸模端面上的导正销导正,以保证条料的正确定位。模具的导板兼作卸料板。导正销的作用是保证冲孔和落料的轮廓具有正确的相对位置。图2－21有固定挡料销及导正销的级进冲裁模

2)侧刃定位的级进模

图2－22是侧刃定位的级进模。其主要特点是装有控制条料送进距离的侧刃3,侧刃一般安装在冲模相应于条料侧边的位置上,侧刃横截面的长度等于条料送进的步距。侧刃前后的导尺宽度不等,当侧刃从条料的侧边冲去长度等于步距的料边后,条料才能向前送进一个步距。

侧刃定位的级进模定位准确,送料方便,生产效率高,但材料的消耗增加,冲裁力增大。级进模的工步安排是很灵活的,但不论其排样如何,必须遵循一条规律:为了保证送料的连续性,工件与条料的完全分离(落料或切断)必须安排在最后的工步位置。每一工位可以安排一种或多种工序,也可以特意安排一个或多个空位,以增加凹模的壁厚,加大凹模的外形尺寸,提高凹模强度,或避免模具零件过于紧凑,造成加工和安装的困难。图2－22侧刃定位的级进模

3.复合模

复合模也是多工序冲模,在一副模具中一次送料定位可以同时完成几个工序。和级进模相比,冲裁件的内孔和外缘具有较高的位置精度,条料的定位精度要求较低,冲模轮廓尺寸较小,复合模的生产效率较高,结构较复杂,制造精度要求高。复合模适合于生产批量大、精度要求高的冲裁件。

复合模的结构特点主要表现在具有复合型式的凸凹模,它既起落料凸模作用,又起冲孔凹模的作用。图2－23和图2－24均为落料冲孔复合模。图2－23倒装复合模图2－24正装复合模两副模具的结构不同点表现在:

图2－23的凸凹模2装在下模,落料凹模1装在上模,称为倒装复合模。倒装复合模打料出件,由打杆4、推板5、推杆6、推块7组成的推件装置将工件推出。这种结构对工件不起压平作用。冲孔废料由凸凹模孔下漏,使结构简单,操作方便,但凸凹模孔内由于积存废料,所受胀力大,当凸凹模壁厚小、强度不足时易破裂。卸料装置在下模,卸料弹簧15装于下模板上,受空间位置限制。条料的导向与定位采用活动销(11与12)结构,在凹模1的对应位置上不需钻出避让孔。活动销由弹簧片13抬起,可以在卸料板16内伸缩。图2－24的凸凹模7装在上模,落料凹模2装在下模,称为正装复合模。落料凹模2凸出的小半圆由凹模镶块15单独做出。正装复合模向上出件,顶件装置由顶块12、顶板13、顶杆14组成。安装好的弹性顶件装置中,顶块12应高出凹模少许,条料在压紧的情况下冲裁,冲出的工件平直度较高。这种反向顶出工件的弹性顶件装置,只适于薄料冲裁。顶件装置的弹性元件装在下模板下面,不受模具空间位置限制,可获得较大的弹力,且力的大小可以调节。冲孔废料由上模的打料装置(零件8、9、10)推出,凸凹模孔内不积存废料,所受胀力小,不易胀裂,但冲孔废料落在冲模工作面上,不易排除。 2.9冲模的部件及零件

模具的零部件,有很大一部分已实现了标准化,这对于简化设计工作、稳定模具质量、简化模具的制造维修等,都具有重大的意义。在设计模具时,对于标准化的零、部件,例如模架,只需在标准化的资料中正确地选择,大量的设计工作是对非标准件的设计。冲模零、部件的分类可综合如下:

工作零件:有凸模和凹模,在复合模中有凸凹模。

定位零件:有挡料销、导正销、定位销(定位板)、导尺、导料销、侧压板、侧刃等。

卸料与推件零、部件:有卸料板、压料板、顶件器、推件器等。

导向零件:有导板、导柱、导套、导筒。

联接固定零件:有上模板、下模板、模柄、凸模固定板、凹模固定板、垫板、限制器、螺钉、销钉、键、斜楔等。

此外,对于自动化生产的模具,还有自动送料装置、自动出件装置和快换模装置等。2.9.1工作零件

1.凸模

常见的凸模结构型式如图2－25所示。图(a)是圆形断面标准凸模,为避免应力集中和保证强度与刚度的要求,做成圆滑过渡的阶梯形,适用于直径1mm~25mm的情况。图(b)是冲制直径8mm~30mm的凸模结构型式。为了改善凸模强度,可以在图(b)型式的中部增加过渡阶梯,如图(c)。图(d)是冲制小孔所用凸模的一种型式,采用护套结构既可以提高抗纵向弯曲的能力,又能节省模具材料。图(e)是冲制大件常用的结构型式。图2－25常见凸模结构型式凸模的固定一般可采用图2－25所示的凸模固定板固定,凸模和固定板之间采用过渡配合,凸模装入固定板后,端面进行配磨。

按照国家标准(GB2863·1—81,GB2863·2—81),凸模材料用T10A、Cr6WV、9Mn2V、Cr12、Cr12MoV。前两种材料热处理硬度为56~60HRC,后三种为58~62HRC,尾部回火至40~50HRC。

凸模长度L应根据模具的具体结构确定。例如,采用固定卸料板和导尺的冲裁模(图2－26),凸模长度应为L=H1+H2+H3+H(2－21)式中:H1——固定板厚度(mm);

H2——卸料板厚度(mm);

H3——导尺厚度(mm);

H——附加长度(mm),主要考虑凸模进入凹模的深度(0.5~1mm)、总修磨量(10~15mm)及模具闭合状态下卸料板到凸模固定板之间的安全距离(15~20mm)等因素。图2－26凸模长度尺寸的确定在一般情况下,凸模的强度是足够的,所以没有必要进行强度校验。但对于特别细长的凸模或小凸模冲裁厚且硬的材料时,必须进行凸模承压能力和抗纵向弯曲失稳能力的校验。

1)承压能力校验

冲裁时凸模承受的压力σp,应该小于凸模材料的许用压应力［σp］,即(2－22)式中:σp——冲裁时凸模承受的压应力(N/mm2);

F——冲裁力(N);

A——凸模的最小断面面积(mm2);［σp］——凸模材料的许用压应力(N/mm2)。

2)抗纵向弯曲失稳能力校验

凸模冲裁时稳定性校验的依据是杆件受轴向压力时的欧拉公式。

对于导板导向的冲裁模,凸模的受力相当于一端固定另一端铰支的压杆,依据欧拉公式,失稳时的临界作用力为设安全系数为n,则凸模所受冲裁力必须满足即(2－23)式中：Fij——凸模产生弯曲失稳的临界力(N)；

F——冲裁为(N)；

E——凸模材料的弹性模量，一般模具钢为2.2×105N/mm2；

J——凸模最小横断面的惯性矩(mm4);

n——安全系数，淬火钢可取n=2~3;

l——凸模长度(mm)。将E、n值代入式(2－23),得导板导向的一般形状凸模不发生失稳弯曲的凸模长度为(2－24)

对于圆形凸模,J=πd4/64,代入式(2－24)得,导板导向的圆形凸模不发生失稳弯曲的长度为(2－25)对于无导板导向的冲裁模,凸模的受力情况相当于一端固定另一端自由的压杆,依据欧拉公式,失稳时的临界作用力为

同样按照上述的推导可得,无导板导向的一般形状凸模不发生失稳弯曲的长度为(2－26)无导板导向的圆形凸模不发生失稳弯曲的长度为(2－27)

2.凹模

图2－27是冲裁模常用的几种凹模孔口型式。其中:

图(a)为锥形孔口凹模,孔内不易积存工件或废料,孔壁所受的摩擦力及胀力小,所以凹模的磨损及每次的修磨量小,但刃口强度较低,孔口尺寸在修磨后有所增大。这种型式的凹模一般用于精度要求不高、形状简单、材料厚度较薄的工件的冲裁。

图(b)为柱形孔口锥形凹模,刃口强度高,修磨后孔口尺寸不变,但在孔口内可能积存工件或废料,增加冲裁力和孔壁的磨损,磨损后每次的修磨量较大,凹模的总寿命较低。此外,磨损后可能形成孔口的倒锥形状,使冲成的工件从孔口反跳到凹模表面上,造成操作上的困难。这种型式的凹模适用于形状复杂、精度要求较高的工件的冲裁。

图(c)为柱形或锥形孔口的筒形凹模,其加工制造较为容易。图2－27凹模孔口型式表2－8凹模孔口主要参数凹模的轮廓尺寸,因其结构型式不一,受力状态各不相同,目前还不能用理论计算方法确定,在生产中,通常根据冲裁件尺寸和板料厚度,凭经验概略地加以计算。如图2－28所示,凹模厚度H=Kb(≥15mm)凹模壁厚

c=(1.5~2.0)H(≥30~40mm)式中:b——冲裁件最大外形尺寸;

K——系数,考虑坯料厚度的影响,其值可查表2－9。图2－28凹模尺寸上述方法适用于确定普通工具钢经过正常热处理,并在平面支撑条件下工作的凹模尺寸。冲裁件形状简单时,壁厚系数取偏小值,形状复杂时取偏大值。用于大批量生产条件下的凹模,其厚度应在计算结果中增加总的修磨量。表2－9系数K值

3.凸凹模

凸凹模存在于复合模中。凸凹模的内外缘均为刃口,内外缘之间的壁厚决定于冲裁件的尺寸,不像凹模那样可以将外缘轮廓尺寸扩大,所以从强度考虑,壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚受冲模结构影响。凸凹模装于上模(正装复合模)时,内孔不积存废料,胀力小,最小壁厚可以小些;凸凹模装于下模(倒装复合模)时,如果是柱形孔口,则内孔积存废料,胀力大,最小壁厚要大些。凸凹模的最小壁厚值,可参考表2－10选用。2.9.2定位零件

冲模的定位装置及零件,其作用是保证材料的正确送进及在冲模中的正确位置,以保证冲压件的质量及冲压生产的顺利进行。使用条料时,条料在模具中的定位有两个内容:一是在送料方向上的定位,用来控制送料的进距,通常称为挡料(图2－29中的销a),挡料零件有挡料销、定距侧刃等;二是在与送料方向垂直的方向上的定位,通常称为送进导向(图2－29中的销b、c),送进导向的零件有导料销、导尺等。在级进模中保证工件孔与外形相对位置时使用导正销。单个毛料定位时多采用定位板或定位销。图2－29条料的定位

1.条料的挡料方式与零件

常见的限定条料送进距离的方式有挡料销挡料和侧刃定距。

1)挡料销

挡料销可分为固定挡料销和活动挡料销。

固定挡料销又分为圆头挡料销和钩形挡料销两种(如图2－30),一般装在凹模上。圆头挡料销应用较多。当定位销孔离凹模孔口太近时,为保证凹模有足够的强度,宜采用钩形挡料销。固定挡料销结构简单,制造容易,应用广泛。图2－31是活动挡料销的一种。销头的一边做成斜面,送料时,条料靠斜面使挡料销抬起,当搭边越过后,弹簧将挡料销恢复原位,条料回拉,使搭边抵住挡料销而定位。图2－30固定挡料销

(a)圆头挡料销;(b)钩形挡料销图2－31活动挡料销2)定距侧刃

图2－32所示为定距侧刃常见的三种形式。图2－32侧刃形式(a)长方形侧刃;(b)成形侧刃;(c)尖角形侧刃;(d)侧刃磨损形成的毛刺长方形侧刃(图2－32(a))制造和使用都很简单,但当刃口尖角磨损后,在条料侧边形成的毛刺(图2－32(d))会影响定位和送进。为了解决这个问题,在生产中常采用图(b)所示的侧刃形状。这时由于侧刃尖角磨损而形成的毛刺不会影响条料的送进,但必须增大切边的宽度,因而造成原材料过多的消耗。尖角形侧刃(图(c))需与弹簧挡销配合使用,先在条料边缘冲切尖角缺口,条料送进,当缺口滑过弹簧挡销后,反向后拉条料至挡销卡住缺口而定距。尖角形侧刃废料少,但操作麻烦,生产效率低。侧刃定距准确可靠,生产效率高,但会增大总的冲压力并增加材料消耗。一般用于级进模冲制窄长形零件(步距小于6~8mm)或薄料(0.5mm以下)冲裁。

侧刃的数量可以是一个,或者是两个。两个侧刃可以并列布置,也可按对角布置,对角布置能够保证料尾的充分利用。

2.条料的送进导向方式与零件

条料的送进导向方式有导销式和导尺式。

导销式送进导向时,在条料的一侧有两个导料销,条料靠紧导料销送进,如图2－29所示。这种方式在复合模中应用较多。

导尺式常用于有导板的简单模和级进模。导尺式送进导向时,送进导向的零件是导尺。导尺的形式如图2－33所示。导尺与卸料板做成整体为整体式(图2－33(b)),导尺与卸料板分开为分离式(图2－33(a))。两导尺之间的距离等于条料宽度加上0.2~1.0mm的间隙。间隙的作用是保证在条料宽度不均匀时也能在导尺间顺利通过。如果条料的宽度公差太大或搭边太小,须在一边的导尺上装侧压装置(如图2－34所示),以保证准确定位。图2－33导尺(a)分离式;(b)整体式图2－34侧压装置

3.导正销

为了保证级进模冲裁件内孔与外缘的相对位置精度,可采用如图2－35所示的导正销。导正销安装在落料凸模工作端面上,落料前导正销先插入已冲好的孔中,确定内孔与外缘的相对位置,消除送料和导向造成的误差。图2－35挡料销及其位置的确定设计有导正销的级进模时,挡料销的位置,应该保证导正销导正条料过程中条料活动的可能。挡料销位置e(见图2－35)为式中:e——步距;

c——两工件中心距；

D——落料凸模直径;

d——挡料销头部直径。

4.块料毛料及半成品件的定位

对于块料毛料及半成品件的定位,一般采用定位板或定位销,如图2－36所示,以保证前后工序相对位置的精度或对工件内孔与外缘的位置精度的要求。图2－36定位板与定位销2.9.3卸料装置与出件装置

1.卸料装置

卸料装置分为刚性卸料装置和弹性卸料装置两种形式,视模具的结构要求选择。

图2－37是常用的刚性卸料装置,图(a)为封闭式,图(b)为悬臂式。刚性卸料装置结构简单,工作可靠,卸料力大,适用于平整度要求不高或厚板零件的卸料。图2－37刚性卸料装置(a)封闭式;(b)悬臂式图2－38为常见的弹性卸料装置,图(a)是用橡皮作弹性元件,图(b)是用弹簧作弹性元件。弹性卸料装置在各类冲床中广泛应用,特别是材料较薄、制件要求平整的复合模最适宜。弹性卸料板根据需要可装在上模,也可装在下模。弹性卸料装置有敞开的工作空间,操作方便,工件质量也较好,但冲压力会增加。图2－38弹性卸料装置

(a)橡皮卸料装置;(b)弹簧卸料装置

2.出件装置

出件装置有刚性和弹性两种。

弹性出件装置一般装于下模,如图2－39所示。顶件力由装在下模板底部的弹性缓冲器提供,由弹性元件(橡皮或弹簧)推动推板,再推动顶杆,顶杆推动顶块而出件。这种装置除有顶出工件的作用外,还可压平工件。这种结构也常用于卸料。

刚性出件装置一般装在上模,如图2－40所示。这种装置的推件力大而可靠。如推件力需通过推板和几个推杆传递给推块时,推杆长短要求一致,布置合理。推板的形状要按推下工件的形状相应设计。图2－39弹性出件装置图2－40刚性出件装置

3.弹簧的选用与计算

弹性卸料与弹性出件装置中的弹性元件常使用弹簧。冲模使用的弹簧已形成标准(JB425—62)。选用弹簧时必须满足冲压工艺(力与行程)的要求和冲模结构的要求。

弹簧选用的原则与步骤如下:

(1)计算卸料力或推件力Q,该力要等于弹簧在预压缩量S0下的预压力F0。按冲模结构初定弹簧个数n,并求出分配在每个弹簧上的力Q/n。

(2)计算弹簧总压缩量

S=S0+S´+S´´式中:S0——弹簧预压缩量;

S′——卸料板(或推件板)的工作行程;

S″——凸模的总修磨量,一般为4~10mm;

S——弹簧的总压缩量。根据弹簧压力与其压缩量成正比的特性(见图2－41),有(2－29)式中:F0——与预压缩量S0对应的预压力;

F——与总压缩量S对应的总压力。图2－41弹簧压缩特性曲线

(3)根据弹簧的预压力F0和总压缩量S预选弹簧。选用的弹簧必须满足:

①弹簧的最大许可压缩量S1应大于弹簧在工作中的总压缩量S,即S1≥S

(2－30)弹簧的最大许可压缩量S1由弹簧的自由长度H与最大工作负荷时的长度H1之差求得S1=H-H1

(2－31)②弹簧的最大工作负荷F1应大于弹簧在总压缩量S时的弹簧总压力F,即(2－32)计算举例:已知冲裁件料厚t=1mm,卸料力为1730kN,根据冲模结构要求安放6个弹簧,则每个弹簧承担的卸料力即该弹簧的预压力F0为选用最大工作负荷F1=390kN(大于F0),直径D=25mm的一组弹簧(JB425—62)。弹簧规格如表2－11所示。根据预压力(F0=290kN)及式(2－28)~式(2－31)计算弹簧最大压缩量S1、预压量S0以及弹簧工作总压缩量S和总压力F,其中预压量为总压缩量为S=S0+S´+S´´=S0+2+4=S0+6(mm)式中取工作行程S′=2mm,凸模总修磨量S″=4mm。利用表2－11的数据,将计算结果列于表2－12。

表2－11弹簧规格 单位:mm

2.9.4模架

模柄及上、下模板中间联以导向装置的总体称为模架。模架已有国家标准,模具设计时,通常都是按标准选定。只有在不能使用标准模架的特殊情况下,才单独进行设计。

1.模板

在上、下模板上安装全部模具零件,构成模具的总体和传递压力。模板不仅应该具有足够的强度,而且还要有足够的刚度。刚度问题往往容易被忽视,如果刚性不足,工作时会产生严重的弹性变形而导致模具零件迅速磨损或破坏。模板设计时,圆形模板的外径应比圆形凹模直径大30~70mm,以便安装和固定。同样,矩形模板的长度应比凹模长度大40~70mm,而宽度取与凹模宽度相同或稍大的尺寸。模板轮廓尺寸应比冲床工作台漏料孔至少大40~50mm。模板厚度可参照凹模厚度估算,通常为凹模厚度的1~1.5倍。

2.导向零件

导向零件是指上、下模的导向装置零件。有导向装置的冲模,冲制的工件质量稳定。精度高,凸模和凹模之间的间隙能始终保持均匀一致,工件有较好的互换性,同时,模具使用方便,容易调整,细小凸模也不易折断,模具寿命高。