冲压工艺学第二章冲裁工艺及模具设计

冲裁工艺及模具设计第二章冲裁工艺及模具设计1.1冲裁变形的过程1.2冲裁间隙1.3凸、凹模刃口尺寸及公差1.4冲裁力的计算1.5工件的排样与搭边1.6冲裁工艺的设计1.7冲裁模的结构与设计1.8冲裁模设计中应注意的安全问题冲裁工艺及模具设计2.1冲裁变形的过程2.1.1冲裁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、修边、剖切等多种工序。冲裁可以直接冲出成品零件，也可以为其它工序制备毛坯。从板料上冲下所需形状的零件（或毛坯）叫落料，在工件或板料上冲出所需形状的孔（冲去的为废料）叫冲孔。冲裁工艺及模具设计1－凸模固定板；2—凸模；3—卸料板；4—板料；5—凹模图2-1冲裁工作示意图冲裁工艺及模具设计冲裁时的工作过程如图2-1。凸模2通过压力机的滑块带动上下往复运动，凹模5固定不动，板料4放置在凹模5面上。当凸模2上下运动时，由于凸凹模刃口的作用，使板料受剪分离，冲下零件或废料从凹模孔漏下；当凸模向上运动时，由于卸料板3的作用，将紧箍在凸模上的材料卸下。凸模和凹模之间存在有一定间隙（间隙的选取，将在第二节详细介绍）。冲裁工艺及模具设计2.1.2冲裁的变形过程常用金属板材的冲裁变形过程如图2-2所示，模具间隙正常情况下，大致分为三个阶段。a)弹性变形阶段；b)塑性变形阶段；c)断裂分离阶段图2-2冲裁变形过程冲裁工艺及模具设计（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。此时凸模微量挤入材料，材料的另一侧也略为挤入凹模刃口，如图2-2(a)。随着凸模的继续压入，变形区的材料达到弹性极限。这时凸模下的材料略有弯曲，而凹模上的材料略有向上翘曲。间隙越大这种现象越明显。冲裁工艺及模具设计（2）塑性变形阶段当凸模继续压入，压力增加，变形区内的材料进入塑性变形阶段，如图2-2(b)。这时，凸模将部分材料挤入凹模刃口内，材料产生塑剪变形，形成光亮的剪切断面。由于塑性变形的发生，参与变形的材料加工硬化加剧，致使冲裁力增大，当刃口附近的材料由于拉应力的作用而出现裂纹时，冲裁力达到最大值。这时也标志着塑性变形阶段结束。（3）断裂分离阶段凸模再继续下行，塑性变形阶段已经形成的裂纹逐步扩大并向材料内延伸，当材料上下面的裂纹相遇重合时，材料便被剪断分离，如图2-2(c)。冲裁工艺及模具设计2.1.3冲裁件的质量2.1.3.1影响冲裁件尺寸精度的因素(1)冲裁模的制造精度冲裁模的制造精度对冲裁件尺寸精度有直接的影响，冲裁模精度越高，冲裁件的精度越高。表2-1为冲模有合理间隙、刃口锋利时，冲模制造精度与制件尺寸的精度关系。表2-1冲模制造精度与冲裁件尺寸精度之间的关系冲裁工艺及模具设计(2)工件材料的力学性能冲裁过程中，材料发生一定的弹性变形，冲裁结束会发生“回弹”现象，使工件尺寸与凹模尺寸不相符，若是冲孔的尺寸与凸模不符，影响了工件尺寸精度。故材料的力学性能决定了该材料在冲裁过程中的弹性变形量。材料越软，弹性变形量越小，回弹也越小，冲裁件的尺寸精度越高。反之，冲裁件尺寸精度越低。(3)工件的相对厚度工件相对厚度对冲裁件尺寸精度也有影响。相对厚度（t-材料厚度，D-冲裁件直径）越大，弹性变形量越小，冲裁件的尺寸精度越高。冲裁工艺及模具设计(4)冲裁间隙凸、凹模间隙对冲裁件的精度影响亦较大。落料时，如间隙过大，材料除受剪切外，还伴随有拉伸弹性变形，冲裁后，工件的变形也就越大，同时也影响模具寿命；如果间隙过小，材料除受剪切外，还产生压缩弹性变形，由于“回弹”，工件变形亦越大，冲裁间隙过小还会增大冲裁力。冲裁工艺及模具设计当冲裁间隙选取过大或过小时，将导致板料上、下两方裂纹不能重合于一线，如图2-3。间隙过小，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、下两裂纹间的材料随着冲裁过程的进行将被第二次剪切，并在断面上形成第二光亮带，如图2-4（a），这时毛刺也增大。间隙过大时，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向里错开一段距离，材料受到较大拉伸，光亮带小，毛刺、塌角、斜度也都增大，如图2-4(c)。此外，间隙过大或过小时均使冲裁件尺寸与冲模刃口尺寸的偏差增大。(5)冲裁件的尺寸形状冲裁件尺寸越小，形状越简单，其制件尺寸精度越高。冲裁工艺及模具设计图2-3间隙对剪切裂纹重合的影响图2-4间隙对冲裁断面的影响冲裁工艺及模具设计2.1.3.2冲裁件的断面质量如果冲模间隙选取合理，冲裁时，板料在上、下刃口处所产生的裂纹就能重合，冲下的工件虽有一定锥度，但比较光滑。2.1.3.3冲裁件的毛刺冲裁件的毛刺凸模或凹模磨损后变钝，其刃口处形成圆角。冲裁时工件的边缘就会出现毛刺，如图2-4(c)，从而影响工件的质量。冲裁工艺及模具设计2.2冲裁间隙冲裁凸模和凹模工作时的配合间隙，称为冲裁间隙。它对冲裁件的质量、冲裁力和模具寿命等都有很大影响，在长期的研究中发现影响的规律各不相同。因此，并不存在一个绝对合理的间隙值，能同时满足冲裁件断面质量最佳、尺寸精度最高、寿命最长、冲裁力最小等各方面要求。在实际生产中，间隙的选用主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要因素，它与生产成本和产品质量密切相关。冲裁工艺及模具设计2.2.1合理间隙冲裁间隙对冲裁件质量、模具寿命、卸料力等都有很大影响。但影响规律不同，不可能存在一个间隙同时满足工件质量、模具寿命和冲裁力的要求。实际生产中，间隙的选择考虑冲裁断面的质量和模具寿命这两个主要方面，同时考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损，而选择一个合适的间隙范围，只要在这个范围内就可加工出良好的冲裁件。这个范围的最小值称为最小合理间隙，用表示；最大值称为最大合理间隙，用表示。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，因此实际设计与制造模具时常采用最小合理间隙。冲裁工艺及模具设计在模具设计时合理间隙的值一般通过查表来确定。一般冲压手册中均可查到，使用时注意各种资料、手册推荐的合理间隙值不尽一致，有的相差较大。这是因为各行业对冲压件的断面质量和尺寸精度要求不同所致。设计时一定要注意零件的用途、技术要求等。表2-2为汽车、拖拉机制造业常用的合理间隙值。冲裁工艺及模具设计表2-2冲裁模合理间隙值冲裁工艺及模具设计表2-3非金属材料冲裁模初始双面间隙冲裁工艺及模具设计2.2.2合理间隙的选择原则生产实践证明，冲裁间隙取小值时，冲裁件的断面质量较好。间隙过小会增大冲裁力和退料力，降低模具使用寿命。因此，在选择冲裁间隙时，应综合考虑各方面因素：(1)当冲裁件断面质量要求不高时，在合理的间隙范围内，应尽量取较大的间隙，从而有利于延长模具寿命，降低冲裁力、推件力、卸料力。冲裁工艺及模具设计(2)当冲裁件质量要求高时，在合理间隙范围内，应尽量取较小值，这样尽管模具寿命有所降低，但保证了零件的冲裁质量。在设计冲模时，一般取Zmin作为初始间隙，主要是考虑模具工作一段时间之后，要进行刃磨。修磨后会使间隙增大，使Zmin向Zmax过渡。所以，为了使模具能在较长时间内冲制出合格的零件，提高模具的利用率，降低生产成本，一般设计模具时取Zmin作为初始间隙。冲裁工艺及模具设计2.3凸、凹模刃口尺寸及公差模具刃口尺寸及公差是影响冲裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理间隙也要靠模具刃口尺寸及公差来保证。因此，正确确定冲裁模凸模及凹模刃口的尺寸与公差，是冲模设计的重要内容。2.3.1冲裁模刃口尺寸计算的原则因落料件的尺寸等于凹模尺寸，而冲孔件尺寸等于凸模尺寸，因此，计算模具刃口尺寸时，应按落料和冲孔两种情况分别处理。冲裁工艺及模具设计（1）设计落料模时，由于落料件尺寸等于凹模刃口公称尺寸，故应先确定凹模尺寸，间隙取在凸模上；考虑到冲裁中模具的磨损，凹模尺寸越磨损越大，因此，凹模刃口的基本尺寸应取工件尺寸公差范围的较小尺寸，以保证磨损到一定程度时，仍能冲制出合格的零件；凸凹模之间的间隙取最小合理间隙值，以便保证模具磨损到一定程度时，间隙仍然在合理间隙范围内。冲裁工艺及模具设计（2）设计冲孔模时，因工件孔的尺寸等于凸模刃口公称尺寸，故应先确定凸模尺寸，间隙取在凹模上，考虑冲裁过程中模具的磨损，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。冲裁工艺及模具设计（3）凸模和凹模的制造公差，主要与冲裁件的精度和形状有关。一般比冲裁件的精度高2～3级，如果对刃口精度要求过高，势必增加模具制造成本和难度，生产周期长；如果对刃口精度要求过低，冲制的零件不合格。其零件精度与模具制造精度的关系如表2-1。如零件仅为名义尺寸，即未标注公差，对非圆形件按国家标准《非配合尺寸的公差数值》IT14处理，而冲模制造公差可按IT11级选取；对于圆形件，一般可按IT6～IT7精度制造模具。冲裁工艺及模具设计当凸模与凹模分开加工时，其公差应保证有如下关系：式中、——分别为凸、凹模制造公差，mm；、——最大、最小合理间隙值，mm。（2-1）maxminpdZZpdmaxZminZ冲裁工艺及模具设计2.3.2冲裁模凸模、凹模刃口尺寸计算由于凸模和凹模的加工方法不同，设计时计算方法不尽相同，其刃口尺寸计算应分别进行计算。2.3.2.1凸模与凹模分开加工用这种方法加工凸、凹模时，要分别标注凸模和凹模的刃口尺寸及制造公差，一般适用于比较规则形状的冲裁件，如圆形或矩形冲裁件。冲裁工艺及模具设计（1）冲孔设工件孔的尺寸为,根据冲裁模刃口尺寸计算原则，冲孔应先确定凸模刃口尺寸，间隙取在凹模上。其计算公式为：()ppdd(冲孔凸模刃口尺寸)minmin()()dddpddZdZ(冲孔凹模刃口尺寸)（2-2）（2-3）各部分的公差带，如图2-5(b)。d冲裁工艺及模具设计（2）落料设落料件的尺寸为D-Δ,根据冲裁模刃口尺寸计算原则，落料应先确定凹模刃口尺寸，间隙取在凸模上。其计算公式如下：()ddDDminmin()()pppdDDZDZ(落料凹模刃口尺寸)(落料凸模刃口尺寸)（2-4）（2-5）各部分的公差带，如图2-5(a)。冲裁工艺及模具设计各部分的公差带，如图2-5(a)。、——分别为冲孔凸模和凹模尺寸，mm；、——分别为落料凸模和凹模尺寸，mm；——工件的制造公差，mm；D、d——分别为落料件的基本尺寸和工件孔的基本尺寸，mm；——最小合理间隙（双面），mm；、——分别为凸模和凹模的制造公差，mm。可查表2-5。——磨损系数，与制造精度有关，可从表2-4中选取。pdddpDdDminZpd冲裁工艺及模具设计表2-4磨损系数(a)落料(b)冲孔图2-5冲孔及落料时各部分公差带分配位置冲裁工艺及模具设计表2-5规则形状（圆形、矩形）冲裁模凸、凹模制造公差mm冲裁工艺及模具设计例题：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2-6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2-2、表2-3、表2-4得()ddDDmin()ppdDDZmaxmin0.64,0.46,0.02,0.03pdZZ图2-6垫圈冲裁工艺及模具设计∴能满足的条件。将已查得的数据代入计算式，即得0.03,0.5.p0.020.030.64-0.46maxminpdZZ0.030.03()(800.50.74)79.63mmddDDmin0.03()(79.630.46)mmppDDDZ冲裁工艺及模具设计冲孔的凸、凹模刃口尺寸：凸模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：查表2—2、表2—3、表2—4得()ppddminmin()()dddpddZdZmaxmin0.64,0.46,0.02,0.03,pdZZ0.03,0.5.p冲裁工艺及模具设计∵∴能满足的条件