冲模结构1

1第三篇冲压模具第8章冲模结构与设计冲模是冲压生产的主要工艺设备，冲模结构设计对冲压件品质、生产率及经济效益影响很大。因此，了解冲模结构，研究和提高冲模的各项技术指标，对冲模设计和发展冲压技术是十分必要的。8.1冲模分类及其特点按不同的特征对冲模进行分类，其分类方法主要有：（1）按冲压工序性质可分为冲裁模、拉深模、翻边模、胀形模、弯曲模……。习惯上把冲裁模当作所有分离工序模的总称，包括落料模、冲孔模、切断模、切边模、半精冲模、精冲模及整修模等。（2）按冲压工序的组合方式可分为单工序模、级进模和复合模。1）单工序模在压力机一次冲压行程内，完成一道冲压工序的模具。2）级进模在压力机一次冲程内，在模具不同工位上完成多道冲压工序的模具。3）复合模在压力机一次行程内，在模具一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。三种模具的简单比较如表8-1。（3）按模具的结构形式，根据有无导向装置和不同的导向装置形式可分为无导向的开式模、有导向的导板模、导筒模、导柱模等；根据挡料或定位方式可分固定挡料销、活动挡料销、导正销和侧刃定距冲模；根据卸料方式可分为带刚性卸料板和带弹性卸料板的冲模。（4）按进料、出件及排除废料方式可分为手动模、半自动模、自动模。（5）按模具零件组合通用程度可分为专用模（包括简易模）和组合冲模。（6）按凸、凹模材料可分钢模、硬质合金模、钢结硬质合金模、聚氨酯模、低熔点合金模等。（7）按模具轮廓尺寸可分为大型模、中型模、小型模等。8.2冲模零部件分类及功能各种类型冲模复杂程度不同，所含零件各有差异，但根据其作用都可归纳为如下五种类型：（1）工作零件工作零件直接使被加工材料变形、分离，而成为工件，如凸模、凹模、凸凹模等。（2）定位零件定位零件控制条料的送进方向和送料进距，确保条料在冲模中的正确位置，有挡料销、导正销、导尺、定位销、定位板、导料板、侧压板和侧刃等。（3）压料、卸料与顶料零件压料、卸料与顶料零件包括冲裁模的卸料板、顶出器、废料切刀、拉深模中的压边圈等。卸料与顶料零件在冲压完毕后，将工件或废料从模具中排出，以使下次冲压工序顺利进行；拉深模中的压边圈的作用是防止板料毛坯发生失稳起皱。表8-1三种模具的简单比较模具项目简单模级进模复合模外形尺寸复杂程度工作条件生产效率工件精度模具成本模具加工设备能力生产批量小简单不太好低低低易小中小批量为主大较复杂好最高高高难大中复杂较好高最高高难中以大批量为主2（4）导向零件导向零件的作用是保证上模对下模相对运动精确导向，使凸模与凹模之间保持均匀的间隙，提高冲压件品质。如导柱、导套、导筒即属于这类零件。（5）固定零件固定零件包括上模板、下模板、模柄、凸模和凹模的固定板、垫板、限位器、弹性元件、螺钉、销钉等。这类零件的作用是使上述四类零件联接和固定在一起，构成整体，保证各零件的相互位置，并使冲模能安装在压力机上。8.3冲模主要零部件结构设计8.3.1工作零件（1）凸模1）凸模结构型式与固定方法图8－1列举了若干种凸模固定方法。常见的圆形凸模结构及固定方法如图8-1a所示。为了增加凸模的强度和刚度，凸模做成台阶式，用固定板固定，台阶处圆滑过渡，以避免应力集中。小端是工作部分，其尺寸和公差根据工作尺寸和制造方法确定。中间台阶与凸模固定板过渡配合（H7/m6）。最大台阶是用其台肩保证凸模在卸料时不被拉出。这种凸模一般用于d=8～30mm。冲d=1～8mm的小圆孔凸模，可以采用图8-1b所示的结构和固定方法。固定部分做成直通式，淬火时尾端回火，装配后铆开磨平。容易损坏的凸模可做成快换式凸模结构，其结构和固定方法如图8-1f、g所示。为了便于更换，凸模的固定部分采用间隙极小的间隙配合（H7/h6）。在厚板上冲小孔时，细小的凸模受力较大，容易折断。为了提高凸模的抗纵向弯曲能力，可将小凸模装在护套里，然后再将护套固定在凸模固定板上。这种凸模叫做护套式凸模，其结构如图8-1k所示。a)凸缘固定方式b）铆接固定方式c)、d）、e）、f）、g）螺钉固定方式h）环氧树脂固定方式i）钢球固定方式j）定位销固定方式k）小孔冲裁凸模固定方式1－垫板；2－凸模板；3－侧向螺钉；4－环氧树脂；5－弹簧；6－钢球；7－推钢球孔；8－凸模板或凸模座；9－定位销；10－固定螺栓；11－凸模套；12－针状凸模；13－挡销图8－1凸模的固定形式3冲大圆孔或落料大件用的凸模，可采用图8-2所示的结构。它采用窝孔定位，窝孔与模板或凸模为过渡配合，再用螺钉紧固。为了减少磨削加工面积，凸模外圆的非工作部分要车小，端面加工成凹坑形式。大圆凸模也可以采用镶块式结构，如图8－3所示。镶块采用工具钢制造并进行热处理。同样，为了减少凸模的磨削面积，将其中部挖成空心。镶块镶嵌在凸模固定座上，中间用螺钉紧固，然后再将凸模固定座用螺钉和销钉紧固在模板上。还有一种薄刃口组合圆凸模，如图8－4所示。它由刃口部分1和本体部分2组成。相互之间采用螺钉或其他连接方式紧固。刃口部分材料与一般凸模相同；本体部分用普通材料，如Q235钢。本体部分可不进行热处理。对于非圆形凸模，为了便于加工和装配，通常将其固定部分做成圆柱形（图8－5）或长方形（图8－6）。如果非圆形凸模的固定部分采用圆柱形，则应有防止转动的结构，如图8－7中的止动销钉，或采用止动面。具有复杂外形的凸模应设计成直通式（图8－8），以便于成形磨削或线切割加工，采用铆接固定方式。如凸模横断面足够大，可采用图8－9所示的固定方式。较小的凸模、冲多孔的凸模或冲薄板的凸模除用机械固定外，还可采用低熔点合金固定（图8－10）或环氧树脂粘结固定（图8－1h）。这两种固定方法不如机械固定法的紧固强度高，但可使模具制造和装配大为简化。其方法是在固定板与凸模连接处留有空槽，装配时，将凸模与凹模的间隙调整好，然后在空槽中灌注低熔点合金或环氧树脂，冷却后即可把凸模紧固住。1－模板；2－凸模1－凸模固定座；2－凸模镶块图8－2大圆凸模图8－3镶块式凸模1－薄刃口凸模；2－凸模本体；3－凸模固定板图8－5非圆凸模的圆柱形固定图8－6非圆凸模的长方图8－4薄刃口组合圆凸模形固定42）凸模长度的确定凸模长度一般根据模具结构来确定。采用固定卸料板和导尺的模具结构时（图8－11），其凸模长度用下列公式计算：L=h1+h2+h3+h4+h（8－1）式中L——凸模长度，mm；h1——凸模固定板厚度，mm；h2——卸料板厚度，mm；h3——导料板厚度，mm；h4——凸模进入凹模的深度(0.5～1mm)；h——附加长度，包括凸模的修磨量及模具闭合状态下卸料板到凸模固定板之间的安全距离等。一般取h＝15～20mm。3）凸模强度校核凸模长度确定后，一般不做强度校核，但对于细长的或冲厚料的凸模，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核。a.承压能力的校核冲裁时，凸模承受的压应力c应小于或等于凸模材料的允许压应力［c］：c＝][mincAF图8－7防止凸模转动的止动销图8－8直通式凸模图8－9大断面直通式凸模的固定图8－10低熔点合金浇注固定图8－11凸模长度的确定5对圆形凸模，由上式可得：][4minctd（8-2）对于其他各种断面的凸模：][mincFA（8-3）式中mind——凸模最小直径，mm；t——料厚，mm；——材料抗剪强度，MPa；F——冲裁力，N；Amin——凸模最小截面积，mm2；[c]——凸模材料的许用压应力，MPa。b.凸模抗弯能力的校核根据模具结构特点，可分为无导向装置和有导向装置的凸模（见图8－12）进行校核。凸模无导向装置时，对于圆形凸模Fd902maxL（8－4）对于其他各种断面的凸模FIL425max（8－5）凸模有导向装置时，对于圆形凸模Fd2702maxL（8－6）对于其他各种断面的凸模FIL1200max（8－7）式中Lmax——凸模不失稳弯曲的最大自由长度，mm；d——凸模的最小直径，mm；F——冲裁力，N；I——凸模最小断面的惯性矩，mm4。（2）凹模1）凹模的结构形式与固定方法常见的凹模结构形式有整体式凹模和组合式凹模两种形式。图8－13所示为整体式凹模结构，其俯视外形按毛坯和工件形状可做成矩形或圆形，用螺钉和销钉直接固定在模板上。整体式凹模特点是制造简单，但工作部分与非工作部分做为一体，全由优质钢制造，使用时，若局部损坏就得整体更换。因此，整体式凹模只适用于冲制中小型工件。图8－14所示为组合式凹模结构。凹模工作部分与非工作部分是分开制成的，非工作部分（图中凹模套1）可以用普通钢材制造。凹模2以过渡配合压装在凹模套1内，然后再用螺钉和销钉把凹模套紧固在模板上。组合式凹模可以节约贵重的模具材料，且a)无导向b)有导向图8－12无导向和有导向凸模6当凹模损坏后易于维修更换。这种凹模适用于冲制大、中型工件上的小孔。2）凹模的刃口形式如图8－15所示为凹模刃口常见的几种形式。图中a、e为直壁形，刃口强度高，刃磨后工作尺寸不变，制造方便。但是在孔内易积存工件或废料，增大了凹模胀力、推件力和孔壁的磨损；磨损后每次修磨量大，凹模总寿命较低。该形式的凹模刃口内可安装压料板，向上顶出工件或废料，适用于冲裁精度较高、厚度较大的工件。a适用于圆形或矩形工件；e适用于形状较复杂的工件。b、c、d的刃口为锥形，孔内不易积存工件或废料，孔壁所受的胀力、摩擦力小，所以凹模磨损及每次刃磨量小，但刃口强度较低，且刃口尺寸在修磨后略有增大。一般用于形状简单、精度要求不高和较薄的冲裁件。c适用较复杂的冲裁件；d用于冲裁薄料和凹模厚度较薄的情况。f为凸台式凹模，适用于冲裁软而薄的金属与非金属材料。凹模孔型的直壁高度（h）、斜度角（α和β）与工件的材料厚度和加工方法有关，其数值见表8－2。表8-2凹模孔型参数t/mm主要参数备注h/mmαβ0.50.5～11.0～2.5≥4≥5≥615’2oα、β值仅适用于钳工加工。电火花加工时，一般α＝4’～20’（复合模取小值），β＝30’～50’。带斜度装置的线切割时，β＝1o～1.5o2.5～6.06.0≥8－30’3o3）凹模外形尺寸的确定凹模外形尺寸应保证有足够的强度和刚度。由于凹模的结构型式不一，受力状态又比较复杂，一般根据冲裁件尺寸和板料厚度，按下列经验公式确定外形尺寸（见图8－16）。凹模高度H=K·b（≥15mm）（8－8）凹模壁厚（刃口到外边缘的距离）C=(1.5～2.0)H（≥30～40mm）（8－9）式中b——冲裁件最大外形尺寸，mm；K——考虑坯料厚度影响的系数，其值可参考表8－3。1－凹模套；2－凹模图8－13整体式凹模图8－14组合式凹模图8－15凹模刃口形式7ａ）键、楔固定ｂ）垫片、楔固定ｃ）热压配合ｄ）键固定ｅ）止口和横向螺栓固定ｆ）低熔合金和斜楔固定图8－17凹模镶块及固定方法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。用于大批量生产条件下的凹模，其高度应该在计算结果中增加总的修磨量。（3）镶拼结构式组合凹模大、中型和形状复杂、局部薄弱的整体凹模，往往给锻造、机械加工或热处理带来很大困难，当它局部磨损后又会造成整个凹模报废。为此，常采用镶拼结构式组合凹模。镶拼结构一般有拼接与镶接两种。拼接是将整体凹模块分割成若干块拼接起来；镶接则是将局部形状分割出再镶入。图8-17所示为镶拼结构的几个例子。镶拼结构设计的一般原则为：1）便于加工制造，减少钳工工作量，减少热处理变形。具体办法是：图8－16凹模外形尺寸表8-3系数K值t/mmb/mm0.512335050～100100～2002000.30.20.150.10.350.220.180.120.420.280.20.150.50.350.240.180.60.420.30.22注：t为厚度8a.尽量将形状复杂的内形分割后变为外形加工，以便于机械加工和成形磨削；同时，拼块断面可以做得较均匀，以减小热处理变形，提高模具制造精度。b.如有对称轴线，应沿对称轴线分割，对于圆形件应尽量沿径向线分割。这样形状、尺寸相同的分块可以同时加工磨削，并便于