冲裁工艺与模具设计

第3章冲裁工艺与模具设计3.1冲裁变形过程分析3.2冲裁件质量分析及控制3.3冲裁工艺计算3.4冲裁工艺设计3.5冲裁模总体结构设计3.6模具主要零件的设计与标准的选用3.7冲裁设备的选择与校核3.8冲裁模设计举例能力要求能根据冲裁件的废品形式分析其产生的原因，熟悉解决的措施。能独立完成单工序冲裁模、2~3工序复合的复合冲裁模、3工位左右的级进冲裁模模具设计。冲裁结束的标志：凸模穿过板料进入凹模这就是“冲裁”冲裁的概念冲裁的概念规则形状不规则形状封闭轮廓不封闭轮廓冲裁就是利用模具使板料的一部分与另一部分沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。简单地说冲裁就是利用模具使板料产生分离的过程。主要基本冲裁工序：落料和冲孔落料与冲孔均是利用模具使板料的一部分与另一部分沿一封闭的轮廓线相分离。落料的目的是得到封闭轮廓线以内的部分。冲孔的目的是得到封闭轮廓线以外的部分。落料冲孔冲裁用的模具叫冲裁模冲裁模特点：凸、凹模之间有间隙刃口锋利冲裁分类根据冲裁变形机理的不同，冲裁可分为：普通冲裁精密冲裁微冲裁本章主要讨论普通冲裁3.1.1冲裁过程板料受力情况分析3.1冲裁变形过程分析模具与板料开始接触瞬间冲裁过程中3.1.2冲裁变形过程1.弹性变形阶段2.塑性变形阶段3.断裂分离阶段模具间隙合适时，冲裁变形过程可分为：冲头刚接触板料的初始阶段，发生弹性变形。1.弹性变形阶段初始塌角（圆角）材料翘曲2.塑性变形阶段更大的塌角塑性剪切——光亮带内部应力达到极限刃口附近出现微裂纹3.断裂分离阶段产生粗糙而带有锥度的断裂带毛刺形成重要结论(不考虑弹性回复）落料件尺寸=凹模刃口尺寸冲孔件尺寸=凸模刃口尺寸一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态2.剪切区的应力状态图3-2ａ）初始冲裁１—变形区２—已变形区一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态2.剪切区的应力状态图3-3冲裁时板料的应力状态凸模行程冲裁力Fmax冲裁过程力的变化3.1.3冲裁变形区位置冲裁变形区位于上、下刃口连线的纺锤形区冲裁件质量指：断面质量:垂直、光洁、毛刺小尺寸精度:图纸规定的公差范围内形状误差:外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小3.2冲裁件质量分析及控制塌角带a：刃口附近的材料产生弯曲和拉伸变形。光亮带b：塑性剪切变形。质量最好的区域。断裂带c：裂纹形成及扩展。毛刺d：间隙存在，裂纹产生不在刃尖，毛刺不可避免。正常间隙下，冲裁件断面由四个部分组成：3.2.1冲裁件断面特征及其影响因素1.冲裁件的断面特征塌角α：也称为圆角带，是由于冲裁过程中刃口附近的材料被牵连拉入变形（弯曲和拉伸）的结果。光面ｂ：也称为剪切面，是刃口切入板料后产生塑剪变形时，凸、凹模侧面与材料挤压形成的光亮垂直的断面。图3-4冲裁件断面的形状ａ-塌角ｂ-光面ｃ-毛面ｄ-毛刺毛面ｃ：毛面是由主裂纹贯通而形成的表面十分粗糙且有一定斜度的撕裂面。毛刺ｄ：冲裁毛刺是在刃口附近的侧面上材料出现微裂纹时形成的，当凸模继续下行时，便使已形成的毛刺拉长并残留在冲裁件上。图3-4冲裁件断面的形状ａ-塌角ｂ-光面ｃ-毛面ｄ-毛刺冲裁件断面特征实物图片质量最好的部分：光亮带毛刺产生的位置裂纹不对刃尖，而是在凸、凹模侧面稍上一点的位置2.影响冲裁件断面质量的因素(１)材料性能的影响(２)模具间隙的影响间隙过小，出现二次剪裂，产生第二光亮带间隙过大，断面质量最差间隙合适，上下裂纹重合，断面质量好间隙偏小，断面质量较好间隙偏大，断面质量下降冲裁件的断面质量主要指塌角的大小、光面约占板厚的比例、毛面的斜角大小及毛刺等。间隙合适时，冲裁时上、下刃口处所产生的剪切裂纹基本重合，这时光面约占板厚的1/2-1/3，切断面的塌角、毛刺和斜度均很小，完全可以满足一般冲裁的要求。间隙过小时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。间隙过大时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内错开一段距离。2.间隙对断面质量的影响间隙对剪切裂纹与断面质量的影响间隙合理间隙过小间隙过大(３)模具刃口状态的影响当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺；当凹模刃口磨钝时，则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；当凸、凹模刃口同时磨钝时，则冲裁件上、下端都会产生毛刺。凸模磨钝凹模磨钝凸、凹模均磨钝冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。影响因素：该差值包括两方面的偏差：一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差；二是模具本身的制造偏差。（1）冲模的制造精度（模具零件加工和装配）（2）材料的性质（3）冲裁间隙3.2.2冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高。从整个冲裁过程来看，影响冲裁件的尺寸精度有两大方面的因素：一是冲模本身的制造偏差；二是冲裁结束后冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。3.间隙对尺寸精度的影响冲裁件的形状误差：指翘曲、扭曲、变形等缺陷。翘曲是指冲裁件呈曲面不平现象。变形是由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因，因挤压而产生的。3.2.3冲裁件形状误差及其影响因素3.2.4冲裁件质量控制1.模具工作部分尺寸偏差的控制2.模具间隙的控制3.冲裁材料的控制4.其他方面因素的控制3.3冲裁工艺计算3.3.1排样设计1.排样与材料利用率排样是指冲裁件在板料或条料上的布置方法。合理的排样：提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及提高模具寿命。排样的优劣如否，如何衡量？（1）排样（2）材料利用率材料利用率是指零件的实际面积与所用材料面积的百分比。一个步距内的材料利用率一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率：废料的种类：结构废料：由工件的结构需要而产生，如冲孔废料工艺废料：为完成冲压工艺而需要设置的废料，包括工件与工件之间，工件与条料侧边之间，定位孔、料头、料尾等。（3）提高材料利用率的方法减少工艺废料的措施设计合理的排样方案；选择合适的板料规格和合理的裁板法(减少料头、料尾和边余料）；利用废料作小零件等。利用结构废料的措施当材料和厚度相同时，在尺寸允许的情况下，较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来。在使用条件许可下，也可以改变零件的结构形状，提高材料利用率。改变结构形状提高材料利用率哪种结构更有利于节省材料？2.排样类型二、排样方法（１）有废料排样沿冲件全部外形冲裁，在冲件周边都留有搭边，因此材料利用率低，但冲件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高，模具寿命也高，生产中绝大多数冲裁件都是采用有废料排样。二、排样方法（２）少废料排样沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。因受剪裁条料质量和定位误差的影响，其冲件质量稍差，同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命，但材料利用率稍高，冲模结构简单。二、排样方法（３）无废料排样沿直线或曲线切断条料而获得冲件，无任何搭边。冲件的质量和模具寿命更差一些，但材料利用率最高。排样形式排样形式的选择零件的形状零件精度材料利用率模具结构模具寿命操作的方便与安全搭边：排样时，工件与工件之间，工件与条（板）料边缘之间的工艺余料。有搭边a1和侧搭边a之分。（1）搭边及其作用3．搭边、进距及料宽的确定用于定位；补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件；增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率；提高模具寿命。搭边的作用AB搭边值的确定确定原则：满足作用的前提下取最小值，具体的可查阅相关的设计资料，如书中表3-3（1）材料的力学性能：硬材料的搭边值可小一些；软材料、脆材料的搭边值要大一些。（2）材料厚度：材料越厚，搭边值也越大。（3）冲裁件的形状与尺寸：零件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值取大些。（4）送料及挡料方式：用手工送料，有侧压装置的搭边值可以小一些。（5）卸料方式：弹性卸料比刚性卸料的搭边小一些。（2）进步距的确定进距也称步距，是指模具每冲裁一次，条料在模具上前进的距离。（3）料宽的确定条料宽度的确定与条料在模具中的定位方式有关:导料板和挡料销定位导料板内带侧压装置导料板内不带侧压装置导料板和侧刃定位挡料销导料板条料始终靠一边的导料板送进，故：1）有侧压装置时条料宽度的确定00)2(aDB△—裁板误差ABcB—条料宽度A—导料板之间宽度C—条料与导料板之间间隙度00)2(CaDB2）无侧压装置时条料宽度的确定理想送料状态实际送料状态△—裁板误差B—条料宽度A—导料板之间宽度ABcC—条料与导料板之间间隙度3）侧刃定位时条料宽度的确定000)5.1()'2(nbaLnbaLBb—侧刃冲切的料边宽度a’—裁去料边的侧搭边值=0.75a4）裁板方式分别计算η纵、η横,比较取大者。实际生产中还需考虑生产效率和操作方便等。可纵裁,亦可横裁轧制方向5）排样图的绘制一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸、步距S、工件间搭边和侧搭边。排样图通常画在总装配图右上角。排样设计实例例如图所示工件，材料为酚醛层压布板，料厚ｔ为1mm，请选择合理的排样方案。图3-17工件图3-18排样方案模具装配图的绘制要求3.3.2冲裁工艺力与压力中心的计算冲裁工艺力主要包括：冲裁力F卸料力推件力顶件力F卸、KXF推、KTF顶、KD冲裁力是指冲裁时凸模所承受的最大压力，包括施加给板料的正压力和摩擦阻力。冲裁力和压力中心的计算一、冲裁力行程曲线图3-19冲裁力行程曲线１—塑性材料（合理间隙）２—塑性材料（过小间隙）３—脆性材料（合理间隙）冲裁力是指冲裁时所需的压力。这里指冲裁过程中的最大值。用普通平刃口模具冲裁时，冲裁力F一般按下式计算：注：F——冲裁力；L——剪切长度；t——材料厚度；τ——材料抗剪强度；K——安全系数。一般取K＝1.3F1.冲裁力的计算二、冲裁力的计算系数Ｋ是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀、刃口的磨损、板料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数，一般取Ｋ＝1.3。为计算简便，也可按下式估算冲裁力：式中——材料抗拉强度（MPa）。bFLtb“L”的含义——剪切长度2.卸料力、推件力和顶件力的计算卸料力是指从凸模或凸凹模上将制件或废料卸下来所需的力。推件力是指从凹模内顺冲裁方向将制件或废料推出所需的力。顶件力是指从凹模内逆冲裁方向将制件从凹模孔内顶出的力。K卸、K推、K顶——卸料力、推件力、顶件力系数，见表3-8；n——同时卡在凹模刃口内的冲裁件(或废料)数。thn式中h——凹模洞口的直刃壁高度；t——板料厚度。卸料力推件力顶件力F卸=K卸FF推=nK推FF顶=K顶F卸料力、推件力及顶件力的计算公式压力机公称压力的确定采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时ZXTFFFFZXDFFFFZTFFF在多凸模的冲模中，可将凸模设计成不同长度，使各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现，以降低总的冲裁力。降低冲裁力的方法（１）阶梯凸模冲裁图3-21凸模的阶梯布置法降低冲裁力的方法（2）斜刃冲裁斜刃冲裁是将凸模（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，而是逐步地将材料切离，因而能显著降低冲裁力。图3-22ａ）、ｂ）落料用ｃ）、ｄ）、ｅ）冲孔用ｆ）切舌用材料加热后抗剪强度显著降低，例如10钢在加热到700℃时的抗剪强度约为室温状态下的1/3，因此加热冲裁能够降低冲裁力。但加热带来的问题很多，不仅增加工序和能源消耗，而且加热后产生很厚的氧化皮，给后续加工带来很多麻烦。因此加热冲裁一般只适用于厚板或表面质量及精度要求不高的零件。降低冲裁力的方法（3）加热冲裁3.压力中心的计算压力中心就是冲压合力的作用点。形状对称的冲裁件，其压力中心位于冲裁轮廓的几何中心上。复杂形状工件或多凸模冲裁件的冲裁压力中心，可按力矩平衡原理进行解析计算。冲模压力中心的确定冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。冲裁形状对称的冲件时，其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心。冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中点。冲裁圆弧线段时，其压