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1、第2章冲裁工艺与模具设计,冲裁是利用装在压力机上的模具，将板料分离的冲压工序，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等，其中以落料、冲孔工序应用最多。落料是从板料上冲下所需形状的工件（或毛坯），冲孔是在工件上冲出所需形状的孔。图2.1所示为垫圈由落料和冲孔两道工序完成。,图2.1 垫圈的落料和冲孔,2.1 冲裁加工概述,图2.2所示为冲裁加工示意图。由图可见，冲裁加工必须使用模具。图中1为凸模，2为凹模，凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓形状与工件形状对应，并有锋利的刃口。凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模，其差值称为冲裁间隙。,图2.2 冲裁加工示意图1凸模；2凹模,板料放在凹模平面上，在压力机滑块连同凸模一起
2、向下运动将凸模推入凹模的过程中，就会对板料实行剪切，将所需形状的工件从板料上分离下来。,图2.3所示为冲裁模典型结构，其主要部分一般用两个视图（主视图和俯视图）即可表达清楚。模具装配图的画法稍不同于一般机械制图，其主视图通常按上下模闭合状态作图，而其俯视图则往往是表示上模已经取走，只留下下模部分。,如果上模也需要画出，那就另画一个上模的俯视图。如果下模左右两部分结构对称，为了简便，也可以用同一个俯视图来表示，左半部表示已取走上模，只画下模；右半部则表示上模没有取走时的情况。这一特殊规则在绘制和阅读冲压模具图时必需熟悉和适应。,图2.3 导柱式落料模1上模座；2卸料弹簧；3卸料螺钉；4模柄；5止
3、转销；6垫板；7凸模固定板；8落料凸模；9卸料板；10落料凹模；11顶件板；12下模座；13顶杆；14固定挡料销；15导柱；16导套；17橡皮；18导料销,除描述模具结构的主、俯视图外，还应将冲裁件及其在条料上的布置（排样）图画在结构图的右上方。由图2.3可以看到的冲裁件是圆形垫片，在条料上成单行排列，依次送进。,整个模具由工作零件、固定零件、导向装置、定位装置、卸料装置、顶件装置等部分组成。现逐项说明如下。,1凸、凹模的固定冲压模具一般都是由上模、下模两部分组成。图2.3中，凹模10直接固定在下模座12上，凸模8利用凸模固定板7固定在上模座1上。,工作时，下模座可用螺钉压板紧固在压力机的工作
4、台上，上模座则利用模柄4与压力机滑块牢固连接，随同滑块上下运动，实现对板料的冲裁。为了保护上模座不被凸模的巨大冲裁力压陷，在凸模顶部与上模座之间加设了一层垫板6，以分散其压力。,2凸、凹模的对中和上、下模的导向冲裁时，凸、凹模刃口不但不能相互碰撞，而且还要保证沿刃口轮廓线间隙均匀，否则会对冲裁过程带来一系列不利影响。,因此，上、下模必需设置导向装置，包括导柱15和导套16。导套16装在上模座上，导柱15装在下模座上。当上模向下运动，凸模还没有接触板料之前，导套已经套入导柱，对凸模实行导向，使上、下模不发生横向错移，保证凸、凹模准确地对板料进行剪切。,3条料的送进与定位一般中小型落料件使用的材料
5、是由板料裁成的条料。条料多宽多长，待冲的工件在条料上的位置如何布置，都要事先设计好，这一工作称为排样。,落料时条料必须沿一定方向送进，故必须设置导料装置，图2.3中采用的是两个导料销18。每冲下一个工件，条料必须按排样要求向前送进一定距离，简称为步距（进距）。,步距一般用挡料装置来控制，图2.3中，采用的是固定挡料销14，当条料每次送进一个步距后，挡料销就在适当位置挡住条料，使之不再前进。,4工件和废料从凸、凹模上自动排除由于材料有弹性变形，落料完成后，周围的废料会紧紧箍在凸模上，在凸模回程时，废料将会随凸模向上抬起。为了及时将废料从凸模上自动卸除，应设置卸料机构。,图2.3中采用的是弹性卸料
6、装置，由卸料板9、卸料弹簧2和卸料螺钉3组成，随凸模上、下运动。但在凸模冲剪板料时，卸料板被凹模挡住不动，于是卸料弹簧被向下运动的上模座压缩。当落料完成后，凸模向上回程，卸料板在弹簧的推力下，将箍在凸模上的废料卸除。,同理，从条料上冲落下来的工件，会紧卡在凹模的洞口内，必须设法使之自动取出。图2.3采用的是逆（上）出件方式，即利用装在下模座底部的弹顶装置，在凸模退出凹模时，将工件从凹模中向上顶出。弹顶装置由橡皮17、顶桿13和顶件板11组成。,上述冲裁、导向、定位及卸料、顶件等功能，都是冲模必需具备的基本功能。为实现这些功能，可以采用各种不同的方案，选用不同的结构，设计不同的装置，于是就出现各
7、种类型、各种式样、具有不同特点、适合于各种用途的冲裁模。,2.2 冲裁模分类及典型结构,2.2.1 冲裁模分类冲裁模的结构类型很多，为了研究的方便，可以对冲裁模按不同的特征进行如下分类。按工序的性质可分为落料模、冲孔模、切断模、切口模、剖切模和切边模等。,按工序的组合方式可分为单工序的简单模和多工序的连续模、复合模以及连续复合模。按上、下模的导向方式可分为无导向的开式模和有导向的导板模、导柱模、滚珠导柱模、导筒模等。,按控制送料步距的方法可分为固定挡料销式、活动挡料销式、自动挡料销式、导正销式和侧刃式等。按凸、凹模所用材料可分为钢质冲模、硬质合金冲模、锌基合金冲模、橡胶冲模和聚氨脂橡胶冲模等。
8、,按凸、凹模的结构可分为整体模和拼块模。按凸、凹模的布置方法可分为正装模和倒装模。按模具的卸料方法可分为刚性卸料模和弹性卸料模。,此外，按送料、出件及排除废料的方法可分为手动模、半自动模和自动模；按冲模的大小可分为小型冲模、中型冲模和大型冲模；按模具的专业化程度可分为专用模、通用模、组合冲模和简易冲模等等。,上述各种不同的分类方法从不同的角度反映了模具结构的不同特点。下面按工序组合方式的不同，分别分析各类冲裁模的结构及其特点。,2.2.2 单工序冲裁模2.2.2.1 落料模 1导柱式落料模,2导板式落料模图2.4所示为导板式落料模，其结构比较简单，不用导柱导套，而是用固定在凹模平面上的导板6直
9、接对凸模5导向，保证凸、凹模间隙均匀。,因此，导板与凸模的配合间隙必须小于凸、凹模间隙。对于薄料（t3mm），其配合为H8/h7。,导板必须有足够的厚度，凸模始终套在导板孔中上下滑动，即使在凸模上升到上止点时，也不应脱离导板，即上、下模不应完全脱开。因此，这种模具只适合于行程较短的压力机，或者行程可以调节的偏心压力机。,图2.4 导板式 落料模1模柄；2上模座；3垫板；4凸模固定板；5凸模；6导板；7导料板；8固定挡料销；9凹模；10下模座；11承料板,3无导向装置的开式简单冲裁模图2.5所示为无导向装置的开式简单落料模，工件为圆形垫片。该模具本身没有任何导向装置，全靠压力机的导轨对滑块进行导
10、向。凸模2与模柄1直接相连，省去了凸模固定板、垫板和上模座等零件。,凹模5镶嵌在下模座6内。带槽形孔的导料板4、卸料板3和挡料块7分别固定在下模座平面的左、右方和前方，起导料、卸料和挡料作用，因其位置可以前后调节，故具有一定的通用性，只需更换凸、凹模，即可用来冲制尺寸相近的工件。,2.2.2.2 冲孔模,图2.5 开式简单落料模1模柄；2凸模；3卸料板；4导料板；5凹模；6下模座；7挡料块,图2.6所示为在筒形件壁部冲孔的模具示例。因为要在筒形件的壁部冲孔，所以凹模3装在悬臂的支架2上。筒壁要求冲三个均布的8孔，分别由三次行程冲出。,图2.6 冲孔模1定位插销；2凹模支架；3凹模；4支座；5凸
11、模；6定位螺钉,冲完第一个孔后将毛坯逆时针转动，将定位插销1插入已冲的孔后，依此冲第二、三个孔。孔的轴向位置尺寸由调整定位螺钉6保证。直接装在凸模5上的橡胶完成卸料工作。这副模具结构简单，适用于小批量生产。,2.2.3 连续冲裁模（级进冲裁模）连续模（又称级进模、跳步模）的特点是在一副模具内按冲压件的加工工艺依次排列几个等距离工位，每个工位安排一定的冲压工序。冲压件在几个工位上依次冲压，逐步成形。,而压力机则在一次行程中，对几个工位上的工件同时进行相应工序的加工。连续模冲压时，必须保证送料步距与工位间距离相等，否则就会影响制品精度，甚至造成废品。,2.2.3.1 用导正销定距的连续模图2.7所
12、示为用导正销定距的导板式冲孔、落料连续模。,图2.7 用导正销定距的导板式冲孔落料连续模1模柄；2螺钉；3冲孔凸模；4落料凸模；5导正销；6固定挡料销；7始用挡料销,2.2.3.2 用侧刃定距的连续模侧刃定距的工作原理如图2.8所示。,图2.8 侧刃定距的连续模的工作原理,2.2.3.3 无废料、少废料连续冲裁模图2.10所示为一副冲制硅钢片的拼块连续冲裁模，这是一副无废料连续模。,图2.10 拼块连续冲裁模1，2，3凹模拼块；4，5，6，7凸模拼块；8切断凸模；9侧刃；10，11侧刃凹模拼块,2.2.4 复合冲裁模复合模也是多工序模中的一种。它是在压力机的一次行程中，在同一工位上，同时完成几
13、道工序的冲模。因此它不需要多次定位，不存在连续模冲压时的定位误差问题。,图2.11所示为冲孔落料复合模的基本结构。,图2.11 冲孔落料复合模的基本结构,2.2.4.1 倒装复合模图2.12所示为冲孔落料倒装复合冲裁模的典型结构。,图2.12 冲孔落料倒装复合冲裁模1下模座；2卸料螺钉；3，14垫板；4凸凹模固定板；5导柱；6凸凹模；7活动导料销；8卸料板；9落料凹模；10推件板；11导套；12冲孔凸模；13冲孔凸模固定板；15上模座；16推杆；17推板；18模柄；19推杆,2.2.4.2 正装复合模图2.13所示为一副冲孔落料正装复合冲裁模的典型结构。,图2.13 冲孔落料正装复合冲裁模,2
14、.3 冲裁模主要零部件,图2.14 冲模零件的分类,2.3.3 工作零件 2.3.3.1 凸模组件及其结构设计 1凸模组件,一般的凸模组件结构如图2.15所示。其中包括凸模3和4、凸模固定板2、垫板1和防转销5等，并用螺钉销钉固定在上模座6上。,图2.15 凸模结构1垫板；2凸模固定板；3，4凸模；5防转销；6上模座,2凸模固定板凸模固定板（简称固定板）用于固定凸模。,凸模在凸模固定板内的固定方法通常是将凸模压入固定板，台阶式凸模的压入配合用H7/m6，直通式凸模用N7/h6、P7/h6。对于大尺寸的凸模，可不用固定板，直接用螺钉、销钉固定到模座上，如图2.18所示。,图2.18 大凸模的固定
15、,对于小凸模还可以采用粘结固定，如图2.19所示。,图2.19 凸模的粘结固定,粘结固定时，固定板上的型孔要留出间隙，以减少配合加工面，简化孔的加工。粘结固定的方法常采用有机粘结剂（环氧树脂）（图2.19（a）、无机粘结剂（氧化铜粉末+磷酸溶液）（图2.19（c）。,也可采用由Bi、Pb、Sn、Sb按一定比例组成的低熔点合金固定（图2.19（b），这种合金不但熔点低（120左右），而且具有冷胀热缩的特性。,2.3.3.2 凹模设计 1凹模洞口形式的选择凹模洞口形式是指凹模型孔壁部的形状。如图2.21所示，基本形式有如下几种。,图2.21 凹模洞口形状,直壁式：如图2.21（a）、（b）、（c）
16、所示。斜壁式：如图2.21（d）、（e）、（f）所示。凸台式：如图2.21（g）所示。,2凹模的外形尺寸 凹模的外形一般有矩形与圆形两种。凹模的外形尺寸应保证凹模有足够的强度与刚度。凹模的厚度还应包括使用期内的修磨量。凹模的外形尺寸一般是根据被冲材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定的，如图2.22所示。,图2.22 凹模外形尺寸,凹模厚度 H=K b（15mm）凹模壁厚 c=(1.52)H（3040mm）式中，b冲裁件的最大外形尺寸；,3凹模的固定方法凹模一般采用螺钉和销钉直接固定在下模座上。螺钉与销钉的数量、规格和它们的位置尺寸均可在标准中查得，也可根据结构需要作适当调整。,4凹模的主要技
17、术要求 凹模的型孔轴线与顶面应保持垂直，凹模的底面与顶面应保持平行。,为了提高模具寿命与冲裁件精度，凹模的顶面和型孔的孔壁应光滑，表面粗糙度为Ra=0.80.4m。底面与销孔的表面粗糙度为Ra=1.60.8m。,凹模的材料与凸模一样，考虑到凹模比凸模工作条件更为不利，凹模的热处理硬度应略高于凸模，达到6064HRC。,2.3.4 定位零件2.3.4.1 送料方向的控制条料一般都是靠着导料板或导料销的一侧导向送进，以免送偏。导料销一般要用两个，导料销的结构与挡料销相同。,标准导料板结构如图2.23所示。从右向左送料时，与条料相靠的基准导料板（销）装在送进方向的右侧，从正面送料时，基准导料板装在送
18、进方向的左侧。,图2.23 标准导料板,2.3.4.2 送料步距的控制控制送料步距的基本方法是采用挡料销、侧刃或导正销。,1挡料销 固定挡料销：固定挡料销的标准结构如图2.25所示，有圆形与钩形两种，一般装在凹模上。圆形挡料销结构简单，制造容易，但销孔离凹模刃口较近，会削弱凹模强度。钩形挡料销则可使销孔离凹模刃口远一些。,图2.25 固定挡料销,活动挡料销：其标准结构如图2.26所示，常用于倒装复合模中，装在卸料板上，由弹性元件支撑，可以缩入。其中图（d）为回带式挡料销，条料送进时送料、定位需要两个动作，先送后拉，常用于刚性卸料板的冲裁模。,图2.26 活动挡料销,始用挡料销：只在连续模上首次
19、冲压条料时使用。其标准结构如图2.27所示。,图2.27 始用挡料销,2侧刃侧刃常用于连续模中控制送料步距，侧刃的标准结构如图2.28（a）所示。,图2.28 侧刃结构1导料板；2侧刃挡板；3侧刃；4条料,3导正销导正销用于连续模中冲裁件的精确定位。导正销的结构型式如图2.29所示，根据孔的尺寸选用。导正销由导入和定位两部分组成。,导入部分一般用圆弧或圆锥过渡，定位部分为圆柱面。为保证导正销能顺利地插入孔中，应保持导正销直径与孔之间有一定间隙。,图2.29 导正销结构,2.3.4.3 定位板和定位钉定位板或定位钉是用作单个毛坯的定位装置，以保证前后工序相对位置精度或工件内孔与外缘的相对位置精度
20、的要求。,图2.31所示为以毛坯外缘定位用的定位板和定位钉。图（a）为矩形毛坯定位用，图（b）为圆形毛坯定位用，图（c）是用定位钉定位。,图2.31 定位板与定位钉（以毛坯外缘定位）,2.3.5 卸料与推件装置 2.3.5.1 卸料装置 1刚性卸料装置刚性卸料装置如图2.33所示，常用于较硬、较厚且精度要求不太高的工件冲裁。,图2.33 刚性卸料装置,2弹性卸料装置 弹性卸料装置一般由卸料板、弹性元件（弹簧或橡皮）和卸料螺钉组成，如图2.34所示，适用于冲裁厚度小于1.5mm的板料。,图2.34 弹性卸料装置,3废料切刀卸料对于大、中型零件冲裁或成形件切边，还常采用废料切刀的形式，将废边切断分
21、开，达到卸料目的，如图2.35所示。,图2.35 废料切刀卸料,2.3.5.2 推件装置 1刚性推件装置常用于倒装复合模中的推件装置，装于上模部分，如图2.36所示。,图2.36 刚性推件装置,推件装置有图（a）、（b）两种类型。当模柄中心位置有冲孔凸模时，采用图（a）的结构，否则就用简单的图（b）的结构。,2弹性顶件装置弹性顶件装置一般都装在下模上，常用于正装复合模或冲裁薄板料的落料模中，如图2.38所示。它不仅起弹顶作用，对冲裁件还有压平作用，可使冲裁件质量提高。,图2.38 弹性顶件装置,2.3.5.3 弹簧与橡皮的选用弹性卸料与顶件装置中的弹性元件常使用弹簧与橡皮，选用弹性元件时，必须
22、同时满足冲裁工艺（包括力和行程）和冲模结构的要求。,1弹簧的选用（1）圆柱螺旋压缩弹簧的选用,选用圆柱弹簧的一般步骤如下。根据模具结构与尺寸空间，确定可装置弹簧的数目n。计算每个弹簧的卸料或顶件载荷FQ=FQ/n。FQ也就是卸料或顶料装置中每个弹簧所受的预压力。,计算卸料或顶件时所需的最大压缩行程Lo（以卸料工作状态为例，如图2.39所示）：Lo=h1+t+h2+h3,式中，h1卸料板高出凸模端面的高度，一般为1mm；h2凸模进入凹模的深度，一般为0.51mm；h3凸模的总修磨量，一般为410mm；t 冲裁件厚度（mm）。,图2.39 卸料时弹簧的工作行程,计算弹簧工作时的总行程L总：L总=L
23、+Lo式中的L即为产生FQ所需的弹簧预压缩量。L总必须不大于弹簧许可的Lj。图2.39中的H即为弹簧产生预压缩量L（相应产生预压力FQ）时弹簧的高度。若弹簧的自由高度为H，则：H=H L。,计算所需弹簧的工作极限负荷Fj与工作极限负荷下的变形量Lj。由虎克定律（图2.39（b）：,Lj令L=KLj（一般取K为60%左右，对于冲裁模，K可取大些，对于拉深或弯曲模，K要取小些。）,则 于是,由 于是 利用上述两式即可由所需的FQ与Lo，求出Fj与Lj。,根据求出的Fj与Lj从标准中选择弹簧型号。根据模具结构校核n个这样的弹簧是否可以安置，如不合适，再按上述步骤重选。,（2）弹簧的安装方法如图2.4
24、0所示。当卸料螺钉数目与弹簧数目相同时，常采用图（b）或图（c）的型式。若弹簧数目多于卸料螺钉数目时，则多的弹簧可采用图（d）的型式。采用图（a）的型式有利于缩短凸模的长度或凹模的高度。,图（c）的卸料螺钉结构是由一般的内六角螺钉、垫片1与套管2组成。当凸模刃磨后，只要修磨垫片1即可调节卸料板的相应位置，使用比较方便。,图2.40 弹簧的安装方法,（3）碟形弹簧的应用当所需卸料力、推件力较大时，可采用碟形弹簧（图2.41），其结构紧凑。但碟形弹簧的压缩量小，对于行程大的模具不宜采用，因为碟形弹簧所需占据的空间高度较大。,2橡皮的选用冷冲模中所用橡皮一般为聚氨脂橡胶（PUR）。橡胶允许承受的载荷
25、较弹簧大，并且安装调整方便，所以在冲裁模中应用很广。,橡胶在压缩后所产生的压力随橡胶牌号、应变量和形状系数（指橡胶承压面积与自由膨胀面积的比值）而变化。模具上安装橡胶的块数和大小大多凭经验确定，必要时可参考有关橡胶资料进行核算。,在模具装配、调整和试冲时，可适当增减橡皮块数，直至试冲证明适用为止。聚氨脂橡胶的总压缩一般35%，对于冲裁模，其预压量一般取10%15%。,2.3.6 模架模架是由上模座、下模座、模柄及导向装置（最常用的是导柱、导套）组成。,模架是整副模具的骨架，模具的全部零件都固定在上面，模架将承受冲压过程中的全部载荷。模架的上模座通过模柄与压力机滑块相连，下模座用螺钉压板固定在压
26、力机的工作台面上。,上、下模之间靠模架的导向装置来保持其精确位置，以引导凸模上下运动，保证冲裁过程中凸凹模间隙均匀。一般模架型号规格均已列入标准，设计时可以选用。,2.3.6.1 对模架的基本要求 应有足够的强度与刚度；应有足够的精度（如上、下模座应平行，导柱、导套中心应与上、下模座垂直，模柄应与上模座垂直等）；,上、下模之间的导向应精确（导向件之间的间隙应很小，上、下模之间的移动应平稳和无滞住现象）。,2.3.6.2 模架形式标准模架中，应用最广的是用导柱、导套作为导向装置的模架。根据导柱、导套位置的不同有以下四种基本型式（图2.42）。,图2.42 模架的基本形式1上模座；2导套；3导柱；
27、4下模座,1后侧导柱模架 2中间导柱模架 3对角导柱模架 4四导柱模架,2.3.6.3 导柱与导套 故导柱的长度应保证冲模在最低工作位置（即闭合位置）时，导柱上端面与上模座顶面的距离不小于1015mm，如图2.43所示。下模座底面与导柱底面的距离应为0.51mm。,图2.43 导柱长度与上、下模座的关系,2.3.6.4 模柄中小型模具都是通过模柄固定在压力机滑块上的。对于大型模具则可用螺钉、压板直接将上模座固定在滑块上。,模柄有刚性与浮动两大类。刚性模柄是指模柄与上模座是刚性连接，不能发生相对运动。浮动模柄是指模柄相对上模座能作微小的摆动。,采用浮动模柄后，压力机滑块的运动误差不会影响上、下模的导向。用了浮动模柄后，导柱与导套必须始终套合，不能脱离。图2.44为各种形式的模柄。,图2.44 各种形式的模柄,常用的刚性模柄有四种型式（图2.44（a）、（b）、（c）、（d）：图（a）是与上模座连成整体的形式，用于小型模具；图（b）为压入式模柄，应用较广；图（c）为旋入式模柄，当修磨刃口需要翻转上模时，旋入式模柄装拆方便。但这种模柄要加止转螺钉；图（d）为带凸缘的模柄，用于较大的模具。,常用的浮动模柄有两种形式（图2.44（e）、（f）：图（e）用于大型模具；图（f）用于小型模具。,
