冲裁工艺与模具设计

冲裁工艺与模具设计一、冲裁工艺概述冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它既可以直接冲出成品制件，也可以作为弯曲、拉深等其他工序的坯料，还可以在已成形的制件上进行再加工（切边、切口、冲孔等）。1.什么是冲裁工艺？2.冲裁时板料变形区的受力情况图1冲裁时作用于板料上的力1—凹模；2—板料；3—凸模材料所受外力如图1所示。主要包括：𝑭𝒑、𝑭𝒅――凸、凹模对板材的垂直作用力；𝑭𝟏、𝑭𝟐――凸、凹模对板材的侧压力；𝝁𝑭𝒑、𝝁𝑭𝒅――凸、凹模端面与板材间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口，其中，𝝁是摩擦系数，下同。𝝁𝑭𝟏、𝝁𝑭𝟐——凸、凹模侧壁与板材问的摩擦力。a3.冲裁时板料的变形过程冲裁变形过程可分为三个阶段：第一阶段：弹性变形阶段。在这一阶段中，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，当凸模卸载后，板料立即恢复原状。第二阶段：塑性变形阶段。凸模继续压人，压力增加，材料内的应力达到屈服点，产生塑性变形。第三阶段：断裂分离阶段。凸模继续压入材料，先后在凹、凸模刃口侧面产生裂纹，裂纹产生后沿最大切应力方向向材料内层发展，当裂纹相遇重合时，材料便被切断分离。图2冲裁变形过程图3冲裁时材料的应力状态图图4冲裁力-凸模行程曲线裂纹最先产生于凹模侧面4.冲裁件的质量（1）断面质量及其影响因素冲裁件端面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺组成。圆角带是刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形的部分；光亮带是板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的端面；断裂带是刃口处产生的微裂纹在拉力作用下，不断拓展而形成的撕裂面；毛刺是断面上高于制件的部分，是不可避免的。图5冲裁件的断面特征a)冲孔件b）落料件断面质量的影响因素在四个特征区中，光亮带剪切面质量最佳，而断裂带的断面粗糙，且带有斜度。各个部分在整个断面上的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件有关。主要有以下几个方面：（a）材料的塑性越好，光亮带所占比例越大，圆角和穹弯较大，断裂带较窄；材料的塑性差，反之。（b）间隙过大，使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向里移动一个距离；间隙过小，使凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向外移动一个距离。图6间隙对断面质量的影响（c）模具刃口状态对断面质量的影响图7模具刃口状态对断面质量的影响a）凹模磨钝b）凸模磨钝c）凸、凹模均磨钝凸模钝时，落料件产生较大毛刺；凹模钝时冲孔件产生较大毛刺。（2）影响冲裁件尺寸精度的因素表1冲裁件的精度（a）由表1可知，冲模的制造精度越高、材料厚度越小，冲裁件的精度越高。（b）材料性能冲裁件在变形过程中的“回弹”现象。𝜶角↓，材料的回弹↑；𝜶角↑，材料的回弹↓。图5材料的回弹理论（c）冲裁间隙间隙过大，材料的拉伸作用变大（3）形状误差冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。冲裁件呈曲面不平现象称为翘曲。主要由间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的，此外材料的各向异性和卷材未矫正也会产生翘曲。冲裁件呈扭歪现象称为扭曲。是由于材料不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的。金属冲裁件所能达到的经济精度为IT14—IT10级，要求高的可达到IT10—IT8级。二、冲裁模具的设计思路1、冲裁模设计的总原则：在满足制件尺寸精度和形状精度的前提下力求使模具结构简单、操作方便、材料消耗少、制件成本低。2、冲裁模设计思路三、冲裁工艺性分析冲裁件的工艺性是指该工件在冲裁加工中的难易程度。良好的冲裁工艺性应保证材料消耗少、工序数少、模具结构简单且寿命长、产品质量稳定、操作安全方便等。1、冲裁工艺性要求1）应避免冲裁件上有过窄的悬臂和狭槽。最小宽度：𝒃≥𝟐𝒕2）冲裁件的孔与边缘间距离b1、孔与孔之间的距离b2不能太小。3）冲裁件的外形或内孔的转角处，应避免有锐角的清角，应采用圆弧过渡。4）冲孔的尺寸不能太小。2.冲裁件的尺寸精度和粗糙度普通冲裁件1）尺寸精度一般在IT10~IT11级以下2）剪切断面表面粗糙度Ra6.3μm（冲裁厚度在2mm以下）3）冲孔精度比落料精度高一级3、典型案例分析制件结构简单对称，外形近似圆形，有一宽2mm的槽口，不是狭槽。槽口处存在近似90°的转角。圆孔间距b1=2t，方形孔的孔边距b=1.8mm2t。，制件上内孔Φ4与Φ6的公差为0.07mm（由附录K可知为IT10级），其他尺寸无精度要求（视为IT13级），因此，制件总体精度为IT10级。因该制件为电子器材的外观配件，制件内外轮廓相对尺寸精度要求较高，同时要求冲压材料表面光洁、平整,无氧化皮、裂纹、锈斑、划痕等缺陷。所用材料为纯铝(1200)，冲裁性能较好，但容易产生毛刺。综上所述，制件具有较好的冲裁性能，适宜采用冲裁加工。四、冲裁模刃口尺寸计算1、冲裁间隙冲裁间隙Z是指冲裁模中凹模刃口横向尺寸Dd与凸模刃口横向尺寸Dp的差值。Z表示双面间隙，单面间隙用Z/2表示，如无特殊说明，冲裁间隙就是指双面间隙。Z值可为正，也可为负，但在普通冲裁中，均为正值。1）.冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶料力的影响间隙越小，冲裁力就越大；反之，间隙越大，冲裁力就小。间隙越小，卸料力和推料力随之增加；间隙越大，卸料力和推料力随之减小。间隙对卸料力、推料力的影响大于对冲裁力的影响。2）.冲裁间隙对冲模寿命的影响较小的间隙可提高模具的使用寿命。过小的间隙对模具的寿命极为不利。3）.合理间隙值的确定合理间隙是一个范围值，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）。确定合理间隙值有理论法和经验确定法两种。a）理论确定法主要是根据凸、凹模刃口产生的裂纹相互重合的原则进行计算。根据图中几何关系可求得合理间隙为Z。软钢𝜷=𝟓°~𝟔°，𝜷=𝟒°~𝟓°，中硬钢硬钢𝜷=𝟒°。b）经验确定法根据研究与实际生产经验，间隙值可按要求分类查表确定。对于尺寸精度、断面质量要求高的冲裁件应选用较小间隙值。这时冲裁力与模具寿命作为次要因素考虑。对于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件，在满足冲裁件要求的前提下，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的双面间隙值。2、凸、凹模刃口尺寸计算的原则影响冲裁件尺寸精度的首要因素是模具刃口尺寸的精度，合理间隙值也需要刃口尺寸及其制造公差来保证。在确定刃口尺寸及制造公差时应遵循的原则：1）落料件尺寸取决于凹模刃口尺寸，冲孔件尺寸取决于凸模刃口尺寸。在计算落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；在计算冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。2）根据磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取制件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。冲裁间隙一般采用最小合理间隙值。3）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。制造公差太小，会增加模具的成本和制造难度；公差太大，会降低模具的使用寿命3、凸、凹模刃口尺寸的计算方法冲裁模加工方法的不同，其刃口尺寸的计算方法也不同。冲裁模的加工方法分为互换加工法和配做加工法两种。凸、凹模互换加工时，凸、凹模刃口尺寸的计算（1）落料根据计算原则，落料时以凹模为设计基准。首先确定凹模尺寸，使凹模的基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸；将凹模尺寸减小最小合理间隙值即得到凸模尺寸。（2）冲孔（3）孔心距孔心距属于磨损后基本不变的尺寸。或取：δA=0.6(Zmax-Zmin)δT=0.4(Zmax-Zmin)足以下条件𝛿𝑇+𝛿𝐴≤𝑍𝑚𝑎𝑥−𝑍𝑚𝑖𝑛例题：冲制图2.4.2所示零件，材料为Q235钢，料厚t=0.5mm。计算冲裁凸、凹模刃口尺寸及公差。解：由图可知，该零件属于无特殊要求的一般冲孔、落料。凸、凹模配合加工时，凸凹模刃口尺寸的计算配合加工方法，是先按照工件尺寸计算出基准件凸模（或凹模）的公称尺寸及公差尺寸，然后配做另一个相配件凹模（或凸模）。采用配作法，计算凸模或凹模刃口尺寸，首先判断出模具刃口各个尺寸在磨损过程中是变大，变小还是不变这三种情况，然后分别按不同的公式计算。(1）凸模或凹模磨损后会增大的尺寸——第一类尺寸A(2）凸模或凹模磨损后会减小的尺寸——第二类尺寸B(3）凸模或凹模磨损后会基本不变的尺寸——第三类尺寸C号钢。试计算冲裁件的凸模、凹模刃口尺寸及制造公差。解：该冲裁件属落料件，选凹模为设计基准件，只需要计算落料凹模刃口尺寸及制造公差，凸模刃口尺寸由凹模实际尺寸按间隙要求配作。由表2.3.3查得：。由公差表查得工件各尺寸的公差等级，然后确定X，对于尺寸80mm，选x=0.5；尺寸15mm，选x=1；其余尺寸均选x=0.75。落料凹模的基本尺寸计算如下：第三类尺寸：磨损后基本不变的尺寸落料凸模的基本尺寸与凹模相同，分别是79.79mm，39.75mm，34.75mm，22.07mm，14.94mm，不必标注公差，但要在技术条件中注明：凸模实际刃口尺寸与落料凹模配制，保证最小双面合理间隙值。落料凹模、凸模的尺寸如图2.4.4。五、凸凹模结构设计1、凸、凹模结构设计凸模的结构形式按其工作断面的形式可分为圆形和非圆形凸模。（1）圆形凸模：工作断面为圆形凸模设计（2）非圆形凸模：近似分为圆形类和矩形类圆形类凸模注意凸模定位，常用骑缝销来防止凸模的转动。如果用线切割加工非圆形凸模，则固定部分和工作部分的尺寸及形状一致，即为直通式凸模。凸模长度的确定在满足使用要求的前提下，凸模尽量减短。采用固定卸料板的冲裁模凸模长度为：L=h1+h2+h3+(15~20)mm式中h1——凸模固定板厚度；h2——卸料板厚度；h3——导料板厚度；L——凸模长度；15~20mm——包括凸模进入凹模的深度、凸模修磨量、冲模在闭合状态下卸料板到凸模固定板间的距离。采用弹压卸料板的冲裁模凸模（包括凸凹模）长度：L=h1+h2+h4+t式中，h1——凸模（包括凸凹模）固定板厚度；h2——弹压卸料板厚度；h4——凸模修模量（一般取4~6mm）、凸模进入凹模深度（0.5~2mm，且大于毛刺高度）、预压状态下凸模固定板与弹压卸料板之间的距离（大于卸料板工作行程）；t——冲压材料厚度；L——凸模长度。2）凹模结构设计凹模的刃口形式2.凹模外形尺寸凹模厚度：H=Kb凹模壁厚：小凹模C=(1.5~2)H大凹模C=(2~3)H式中b——凹模孔的最大宽度（mm）；K——系数，见表2-27；H——凹模厚度，其值为15~20mm；C——凹模壁厚，其值为26~40mm。3.凸凹模的最小壁厚凸凹模的内、外缘均为刃口，内、外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸，为保证凸凹模的强度，凸凹模应具有一定的壁厚。凸凹模的最小壁厚C一般按经验数据确定，不积聚废料的凸凹模（正装复合模）最小壁厚值为：冲裁硬材料时C=1.5t冲裁软材料时C≈t，积聚废料的凸凹模（倒装复合模），由于胀力大，故最小壁厚只要比上述数据适当加大。a）有效刃口以下壁厚的增加b）增加壁厚且废料反向顶出凸凹模壁厚的增加六、冲裁模主要零部件的设计1、冲压力的计算（a）冲裁力𝐹=𝐾∙𝐿∙𝑡∙𝜏（b）卸料力、推料力、顶料力2、模具压力中心的计算冲裁模的压力中心是指冲压合力的作用点。简单对称的工件的压力中心为它的几何中心，复杂的用软件计算。在设计冲模时必须确定模具的压力中心，并使其通过模柄的轴线，从而保证模具压力中心与冲床滑块中心重合。3、定位方式确定在送料方向上的定位，用来控制送料的进距；在与送料方向垂直方向上的定位，通常称为送进导向。定位板与定位销用于单个毛坯进行冲压加工时定位。挡料销保证条料送进时有准确的送进距。4、卸料方式确定分为刚性卸料板和弹性卸料板两种形式。封闭式适用于冲压厚度在0.5mm以上的条料；悬臂式适用于窄而长的毛坯；钩形适用于简单的弯曲模和拉深模。工作空间敞开，操作方便，生产效率高，冲压前对毛坯有压紧作用，冲压后又使冲压件平稳卸料，从而使冲裁件较为平整。但受弹簧、橡胶等零件的限制，卸料力较小，且结构复杂，可靠性与安全性不如刚性卸料板。推件装置刚性推件装置，推力大，推件可靠，