冲裁工艺及模具设计

第2章冲裁工艺及模具设计目录2.1冲裁变形过程分析2.2冲裁件质量分析2.3冲裁间裁2.4凸模和凹模工作部分尺寸计算2.5冲裁件的工艺性2.6冲裁力和压力中心的计算2.7排样2.8冲裁模2.9冲裁模主要零部件的计算与选用2.10冲裁模设计利用冲模使板料相互分离的冲压工序叫冲裁。冲裁工艺的种类很多，常用的有落料、冲孔、切边、修边、整修等。根据冲裁变形机理的不同，冲裁工艺可分为普通冲裁和精密冲裁两大类。普通冲裁是由凸凹模刃口之间产生剪裂纹的形式实现材料分离的，冲出的冲件断面比较粗糙，精度较低。而精密冲裁则是以塑性变形的形式实现材料分离的，冲出的冲件断面比较光洁，精度较高。冲裁概述冲裁过程如图2-12.1冲裁变形过程分析图2-1冲裁过程图2-2冲裁变形过程1—凸模2—工件3—条料4—凹模2.1冲裁变形过程分析冲裁过程如图2-1：上模是凸模1，装在压力机的滑块上，为活动部分，下模是凹模4，固定在压力机工作台上，是固定部分。凸模和凹模之间有间隙，被冲材料放在凹模刃口上面，当压力机滑块下行时，凸模穿过材料进入凹模洞口，使冲件与材料分离而完成冲裁工作。冲裁变形过程大致可分为如下三个阶段，见图2-2：1．弹性变形阶段变形区内部材料应力小于屈服应力。2．塑性变形阶段变形区内部材料应力大于屈服应力。凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形，还伴随有弯曲、拉伸，凸、凹模有压缩等变形。3．断裂分离阶段变形区内部材料应力大于强度极限。影响断面质量的因素有哪些呢？2.2冲裁件质量的分析冲裁件的质量是指冲裁件的断面状况、尺寸公差及形状误差等。理想的情况，冲裁件的断面应平直、光洁、尺寸公差应满足冲件要求，表面应平坦，即穹弯小。2.2.1冲裁件的断面质量它由塌角、光亮带、断裂带和毛刺四个部分组成。塌角带：弹性变形阶段产生，大小与材料塑性和模具间隙有关。光亮带：塑性剪切变形时产生，质量最好的区域。断裂带：撕裂造成。毛刺区：模具拉挤结果，毛刺不可避免。此外，间隙不正常、刃口不锋利，还会加大毛刺。图2.3断面质量2.2.2冲裁件的尺寸精度及其影响因素影响冲件尺寸精度有两大方面的因素：一是冲模本身的制造偏差，二是冲裁结束后冲件相对于凸模或凹模的尺寸偏差。冲件的精度一般比模具制造精度低2～4级。影响这个偏差值的因素有：间隙、材料性质、工件形状与尺寸等。其中间隙起主导作用。（1）间隙对尺寸精度的影响落料冲孔图2-4间隙对冲件精度的影响间隙较大时：材料拉伸后回复----D落小于D凹，d孔大于d凸间隙较小时：材料压缩后伸长------D落大于D凹，d孔小于d凸所谓间隙是指凹模工作部分尺寸与凸模工作部分尺寸之差：如图2-5所示，即Z=DA-DT（2-1）冲裁模凸模和凹模之间的间隙，不仅如上节中阐明的对冲件的质量有影响，而且还影响模具的寿命、冲裁力、卸料力和推件力等。因此，间隙是一个非常重要的工艺参数。2.3.1间隙对模具寿命的影响冲裁过程中模具的失效形式一般有：磨损、崩刃和凹模洞口胀裂三种。（1）间隙对磨损的影响在保证冲件质量的前提下，为了减小凸、凹模的磨损，延长模具的使用寿命，应采用大间隙冲裁。2.3冲裁模间隙图2-5冲裁模间隙2.3.1间隙对模具寿命的影响（2）间隙对凹模洞孔胀裂的影响。当采用大间隙冲裁时，落料件尺寸小于凹模刃口尺寸，因此，很容易从凹模洞口落下，推件力接近于零，不会把凹模洞口胀裂。（3）间隙对崩刃影响。当采用小间隙冲裁时，凸、凹模刃口的垂直力和侧压力增大，另外，模具受到制造误差和装配精度的限制，凸模不可能绝对垂直于凹模上平面，间隙也不会绝对均匀分布，过小的间隙会造成凸模与凹模啃口甚至崩刃。2.3.2间隙对冲裁力的影响随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易拉断分离，冲裁力减小。但继续增大间隙，会使凸、凹模刃口处产生的裂纹不重合，冲裁力下降变缓。加大间隙冲裁力一般可降低5～10%。所以，在正常情况下，间隙对冲裁力影响不很大。间隙对卸料力、推件力和顶件力的影响较显著，随着间隙的增大，卸料力、推件力和顶件力都随之减小。当采用大间隙冲裁时，卸料力、推件力和顶件力接近于零。2.3.3确定间隙的理论根据在实际生产中，主要根据冲件的断面质量、尺寸精度和模具寿命这三个因素给间隙规定一个范围的值，以满足冲裁件设计的要求。这个范围的最小值称为最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙。在设计和制造模具时，应采用最小合理间隙。确定间隙值的方法有理论计算法和经验查表法两种。2.3.3确定间隙的理论根据由于理论计算方法在生产中使用不方便，为此，可根据下述原则选用经验间隙：（1）冲件尺寸精度在IT11级以上，断面粗糙度Ra小于1.6，采用普通模具用小间隙冲裁，大多数情况下是难以达到要求的。一般宜采用光洁冲裁或冲裁后整修，目前应推广使用精密冲裁。（2）冲件尺寸精度在IT12级以上，断面不允许有较大斜度时，一般采用小间隙冲裁。但对材料厚度小于2毫米的薄料和硬材料，由于断面情况不明显，为提高模具寿命，可在间隙的基础上适当放大冲裁间隙，采用较大间隙冲裁。（3）冲件尺寸精度在IT13～IT15级的非配合尺寸，以及断面无要求的冲裁件，为了提高模具使用寿命，应采用大间隙冲裁。此外，在高速冲裁和硬质合金模具中。为了提高模具寿命，也应采用大间隙冲裁。2.4凸模与凹模工作部分尺寸的计算2.4.1凸模和凹模工作部分尺寸计算的原则测量尺寸应以光亮带部分为基准，如不考虑弹性回复，光亮带尺寸应和凸模（或凹模）尺寸一致。（1）落料时应以凹模为基准进行计算。冲孔时应以凸模为基准进行计算。（2）凸、凹模在使用过程中都会磨损，为了提高模具使用寿命，在模具设计时，应把凹模尺寸取在接近最小极限尺寸处，把凸模尺寸取在接近最大极限尺寸处。（3）在实际生产中，为了便于加工，一般把落料凹模尺寸计算好后换算到凸模上去，凹模上不注形状尺寸，只注凹模洞口位置尺寸。（4）凸模制造公差可选用IT6－IT8级精度。也可按如下经验选取。50毫米以下的尺寸取0.01-0.03mm；50-100毫米取0.03-0.05mm；100-200毫米取0.04-0.06mm。很少有大于0.1mm的公差。2.4.2凸模、凹模工作部分尺寸计算方法（1）按凸模和凹模图纸分别加工这主要用于高效率、高精度、高寿命模具中。凸、凹模尺寸计算公式如下：（2）凹模按凸模配作法一般都是把落料凹模尺寸计算后换算到凸模上。凹模刃口磨损后尺寸有变大、变小、不变三种情况，如图2-9所示图2-9落料时凹模刃口磨损a落料件b凹模刃口轮廓1）判断是落料件还是冲孔件，确定工件上未注公差尺寸的偏差值。2）根据磨损后轮廓变化情况，正确判断模具刃口尺寸磨损后变大，变小还是不变。（落料件：图形外加虚线判断；冲孔件：图形内加虚线判断）3）根据尺寸类型，采用不同计算公式。（1）凹模磨损后变大的尺寸（图中A、A、A）按一般落料凹模尺寸公式计算，即：（2）凹模磨损后变小的尺寸（图中B、B），虽是落料件，但此处相当于冲孔，应按冲孔凸模计算，凹模上的凸出部分相当于冲孔凸模，即：（3）凹模磨损后无变化的尺寸（图中C、C），即：ACAC凹模尺寸按凸模实际尺寸配制，并保证最小配合间隙值zmin理解各参数的含义及取值！！！！落料件2)冲孔件----以凸模为基准件凸模磨损后变大的尺寸：凸模磨损后变小的尺寸：凸模磨损后不变的尺寸：凹模刃口尺寸按凸模实际尺寸配制，并保证最小间隙为Zmin冲孔件0min).(TxbbTTxaaT0max).(T5.05.0CCminT2.5冲裁件的工艺性冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲压加工工艺的适应性，即冲裁件的形状结构、尺寸大小、尺寸偏差、形位偏差与尺寸基准等是否符合冲裁加工的工艺要求。2.5.1冲裁件的结构工艺性1、冲裁件的形状应力求简单、对称、有利于材料合理利用.2、冲裁件的外形和内孔，除无废料冲裁或镶拼结构模具外，应避免尖锐的清角，各直线或曲线的连接处，应具有适当的圆角相连.3、冲件的凸出或凹入部分的宽度和深度，一般情况下应不小于1.5t，同时应避免有窄长的切口和过窄的切槽.4、冲件的冲孔边缘离外形的最小距离随冲件与孔的形状不同有一定的限制.5、在弯曲或拉深件上冲孔时，孔边与直壁之间应保持一定距离，以免冲孔时凸模受水平推力而折断.6、尽可能避免冲裁宽度小于三倍材料厚度的窄长冲件，必要时，可用金属丝压扁来代替.7、冲孔时，孔的最小尺寸与孔的形状，材料机械性能和材料的厚度有关.2.5.2冲裁件的精度与断面粗糙度1、冲裁件的经济公差等级不高于IT11级，一般要求落料件的公差等级最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。冲裁所能达到的冲件公差列于表2-8和表2-9。2、冲裁件的断面粗糙度与材料塑性、材料厚度、冲裁间隙、刃口锐钝等有关，当冲裁2mm以下金属材料，其断面粗糙度Ra一般可达12.5～3.5μm.冲裁材料（1）冲裁材料金属材料（钢、铝、各种贵重金属及各种合金）非金属材料（纸板、塑料板、胶合板等)复合材料（涂层板、复合板等）（2）冲裁件材料选取原则1）对冲裁材料机械性能的要求有一定强度和韧性，避免过硬、过软、过脆。2）对材料规格的要求材料厚度公差应符合国家标准，厚薄均匀，避免采用边角料。3）冲裁件材料的选取原则廉价代贵重，薄料代厚料，黑色代有色2.6冲裁力和压力中心的计算2.6.1冲裁力的计算冲裁力，即冲裁时所需的压力，是选择压力机的主要依据，也是模具设计时所必须计算的数据。用普通平刃凸模冲裁时，冲裁力F一般按下式计算：F=KLt式中：F——冲裁力（N）；L——冲件周长(mm)；t——材料厚度(mm)；——抗剪强度(MPa)；K——系数。b因抗剪强度不少资料中查不到，为计算方便，也可按下式计算：F=Lt2.6.2卸料力、推件力及顶件力计算卸料力、推件力及顶件力卸料力：从凸模上卸下紧紧箍在凸模上的条料所需的力；推件力：将梗塞在凹模洞口内的落料件或废料向下推出所需的力；顶件力：逆冲裁方向将落料件或废料从凹模洞口顶出所需的力。见图2-16.FKFXXFnKFTTFKFDD卸料力：推件力：顶件力：thn/2.6.3压力机公称压力的确定压力机的公称压力必须大于或等于冲压力。冲裁时的冲压力Fz由冲裁力、卸料力、推件力及顶件力组成。具体按下述公式计算。采用弹压卸料装置和下出件方式冲裁模时Fz＝F＋FX＋FT（2-27）采用弹压卸料装置和上出件方式冲裁模时Fz＝F＋FX＋FD（2-28）采用固定卸料装置的下出件方式冲裁模时Fz＝F＋FT（2-29）当采用大间隙冲裁时，卸料力、推件力、顶件力都有很小，可不予考虑。2.6.4降低冲裁力的方法当冲件材料较厚且冲件尺寸较大，所需的冲压力很大，而压力机的压力不够时，可采用以下三种方法来降低冲压力。1、阶梯凸模冲裁（图2-17）在多凸模的冲裁中，将凸模设计成不同长度，使凸模工作端面呈阶梯式布置（图2-17）。这样各凸模冲裁力的最大值不同时出现，以此降低总的总裁力。2．斜刃冲裁（图2-18）３、加热冲裁:材料在加热状态下，抗剪强度明显下降，所以，加热冲裁能降低冲裁力图2-18图2-172.6.5冲模压力中心的确定模具的压力中心：冲压力合力的作用点。模具的压力中心必须通过模柄轴线而与压力机滑块的中心线相重合。否则，滑块就会受到偏心载荷，导致滑块导轨和模具的不正常磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而降低冲件质量和模具寿命，甚至可能损坏模具。1．简单几何图形压力中心的位置1）对称冲件的压力中心，位于冲件轮廓图形的几何中心上。2）冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中心。3）冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置，按下式计算：bRsRy//sin180确定多凸模模具的压力中心，是将各凸模的压力中心确定后，再计算模具的压力中心。根据理论力学知，合力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和。由此可求出压力中心座标（X0，у0）。2．多凸模压力中心的位置2．多凸模压力中心的位置多工序级进模有时计算非常复杂，所以，一般凭经验估计压力中心，一般估