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五金冲压连续模具設計講義講師：金牛SEKOU2020/2/24目錄•沖孔模設計•復合模設計•成形模設計•結束語2020/2/242沖孔模結構•沖裁是利用模具使板料產生分離的沖壓工序﹐主要包括落料與沖孔。•從板料沖下所需形狀的零件(或毛坯)的工藝稱落料﹐在工件上沖出所需形狀的孔的工藝稱沖孔。•用于沖裁加工工藝的模具稱為沖孔模。利用它可以沖出零件或是為彎曲﹑拉深﹑成形等后續工步准備坯料。定義2020/2/243沖孔模結構定義廢料工件落料沖孔工件廢料2020/2/244沖孔模結構變形特點•整個沖裁過程可分為三個階段﹕彈性變形階段﹑塑性變形階段和剪裂階段。•彈性變形階段﹕由于凸模所施加的壓力﹐材料產生彈性彎曲并略有擠入凹模刃口,如下圖。2020/2/245沖孔模結構變形特點•塑性變形階段﹕材料受力已超過彈性限度﹐這時凸模擠入材料﹐同時材料也擠入凹模﹐由于材料反抗凸模及凹模的擠入﹐產生彎矩M。2020/2/246沖孔模結構變形特點•剪裂階段﹕靠近凹模刃口邊的材料所受應力先達到材料的抗剪強度﹐凹模刃邊材料發生裂紋﹐此時凸模刃邊材料尚處于塑性狀態﹐凸模繼續擠入材料(圖a)。接著﹐凸模刃邊的材料也產生了裂紋﹐當凸模與凹模單面間隙z/2合適時﹐從凸模和凹模分別出現的剪裂紋擴展重合而使沖裁件與材料分離(圖b)。分離后﹐凸模繼續移動將沖裁件推入凹模(圖c)。2020/2/247沖孔模結構變形特點abc2020/2/248沖孔模結構沖裁力曲線右圖所示為沖Q235樣品時的沖裁力曲線。其中AB段為彈性變形區域﹐即第一階段﹔BC為塑性變形﹐并開始發生裂紋﹐即第二階段﹔C點沖裁力最大﹐以后剪變位繼續增加﹐壓力下降﹐至D點﹐材料完全破壞。由D至E點﹐沖頭繼續下行﹐用以克服摩擦力和將沖下部分向凹模推進﹐即第三階段。2020/2/249沖孔模結構沖裁斷面M—毛面G—光面R—塌角沖裁所得的表面﹐如右圖所示﹐在沖出孔的上部﹐有些微圓角稱塌角﹐接著是由剪切形成的光亮光面﹐最后是撕裂形成的毛面。而在廢料上﹐也有類似的三部分﹐只是分布位置的上下次序相反。2020/2/2410沖孔模結構沖裁斷面與間隙I型間隙很大R很大a很大拉毛很大II型間隙較大R較大a正常拉毛正常III型間隙適中R減小a正常拉毛正常IV型間隙較小R減小a正常拉毛及正常V型間隙很小R很小a很小拉毛及擠毛增大2020/2/2411沖孔模結構沖裁斷面與間隙•上頁圖顯示了不同間隙下的沖裁斷面變化情況﹐間隙從I型斷面到V型斷面逐步減小。III型斷面的間隙適中。這種斷面分光面和毛面兩部分﹐并帶有塌角R和毛刺。毛刺由拉應力產生﹐稱拉毛。毛面部分有斜度a。•II型斷面的塌角R較III型有所增加﹐斜度a基本不變﹐拉毛仍正常。•間隙如再擴大(I型斷面)﹐則塌角R及斜度a顯著增加﹐拉毛也增大﹐伴隨工件變形。2020/2/2412沖孔模結構沖裁斷面與間隙•IV型斷面的塌角R較III型減少﹐但斜度與III型相差無几。由于間隙的縮小﹐在毛面中間出現光點﹐毛刺中等﹐除拉毛外﹐并有壓縮應力產生的擠毛。•V型斷面的塌角R極小﹐几乎沒有斜度﹐有兩層相互間隔的光面和毛面﹐毛刺(拉毛和擠毛)有所增加﹐擠毛高度和模具刃口的鋒利程度有關﹐刃口越鋒利﹐擠毛高度越小。2020/2/2413沖孔模結構沖裁斷面與間隙斷面分類I型II型III型IV型V型毛面斜度a14º~16º8º~11º7º~11º6º~11º------塌角高度R①10%~20%t8%~10%t6%~8%t4%~7%t2%~5%t光面高度G①10%~20%t②15%~25%t25%~40%t35%~55%t③50%~70%t④毛面高度M70%~80%t60%~75%t50%~60%t35%~55%t⑤25%~45%t⑥毛刺大﹑拉毛﹑工件變形正常﹑拉毛正常﹑拉毛中等﹑拉毛及擠毛大﹑拉毛及擠毛⑦間隙z/217%~21%t11.5%~12.5%t8%~10%t5%~7%t1%~2%t2020/2/2414沖孔模結構沖裁斷面與間隙•上頁表為低碳鋼沖裁斷面與沖裁間隙的關系。•R與G的和約等于材料斷裂前凸模進入材料的深度。•對于I型斷面﹐工件或廢料上的光面可能窄而不規則﹐甚至無光面。•IV型光面帶光點。•V型光面有兩層﹐中間夾有毛面。•IV毛面帶粗糙面。•V型毛面分兩層﹐中間夾有光面。•擠毛高度與模具刃口鋒利程度有關。2020/2/2415沖孔模結構間隙與沖裁力•間隙越小﹐沖裁力越大﹐而增大沖裁間隙﹐則可以減小沖裁力。•當間隙合理時﹐上下裂紋重合﹐最大剪切力較小。•而間隙過小時﹐材料所受力矩和拉應力減小﹐壓應力增大﹐材料不易產生撕裂﹐上下裂紋不重合又產生二次剪切﹐使沖裁力增大。•間隙較大時﹐材料所受力矩和拉應力增大﹐材料易于剪裂分離﹐故最大沖裁力有所減小。2020/2/2416沖孔模結構間隙與精度•沖件精度是指沖件實際尺寸與基本尺寸間的差值﹐差值越小﹐精度越高。•當間隙較大時﹐材料受拉伸作用變大﹐沖裁完畢后﹐因材料的彈性恢復﹐沖件尺寸向實體方向收縮﹐即落料件尺寸小于凹模尺寸﹐沖孔件的孔徑大于凸模尺寸。•而間隙較小時﹐材料的彈性恢復使落料件的尺寸增大﹐而沖孔的孔徑變小。•沖件的尺寸變化量大小還與材料性能﹑厚度﹑軋制方向﹑沖件形狀等因素有關。模具制造精度及刃口狀態也會影響沖件質量。2020/2/2417沖孔模結構間隙與模具壽命•在沖裁過程中﹐模具刃口處所受的壓力非常大﹐使模具刃口與材料接觸面間出現局部附著現象﹐產生附著磨損。其磨損量與接觸壓力﹐相對滑動距離成正比﹐與材料的屈服強度成反比﹐是模具磨損的主要形式。•當間隙較小時﹐接觸壓力會增大﹐摩擦距離增長﹐摩擦發熱嚴重﹐導致模具加劇磨損﹐使模具與材料間產生粘結現象﹐還會引起刃口的壓縮疲勞破壞﹐使之崩刃。•而間隙較大時﹐材料彎曲拉伸相對增加﹐模具刃口端面的正壓力增大﹐容易產生崩刃或塑性變形﹐使磨損加劇。2020/2/2418沖孔模結構間隙與模具壽命•間隙過大或過小都會降低模具壽命。因此間隙合適或適當增大模具間隙﹐何使凸﹑凹模與材料間的摩擦減小﹐并減緩間隙不均勻的不利因素﹐從而提高模具壽命。•凹模端面磨損比凸模大﹐原因是凹模端面材料滑動較為自由﹐而凸模下的材料沿板面方向的滑動則受到了限制。•凸模側面的磨損最大﹐則是因為凸模側面受到卸料作用的長距離摩擦而加劇了磨損。•為了提高模具壽命﹐可采用較大間隙﹔用小間隙﹐就必須提高模具硬度和制造精度﹐對沖模刃口充分潤滑﹐以減少磨損。2020/2/2419沖孔模結構間隙確定•生產中通常是用一個適當的范圍作為合理間隙﹐最大值稱最大合理間隙﹐最小值稱最小合理間隙。考慮到磨損會使間隙變大﹐故設計和制造模具時﹐通常用最小合理間隙。•理論確定法主要依據是保証裂紋重合﹐以獲得良好的沖裁斷面。公式﹕z=2(t-h0)tgβ=2t(1-h0/t)tgβ材料h0/t(%)βt1t=1~2t=2~4t4軟鋼75~7070~6565~5550~405º~6º中硬鋼65~6060~5555~4845~354º~5º硬鋼54~4747~4544~3835~254º2020/2/2420沖孔模結構間隙確定•在以上計算公式中﹕t—板料厚度(mm)﹐h0/t—產生裂紋時凸模相對壓入深度﹔β—裂紋與垂直方向的夾角。•從公式可以看出間隙與板材厚度﹑相對壓深度﹑裂紋方向角有關。而h0和β又和材料性質有關。•由上頁表可知﹐影響間隙值的主要因素是板材力學性能及其厚度﹐板料越厚﹑越硬或塑性越差﹐h0/t值越小﹐合理間隙值越大。材料越軟﹐h0/t值越大﹐合理間隙值越小。2020/2/2421沖孔模結構間隙確定•查表法五類斷面常用單邊間隙見下表(z/2t[%])。材料I型斷面II型斷面III型斷面IV型斷面V型斷面低碳鋼最大2111.5~12.58~105~71~2高碳鋼最大2517~1914~1611~132.5~5不鏽鋼最大2312.5~13.59~113~51~2鋁最大178~106~82~40.5~1硬鋁最大2012.5~149~105~60.5~1黃銅(退火)最大218~106~82~30.5~1黃銅(半硬)最大249~116~83~50.5~1.5磷銅最大2512.5~13.510~123.5~51.5~2.5純銅(軟)最大258~95~72~40.5~1純銅(半硬)最大259~116~83~51~2鉛最大228~106.5~7.54~61.5~2.5鎂最大165~73.5~4.51.5~2.50.5~12020/2/2422沖孔模結構間隙方向•落料時凹模尺寸做成工件要求尺寸﹐凸模為凹模尺寸減去間隙值。•沖孔時凸模尺寸做成工件要求尺寸﹐凹模為凸模尺寸增加間隙值。•由于凸凹模存在間隙﹐因此落下的料或沖出的孔都是帶有錐度的﹐其大端尺寸基本上等于凹模尺寸﹐小端尺寸基本上等于凸模尺寸。落料以大端尺寸為公稱尺寸﹐沖孔以小端尺寸為公稱尺寸。•由于生產中的磨損﹐在設計時取最小合理間隙。2020/2/2423沖孔模結構沖裁力•沖裁力是指在沖裁中的最大剪切抗力。計算沖裁力是為了合理選擇壓力機和設計模具。平刃口模具的沖裁力計算公式如下﹕F=Ltτ式中F—沖裁力(N)﹔L—沖裁周長(mm)﹔t—材料厚度(mm)﹔τ—材料的抗剪強度(Mpa)。•考慮到模具刃口的磨損﹑凸模與凹模間隙不均勻﹑材料性能的波動和材料厚度偏差等因素﹐實際所需沖裁力應增加30%﹐即﹕F沖=1.3F=1.3Ltτ=Ltσbσb—材料的抗剪強度。2020/2/2424沖孔模結構沖裁力•根據計算出的實際沖裁力﹐我們可選擇沖床噸位﹐沖床噸位應不小于實際沖裁力。•在滿足實際沖裁力的同時﹐還要兼顧本廠設備條件和沖壓生產線的實際排配情況來選擇沖壓設備。•當沖裁力過大時﹐可以用下述方法降低沖裁力﹕A.將材料加熱沖裁﹐但此時應注意用熱模鋼制造模具﹔B.階梯沖裁﹐凸模高度不同﹔C.斜刃口沖裁。為了保証產品的平面度﹐落料時凸模平刃口﹐凹模斜刃口﹔沖孔時﹐凸模做斜刃口﹐凹模做平。2020/2/2425沖孔模結構材料的抗剪強度材料剪切強度τ(Kg/mm²)材料剪切強度τ(Kg/mm²)軟質硬質軟質硬質鉛2~3----鋼板40~5055~60錫3~4----鋼板0.1%C2532鋁7~913~16鋼板0.2%C3240杜拉鋁2238鋼板0.3%C3648鋅1220鋼板0.4%C4556銅18~2225~30鋼板0.6%C5672黃銅22~3035~40鋼板0.8%C7290軋延青銅32~4040~60鋼板1.0%C80105白銅20~3645~56矽鋼板4056軟鋼板3240不鏽鋼板5256深抽拉鐵板30~35----鎳板25----2020/2/2426沖孔模結構降低沖裁力階梯沖用于落料的斜刃2020/2/2427沖孔模結構降低沖裁力沖孔斜刃切舌斜刃2020/2/2428沖孔模結構•在階梯沖的設計中﹐圖示中的T值對于薄料﹐取沖裁板厚﹔對于厚材﹐T值則可取料厚的一半。•斜刃沖裁不僅可以降低沖裁力﹐還可使工件的斷面光潔度有所改善﹐另外﹐還可以降低沖裁中的噪聲﹐改善沖壓加工的工作環境。•但斜刃沖裁也有其缺陷﹐那就是沖下的廢料變形較為嚴重﹐不利于對廢料進行再利用。降低沖裁力2020/2/2429沖孔模結構卸料力﹑推料力和頂料力•卸料力Px是將箍在凸模上的板料卸下時所需要的力﹔推料力Pt是將落料件順著沖裁凹模洞口推出時所需的力﹔頂件力Pd是將落料件逆著沖裁方向頂出凹模刃口時所需的力。2020/2/2430沖孔模結構經驗公式如下:PX=Kx*P(N)PT=nKt*P(N)PD=Kd*P(N)式中,Kx﹑Kt﹑Kd--分別為卸料力﹐推件力和頂件力系數﹔P--沖裁力﹔n--同時卡在凹模洞口內的落料件數﹐n=H/t﹐H為凹模刃壁垂直部分高度﹐t為料厚。當采用錐形洞口時﹐因無落料件卡在洞口內﹐故可不計推件力。卸料力﹑推料力和頂料力2020/2/2431沖孔模結構•沖裁時,被沖剪的胚料(Blank)留於下模孔內,有強力固著於內壁的性質,如果下模剖面的入口與出口加工成同一尺寸,則由前述理由,胚料停止於下模孔內,對下一次的沖剪作業造成不利影響