冲压工艺与模具设计

第2章冲裁工艺与模具设计（时间：4次课，8学时）第2章冲裁工艺与模具设计教学目标：本章介绍冷冲压模具设计的重要内容，也是最基础的内容。通过本章的学习，将达到能设计中等复杂程度冲裁模具的水平。为此，应了解冲裁变形过程及冲裁端面的特征；掌握冲裁间隙对冲裁件精度和模具的影响；掌握确定合理冲裁间隙的方法；掌握排样方法，学会确定条料宽度；掌握冲裁力及压力中心的计算。第2章冲裁工艺与模具设计教学重点和难点：各种模具及其组成零件的结构及特点；冲裁模的设计步骤及模具刃口尺寸的计算。第2章冲裁工艺与模具设计案例导入：要大批量冲制如下图所示的工件(材料为08F，材料厚度为2mm，制件精度为IT14级)，应选择何种模具？如何提高板料的材料利用率？凸模和凹模的间隙应是多少？如何计算凸模和凹模刃口尺寸和公差？模具主要零件的结构及尺寸如何设计？如何选择标准模架和选用压力机？第2章冲裁工艺与模具设计第2章冲裁工艺与模具设计2.1冲裁变形过程分析2.2冲裁间隙2.3冲裁模刃口尺寸计算2.4冲压力及压力中心计算2.5冲裁件的工艺性2.6排样2.7精密冲裁2.8模具设计2.9冲裁模的设计步骤2.10冲裁模设计实训习题与练习2.1冲裁变形过程分析2.1.1冲裁变形过程2.1.2冲裁断面特征2.1冲裁变形过程分析冲裁是利用模具在压力机上使板料沿一定轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它包括落料、冲孔、切口、切边、剖切等多种工序。落料和冲孔是两种最基本的冲裁形式。从板料上冲下所需形状的零件(或毛料)叫落料；在工件上冲出所需形状的孔(冲去部分为废料)叫冲孔。2.1冲裁变形过程分析图2-1平板垫圈2.1.1冲裁变形过程如图2-2所示变形过程:如果模具间隙正常，冲裁变形过程大致可分为如下3个阶段。1.弹性变形阶段见图2-2(a)。在凸模和凹模压力的作用下，板料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形。2.塑性变形阶段见图2-2(b)。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。3.断裂分离阶段见图2-2(c)、(d)、(e)。2.1.1冲裁变形过程2.1.2冲裁断面特征断面分析：圆角带；光亮带；断裂带；毛刺区。2.1.2冲裁断面特征圆角带a：当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入间隙，形成圆角带。材料的塑性越好、凸模和凹模的间隙越大，圆角带也越大。光亮带b：当刃口切入材料后，材料受到凸模和凹模剪切应力τ和挤压应力σ的作用而形成光亮垂直的断面。通常光亮带占整个断面的1/2~1/3。断裂带c：是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面。毛刺区d：毛刺。2.2冲裁间隙2.2.1冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响2.2.2冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响2.2.3冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶件力的影响2.2.4冲裁间隙对模具寿命的影响2.2.5合理间隙值的确定2.2冲裁间隙冲裁模凸模与凹模刃口部分横向尺寸之差成为冲裁间隙，用Z表示：式中：Z-冲裁间隙（mm）；Dd-凹模尺寸（mm）；Dp-凸模尺寸（mm）。pdDDZ2.2冲裁间隙图2-4冲裁间隙2.2.1冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响在4个特征区中，光亮带越宽，断面质量越好。塑性较差的材料容易断裂，材料被剪切不久就会出现裂纹、分离，使断裂带增宽，而光亮带和圆角带所占的比例较小，毛刺也较小。材料塑性较好，冲裁时裂纹出现得较晚，材料被剪切的深度较大，光亮带所占的比例就大，圆角和毛刺也大。冲裁间隙对冲裁件断面的影响如图2-5所示。在设计和制造模具时，应使冲裁间隙保持在一个合理的范围之内。2.2.1冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响图2-5冲裁间隙对冲裁件断面的影响2.2.2冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响冲裁件的尺寸精度，是指冲裁件的实际尺寸与图纸上的基本尺寸之差。差值越小，精度越高。这个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。2.2.3冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶件力的影响随着间隙的增大，材料在冲裁时所受的拉应力将增大，材料容易断裂分离，冲裁力有一定程度的降低。但在正常情况下，间隙对冲裁力的影响并不很大。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大，卸料力和推件力都将减小。一般当单面间隙增大到材料厚度的15%~25%时，卸料力几乎降到零。但间隙继续增大时会引起毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力的迅速增大。2.2.4冲裁间隙对模具寿命的影响冲模失效的形式一般有磨损、崩刃、变形、胀裂和折断。冲裁力主要集中在凸模和凹模的刃口部分。刃口变形和端面磨损加剧，甚至崩刃。所以为了减少凸、凹模的磨损，延长模具使用寿命，在保证冲裁件质量的前提下适当采用较大的间隙值是十分必要的。若采用小间隙，就必须提高模具的硬度和耐磨性，提高模具的制造精度，冲裁时采用良好的润滑，以减小磨损。2.2.5合理间隙值的确定因此，在冲压实际生产中，主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这三个因素综合考虑，给间隙规定一个范围值。这个间隙范围就称为合理间隙，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)。考虑到在生产过程中的磨损使间隙变大，故设计与制造新模具时应采用最小合理间隙Zmin。确定合理间隙值有理论确定法和经验确定法两种。1.理论确定法2.经验确定法2.3冲裁模刃口尺寸计算2.3.1凸、凹模刃口尺寸计算原则2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算2.3冲裁模刃口尺寸计算凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。所以，正确确定凸、凹模刃口尺寸和公差，是冲裁模设计中的一项重要工作。2.3.1凸、凹模刃口尺寸计算原则冲裁件的断面带有锥度，在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光面的尺寸为基准。在模具的使用过程中，凸模和凹模的刃口会产生磨损，凸模越磨越小，凹模越磨越大，结果使间隙越来越大。所以，在计算凸模和凹模的刃口尺寸时，落料和冲孔应区别对待，遵循的原则如下。(1)由于落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔件孔的尺寸由凸模尺寸决定，故设计落料模时，先确定凹模刃口尺寸，再以凹模为基准，间隙取在凸模上，即凸模尺寸以凹模尺寸减去冲裁初始间隙来确定；设计冲孔模时，先确定凸模刃口尺寸，再以凸模为基准，间隙取在凹模上，即凹模尺寸以凸模尺寸减去冲裁初始间隙来确定。(2)考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。不论是落料还是冲孔，冲裁间隙都取最小合理间隙值。(3)确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。一般来说，模具制造精度比制件精度高3~4级。冲压件的尺寸公差和冲模刃口尺寸公差都应按“入体”原则标注为单向公差，即落料件和凸模刃口尺寸上偏差为零，下偏差为负；冲孔件和凹模刃口尺寸上偏差为正，下偏差为零。若磨损后不变化的尺寸(如两孔中心距等)，应按双向对称标注。2.3.1凸、凹模刃口尺寸计算原则2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算由于模具的加工方法不同，凸模与凹模刃口尺寸的计算方法也不同，基本上可分为两种情况。d0)(pxdd凸dd0min0min)Zx()Z(ddd凸凹()x(19)mm工件制造公差，尺寸系数表。对于冲孔工序,孔尺寸为::maxmindpZZ-Dd0)D(Dx凹0min0min)ZD()ZD(Dppx凹凸()x(19)mm工件制造公差，尺寸系数表。:对于落料工序,工件尺寸为:2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算例2-1冲制如图2-8所示的工件，其材料为08钢，料厚t=1mm，试计算凸模和凹模刃口尺寸和公差。2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算图2-8零件图2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算(a)冲裁件2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算图2-9落料时的冲裁件和凹模2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算(a)冲裁件2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算(b)凸模图2-10冲孔时的冲裁件和凸模2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算例2-2冲裁如图2-11所示的制件，材料为10钢，料厚0.8mm，用配作方法加工冲模，试确定落料模具刃口尺寸和公差。解：因为制件的冲裁属于落料，故先确定凹模的刃口尺寸，然后再以凹模为基准件配作凸模。凹模磨损后其尺寸变化有三种情况。2.4冲压力及压力中心计算2.4.1冲压力计算2.4.2压力中心计算2.4冲压力及压力中心计算平刃冲裁：F-冲裁力(N)L-冲裁轮廓总长(mm)，t-材料厚度(mm),-材料抗拉强度(MPa)bLtFb2.4.1冲压力计算冲压力是指冲裁过程中冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的总称。它是在模具设计时选择冲压设备和校核模具强度的重要依据。1.冲裁力的计算冲裁力是冲裁过程中凸模对板料施加的压力，它是随凸模进入材料的深度而变化的。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值。2.4.1冲压力计算2.卸料力、推件力和顶件力的计算为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的料卸下，将卡在凹模内的料推出。从凸模上卸下箍着的料所需要的力称卸料力，用FX表示；将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力称推件力，用FT表示；逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力称顶件力，用FD表示，如图2-12所示。kF?Fk系数2.4.1冲压力计算图2-12卸料力、推件力和顶件力2.4.1冲压力计算3.压力机公称压力的确定冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲压力(FZ)。FZ为冲裁力和与冲裁力同时发生的卸料力、推件力或顶件力的总和。2.4.2压力中心计算模具的压力中心也就是冲压力合力的作用点。为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线相重合。否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常的磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。所以，在设计模具时，必须要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压力机滑块中心重合。2.5冲裁件的工艺性冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。良好的冲裁工艺性是指在满足冲裁件使用要求的前提下，能用普通的冲裁方法，在生产率较高、模具寿命较长、成本较低的条件下稳定地获得合格质量的冲裁件。因此，在开始设计冲裁模之前，首先应进行冲裁件的工艺性分析，审查冲裁件的结构形状、尺寸大小、精度要求、材料性能及厚度等方面是否符合冲裁的工艺要求，力求使其具有良好的冲裁工艺性。2.6排样2.6.1冲裁排样2.6.2搭边值和条料宽度的确定2.6.3材料利用率的计算2.6排样制件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。合理排样对于提高材料利用率、降低成本，保证冲件质量及提高模具寿命具有十分重要的意义，是模具设计的重要内容之一。2.6.1冲裁排样根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为3种，如图2-17所示。(1)有废料排样：图2-17(a)。沿制件全部外形冲裁，制件与制件之间、制件与条料侧边之间都留有搭边废料。因此精度高，并且模具寿命也高，但材料利用率低。(2)少废料排样：图2-17(b)。沿制件部分外形切断或冲裁，只在制件与制件之间或制件与条料侧边之间留有搭边。材料利用率较高。(3)无废料排样：图2-17(c)。制件周围无任何搭边，制件由切断条料直接获得。材料利用率最高。2.6.1冲裁排样2.6.1冲裁排样2.6.1冲裁排样2.6.1冲裁排样续表2.6.2搭边值和条料宽度的确定1.搭边排样时制件之间以及制件与条料侧边之间留下的工艺废料叫搭边。搭边的作用一是补偿定位误差，确保冲出合格的制件；二是保证条料具有一定的刚度，便于条料送进，从而提高劳动生产率。一般来说，硬材料的搭边值比软材料、脆材料的搭边值要小一些；制件形状大而复杂、圆