冷沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)教程-沖裁模設(shè)計(jì)

裁模設(shè)計(jì) 2章 沖 裁 模 沖裁模設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 沖裁模設(shè)計(jì)應(yīng)用 沖裁模設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 沖裁變形原理 沖裁件的質(zhì)量分析 沖裁工藝分析 沖裁模的分類(lèi) 排樣 計(jì)算沖壓力 沖壓設(shè)備的選擇 確定模具壓力中心 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 凸模、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 定位零件 導(dǎo)向零件 卸料與頂件裝置 連接與固定零件 沖裁變形原理 在沖裁過(guò)程中，凸模與凹模的刃口輪廓與制件相同。凸、凹模之間有一定的間隙。當(dāng)凸模下沖時(shí)，將在凸、凹模之間的毛坯板料沖裁成制件。為了控制沖裁件的質(zhì)量，研究沖裁的變形機(jī)理，就需要分析沖裁時(shí)板料分離的實(shí)際過(guò)程。圖 形過(guò)程大致可分為三個(gè)階段。 (1) 彈性變形階段 (2) 塑性變形階段 (3) 分離階段 圖 板料被沖裁過(guò)程 (a)彈性變形階段； (b)塑性變形階段； (c)分離階段 沖裁件的質(zhì)量分析 1. 尺寸精度 沖裁件的形狀尺寸精度在很大程度上取決于沖模的制造精度。沖模的精度愈高，沖裁件的精度愈高。 2. 斷面質(zhì)量 沖裁間隙對(duì)于斷面質(zhì)量起決定性的作用。在具有合理間隙的沖裁條件下，沖裁件所產(chǎn)生的初始裂紋將重合，可得正常的沖裁件斷面質(zhì)量。 當(dāng)間隙過(guò)大或過(guò)小時(shí)，上、下裂紋便不能重合。如果間隙過(guò)大，如 圖 2.4(a) 所示，使凸模產(chǎn)生的裂紋向內(nèi)偏移。板料受拉伸、彎曲，剪切斷面塌角變大，光亮帶變窄，斷裂帶變寬，錐度增加，沖裁件將產(chǎn)生穹彎。如果間隙過(guò)小，如 圖 2.4(b) 所示，會(huì)使凸模產(chǎn)生的裂紋向外偏移。通常允許存在一定大小的毛刺。 圖 間隙和表面質(zhì)量的關(guān)系 (a)間隙過(guò)大； (b)間隙過(guò)小 沖裁工藝分析 1. 沖裁件的形狀和尺寸要求 2. 沖裁件的精度與斷面粗糙度 1. 沖裁件的形狀和尺寸要求 (1) 沖裁件的形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)。 (2) 沖裁件的凸出懸臂和凹槽的寬度不宜太小，以免凸模折斷，其合理值見(jiàn) 表 (3) 沖裁件的外形或內(nèi)形的轉(zhuǎn)角處，要避免尖角出現(xiàn)。 (4) 沖孔時(shí)，由于受到?jīng)_孔凸模強(qiáng)度的限制，孔的尺寸不宜過(guò)小。沖孔的孔徑尺寸與孔的形狀、材料的機(jī)械性能、材料厚度等有關(guān)， (5) 沖裁件的孔與孔之間，孔與邊緣之間的距離不應(yīng)過(guò)小，否則模具的強(qiáng)度和沖裁件的質(zhì)量不能保證， (6) 在彎曲件或拉深件上沖孔時(shí)，為了避免沖孔時(shí)使凸模受水平推力而折斷，其孔邊與制件直壁間應(yīng)保持一定的距離， 表 沖裁件的凸出懸臂和凹槽的最小寬度 B( 材料 B 硬鋼 黃銅、軟鋼 紫銅、鋁 (.0)t (.2)t (.9)t 2. 沖裁件的精度與斷面粗糙度 (1) 沖裁件的經(jīng)濟(jì)精度一般不高于 高可達(dá)孔比落料的精度約高 1級(jí)。沖裁件的尺寸公差、孔中心距的公差及孔對(duì)外緣輪廓的偏移公差分別見(jiàn)表 (2) 沖裁件的斷面粗糙度一般為 最高可達(dá)高 沖裁件內(nèi)外形所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度 基本尺寸 / 料 厚 度t/3 3 6 6 10 10 18 18 500 1 2 3 5 兩孔中心距公差 材料厚度t/般精度 較高精度 孔距基本尺寸 /50 50 150 150 300 50 50 150 150300 1 1 2 2 4 4 6 孔中心與邊緣距離尺寸公差 材料厚度t/中心與邊緣距離 /50 50 120 120 220 220 360 2 2 4 4 沖裁模的分類(lèi) (1) 按工序的性質(zhì)可分為落料模、沖孔模、切斷模、切口模、剖切模、切邊模等。 (2) 按工序的組合方式可分為單工序的簡(jiǎn)單模和多工序的連續(xù)模、復(fù)合模以及連續(xù)復(fù)合模。 (3) 按模具上、下模的導(dǎo)向方式可分為無(wú)導(dǎo)向的開(kāi)式模和有導(dǎo)向的導(dǎo)板模、導(dǎo)柱模、滾珠導(dǎo)柱模、滾柱導(dǎo)柱模等。 (4) 按控制送料步距的方法可分為固定擋料銷(xiāo)式、活動(dòng)擋料銷(xiāo)式、自動(dòng)擋料銷(xiāo)式、導(dǎo)正銷(xiāo)式、側(cè)刃式等。 (5) 按凸、凹模的材料可分為碳素工具鋼沖模、合金工具鋼沖模、硬質(zhì)合金沖模、鋅基合金沖模、橡皮沖模、聚氨酯橡膠沖模等。 (6) 按凸、凹模的結(jié)構(gòu)形式可分為整體模與拼塊模。 (7) 按凸、凹模的位置形式可分為正裝模和倒裝模。 (8) 按模具的卸料方法可分為剛性卸料模和彈性卸料模。 排樣 1. 排樣的方式 幾種常見(jiàn)的排樣方式見(jiàn) 表 2. 材料的利用率 排樣時(shí)，在保證制件質(zhì)量的前提下，主要考慮如何提高材料的利用率。材料利用率的計(jì)算公式如下： 一個(gè)進(jìn)距的材料利用率的計(jì)算見(jiàn)式 ( 3. 搭邊 排樣時(shí)制件之間，以及制件與條料側(cè)邊之間留下的余料叫搭邊。搭邊的作用是補(bǔ)償條料的定位誤差，保證沖出合格的制件。搭邊還可以保持條料有 定的剛度，便于送料。 %1 00 排樣方式 h h b b 直 排 斜排 b b h h 直對(duì)排混合排 b b h h 少?gòu)U料 無(wú) 廢 料 計(jì)算沖壓力 1. 沖裁力的計(jì)算 采用平刃口凸模和凹模沖裁時(shí)，其沖裁力的計(jì)算見(jiàn)式 ( 2. 卸料力、推件力和頂件力的計(jì)算 如 圖 影響卸料力、推件力和頂件力的因素很多，主要有材料的機(jī)械性能、材料厚度、沖裁間隙、制件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸以及潤(rùn)滑情況等。在生產(chǎn)中，都是采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算： 3. 沖裁工藝力的計(jì)算 0沖卸卸 沖推推 沖頂頂 圖 卸料力、推件力和頂件力 推卸 沖壓設(shè)備的選擇 1. 沖壓設(shè)備類(lèi)型的選擇 根據(jù)所要完成的沖壓工藝的性質(zhì)，生產(chǎn)批量的大小，沖壓件的幾何尺寸和精度要求等來(lái)選擇設(shè)備的類(lèi)型。 2. 沖壓設(shè)備規(guī)格的確定 在沖壓設(shè)備的類(lèi)型選定之后，應(yīng)該進(jìn)一步根據(jù)沖壓件的尺寸、模具的尺寸和沖壓力來(lái)確定設(shè)備的規(guī)格。 確定模具壓力中心 對(duì)稱(chēng)形狀制件沖模的壓力中心，位于制件輪廓圖形的幾何中心上，非對(duì)稱(chēng)制件的沖模以及多凸模、連續(xù)模的壓力中心可用解析法予以確定。 解析法采用空間平行力系的合力作用線(xiàn)的求解方法，根據(jù)“合力對(duì)某軸之力矩等于各分力對(duì)同軸力矩之和”的合力矩定理求得。 圖 略 圖 卸料力推件力頂件力 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 1. 尺寸計(jì)算原則 生產(chǎn)實(shí)踐證明：由于凸、凹模之間存在著間隙，使落下的料或沖出的孔都帶有錐度，落料件的大端尺寸等于或接近于凹模刃口尺寸，沖孔件的小端尺寸等于或接近于凸模刃口尺寸。如 圖 2. 刃口尺寸計(jì)算方法 根據(jù)上述原則，就可確定凸、凹模的刃口尺寸及公差。但由于模具的加工和測(cè)量方法不同，在進(jìn)行具體計(jì)算與尺寸公差標(biāo)注時(shí)，其方法也不同，通常按下述方法進(jìn)行。略 3. 沖裁間隙 沖裁間隙是指沖裁凸、凹模之間工作部分的尺寸之差。如無(wú)特別說(shuō)明，沖裁間隙即指雙邊間隙。 圖 刃口尺寸與沖件尺寸的關(guān)系 凸模尺寸凹模尺寸單面間隙沖孔 件尺寸落料 凸模、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1. 凸模設(shè)計(jì) 凸模又稱(chēng)沖頭，是沖模的關(guān)鍵零件之一，凸模本身按其作用又可分為工作部分 (即刃口 )和固定部分，如 圖 2. 凹模設(shè)計(jì) 3. 凸凹模 4. 鑲拼式凸模與凹模 圖 凸模 定位零件 1. 擋料銷(xiāo) 擋料銷(xiāo)的定位面抵住條料的前搭邊或制件內(nèi)廓的前 (后 )面，使條料送進(jìn)步距準(zhǔn)確。 2. 導(dǎo)正釘 導(dǎo)正釘亦叫導(dǎo)正銷(xiāo)，在連續(xù)模中安裝在落料凸模上。落料前由于它先插入已沖出的內(nèi)孔中而獲得制件良好的內(nèi)孔定位，這時(shí)沖模上安裝的固定擋料銷(xiāo)，僅對(duì)條料起粗略定位的作用。 3. 側(cè)刃 在連續(xù)模中若采用導(dǎo)正釘精確定位有困難時(shí)，可改用側(cè)刃定位。側(cè)刃定位主要用于板料厚度小于 種結(jié)構(gòu)的定位元件的特點(diǎn)是步距定位精度高，操作方便，生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是造成一定的板料消耗和增大沖裁力。 4. 導(dǎo)尺 導(dǎo)尺有分離式和整體式，如 圖 圖 導(dǎo)尺 (a)分離式； (b)整體式 導(dǎo)向零件 1. 導(dǎo)板 在導(dǎo)板模中，以導(dǎo)板對(duì)凸模導(dǎo)向，此時(shí)導(dǎo)板又兼作卸料板之用。導(dǎo)板的厚度可取凹模厚度的 1倍，長(zhǎng)寬尺寸與凹模相同。導(dǎo)板用材料為 5鋼。 2. 導(dǎo)柱、導(dǎo)套 (1) 滑動(dòng)導(dǎo)柱、導(dǎo)套 (2) 滾動(dòng)導(dǎo)柱、導(dǎo)套 滾動(dòng)導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向是由無(wú)間隙的純滾動(dòng)副來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而與滑動(dòng)式導(dǎo)向裝置相比，其導(dǎo)向精度高、摩擦力小、發(fā)熱量小，但剛度差，因而使用范圍受到一定限制。如 圖 圖 滾動(dòng)導(dǎo)向裝置 卸料與頂件裝置 1. 卸料與頂件裝置的型式 2. 推 (頂 )件裝置 推 (頂 )件裝置多在復(fù)合模中采用，通過(guò)它的動(dòng)作將卡在凹模內(nèi)的制件或廢料推 (頂 )出來(lái)。其結(jié)構(gòu)如 圖 3. 卸料機(jī)構(gòu)中關(guān)系沖裁的計(jì)算 4. 彈性元件的選用與計(jì)算 圖 打桿的長(zhǎng)度 連接與固定零件 1. 模柄 2. 上模板和下模座 它們是沖模全部零件安裝的基體，又承受和傳遞沖壓力，因此它要具有足夠的強(qiáng)度、剛度和足夠大的外形尺寸。上、下模板 (座 )有帶導(dǎo)柱和不帶導(dǎo)柱兩種。 常用標(biāo)準(zhǔn)模架的型式，如 圖 圖 常用標(biāo)準(zhǔn)模架 沖裁模設(shè)計(jì)應(yīng)用 無(wú)導(dǎo)向的開(kāi)式簡(jiǎn)單沖裁模設(shè)計(jì)實(shí)例 導(dǎo)板式落料模 導(dǎo)柱式落料模 連續(xù)模 正裝復(fù)合模 倒裝復(fù)合模 拼塊式落料模 厚料沖孔模 小孔沖裁模 懸臂式?jīng)_孔模 兩同心件落料模 硬質(zhì)合金沖裁模 棒料切斷模 非金屬?zèng)_裁模 精密沖裁模 無(wú)導(dǎo)向的開(kāi)式簡(jiǎn)單沖裁模設(shè)計(jì)實(shí)例 1. 模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 無(wú)導(dǎo)向開(kāi)式簡(jiǎn)單沖裁模結(jié)構(gòu)如 圖 2. 設(shè)計(jì)實(shí)例 材料為 料厚度 3批量生產(chǎn)。 (1) 沖裁件工藝分析 (2) 排樣 (3) 計(jì)算沖壓力 (4) 沖壓設(shè)備的選擇 (5) 確定模具壓力中心 (6) 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 (7) 凸模、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (8) 沖裁模具總圖 圖 無(wú)導(dǎo)向簡(jiǎn)單沖裁模結(jié)構(gòu) 模柄凸模凹模卸料板定位板底座工件(a)無(wú)導(dǎo)向開(kāi)式簡(jiǎn)單落料模； (b)無(wú)導(dǎo)向開(kāi)式簡(jiǎn)單落料模爆炸圖 導(dǎo)板式落料模 帶固定擋料銷(xiāo)的導(dǎo)板式落料模結(jié)構(gòu)如 圖 具的上模部分由模柄、上模座、墊板、凸模固定板和凸模組成。模柄與上模座采用過(guò)盈配合。上模座、墊板、凸模固定板由銷(xiāo)釘定位、螺釘固定。凸模和凸模固定板采用過(guò)盈配合，凸模尾部鉚接在固定板上，隨后一起磨平。墊板由高硬度鋼材制成，用以承受和分散凸模壓力，以免上模座被壓出凹坑而使凸模上下松動(dòng)。 圖 導(dǎo)板落料模結(jié)構(gòu)圖 擋料釘板料鉚邊(c)導(dǎo)板落料模平面圖 導(dǎo)柱式落料模 對(duì)于精度要求較高，生產(chǎn)批量較大的沖裁件，多采用導(dǎo)柱沖裁模。導(dǎo)柱沖裁模的凸、凹模刃口由導(dǎo)柱、導(dǎo)套進(jìn)行精確導(dǎo)向定位。導(dǎo)柱式落料模的結(jié)構(gòu)如 圖 套與上模座過(guò)盈配合，導(dǎo)柱與下模座過(guò)盈配合。導(dǎo)柱與導(dǎo)套之間為間隙配合，配合公差通常采用 H6/7/模具采用后置式導(dǎo)向方式，優(yōu)點(diǎn)是有較大的操作空間。該模具采用了彈性卸料裝置，由卸料板、彈簧與卸料螺釘組成。 圖 柱落料模結(jié)構(gòu)圖 (a)導(dǎo)柱落料模軸側(cè)圖 連續(xù)模 連續(xù)模 (又稱(chēng)級(jí)進(jìn)模、跳步模 )指的是壓力機(jī)在一次沖壓行程中，在幾個(gè)不同的工位上同時(shí)完成多道工序的沖裁的沖模。下面以用側(cè)刃定距的連續(xù)模為例來(lái)介紹。側(cè)刃定距連續(xù)模的結(jié)構(gòu)如 圖 凸模固定板上，除裝有一般的沖孔、落料凸模外，還裝有一種特殊的凸模 側(cè)刃凸模。側(cè)刃斷面的長(zhǎng)度等于送料步距。在壓力機(jī)的每次行程中，側(cè)刃在條料的邊緣沖下一塊長(zhǎng)度等于步距的缺口。側(cè)刃凸模前后導(dǎo)料板之間前寬后窄，在由寬變窄的過(guò)渡處形成一個(gè)凸肩，與條料缺口凸肩相接處，起定位作用。當(dāng)側(cè)刃切去一個(gè)步距長(zhǎng)度缺口時(shí)，條料便可向前送進(jìn)一個(gè)步距，從而保證了孔與外形相對(duì)位置。為防止在條料末端無(wú)法定位，也可采用雙側(cè)刃沖裁定位方式。 圖 側(cè)刃定距連續(xù)模結(jié)構(gòu) 板料沖孔刃口凹模下模座步距沖裁刃口落料刃口導(dǎo)料板導(dǎo)板凸模固定板墊板上模座(b)連續(xù)模爆炸圖 正裝復(fù)合模 復(fù)合模是多工序沖模中的一種。它可在壓力機(jī)的一次沖壓行程中，在同一位置上，同時(shí)完成幾道工序沖壓的沖模。它不存在連續(xù)模中的送料定位誤差問(wèn)題。由于復(fù)合模要在同一位置上完成幾道工序，因此它必須在同一位置上安裝幾套相對(duì)應(yīng)的凸、凹模。在模具的下模，外面裝有落料凹模，里邊裝有沖孔凸模；而在上模，裝著凸凹模 (這是在復(fù)合模中必不可缺的零件 )。 沖孔落料正裝復(fù)合沖裁模的典型結(jié)構(gòu)如 圖 裁時(shí)，上模部分由壓力機(jī)橫桿通過(guò)推件系統(tǒng)推出沖孔廢料，沖裁件由安裝在下模座下的彈頂裝置將其在落料凹模中由下向上頂出。 圖 正裝復(fù)合模結(jié)構(gòu)圖 (d)正裝復(fù)合模平面圖 倒裝復(fù)合模 沖孔落料倒裝復(fù)合沖裁模的典型結(jié)構(gòu)如 圖 模部分有落料凹模與沖孔凸模，通過(guò)沖孔凸模固定板、墊板由銷(xiāo)釘定位、螺釘固定裝在上模座上。凸凹模通過(guò)凸凹模固定板、墊板裝在下模座上。采用導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向，導(dǎo)柱布置在兩側(cè)。為防止裝反，兩個(gè)導(dǎo)柱的直徑不同。為了推件與卸料，上模裝有由推桿、推板、推桿與推件板組成的剛性系統(tǒng)。下模裝有由卸料板、卸料螺釘與橡皮組成的彈性卸料系統(tǒng)。彈性卸料板對(duì)條料起校平作用。沖裁時(shí)，落料凹模將彈性卸料板壓下，沖孔凸模也進(jìn)入沖孔凹?？字?，同時(shí)完成沖孔與落料。當(dāng)上?；爻虝r(shí)，彈性卸料板在橡皮作用下將條料從凸凹模上卸下，而推桿受到橫桿的推動(dòng)，通過(guò)推板、推桿與推件板將沖件從落料凹模中推出，沖孔廢料由凸凹?？字新┏?。條料的定位依靠左側(cè)的兩個(gè)活動(dòng)導(dǎo)料銷(xiāo)，中間的一個(gè)活動(dòng)擋料銷(xiāo)控制送料位置。兩種銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)完全相同。這種導(dǎo)料與擋料的方法在復(fù)合模中的應(yīng)用較多，它不影響彈性卸料板對(duì)條料的壓平作用。 圖 倒裝復(fù)合模結(jié)構(gòu)圖 (a)倒裝復(fù)合模軸側(cè)圖 拼塊式落料模 1. 拼塊模具的特點(diǎn)及其應(yīng)用 2. 拼塊方法 圖 拼接法 3. 拼塊劃分原則 4. 拼塊模具實(shí)例 圖 拼接法 厚料沖孔模 本沖模適合于沖制厚度在 6構(gòu)如 圖 特點(diǎn)是具有錐尾的凸模由螺母緊固在固定座上。用這種方式固定凸模較為可靠，拆卸、更換非常方便。由于凸模頭部帶凸尖，對(duì)沖裁具有自動(dòng)導(dǎo)向和定位效果，可以起到減少凸模折斷的作用。定位板可在固定板上調(diào)整到合適位置后由螺栓和螺母固定。當(dāng)需要移動(dòng)時(shí)，由定位板上的柱銷(xiāo)在固定板中槽內(nèi)導(dǎo)向。廢料經(jīng)由壓力機(jī)臺(tái)面孔排出。 圖 厚料沖孔模結(jié)構(gòu)圖 小孔沖裁模 1. 小孔沖裁的特點(diǎn) 沖小孔已不像沖一般孔那樣是一個(gè)以剪切為主的受力、變形狀態(tài)，而主要是通過(guò)凸模將材料擠壓到凹?？變?nèi)。 小孔沖裁對(duì)孔邊距要求更高。 小孔沖裁的間隙較小，其雙面間隙一般在 (t。 小孔沖裁時(shí)，在孔周?chē)┘虞^大的預(yù)壓力。 小孔沖裁的卸料也增加了難度 2. 小孔沖模實(shí)例 小孔沖模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是保護(hù)凸模不被折斷。通常采用凸模全長(zhǎng)導(dǎo)向方式，或采用超短凸模方式。 對(duì)凸模采用全長(zhǎng)導(dǎo)向的小孔沖模結(jié)構(gòu)如 圖 圖 對(duì)凸模采用全長(zhǎng)導(dǎo)向的小孔沖模結(jié)構(gòu) 凸模固定板夾持板固定護(hù)套凸模導(dǎo)套壓料板活動(dòng) 懸臂式?jīng)_孔模 該模具用于沖裁筒形拉深件筒壁上的孔?？装磮A周均布。筒形拉深件由內(nèi)壁與定位柱徑向定位，軸向由定位螺釘定位。當(dāng)沖完第一個(gè)孔時(shí)，由這個(gè)孔在圓周方向上用分度定位銷(xiāo)定位，再?zèng)_第二個(gè)孔。凸模采用快換固定方式。橡膠的作用是，當(dāng)沖孔結(jié)束后凸模退回時(shí)，壓住工件，以防被凸模帶起導(dǎo)致工件變形。模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如 圖 合于小批量生產(chǎn)。 圖 懸臂式?jīng)_孔模結(jié)構(gòu)圖 兩同心件落料模 同時(shí)沖兩個(gè)同心件的復(fù)合模結(jié)構(gòu)如 圖 兩個(gè)同心件的尺寸是相互嵌套的，外件的孔徑為內(nèi)件的外徑。用復(fù)合模沖兩個(gè)同心件，由于采用兩個(gè)套裁，因此需要兩套凸模和凹模。該模具顯示了在同一位置上布置多套凸模和凹模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它采用了套筒式的嵌套形式。凸模和凹模的布置：上模外圈裝凸凹模，內(nèi)裝凸模。下模外圈裝凹模，內(nèi)裝凸凹