冷沖模設計 第二章

1、37680-2a第一節(jié)沖裁變形過程及質量分析一、沖裁變形過程分析圖2-1沖裁時凸模刃口部分的材料變形一、沖裁變形過程分析 如圖2-1a所示，將4.8mm厚的軟鋼板置于凸模壓力的作用下，開始僅僅是纖維伸長，然后變形加劇、擴展，慢慢在角部發(fā)生了極大的晶粒歪斜。當凸模切入量達到1.5mm時，刃口側面部分的材料裂紋更為明顯，如圖2-1b所示。沖裁時凸模刃口附近的材料發(fā)生如此變形，而凹模刃口附近的材料也同時發(fā)生相同的變形。凸模繼續(xù)下降，就使上下裂紋擴展延伸，最后直至會合，這樣就完成了板料分離的全過程。圖2-2沖裁區(qū)應力、應變狀態(tài) 沖裁過程的材料變形是很復雜的，由圖2-2可以看出，沖裁除剪切變形外，還有拉

2、伸、彎曲、橫向擠壓等變形，因此，沖裁變形實際上是一個具有多種變形工藝的綜合復雜工藝。也正是由于它的復雜應力與應變，造成了沖裁斷面的變化。表2-1沖裁件斷面的表面粗糙度Ra二、沖裁斷面質量分析 沖裁斷面的4個帶區(qū)在斷面上所占的比例不是一成不變的，而是隨著材料性質、厚度、模具結構及模具間隙的不同而變化。一般沖裁件斷面的表面粗糙度見表2-1。第二節(jié)沖 裁 間 隙圖2-3沖裁間隙一、間隙對斷面質量的影響凸模與凹模工作部分尺寸之差稱為間隙，用Z表示(見圖2-3)，即一、間隙對斷面質量的影響圖2-4沖裁裂紋與斷面變化a)間隙過小b)間隙合理c)間隙過大 若間隙過大，如圖2-4c所示，則凸模刃口附近的微裂紋

3、較合理間隙向內錯開一段距離，材料將受很大的拉伸變形，毛刺、圓角帶、斷裂帶加寬，錐度也增大，光亮帶縮小。若間隙過小，如圖2-4a所示，凸模刃口附近的微裂紋較合理間隙時向外錯開一段距離，上下裂紋中間的一部分材料，二、沖裁間隙對尺寸精度的影響 沖裁制件的尺寸精度除與模具精度及料厚有密切關系外(見表2-2)，還與制件的材質及沖裁間隙有很大的關系。對于塑性材料，由于其伸長率高，彈性變形量小，沖裁后回彈也小，因而尺寸精度較高；硬質材料恰好相反。沖裁間隙過大，材料沖裁時除受剪切外，還產生拉伸彈性變形，沖裁后由于回彈，一般使制件尺寸減少；沖裁間隙過小，材料沖裁時除受剪切外，還產生壓縮彈性變形，沖裁后由于回彈，

4、使制件尺寸增大。沖孔工序與此相反。表2-2沖裁件精度三、合理間隙值的確定 從上述沖裁過程分析可知，間隙值對沖裁件質量、模具壽命、沖裁力大小等各種沖壓因素有極大的影響。沖裁間隙值大致可分為小間隙、較小間隙、中等間隙、較大間隙和大間隙五個類別。總原則是在滿足沖裁件的尺寸精度的要求下，一般取偏大間隙值，這樣可以降低沖裁力和提高模具壽命。(1) 間隙對模具壽命的影響間隙是影響模具壽命的主要因素。(2) 間隙對沖裁力、卸料力、推件力的影響沖裁力隨著間隙的增大雖有一定程度的降低，但當單邊間隙為料厚的5%10%時，沖裁力降低并不明顯，因此一般說來，在正常沖裁力情況下，間隙對沖裁力的影響并不大。(3) 間隙對

5、沖裁件尺寸精度的影響如圖2-5和圖2-6所示，間隙對于沖孔和落料精度的影響規(guī)律是不相同的，且與材料纖維方向有關。1.間隙值對沖裁工藝的影響圖2-6沖孔時間隙對沖裁尺寸精度的影響圖2-5落料時間隙對沖裁尺寸精度的影響2.間隙值的確定(1) 理論計算法根據(jù)圖2-7的幾何關系可得(2) 查表法見表2-3。由表2 3可知，非金屬材料的間隙值通常都較小，最大也不會超過料厚的2%。圖2-7沖裁間隙幾何關系2.間隙值的確定表2-3材料抗剪強度與間隙值的關系(3) 經驗公式法(2) 查表法見表2-3。由表2-3可知，非金屬材料的間隙值通常都較小，最大也不會超過料厚的2%。表2-4系數(shù)C第三節(jié)沖裁模刃口尺寸的計

6、算第三節(jié)沖裁模刃口尺寸的計算圖2-8凸、凹模刃口尺寸的確定a)落料b)沖孔1) 落料時，首先確定凹模刃口尺寸。2) 沖孔時，首先確定凸模刃口尺寸。3) 凹模與凸模的制造公差，主要與沖裁件的精度和形狀有關，一般取制件公差值的1/31/4；當凸、凹模分開加工時，其公差還應滿足要求，即二、計算方法1.分開加工計算方法(1) 落料設制件外形尺寸為D0，計算公式為(注：制件的下偏差必須換算成負值才能代入公式計算)(2) 沖孔制件孔徑尺寸應為d+，計算公式為(注：制件的上偏差必須換算成正值才能代入公式計算)2.配加工計算法表2-5規(guī)則形狀(圓形、方形)沖裁凸、凹模的制造公差(單位：mm)表2-6磨損系數(shù)X

7、 目前模具生產中廣泛采用配加工計算法。此方法使模具制造更方便，成本降低，特別對模具間隙的配制容易保證，是一種經濟的加工方法。它特別適用于各種復雜幾何形狀的凸、凹模刃口尺寸的計算。2.配加工計算法圖2-9凹模的分析計算a)沖裁制件b)凹模(1) 落料以圖2-9a所示的制件為例。落料時應以凹模為基準件來配加工凸模，并按凹模磨損后尺寸變大、變小和不變的規(guī)律分三類情況分別計算(見圖2-9b)。2.配加工計算法(1) 落料以圖2-9a所示的制件為例。1) 凹模磨損后變大的尺寸：A、A1、A2及A3。2) 凹模磨損后變小的尺寸：B。3) 凹模磨損后不變的尺寸：C。當制件尺寸按C+標注時：當制件尺寸按C0標

8、注時：當制件尺寸按C標注時：Cd=Cd2.配加工計算法圖2-10滅弧柵片(2) 沖孔沖孔時應以凸模為基準來配作凹模，凸模同樣根據(jù)以上磨損分類原理來分析計算。四、線切割加工 電火花線切割加工的刃口尺寸的計算原則也屬于配加工法，但由于鉬絲直徑和放電間隙的存在，因此在具體的工藝尺寸確定上有一定的差異。第四節(jié)排樣2Z11.TIF一、沖裁排樣 沖裁件在板料或條料上布置排列的方法稱為排樣。 制件的排樣與材料的利用率有密切關系，對制件的成本影響很大，為此要設法在有限的材料面積上沖出最多數(shù)量的制件(即廢料最少)。 實際上，沖壓制件的材料費在制件成本中所占的比例相當大，對金、銀、銅等貴重金屬尤其如此。此外，排樣

9、好壞還影響生產率、模具壽命及經濟效益等。因此，排樣是一項既復雜又靈活，還要憑一定的實際經驗進行綜合處理的重要設計工作。如圖2-11所示，由于排一、沖裁排樣 沖裁排樣可分為兩大類：第一類根據(jù)廢料的情況可分為有廢料排樣、少廢料排樣和無廢料排樣三種；第二類是按制件排列形式來分，可分為直排法、斜排法、對排法、混合排法、多排法和沖裁搭邊六種，見表2-7。第二類分類法在實際生產中應用極廣。圖2-12材料費與材料利用率的關系一、沖裁排樣表2-7排樣形式分類表二、工藝廢料的確定 工藝廢料主要指沖裁時的搭邊余料。排樣時，制件與制件間、制件與條(板)料邊緣之間的余料稱為搭邊。搭邊雖然是廢料，但在沖壓工藝上起了很大

10、的作用：能補償定位誤差，保證沖出合格制件；能保持條料的剛性，便于送料。搭邊值的大小取決于制件的形狀、材質、料厚及下料方法。搭邊值太小，雖可提高材料利用率，但將造成送料不易正確、制件尺寸精度差、圓角帶增大、側壓力左右不同、凸模彎曲變形、模具壽命短等缺陷。1.普通沖裁的下料搭邊值由經驗確定，見表2-8。表2-8搭邊值(單位：mm)2.多工序級進沖壓時的板材下料(1) 切斷工序中工藝廢料值的確定它主要指制件與制件之間被切除的廢料帶的值，見表2-9。表2 9切斷工序中工藝廢料帶的標準值(單位：mm)表2-9切斷工序中工藝廢料帶的標準值(單位：mm)2.多工序級進沖壓時的板材下料(2) 切口工序中工藝廢

11、料值的確定在級進式沖壓加工中，切口工序使用極廣。表2 10切口工序中工藝廢料標準值表2-10切口工序中工藝廢料標準值2.多工序級進沖壓時的板材下料(3) 材料側面切口值的確定送進方向上材料邊緣的工藝廢料切除量與送料進距有密切的關系。表2 11所示的結構形式即是上述目的的具體化。(4) 拉深毛坯尺寸的沖切標準值表2 11側面切口值尺寸2.多工序級進沖壓時的板材下料 與切縫法來獲得拉深毛坯尺寸，其切口與切縫的標準尺寸見表2-12。材料較薄、材質較軟、淺拉深時各參數(shù)應取表中小值，相反，則取大值。表2-12級進式沖壓時拉深毛坯尺寸的沖切標準值三、材料利用率的計算1.材料寬度B的確定(1) 有側壓裝置B

12、=(L+2a)0-(2) 無側壓裝置B=(L+2a+c)0-(3) 采用側刃B=(L+1.5a+nF)0-表2-13材料寬度公差(單位：mm)2.材料利用率的計算表2-14側刃裁切的條料的切口寬F(單位：mm)(1)通用計算法制件的實際面積與板料面積的百分比稱為材料利用率，一般用表示。=100%(2)規(guī)則幾何形狀計算法=第五節(jié)沖裁力和壓力中心的確定一、總沖裁力的計算1.沖裁力的計算 沖裁時材料對凸模的最大抵抗力稱為沖裁力。它是選擇沖壓設備和檢驗模具強度的一個重要依據(jù)。沖裁力的大小與材質、料厚、沖裁周邊長度、刃口間隙及形狀有關。平刃沖模的沖裁力計算公式為2.降低沖裁力的措施(1)斜刃沖裁如圖2-

13、13a所示，斜刃沖裁是減小沖裁力的有效方法之一，但在生產實踐中使用不廣泛。(2)階梯沖裁在同一副模具上將多個凸模做成不同的高度，如做成階梯形式(圖)，便可分散全部凸模同時壓下時的沖裁力，從而降低沖裁力，減少沖擊振動。圖2-13斜刃沖裁與階梯沖裁a)斜刃沖裁b)階梯沖裁2.降低沖裁力的措施(3)加熱沖裁它是一種對材料加熱，使抗剪強度顯著降低以減小沖裁力的方法，工廠中俗稱“紅沖”。表2-15鋼在加熱狀態(tài)的抗剪強度(單位：MPa)圖2-14卸料力、推料力、頂料力3.卸料力、推料力、頂料力的計算 如圖2-14所示，沖裁完畢時，從凸?；蛲拱寄Ｉ蠈⒅萍驈U料卸下來所需要的力稱為卸料力；從凹模內順沖裁方向將

14、制件或廢料推出所需要的力稱為推料力；從凹模內逆沖裁方向將制件從凹?？變软敵龅牧ΨQ為頂料力。上述三種力分別采用下列經驗公式計算3.卸料力、推料力、頂料力的計算表2-16卸料力、推料力和頂料力系數(shù)4.壓力機總噸位的確定 F卸、F推和F頂三種力是依靠壓力機、卸料裝置和頂料裝置獲得的，因此，計算壓力機所需總壓力時必須具體分析。采用剛性卸料裝置時：F總=F沖+F推。采用彈性卸料裝置時：F總=F沖+F推+F卸。采用彈性卸料及頂料裝置時：F總=F沖+F頂+F卸。二、模具壓力中心的確定 沖壓力合力的作用點稱為模具的壓力中心。模具壓力中心應與壓力機滑塊軸線重合，使滑塊免受偏心載荷影響。否則便會加速滑塊和模具導向

15、部分的磨損，以致影響沖裁件的質量，降低模具的壽命。模具壓力中心的求解，通常用求平行力系合力作用點的方法，包括解析法和圖解法兩種。1.非封閉曲線刃口壓力中心的計算非封閉曲線刃口壓力中心的計算公式見表2-17。表2-17非封閉曲線刃口壓力中心的計算公式1.非封閉曲線刃口壓力中心的計算表2-17非封閉曲線刃口壓力中心的計算公式2.封閉曲線刃口壓力中心的計算 對于對稱形狀的制件，其壓力中心均位于制件輪廓圖形的幾何中心，如為圓形件則壓力中心在圓心；如為矩形(方形)件則壓力中心在對角線交點處。其他圖形見表2-18。表2-18封閉曲線刃口壓力中心的計算公式2.封閉曲線刃口壓力中心的計算表2-18封閉曲線刃口

16、壓力中心的計算公式3.異形制件壓力中心的計算圖2-15異形制件壓力中心3.異形制件壓力中心的計算如圖2-15所示，異形制件壓力中心的計算公式為2Z16.TIF4.多工序級進式沖裁加工壓力中心的計算 如圖2-16所示，首先確定出各工序所需的沖壓力F1、F2、F3，然后配置坐標，確定沖壓力的位置X1、X2、X3。采用相同比例將F1、F2、F3換算成長度尺寸(如1t或10103N為10mm)，將F1、F2、F3首尾連成直線，在線外任取一點O，過O點與F1、F2、F3連成、四條射線，過F1延長線上的任意點1作平行于，過點1作線平行于與F2相交于點2Z17.TIF第六節(jié)精 密 沖 裁一、精密沖裁常用的方

17、法1.強力壓邊精密沖裁 如圖2-18所示，采用帶V形環(huán)強力壓邊的精密沖裁工藝，可以獲得尺寸精度IT6、表面粗糙度大于Ra0.16m的制件，精沖制件厚度可近20mm。這是目前提高沖裁件質量的一個有效方法(后面再作詳細介紹)。2.小間隙圓角刃口半精密沖裁法 如圖2-19所示，小間隙圓角刃口半精密沖裁，又稱為光潔沖裁。圓角刃口的開設方法是，落料時開在凹模上，凸模鋒利；沖孔時開在凸模上，凹模鋒利。刃口小圓角一般取沖壓料厚的10%。沖模間隙為0.010.02mm，沖裁力比普通沖裁時大50%左右。小間隙圓角刃口半精密沖裁適用于塑性好的材料，沖裁制件尺寸精度可近IT9IT11，表面粗糙度Ra2.50.63m

18、。2.小間隙圓角刃口半精密沖裁法2Z18.TIF2Z19.TIF3.負間隙半精密沖裁 如圖2-20所示,負間隙半精密沖裁原理與小間隙圓角刃口半精密沖裁法相同。不同之處僅是凹模刃口為圓角，其值為料厚的5%10%，凸模刃口越鋒利越好。負間隙值凸模一般比凹模大(0.050.3)t。為了減少沖裁力和提高模具壽命，沖裁時需要潤滑良好。沖裁制件尺寸精度可近IT9IT11，表面粗糙度Ra1.250.63m。2Z20.TIF4.往復沖裁4.往復沖裁 如圖2-21所示，往復沖裁的特點是在一個沖裁過程中有兩次往復運動。當凸模切入深度達到(0.050.3)t時即停止，然后再加另一相反方向沖裁而獲得制件。制件具有擴大

19、了的光亮帶(兩個光亮帶區(qū))和雙圓角，以及無毛刺的斷面。但由于往復沖裁對模具結構和精密沖裁設備都有特殊要求，故目前在生產中很少應用。2Z21.TIF二、強力壓邊精密沖裁 強力壓邊精密沖裁俗稱齒圈壓板沖裁，如圖2-18所示。它與普通沖裁的彈頂落料模(反向壓緊固定支承方式)相似，壓板帶有齒形凸梗，凹模帶小圓角，間隙小，壓邊與反頂壓力較大，所以它使板料沖裁區(qū)處于三向壓應力狀態(tài)，形成精密沖裁的必要條件，達到精密沖裁的目的。 沖裁制件可獲得高質量的斷面，表面粗糙度可達Ra1.60.2m，尺寸精度IT6IT9(內孔可比外形高一級)。而且還可與其他成形工序(如彎曲、擠壓、壓印等)合在一起進行復合或連續(xù)沖壓，從

20、而大大提高生產率，降低生產成本。1.齒圈壓板沖裁的過程圖2-22精密沖裁過程1頂出器2凹模3材料4齒圈壓板5凸模1.齒圈壓板沖裁的過程 料送進模具(圖2-22a)模具閉合，板料被齒圈壓板、凹模、凸模和頂出器壓緊(圖2-22b)板料在受壓狀態(tài)下被沖裁(圖2-22c)沖裁完畢，上、下模分開(圖2-22d)齒圈壓板卸下廢料并向前送料(圖2-22e)頂出裝置頂出制件(圖2-22f)2.精密沖裁制件的工藝性(1) 材料精密沖裁材料必須具有良好的變形特性，以便在沖裁過程中不發(fā)生撕裂現(xiàn)象。非鐵金屬，包括純銅、銅的質量分數(shù)大于62%的黃銅、軟青銅、鋁及鋁合金（b250MPa ）都能進行精密沖裁。鋁黃銅精密沖裁

21、質量不好。(2)圓角半徑為了保證制件質量和模具壽命，要求制件避免尖角和太小的圓角半徑。圖2-23最小圓角半徑注：1.對于大于或小于400MPa的材料，R應按之差的比例增加或減小。2.對凹入部分的R值，應按圖中給定的數(shù)值減小25%30%。2.精密沖裁制件的工藝性圖2-24最小孔徑=750MPa=600MPa=450MPa=300MPa=150MPa(3) 孔徑和槽寬 精密沖裁允許的最小孔徑主要由沖孔凸模所能承受的最大壓應力來決定，其值與材料厚度等有關，從圖2-24可查出，如t=6mm，則b =400MPa，查圖2-24得d=3.6mm。圖2-25精密沖裁件最小窄槽寬度2.精密沖裁制件的工藝性(4

22、) 壁厚精密沖裁件的壁厚是指孔、槽之間，或孔、槽內壁與制件外緣之間的距離，如圖2-26所示。圖2-26精密沖裁件最小壁厚2.精密沖裁制件的工藝性圖2-27精密沖裁齒輪模數(shù)、齒寬的極限值(5) 齒形圖2-27精密沖裁齒輪模數(shù)、齒寬的極限值精密沖裁齒輪時，凸模齒形部分承受著壓應力與彎曲應力，為避免齒根部斷裂，必須限制其最小模數(shù)m與齒寬b的值，具體可查圖2-27。3.精密沖裁模設計方法(1) 精密沖裁力精密沖裁材料處于三向壓應力狀態(tài)下，其變形抗力比普通沖裁要大得多。1)精密沖裁時的沖裁力(F沖)。cp=(Mt/d+075) b2)壓邊力(F壓)。F壓=（0204）F沖3)頂出器反推力(F頂)。F頂=

23、（010015）F沖4)精密沖裁時的總壓力，即F總=F沖+ F壓+ F頂3.精密沖裁模設計方法(2) 凸、凹模間隙確定為了減少沖裁變形區(qū)的拉應力成分，增強靜水壓，間隙應越小越好，但間隙太小會影響模具壽命，所以精密沖裁的間隙值大小與材料性質、材料厚度、制件形狀等因素有關。表2 19凸、凹模雙面間隙Z表2-19凸、凹模雙面間隙Z3.精密沖裁模設計方法(3) 精密沖裁凸、凹模刃口尺寸計算1)凹模與沖孔凸模刃口的圓角。2)凸、凹模刃口尺寸的確定。落料4.齒圈壓板設計圖2-28齒圈與刃口形狀 簡單形狀的制件，齒圈可與制件周邊一致;復雜形狀的制件，可在有特殊要求的部位做出與制件外形相似的齒圈，其余部位可簡化,如圖2-28所示。齒形的幾何參數(shù)如圖2-29所示。圖2-29齒形的幾何參數(shù)4.齒圈壓板設計表2-20單面齒圈尺寸(壓板) (單位：mm)表2-21雙面齒圈尺寸(壓板與凹模) (單位：mm)5.精密沖裁搭邊和排樣表2-22精密沖裁搭邊數(shù)值 (單位:mm)圖2-30精密沖裁排樣圖 精密沖裁時齒圈壓板要緊壓材料，故精密沖裁的搭邊值比普通沖裁時要大些，具體可查表2-22。搭邊為a、a1值的排樣圖，如圖2-30所示。其中，a、a1值均取(1.52)t，但a值不能小于1mm。6.精密沖裁模具結構特點(1)精密沖裁模具必要的技術要求1)模架必須精密，導向準確。2)確保凸、凹模同心，使間隙均勻。3)