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1、冲压工艺模具及设备,第二章 冲裁工艺与冲裁模设计,目录,2.1 任务引入,2.2 相关知识,2.3 任务实施,思考与练习题,2.1 任务引入,图a所示的接触环，料厚t=0.35mm，其外形复杂、尺寸较小；图b所示为板厚t=2.2mm，外形较规则、尺寸较大的T形板。,这些都是是本学习单元要讨论解决的内容。,根据它们结构及工艺的差别，设计出合理的模具。,完成这两副冲裁模的设计。,a)接触环,b)T形板,冲裁工艺与冲裁模设计,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2 相关知识,冲裁变形过程分析,冲裁件的工艺性,冲裁间隙,凸模与凹模刃口尺寸的确定,冲裁排样设计,冲裁力和压力中心的计算,冲裁模典型结构,冲裁模零部件
2、设计,2.2.1 冲裁变形过程分析,1. 冲裁变形过程,冲裁过程是在瞬间完成的，冲裁时板料的变形具有明显的阶段性，当凸、凹模间隙正常时，其冲裁过程大致可以分为弹性变形阶段、塑性变形阶段、剪切分离阶段等三个阶段。,冲裁工艺与冲裁模设计,冲裁变形过程,冲压形成基础,2. 冲裁切断面分析,冲裁变形区应力与应变情况和冲裁件切断面情况，冲裁件的切断面存在明显的四个区域性特征，即塌角、光面、毛面和毛刺。,冲裁件的断面质量,塌角a：该区域的形成是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，材料被拉入间隙的结果。,光面b：该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入材料后，材料受刃口侧面的剪切和挤压作用而
3、形成光亮垂直的断面。,毛面c：该区域是在断裂阶段形成的，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d：该区域形成于塑性变形阶段后期，它是由于裂纹的起点不在刃口，而是在刃口附近的侧面上自然形成的。,普通冲裁毛刺的允许高度h/mm,冲裁工艺与冲裁模设计,2. 冲裁件的质量及其影响因素,冲裁件的质量：是指冲裁件的断面状况、尺寸精度和形状误差。,（1）冲裁件断面质量及其影响因素,1）材料力学性能的影响,2）冲裁间隙的影响,间隙大小对冲裁件断面质量的影响,冲裁工艺与冲裁模设计,3）模具刃口状态的影响,凸、凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况,4）模具结构形式的影响,冲裁工艺与冲裁模设计,（
4、2）冲裁件尺寸精度及其影响因素,冲裁件的尺寸精度：是指冲裁件实际尺寸与基本尺寸的差值。,影响冲裁件尺寸精度的因素有两大方面：一是模具的结构与制造精度；二是冲裁结束后冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。,1）冲模的结构与制造精度,冲裁件精度与冲模制造精度的关系,冲裁工艺与冲裁模设计,2）冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差,间隙对冲裁件尺寸精度的影响,（3）冲裁件形状误差及其影响因素,冲裁件的形状误差：是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。,它是由于材料不平、间隙不均匀、凹模圆角对材料摩擦不均匀等造成的和冲裁件上孔间距或孔到边缘的距离太小等原因造成的。,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2.2 冲裁件的工艺性,冲裁件的
5、工艺性主要包括冲裁件的结构与尺寸、精度与断面粗糙度、材料等三个方面。,1. 冲裁件的结构,（1）冲裁件形状应尽可能简单、规则。,（2）冲裁件的内、外形转角处应尽量避免尖角，采用圆弧过渡以便于模具加工，减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。,冲裁件最小圆角半径r/ mm,冲裁工艺与冲裁模设计,（3）尽量避免冲裁件上过于窄长的悬臂和凹槽，否则会降低模具寿命和冲裁件质量。,冲裁件的悬臂与凹槽,冲裁工艺与冲裁模设计,（4）冲孔时，受凸模强度的限制，孔的尺寸不能太小，否则凸模易折断或压弯。,无导向凸模冲孔的最小尺寸,带护套凸模冲孔的最小尺寸,冲裁工艺与冲裁模设计,（5）为避免工件变形和保证模
6、具强度，冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不能过小。一般要求c（11.5）t，c （1.52.0）t，在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免冲孔时凸模受水平推力而折断，孔边与直壁之间应保持一定的距离，一般要求LR0.5t。,冲件上的孔距及孔边距,冲裁工艺与冲裁模设计,1. 冲裁件的精度,（1）冲裁件的经济精度,冲裁件的经济精度：是指模具达到最大许可磨损时，其所完成的冲压加工在技术上可以实现而在经济上又最合理的精度。,冲裁件外形与内孔尺寸公差/mm,冲裁工艺与冲裁模设计,冲裁件孔中心距公差/mm,注：表中所列孔距公差适用于两孔同时冲出的情况。,（2）冲裁件的断面粗糙度,冲裁件的断面粗糙度与材料塑性
7、、材料厚度、冲裁间隙、刃口锋利程度、冲模机构及凸模、凹模工作部分表面粗糙度值等因素有关。,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2.3 冲裁间隙,冲裁间隙：是指冲裁模凸、凹模刃口之间的间隙。可以分为：单面间隙和双面间隙。如无特殊说明，冲裁间隙均是指双面间隙。,冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值，即,式中 Dd凹模刃口尺寸； dp 凸模刃口尺寸。,冲裁工艺与冲裁模设计,1. 间隙对冲裁件质量的影响,间隙是影响冲裁件质量的主要因素之一。,2. 间隙对冲裁力的影响,试验证明，随着间隙的增大冲裁力有一定程度的降低，但当单面间隙介于材料厚度的5-20，冲裁力的降低不超过5-10。因此，在正常情况下，间隙对冲裁
8、力的影响不是很大。,3. 间隙对模具寿命的影响,在保证冲裁件质量的前提下，合理选用较大间隙，可显著提高模具寿命，经济效益突出。,冲裁工艺与冲裁模设计,4. 合理间隙值的确定,目前确定冲裁模合理间隙值的方法有理论确定法和经验确定法两种。,（1）理论确定法,理论确定法的主要依据是保证凸、凹模刃口处产生的上、下裂纹相互重合，以便获得良好的断面质量。冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态，根据几何关系，可得合理间隙Z的计算公式为：,冲裁工艺与冲裁模设计,式中 t 材料厚度； h0 产生裂纹时凸模挤入材料的深度； h0/t 产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度； 剪裂纹与垂线间的夹角。,h0/t与值,冲裁工艺与冲
9、裁模设计,（2）经验确定法,经验确定法是根据经验数据来确定间隙值的。有关间隙值的经验数值，可在一般冲压手册中查到，选用时结合冲裁件的质量要求和实际生产条件考虑。,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2.4 凸模与凹模刃口尺寸的确定,1. 凸、凹模刃口尺寸计算原则,冲裁件的冲裁精度主要取决于凸、凹模的刃口尺寸及制造公差，合理的冲裁间隙也要依靠凸、凹模刃口尺寸的准确性来保证。,（1）设计落料模时，以凹模刃口尺寸为基准，间隙取在凸模上。,（2）设计冲孔模时，以凸模刃口尺寸为基准，间隙取在凹模上。,（3）凸、凹模刃口的制造公差应根据冲裁件尺寸公差和凸、凹模加工方法确定，既要保证冲裁间隙要求和冲出合格零件，又要便
10、于模具加工。,冲裁工艺与冲裁模设计,2. 凸、凹模刃口尺寸计算方法,（1）凸、凹模分别加工,采用这种方法，要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差，冲裁间隙由凸、凹模刃口尺寸及公差保证。其优点是凸、凹模具有互换性，便于成批制造，主要适用于简单规则形状的工件。,设落料件外形尺寸为 ，冲孔件内孔尺寸为 。根据刃口尺寸计算原则，可得：,落料时：,（2-1）,（2-2）,冲裁工艺与冲裁模设计,冲孔时：,（2-3）,（2-4）,式中 Dd、Dp落料凹、凸模刃口尺寸（mm）； dp、dd冲孔凸、凹模刃口尺寸（mm）； Dmax落料件的最大极限尺寸（mm）； dmin冲孔件的最小极限尺寸（mm）； 冲件的制造
11、公差（mm，若冲件为自由尺寸，可按 IT14级精度处理）； Zmin最小合理间隙（mm）；,p、d凸、凹模制造公差（mm），按“入体”原则标注， 即凸模按单向负偏差标注，凹模按单向正偏差标 注。,冲裁工艺与冲裁模设计,x磨损系数，x值在0.51之间，它与冲件精度有关，可查 表或按下列关系选取： 冲件精度为IT10以上时：x1； 冲件精度为IT11IT13时：x0.75； 冲件精度为IT14以下时：x0.5。,根据上述计算公式，可以将冲件与凸、凹模刃口尺寸及公差的分布状态用图表示。无论是冲孔还是落料，为了保证间隙值，凸、凹模的制造公差必须满足下列条件：,若pdZmaxZmin，可以取p0.4（Z
12、maxZmin）， 。若pdZmaxZmin，则应采用后面将要介绍的凸、凹模配作方法。,（2-5）,冲裁工艺与冲裁模设计,落料、冲孔时各部分尺寸及公差的分布状态,当在同一工步冲出冲件上两个以上孔时，因凹模磨损后孔距尺寸不变，故凹模模型孔的中心距可按下式确定：,（2-6）,冲裁工艺与冲裁模设计,式中 Ld凹模型孔中心距（mm）； Lmin冲件孔心距的最小极限尺寸（mm）； 冲件孔心距公差（mm）。,当冲件上有位置公差要求的孔时，凹模上型孔的位置公差一般可取冲件位置公差的1/3-3/5。,（2）凸、凹模配作加工,配作加工：是指在凸模和凹模中选定一件为基准件，制造好后用它的实际尺寸来配作另一件，使它
13、们之间达到最小合理间隙值。,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2.5 冲裁排样设计,1. 材料的合理利用,排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。,（1）材料利用率,材料利用率计算,一个进距内的材料利用率,冲裁工艺与冲裁模设计,（2）提高材料利用率的措施,1）采用合理的排样方法； 2）选用合适的板料规格和合理的裁板方法； 3）利用结构废料冲小零件； 4）在取得设计方同意后，适当改变零件结构形状。,一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率,冲裁工艺与冲裁模设计,2. 排样方法,（1）有废料排样 （2）少废料排样 （3）无废料排样,冲裁工艺与冲裁模设计,排样形式分类,冲裁工艺与冲裁模设计,排样形式分类
14、（续）,冲裁工艺与冲裁模设计,3. 搭边与料宽,（1）搭边,搭边: 是指排样时工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料。,搭边的作用： 1）定位补偿定位误差，确保冲出合格零件 2）增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率 3）避免冲裁时毛刺被拉人模具间隙，提高模具寿命,冲裁工艺与冲裁模设计,影响搭边值的因素： 1）材料的力学性能 2）材料厚度 3）冲裁件的形状与尺寸 4）送料及挡料方式 5）卸料方式,冲裁工艺与冲裁模设计,（2）条料宽度的确定,1）有侧压装置时条料的宽度,导料板间距离,有侧压冲裁,冲裁工艺与冲裁模设计,2）无侧压装置时条料的宽度,导料板间距离,无侧压冲裁,冲裁工艺与冲裁模设计
15、,3）有定距侧刃时条料的宽度,导料板间距离,侧刃冲裁,冲裁工艺与冲裁模设计,（3）绘制排样图,排样图：是排样设计的最终表达形式，通常应绘制在冲压工艺规程的相应卡片上和冲裁模总装图的右上角。,单工序冲裁排样图,冲裁工艺与冲裁模设计,复合冲裁排样图,冲裁工艺与冲裁模设计,级进冲裁排样图,冲裁工艺与冲裁模设计,2.2.6 冲裁力和压力中心的计算,1. 冲压力的计算,（1）冲裁力,通常所说的冲裁力是指冲裁力的最大值。,冲裁力是选用冲压设备、模具设计及强度校核的重要依据。,冲裁力曲线,冲裁工艺与冲裁模设计,影响冲裁力的因素很多，主要有材料力学性能、厚度、冲裁件周边长度、模具间隙大小以及刃口锋利程度等。一
16、般平刃口模具冲裁时，其冲裁力可按下式计算：,F冲裁力（N） L零件的剪切周长（mm） t材料厚度（mm） b材料抗剪强度（MPa） K系数，一般取K1.3,冲裁工艺与冲裁模设计,（2）卸料力、推件力与顶件力的计算,卸料力： 推件力： 顶件力：,KX、KT、KD分别为卸料力系数、推件力系数和顶件 力系数； F冲裁力（N）； n同时卡在凹模孔内的冲件（或废料）数， nh/t（h为凹模孔口的直刃壁高度，一般 取412mm；t为材料厚度）。,冲裁工艺与冲裁模设计,（3）压力机标称压力的确定,压力机的标称压力,冲裁工艺总力计算的三种情况： 1）采用弹压卸料装置和下出件的模具时：,2）采用弹压卸料装置和上出件的模具时：,3）采用刚性卸料装置和下出件的模具时：,冲裁工艺与冲裁模设计,原理：凸模做成不同长
