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1、排样设计与计算1材料利用率冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济性指标。一个步距内的材料利用率 (图 2.5.1)可用下式表示若考虑到料头、料尾和边余料的材料消耗，则一张板料(或带料、条料) 上总的材值越大，材料的利用率就越高，在冲裁件的成本中材料费用一般占 60以上，可见材料利用率是一项很重要的经济指标。2提高材料利用率的方法冲裁所产生的废料可分为两类（图 2.5.1）：一类是结构废料，是由冲件的形状特点产生的；另一类是由于冲件之间和冲件与条料侧边之间的搭边，以及料头、料尾和边余料而产生的废料，称为工艺废料。要提高材料利用率，主要应从减少工艺废料着手。
2、减少工艺废料的有力措施是：设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的裁板法（减少料头、料尾和边余料） ，或利用废料作小零件（如表 2.5.1 中的混合排样）等。对一定形状的冲件，结构废料是不可避免的，但充分利用结构废料是可能的。当两个不同冲件的材料和厚度相同时，在尺寸允许的情况下，较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来。如电机转子硅钢片，就是在定子硅钢片的废料中取出的，这样就使结构废料得到了充分利用。另外，在使用条件许可下，当取得零件设计单位同意后，也可以改变零件的结构形状，提高材料利用率，如图 2.5.2 所示。2.5.2 零件形状不同材料利用情况的对比根据材料的合理利用情况，条
3、料排样方法可分为三种，如图 2.5.3 所示。图 2.5.3 排样方法分类1有废料排样 如图 2.5.3a 所示。沿冲件全部外形冲裁，冲件与冲件之间、冲件与条料之间都存在有搭边废料。冲件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高，模具寿命也高，但材料利用率低。2少废料排样 如图 2.5.3b 所示。沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。因受剪裁条料质量和定位误差的影响，其冲件质量稍差，同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命，但材料利用率稍高，冲模结构简单。3无废料排样 如图 2.5.3c 所示。冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间均无搭边，沿直线或曲线切断条料而获得冲
4、件。冲件的质量和模具寿命更差一些，但材料利用率最高。另外，如图 2.5.3c 所示，当送进步距为两倍零件宽度时，一次切断便能获得两个冲件，有利于提高劳动生产率。采用少、无废料的排样可以简化冲裁模结构，减小冲裁力，提高材料利用率。但是，因条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差影响，冲裁件公差等级低。同时，由于模具单边受力（单边切断时） ，不但会加剧模具磨损，降低模具寿命，而且也直接影响冲裁件的断面质量。为此，排样时必须统筹兼顾、全面考虑。冲裁力的计算影响冲裁力的主要因素是材料的力学性能、厚度、冲裁件轮廓周长及冲裁间隙、刃口锋利程度与表面粗糙度等。综合考虑上述影响因素，平刃口模具的冲裁力可按
5、下式计算F=KLt b式中，F冲裁力，单位为 N；L冲裁件周边长度，单位为 mm；t材料厚度，单位为 mm； b材料抗剪强度，单位为 MPa;K考虑模具间隙的不均匀、刃口的磨损、材料力学性能与厚度的波动等因素引入的修正系数，一般取 K=1.3。对于同一种材料，其抗拉强度与抗剪强度的关系为 b1.3 b,故冲裁力也可按下式计算F=Lt b卸料力、推件力与顶件力的计算卸料力、推件力与顶件力是从压力机和模具的卸料、推件和顶件装置中获得的，所以在选择压力机的公称压力和设计冲模以上装置时，应分别予以计算。影响这些的力因素较多，主要有材料的力学性能与厚度、冲裁件形状与尺寸、冲模间隙与凹模孔口结构、排样的搭
6、边大小及润滑情况等。在实际计算时，常用下列经验公式FX=KXFFT=nKTFFD=KDF式中，F X 、F T 、F D分别为卸料力系数、推件力系数和顶件力系数，其值见表 2-20；F冲裁力，单位为 N；n同时卡在凹模孔内的冲裁件（或废料）数，n=h/t(h 为凹模孔口的直刃壁高度，t 为材料厚度)。表 2-20 卸料力、推件力及顶件力的系数冲裁件材料 FX FT FD纯铜、黄铜 0.020.06 0.030.09 0.030.09铝、铝合金 0.0250.08 0.030.07 0.030.07钢（料厚t/mm）约 0.10.10.5 0.52.52.56.56.5d0.0650.0750.
7、0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03压力机吨位的计算螺旋压力机的吨位的计算公式如下：1. P=p/q=(6473)F/q式中 P螺旋压力机吨位（KN） ；P模锻所需变形力（KN） ；F4 连同飞边的投影面积（cm 2） ；（6473复杂锻件系数取 73，简单件取 64；q是一个变形系数，按螺旋压力机模锻中的行程和变形功可分为：锻件需要大的变形行程、变形量和变形功进行模锻时，q=0.61.1；锻件需要较小的变形行程和变形功进行模锻时 q=1.3；锻件只需要很小的变形行程，但需要很大的
8、变形力进行精压时 q=1.6。2. P=（17.528）KF 总 （KN）式中 F 总 锻件连同飞边的总投影面积（cm 2） ；K钢种系数；（17.528）系数 28 用于变形困难（如挤压变形，有飞边变形等）及生产率高的条件下，反之取 17.5。上式适用于锤击 23 次成形时所需设备的吨位计算。如果需一次锤击成形应按计算增大一倍。模具压力中心的计算多凸模冲裁时压力中心的计算步骤如下： 选定坐标轴 XY。 计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离 1、 2、 3、 n 和y1、y 2、y 3、y n。 计算各单一图形轮廓的周长 L1、L 2、L 3、L n。 将计算数据分别代入 n n n n
9、0=L i i/L i 和 y0= L iyi/L i,即可求得压力中心坐标（X 0,Y0）i=1 i=1 i=1 i=1冲裁间隙的计算冲裁间隙的数值等于凸、凹模刃口尺寸的差值，即Z=Dd-dp式中，D d凹模刃口尺寸；dp凸模刃口尺寸。凸、凹模刃口的计算落料时，因落料件光面尺寸与凹模刃口尺寸相等或基本一致，应先确定凹模刃口尺寸，即以凹模刃口尺寸为基准。又因落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大，为保证凹模磨损到一定程度仍能冲出合格零件，故凹模基本尺寸应取落料件尺寸公差范围内的较小尺寸。落料凸模的基本尺寸则是在凹模基本尺寸上减去最小合理间隙。冲孔时，因孔的光面尺寸与凸模刃口尺寸相等或基本一致，应先
10、确定凸模刃口尺寸，即以凸模刃口尺寸为基准。又因冲孔的尺寸会随凸模刃口的磨损而减小，故凸模基本尺寸应取冲裁件尺寸公差范围内的较大尺寸。冲孔凹模的基本尺寸则是在凸模基本尺寸上加上最小合理间隙。凸、凹模刃口的制造公差应根据冲裁件的尺寸公差和凸、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，又要便于模具加工。设落料件外形尺寸为 D0- ，冲孔件内孔尺寸为 d+ 0,根据刃口尺寸计算原则，可得落料时Dd=（ Dmax-） +d 0Dp=( Dd-Zmin)0-p =( Dmax- Zmin) 0-p冲孔时dp=(dmin+x) 0-pdd=( dp+ Zmin) +d 0= (dmin+ Z
11、min) +d 0式中，D d、D p落料凹、凸模刃口尺寸，单位为 mm；dp、d d冲孔凸、凹模刃口尺寸，单位为 mm；Dmax落料件的最大极限尺寸，单位为 mm；dmin冲孔件孔的最小极限尺寸，单位为 mm；冲裁件的制造公差，单位为 mm（若冲裁件为自由尺寸，可按 IT14 级精度处理） ；Zmin最小合理间隙，单位为 mm； p、 d凸、凹模制造公差，单位为 mm,按“入体 ”原则标注，即凸模按单向负偏差标准，凹模按单向正偏差标准。 p、 d 可分别按 IT6 和 IT7 确定，或取（1/41/6 ）；磨损系数， 值在 0.51 之间，她与冲裁件精度有关，按下列关系选取：冲裁件精度为 I
12、T10 以上时，=1；冲裁件精度为 IT11IT13 时，=0.75；冲裁件精度为IT14 一下时，=0.5。无论是冲孔还是落料，为了保证间隙，凸、凹模的制造公差必须满足下列条件 p+ dZ max- Zmin如果 p+ dZmax- Zmin 时，可以取 p=0.4（Z max- Zmin） ， d=0.6（Z max- Zmin） 。如果 p+ dZmax- Zmin,则应采用凸、凹模配作方法。当在同一工步冲出冲裁件上两个以上孔时，因凹模磨损后孔距尺寸不变，故凹模型孔的中心距可按下式确定Ld=(Lmin+0.5)/8式中，L d凹模型孔中心距，单位为 mm；Lmin冲裁件孔心距的最小极限尺
13、寸，单位为 mm；冲裁件孔心距公差，单位为 mm。当冲裁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裁件位置公差的 1/31/5。弹性元件的选用与计算在冲裁模卸料与出件装置中，常用的弹性元件是弹簧和橡胶。弹簧的选用与计算在卸料装置中，常用的弹簧是圆柱螺旋压缩弹簧。这种弹簧已标准化，设计时根据所要求弹簧的压缩量和生产的压力按标准选用即可。卸料弹簧选择的原则a. 为保证卸料正常工作，在非工作状态下，弹簧应预压，其预压力 Fy 大于等于单个弹簧承受的卸料力，即FyF x/n式中，F y弹簧的预压力，单位为 N；Fx卸料力，单位为 N；n弹簧数量。b. 弹簧的极限压缩量应大于或等于弹簧工作
14、时的总压缩量，即hjh=h y+hx+hm式中，h j弹簧的极限压缩量，单位为 mm；h弹簧工作时的总压缩量，单位为 mm；hy弹簧在预压力作用下产生的预压量，单位为 mm；hx卸料板的工作行程，单位为 mm；hm凸模或凸凹模的刃磨量，单位为 mm，通常取 hm=410mm。c. 选用的弹簧能够合理的布置在模具的相应空间内。卸料弹簧选用与计算步骤a. 根据卸料力和模具安装弹簧的空间大小，初定弹簧数量 n，计算每个弹簧应产生的预压力 Fy。b. 根据预压力和模具结构预选弹簧规格，选择时应使弹簧的极限工作压力 Fj 大于预压力Fy，初选时一般可取 Fj=（1.52）F y。c. 计算预选弹簧在预压
15、力作用下的预压量 hy。Hy=Fyhj/Fjd. 校核弹簧的极限压缩量是否大于实际工作的总压缩量，即 hjh=h y+hx+hm。如不满足，则必须重选弹簧规格，直至满足为止。e. 列出所选弹簧的主要参数：d(钢丝直径)、D 2（弹簧中径） 、t(节距)、h 0（自由长度） 、n（圈数） 、F j（弹簧的极限工作压力） 、h j(弹簧的极限压缩量)。橡胶的选用与计算由于橡胶允许承受的载荷较大，安装调整灵活方便，因而是冲裁模中常用的弹性元件。冲裁模中用于卸料的橡胶有合成橡胶和聚氨酯橡胶，其中聚氨酯的性能比合成橡胶优异，是常用的卸料弹性元件。冲模标准中还专门规定了聚氨酯橡胶的规格与尺寸，选用方便。 卸料橡胶选择的原则a. 为保证卸料正常工作，应使橡胶的预压力 Fy 大于或等于卸料力 Fx，即Fy F x橡胶的压力与压缩量之间不是线性关系。橡胶压缩时产生的压力按下式计算F=Ap式中，A橡胶的横截面积（与卸料板贴合的面积） ，单位为 mm；P橡胶的单位压力，单位为 MPa,其值与橡胶的压缩量、形状及尺寸大小有关。b. 橡胶极限压缩量应大于或等于橡胶工作时的总压缩量，即hjh=h y+hx+hm式中，h j橡胶的极限压缩量，单位为 mm，为了保证
