冲裁模结构设计

第2章 冲裁模结构设计2.1 托架垫片复合模结构设计2.1.1 设计要求已知：零件图：如图2-1所示生产批量：大批量材料：08钢料厚：2mm求作： （1）工艺分析 （2）排样设计 （3）模具结构（4）强度校核图2-1 托架垫片零件图2.1.2 工艺分析图2-1所示托架垫片零件， 材料：08钢， 料厚：2mm，大批量生产。（1） 材料 08钢薄板大多用来制造深冲制品，也可用于制造管子、垫片及心部强度要求不高的渗碳和碳氮共渗零件、电焊条等。材料冲压性能好，不仅能满足产品使用技术要求，也能满足零件冲裁工艺的基本要求。 （2） 零件结构工艺性 由图2-1可见零件有冲孔，落料两个工序，形状是对称的， 左右两边各有一个孔，没有极限冲裁特征，成形容易。 （3） 零件的端面质量 冲裁零件断面通常由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺带组成，光亮带是在塑性变形过程中凸模挤压切人材料作用形成的，常作为测量带，影响着制件的尺寸精度。要提高冲裁件的断面质量，就要增大光亮带，缩小圆角带和毛刺高度。 （4） 尺寸精度零件的尺寸精度受模具制造精度的影响，所以零件的公差等级不能太高，例如冲裁件的公差等级一般来说不高于IT11级。具体为：落料件公差等级最好低于IT10级， 冲孔件最好低于IT9级。图2-1示零件的尺寸精度不高，可以通过模具结构的正确设计，合理确定凸凹模的间隙来实现。因此，在设计模具时，要保证模具制造精度和模具间隙。模具间隙过小时，凸模刃口处裂纹比合理的间隙时向外错开一段距离，会使制件断面出现二次光亮带，在两个光亮带之间形成撕裂面，但只要撕裂不是很深，仍可以使用；模具间隙过大，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内错开一段距离，形成厚而大的拉长毛刺，同时出现严重翘曲现象，影响生产的进行。因此，要合理的确定间隙。 2.1.3 排样设计现代冲模设计中有3种排样：制件在条料上的布置方式、级进模的制件和工序排列方式、线切割加工凸模或凹模时工件在毛坯上的排列方式。冲裁件的排样合理直接关系材料的合理利用、冲件质量、生产效率、模具结构与寿命。通常在冲压生产中材料的费用要占整个工件成本费用的6080 以上，所以，材料的合理利用是降低冲压制件成本的最有效的办法之一。复合模冲压采用制件在条料上的布置方式。根据材料的利用情况，排样分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种；又根据冲件在条料上的不同排列方式，可分为直排、斜排、斜对排等多种。有废排样是沿制品零件的全部外形冲裁，四周有定的余料，或者说是搭边口与 均有的排样。这种排样材料利用率较低，但是制品质量和精度均能得到充分保证，冲模的寿命相对提高，多适用于形状复杂而精度要求较高的制品冲压。少废排样沿制品部分外形冲裁，只有少部分余料，也就是说搭边只有一个。这种排样材料利用率较高，具有一次能冲裁多个制品零件和简化模具结构、降低冲裁力等优点，但是只能保证一个方向的制品尺寸精度。无废排样在整个冲压过程中， 只有料头和料尾废料以及结构废料的材料损失，中间没有废料出现。这种排样材料的利用率最高，能简化模具结构，降低冲裁力，但是制品的尺寸精度差，它适用于冲裁尺寸精度要求不高，且比较贵重的金属材料。总之，一个零件的排样方法有多种，但是为了使排样达到节约材料、提高工件尺寸精度、简化模具结构及方便生产的目的，在排样时，必须设计一个合理的排样方案。对于形状复杂的冲件，通常用纸片剪成35个样件，然后摆出各种不同的布置方法，经过分析和计算，决定出合理的排样方案。在冲压生产现场，由于零件的形状、尺寸、精度要求、批量的大小和原材料供应等方面的不同，不可能提供一种固定不变的合理排样方案。但在决定排样方案时应遵循的原则是：保证在最低的材料消耗和最高的劳动生产率的条件下，得到符合技术条件要求的零件，同时要考虑方便生产操作，冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料供应情况等。总之，要从各方面权衡利弊，选择出较为合理的排样方案。通过对制件的工艺分析以及上述排样方式的分析，又考虑到材料利用率、操作方便性以及制造成本等因素，托架垫片采用有废料直排的排样方式。其排样见图2-2所示。图2-2 托架垫片排样图2.1.4 模具结构1.模具结构装配图冲裁模的结构类型很多，主要典型结构设计有：冲裁手扳模、山形极片板模、下顶出件落料模、侧壁冲孔模、自动挡料级进模、切舌定距级进模和冲孑L落料复合模等。托架垫片适合用冲孔落料复合模(图2-3)图2-3 模具装配图1-下模板 2-下安装板 3-聚氨酯 4-卸料板 5-推件块 6-上模板7-上安装板 8-冲头 9-凹模 l0-凸凹模 l1-卸料螺钉 12-定位销2.模具的工作原理由图2-3可看出，模具为典型的倒装冲孔落料复合模。模具使用了导柱和导套组成的导向机构，有效的保证了冲裁精度。工作时，手动将条料送入模具中抵住定位销12，先是落料凹模9与凸凹模10完成落料，同时冲孔凸模8凸、凹模9完成冲孔。冲裁完成之后，制件卡在落料凹模9和冲孔凸模8上，由下方的弹性顶件装置提供弹力传递给推件块5，推件块将制件顶出，并留在上模表面；冲孔废料由下面落下，条料废料由弹性卸料板4将其从凸凹模10下模拔下来。如此循环运动，实现对零件的冲压。2.1.5 强度校核1.冲压强度校核凸模8比较细长，应进行校核。凸模承压能力按下式计算： 经计算得出强度合格。凸凹模10比凸模8粗短，因此，强度也合格。2.失稳弯曲应力的校核普通断面的凸模，它们的失稳弯曲极限长度为：如果凸模为圆形断面，但是无导向的，则有：式中：凸模所受的总压力(KN)；模具工作刃口直径(mm)；凸模最小截面(即刃口直径截面)的惯矩；凸模最大允许长度(mm)。凸模8为圆形截面凸模，且是无导向的，因此，凸模不发生失稳弯曲的极限长度为：mm因此，凸模8失稳弯曲应力校核合格。2.2 云母片复合冲裁模结构设计2.2.1 设计要求已知：零件图：如图3-1所示生产批量：大批量材料：云母料厚：0.5mm求作： （1）云母片零件的特点 （2）工艺方案确定 （3）模具结构图3-1 零件图2.2.2 云母片零件的特点云母是天然矿物绝缘材料。云母具有劈开性，可剥劈成一定厚度而外形由于天然块状云母不规则而很不规则，在真空电子管、电容器等电子产品中应用较普遍，厚度常为0.5mm左右，薄的为0.08mm。由于云母料本身形状不规则，工件尺寸义较小，故只能用复合模一次冲压的方法完成。2.2.3 工艺方案的确定图3-1所示是云母片零件的结构简图，工件整体为规整的长方体，长38mm、宽26mm、高0.5mm；另外，工件中还有两个直径为3mm的孔。由于工件较薄、较软、表面平直，而复合模具有许多优点：内外形相对位置及零件尺寸的一致性非常好，制件精度高；制件表面平直；适宜冲制薄料，也适宜冲制脆性或软质材料；可充分利用短料或边角余料；模具结构紧凑，要求压力机工作台面的压力较小。相对于其他两种模具最适合工件的要求，因此本工件采用复合模设计。2.2.4 模具结构图3-2所示是模具结构图。本结构为顺装复合模，云母片厚度薄，凸、凹模双面间隙很小，对上下模导向精度有一定的要求，故本模具采用了滚球导套模架及浮动模柄，保证上下模正确的导向；凹模采用镶拼结构，由镶件14、19与硬质合金镶件5、20组成，提高了模具耐用度；冲孔废料由凸凹模9中重叠由下排除，简化了模具结构。图3-2 云母片复合冲裁模1-下模板 2-垫板 3-固定板 4-弹簧 5、19、20-镶件 6-滚珠套 7-滚珠 8-凸模 9-凸凹模10-模柄 11-连接轴 12-上模板 13、15-固定板 14-顶板 16-中垫板 17-螺钉 18-销钉模具工作过程：材料送进模具后，导柱导套及浮动模柄起到定位和导料的作用，凸凹模9向下运动，模具闭合，材料被顶板14和凸凹模9压紧，凸凹9模继续向下运动，弹簧4发生变形被压缩，至镶件5的一段距离，材料在受压的情况下被冲裁。冲裁完毕后，冲孔废料在凸凹模9中由下至上排出，上下模分开，弹簧4恢复原形，向上作用于顶板14顶出成型零件，取走零件后再继续下一次加工。2.3 偏心轮夹持送料冲孔落料复合模结构设计2.3.1 概述在通用压力机上采用自动送料装置进行自动或半自动生产，一般可使生产效率提高23倍。在高效自动冲压设备上配以相应的自动检测装置及送出料装置等，其生产效率可提高45倍，甚至更高。所以，冲压加工过程实行自动化是提高生产效率和保证安全生产的根本途径。送料装置是冲压自动化的主要组成部分。按与坯料直接直接接触部分的结构特点，可将送料装置分为钩式送料装置、辊式送料装置、夹持式送料装置和排样式送料装置等。现介绍夹持式送料装置。夹持式送料装置是冲压生产中使用较多的一种送料装置。按夹持式送料装置分为夹刃式、夹滚式和夹钳式三种。本模具采用夹刃式。夹刃式送料是夹持式送料中结构最简单的一种，它有表面夹刃和侧面夹刃两种形式。表面夹刃适应不同厚度的坯料，送料时易损伤坯料表面，一般用于夹持较硬材料或工件表面要求不高处。侧面夹刃适用于厚度较大的坯料，不损伤坯料表面。2.3.2 设计要求已知：零件图：如图4-1所示 生产批量：大批量材料：08钢料厚：1mm 图4-1 零件图求作： （1）零件工艺性分析 （2）确定工艺方案及模具结构类型 （3）排样设计（4）模具结构2.3.3 工艺分析图4-1所示工件，材料：08钢，料厚1mm，大批量生产。图示零件尺寸均为标准公差的尺寸，符合比较精确的冲裁模精度要求，模具精度可取IT8即可；零件材质为08钢，能进行一般的冲裁加工；冲孔的工艺性：孔径基本尺寸为2mm，尺寸精度要求一般，可采用冲孔工艺；落料的工艺性：零件尺寸较小，外形复杂程度一般，因此可进行冲裁落料工艺。综合以上各方面情况，可以确定零件主要冲压工序的工艺性良好。2.3.4 工艺方案与模具结构类型所给零件所需的基本工序为冲孔和落料，可以拟定出如下两种工艺方案：方案一：用简单模分两次加工，即落料-冲孔。方案二：采用复合冲裁，一次性完成。方案三：采用级进模冲裁，先冲孔，后落料。零件属于大批量生产，因此采用单工序须要模具数量较多，生产率低，所用费用也高，不合理；若采用复合冲，可以得出冲件的精度和平直度较好，生产率较高，但因零件的孔边距太小，模具强度不能保证；用用级进模冲裁时，生产率高，操作方便，通过合理设计可以达到较好的零件质量和避免模具强度不够的问题，根据以上分析，该零件采用级进冲裁工艺方案。由于零件比较薄，对表面要求一般，故送料装置采用表面夹刃夹持式送料装置。2.3.5 排样设计现代冲模设计中有3种排样：制件在条料上的布置方式、级进模的制件和工序排列方式、线切割加工凸模或凹模时工件在毛坯上的排列方式。冲裁件的排样合理直接关系材料的合理利用、冲件质量、生产效率、模具结构与寿命。通常在冲压生产中材料的费用要占整个工件成本费用的6080 以上，所以，材料的合理利用是降低冲压制件成本的最有效的办法之一。复合模冲压采用制件在条料上的布置方式。根据材料的利用情况，排样分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种；又根据冲件在条料上的不同排列方式，可分为直排、斜排、斜对排等多种。有废排样是沿制品零件的全部外形冲裁，四周有定的余料，或者说是搭边口与 均有的排样。这种排样材料利用率较低，但是制品质量和精度均能得到充分保证，冲模的寿命相对提高，多适用于形状复杂而精度要求较高的制品冲压。少废排样沿制品部分外形冲裁，只有少部分余料，也就是说搭边只有一个。这种排样材料利用率较高，具有一次能冲裁多个制品零件和简化模具结构、降低冲裁力等优点，但是只能保证一个方向的制品尺寸精度。无废排样在整个冲压过程中， 只有料头和料尾废料以及结构废料的材料损失，中间没有废料出现。这种排样材料的利用率最高，能简化模具结构，降低冲裁力，但是制品的尺寸精度差，它适用于冲裁尺寸精度要求不高，且比较贵重的金属材料。总之，一个零件的排样方法有多种，但是为了使排样达到节约材料、提高工件尺寸精度、简化模具结构及方便生产的目的，在排样时，必须设计一个合理的排样方案。对于形状复杂的冲件，通常用纸片剪成35个样件，然后摆出各种不同的布置方法，经过分析和计算，决定出合理的排样方案。在冲压生产现场，由于零件的形状、尺寸、精度要求、批量的大小和原材料供应等方面的不同，不可能提供一种固定不变的合理排样方案。但在决定排样方案时应遵循的原则是：保证在最低的材料消耗和最高的劳动生产率的条件下，得到符合技术条件要求的零件，同时要考虑方便生产操作，冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料供应情况等。总之，要从各方面权衡利弊，选择出较为合理的排样方案。通过对制件的工艺分析以及上述排样方式的分析，又考虑到材料利用率、操作方便性以及制造成本等因素，该零件采用有废料直排的排样方式。其排样见图4-2所示。图4-2 排样图2.3.6 模具结构图4-3所示为偏心轮夹持送料冲孔落料复合模，装于上模的斜楔1下降时，通过滑轮2推动活动偏心轮座向右移动。此时夹刃7受材料表面摩擦而绕圆销8顺时针方向转动，使上下两轮中心距增大，对材料不起央持作用。由于材料受左面偏心轮的库撩报力，使右面固定偏心轮座上的偏心轮绕轴逆时针方向转动。因偏心距的作用，偏心轮压紧材料，使材料不发生后退现象。斜楔回程时，活动偏心轮座在弹簧；的作用下向左移动。此时偏心轮受材料表面摩擦力的作用绕轴逆时针方向转动，材料被压紧并随活动偏心轮座向前推迟个送料进距。被推件块推落的工件经压缩变气吹出模外。图4-3 夹刃式自动送料冲模1-斜楔 2-滚轮 3-送料夹座 4-条料 5-滑座 6、7、10-弹簧 7、11-夹刃 8、12-圆销 13-螺母2.4 导柱导套冲裁模结构设计2.4.1 概述在压力机的一次冲程中，于模具的同一位置上完成两个或两个以上的冲压工序，冲出一个完整制件的模具称之为复合模。冲压生产中，常见的有落料冲孔复合模、落料拉深复合模等。复合模由于不受送料误差的影响，因而具有许多优点：内外形相对位置及零件尺寸的一致性非常好，之间精度高；制件表面平直；适宜冲制薄料，也适宜冲制脆性或软质材料；可充分利用短料或边角余料；模具结构紧凑，要求压力机工作台面的面积较小。但复合模也存在一定的缺点：凸凹模壁厚（制件内形与外形之间、内形与内形之间的尺寸）受到限制，尺寸不能太小，否则影响模具强度；制件不能从压力机工作台孔中漏出，必须解决出件问题；复合模复合的工序内容多时，特别是既有冲裁工序又有成形工序时，会对模具刃口的刃磨带来不便。根据落料凹模在模具中的安装位置，复合模有正装式和倒装式两种。落料凹模在下模布置的，称为正装式复合模。落料凹模在上模布置的，称为倒装式复合模。它们相比较有各自的特点。正装式复合模：1对于薄冲件能达到平整要求。2操作不方便，不安全，孔的废料由打棒打出。3废料不会在凸凹模孔内积聚，每次由打棒打出，可减少孔内废料的胀力，有利于凸凹模减小最小壁厚。4装凹模的面积较大，有利于复杂制件用拼块结构。倒装式复合模：1不能达到平整要求。2操作方便，能装自动拨料装置，既能提高生产效率又能保证安全生产。孔的废料通过凸凹模的孔往下漏掉。3废料在凸凹模孔内积累，凸凹模要求有较大的壁厚以增加强度。4如凸凹模较大，可直接将凸凹模固定在底座上省去固定板。2.4.2 设计要求已知：零件图：如图5-1所示生产批量：大批量材料：20钢料厚：4mm求作： （1）冲压工艺性分析（从材料、零件结构、尺寸精度几个方面进行） （2）确定工艺方案及模具结构类型 （3）排样设计（4）模具结构图5-1 零件图2.4.3 冲压工艺性分析所示零件为一带孔冲压件，其冲压工序主要包括：毛坯冲孔、落料。图示零件尺寸均为标准公差的尺寸，符合比较精确的冲裁模精度要求，模具精度可取IT12即可；零件材质为08F，能进行一般的冲裁加工；冲孔的工艺性：孔径基本尺寸为D40mm，尺寸精度要求一般，可采用冲孔工艺；落料的工艺性：零件外径尺寸为D100mm，外形复杂程度一般，因此可进行冲裁落料工艺。综合以上各方面情况，可以确定工件用冲压工序的工艺性良好。2.4.4 工艺方案及模具结构的确定所给零件所需的基本工序为冲孔和落料，可以拟定出如下三种工艺方案：方案一：用简单模分两次加工，即落料-冲孔。方案二：采用冲孔落料复合模，一次性加工。方案三：采用级进模冲裁，先冲孔，后落料。如果采用方案一，生产效率低，工件尺寸的积累误差大，操作不方便，只能进行小批量生产，而零件要求为大批量生产，故方案一不合适。工件尺寸较大，料较厚，不适合采用级进模，故方案二不适合。该工件形状简单、对称，是由圆弧构成的。工件尺寸较大，料较厚，对生产的安全要求较高，工件的精度要求和生产批量符合冲裁工艺要求，采用方案二适合。综上所述此模具选用倒装式复合模。2.4.5 排样设计现代冲模设计中有3种排样：制件在条料上的布置方式、级进模的制件和工序排列方式、线切割加工凸模或凹模时工件在毛坯上的排列方式。冲裁件的排样合理直接关系材料的合理利用、冲件质量、生产效率、模具结构与寿命。通常在冲压生产中材料的费用要占整个工件成本费用的6080 以上，所以，材料的合理利用是降低冲压制件成本的最有效的办法之一。复合模冲压采用制件在条料上的布置方式。根据材料的利用情况，排样分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种；又根据冲件在条料上的不同排列方式，可分为直排、斜排、斜对排等多种。有废排样是沿制品零件的全部外形冲裁，四周有定的余料，或者说是搭边口与 均有的排样。这种排样材料利用率较低，但是制品质量和精度均能得到充分保证，冲模的寿命相对提高，多适用于形状复杂而精度要求较高的制品冲压。少废排样沿制品部分外形冲裁，只有少部分余料，也就是说搭边只有一个。这种排样材料利用率较高，具有一次能冲裁多个制品零件和简化模具结构、降低冲裁力等优点，但是只能保证一个方向的制品尺寸精度。无废排样在整个冲压过程中， 只有料头和料尾废料以及结构废料的材料损失，中间没有废料出现。这种排样材料的利用率最高，能简化模具结构，降低冲裁力，但是制品的尺寸精度差，它适用于冲裁尺寸精度要求不高，且比较贵重的金属材料。总之，一个零件的排样方法有多种，但是为了使排样达到节约材料、提高工件尺寸精度、简化模具结构及方便生产的目的，在排样时，必须设计一个合理的排样方案。对于形状复杂的冲件，通常用纸片剪成35个样件，然后摆出各种不同的布置方法，经过分析和计算，决定出合理的排样方案。在冲压生产现场，由于零件的形状、尺寸、精度要求、批量的大小和原材料供应等方面的不同，不可能提供一种固定不变的合理排样方案。但在决定排样方案时应遵循的原则是：保证在最低的材料消耗和最高的劳动生产率的条件下，得到符合技术条件要求的零件，同时要考虑方便生产操作，冲模结构简单、寿命长以及车间生产条件和原材料供应情况等。总之，要从各方面权衡利弊，选择出较为合理的排样方案。通过对制件的工艺分析以及上述排样方式的分析，又考虑到材料利用率、操作方便性以及制造成本等因素，托架垫片采用有废料直排的排样方式。其排样见图5-2所示。图5-2 排样图2.4.6 模具结构如图5-3所示，这是一个落料、冲孔复合冲裁模。图中所示模具是在闭合时的位置。工作时，滑块带动模柄12、上模座l等上部零件上行，毛坯被送入模具，并与导料销21、活动挡料销6接触，以保持毛坯在冲压时的正确位置。滑块向下运动时，首先是卸料板22与凹模7夹住毛坯，随后开始冲裁，冲下的工件被卡在凹模7内并紧包在凸模19上，冲孔的废料落在凸凹模23的孔内，而外部的毛坯材料则紧包在凸凹模23上。当冲床滑块回程时，毛坯由卸料板22靠弹簧3的作用而退出凸凹模23。工件仍留在凹模7的孔内，直到推杆13碰到冲床的打料横梁而向下移动，推动推板14，再传到推销16而推动推件块20向下运动，将工件顶出凹模孔而落下。图5-3 导柱导套冲裁模1-下模座 2-卸料螺钉 3、4-弹簧 5-活动挡料销 6-凹模 7-凸模固定板 8-上模座 9-推杆10-推板 11-垫板 12-推销 13-凸模 14-推件块 15-导料销 16-卸料版 17-凸凹模参 考 文 献1 姜奎华冲压工艺与模具设计M北京：机械工业出版社，19982 中国模具设计大典编委会中国模具设计大典M南昌：江西科学技术出版社，20033 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