第二章沖裁模具設(shè)計(jì)2.1沖裁工藝

2.2沖裁模的典型結(jié)構(gòu)及主要零部件設(shè)計(jì)

2.3設(shè)計(jì)實(shí)例

習(xí)題

2.1沖裁工藝

2.1.1沖裁間隙沖裁間隙是指沖裁模中凸、凹模刃口之間的間隙。凸模與凹模每一側(cè)的間隙,稱為單邊間隙,用Z/2表示;兩側(cè)間隙之和稱為雙面間隙,用Z表示。沖裁間隙一般都指雙面間隙。沖裁間隙的數(shù)值等于凸、凹模刃口尺寸的差值,如圖2-1所示,即

Z=Dd-dp

式中:Dd為凹模刃口尺寸;dp為凸模刃口尺寸。

(2-1)圖2-1沖裁間隙

1.間隙對沖裁力的影響

間隙很小時,材料變形區(qū)的壓應(yīng)力和摩擦力增強(qiáng),材料的變形抗力增加,沖裁力變大。反之,間隙越大,材料變形區(qū)的拉應(yīng)力成分也越大,使材料的變形抗力降低,沖裁力減小。但試驗(yàn)證明:當(dāng)單面間隙在材料厚度的5％～20％范圍內(nèi)時,沖裁力降低不多,不超過5％～10％。間隙對卸料力和推件力的影響比較顯著。間隙變小,變形區(qū)中的材料彈性恢復(fù)量就增大,從而使沖孔尺寸變小,落料尺寸變大,因此,卸料力和推件力增加。當(dāng)間隙增大時,由于材料彈性恢復(fù)的作用,使沖孔尺寸增大,落料尺寸減小。一般當(dāng)單面間隙增大到料厚的10％～20％時,卸料力幾乎減小到零。

2.間隙對模具壽命的影響模具壽命分為刃磨壽命和模具總壽命。刃磨壽命用兩次刃磨之間的合格沖件數(shù)表示?？倝勖媚＞呤橹沟目偟暮细駴_件數(shù)表示。沖裁件的失效形式一般有磨損、變形、崩刃、折斷和脹裂。在沖裁過程中,由于材料的彎曲變形,材料對模具的反作用力主要集中在凸、凹模刃口部分。如果間隙小,垂直沖裁力和側(cè)向擠壓力將增大,摩擦力也增大,且間隙小時,光面變寬,摩擦距離增長,發(fā)熱較嚴(yán)重,所以小間隙將使凸、凹模刃口磨損加劇,甚至使模具與材料之間產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象,嚴(yán)重的會發(fā)生崩刃。另外,小間隙因落料件堵塞在凹模洞口的脹力也大,所以容易產(chǎn)生凹模脹裂。小間隙還易產(chǎn)生小凸模折斷等異?，F(xiàn)象。

3.間隙值的確定根據(jù)上述分析,沖裁間隙對沖件質(zhì)量、沖裁力與模具壽命等都有很大的影響。在設(shè)計(jì)模具時一定要確定一個合理的間隙值,從而提高沖件的斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具壽命和減小沖裁力。但其對各因素影響的規(guī)律各不相同,因而并不存在一個絕對合理的間隙值,以滿足各方面的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中,通常選擇一個適當(dāng)?shù)姆秶鳛楹侠黹g隙。在此范圍內(nèi),可以獲得合格的沖裁件。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙(Zmin),最大值稱為最大合理間隙(Zmax)。考慮到在生產(chǎn)過程中的磨損使間隙變大,故設(shè)計(jì)與制造模具時應(yīng)采用最小合理間隙。

1)理論確定法理論確定法的主要依據(jù)是保證凸、凹模刃口處產(chǎn)生的上、下裂紋相互重合,以便獲得良好的斷面質(zhì)量。圖2-2所示為沖裁過程中開始產(chǎn)生裂紋的瞬時狀態(tài),根據(jù)圖中的幾何關(guān)系,可得出合理間隙的計(jì)算公式:

(2-2)式中:t為材料厚度;h0為產(chǎn)生裂紋時凸模切入材料的深度;h0/t為產(chǎn)生裂紋時凸模切入材料的相對深度;β為裂紋角。圖2-2合理間隙的確定

由式2-2可以看出,合理間隙與材料厚度、相對切入深度及裂紋角有關(guān),而相對切入深度及裂紋角又與材料性質(zhì)有關(guān)(見表2-1),因此,影響間隙值的主要因素是材料性質(zhì)和厚度。厚度越大、性質(zhì)越差的材料,其合理間隙值就越大;反之,厚度越薄、性質(zhì)越好的材料,其合理間隙值就越小。

表2-1h0/t與β值

2)經(jīng)驗(yàn)確定法經(jīng)驗(yàn)確定法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定間隙值。對于尺寸精度、斷面質(zhì)量要求高的沖件應(yīng)選用較小間隙值(見表2-2),這時沖裁力與模具壽命作為次要因素考慮。對于尺寸精度和斷面質(zhì)量要求不高的沖件,在滿足沖件要求的前提下,應(yīng)以降低沖裁力、提高模具壽命為主,選用較大的雙面間隙值(見表2-3)。

表2-2沖裁模初始雙面間隙表Z(一)表2-3沖裁模初始雙面間隙表Z

(二)應(yīng)當(dāng)指出,滿足所有要求的合理間隙是不存在的,必須經(jīng)過綜合分析有所取舍。當(dāng)沖裁件的尺寸精度和剪切面質(zhì)量要求高時,必須采用小間隙,寧可模具壽命低一些;當(dāng)沖裁件的尺寸精度和剪切面質(zhì)量要求一般時,宜采用中等間隙,既可以滿足沖裁件質(zhì)量要求,又能獲得較高的模具壽命;如果沖裁件的尺寸精度和剪切面質(zhì)量要求不高,應(yīng)優(yōu)先選用大間隙,其突出的優(yōu)點(diǎn)是模具壽命長,凹模可采用直壁洞口結(jié)構(gòu),加工方便,頂件力、沖裁力小,頂件裝置簡單。

2.1.2凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算

1.凸、凹模尺寸的計(jì)算原則凸、凹模刃口尺寸和公差的確定,直接影響沖裁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,是沖裁模設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),必須根據(jù)沖裁的變形規(guī)律、沖模的磨損規(guī)律和經(jīng)濟(jì)的合理性綜合考慮,遵循以下一些原則:

(1)設(shè)計(jì)落料模時,應(yīng)以凹模尺寸為基準(zhǔn),間隙取在凸模上,即沖裁間隙通過減小凸模刃口尺寸來取得;設(shè)計(jì)沖孔模時,應(yīng)以凸模尺寸為基準(zhǔn),間隙取在凹模上,沖裁間隙通過增大凹模刃口尺寸來取得。

(2)根據(jù)沖模的磨損規(guī)律,凹模的磨損使落料件輪廓尺寸增大,因此在設(shè)計(jì)落料模時,凹模的刃口尺寸應(yīng)等于或接近于沖裁件的最小極限尺寸;凸模的磨損使沖孔件的孔徑尺寸減小,因此設(shè)計(jì)沖孔模時,凸模的刃口尺寸應(yīng)等于或接近于沖裁件的最大極限尺寸。

(3)沖裁模在使用中,由于磨損間隙值將不斷增大,因此設(shè)計(jì)時無論是沖孔模還是落料模,沖裁間隙一律采用最小合理間隙值(Zmin)。

(4)選擇模具刃口制造公差時,要考慮到?jīng)_裁件精度與模具精度的關(guān)系,既要保證沖裁件的精度要求,又要保證合理的間隙值。一般沖模精度較沖裁件精度高3～4級。對于形狀簡單的圓形、方形刃口,其制造精度可按IT6~IT7級來選取;對于形狀復(fù)雜的刃口,制造偏差可按沖裁件相應(yīng)部位公差值的1/4來選取;對于刃口尺寸磨損后無變化的制造偏差值可取沖裁件相應(yīng)部位公差值的1/8并冠以(±);若沖裁件沒有標(biāo)注公差,則可按IT14級精度取值。

(5)沖裁件的尺寸公差與沖模刃口的制造偏差原則上都應(yīng)按“入體”原則進(jìn)行標(biāo)注。所謂“入體”原則,是指標(biāo)注零件尺寸公差時應(yīng)向材料實(shí)體方向單向標(biāo)注,即:落料件的上偏差為零,只標(biāo)注下偏差;沖孔件的下偏差為零,只標(biāo)注上偏差。如果零件的公差是按雙向偏差標(biāo)注的,則應(yīng)換算成單向標(biāo)注。

2.凸、凹模刃口尺寸計(jì)算方法模具刃口尺寸計(jì)算方法分為兩種。

1)凸模和凹模分開加工這種方法主要適合于圓形或簡單刃口。采用這種方法,需要分別標(biāo)注凸模和凹模的尺寸和公差。為了保證間隙值,必須滿足下式條件:δ凸+δ凹≤Zmax-Zmin(2-3)或取

δd=0.6(Zmax-Zmin)δp=0.4(Zmax-Zmin)也就是說,新制造的模具應(yīng)該是δd+δp+Zmin≤Zmax。否則,制造的模具間隙就超過了允許的變動范圍Zmin～Zmax,影響模具的使用壽命。凸模和凹模刃口尺寸計(jì)算公式:

(1)落料。設(shè)落料件外形尺寸為D0-Δ,根據(jù)刃口尺寸計(jì)算原則,得(2-4)(2-5)

(2)沖孔。設(shè)沖孔件孔徑的尺寸為d+δd0,根據(jù)刃口尺寸計(jì)算原則,得(2-6)(2-7)

(3)孔心距。當(dāng)需一次沖出零件上孔距為L=±Δ/2的孔時,凹模型孔中心距Ld按下式計(jì)算:

Ld=L±Δ/8(2-8)當(dāng)沖裁件上有位置公差要求的孔時,凹模上型孔的位置公差一般取沖裁件公差的1/3～1/5。

表2-4規(guī)則形狀(圓形、方形)件沖裁時凸、凹模的制造公差

表2-5磨損系數(shù)x

2)凸模和凹模配合加工配合加工就是在凸模和凹模中先選定一件為基準(zhǔn)件,制造好后用它的實(shí)際刃口尺寸來配作另一件,使凸、凹模達(dá)到最小合理間隙。落料時,以凹模為基準(zhǔn)件,保證最小合理間隙;沖孔時,以凸模為基準(zhǔn)件,保證最小合理間隙。設(shè)計(jì)時,基準(zhǔn)件的刃口尺寸及制造公差應(yīng)詳細(xì)標(biāo)注,而另一非基準(zhǔn)件只標(biāo)注公稱尺寸,不注公差,但需在設(shè)計(jì)圖上注明“凸(凹)模刃口按凹(凸)模實(shí)際尺寸配作,保證最小合理間隙值Zmin”即可。

圖2-3落料件及凹模尺寸

圖2-4沖孔件及凸模尺寸

表2-6采用配合加工法時凸、凹模的尺寸和公差

2.1.3沖壓力的計(jì)算

1.沖裁力的計(jì)算沖裁力的計(jì)算采用平刃口模具沖裁時,其沖裁力按式(2-9)計(jì)算:F=KLtτb

式中:F為沖裁力(N);L為沖裁件的周長(mm);t為材料厚度(mm);τb為材料抗剪強(qiáng)度(MPa);K為系數(shù)。系數(shù)K是考慮到實(shí)際生產(chǎn)中,模具間隙的波動和不均勻、刃口的磨損、板料力學(xué)性能和厚度波動等因素的影響而給出的修正系數(shù),一般取K=1.3。為了方便,也可按下式估算沖裁力:F≈Ltσb

(2-10)式中:σb為材料的抗拉強(qiáng)度。

2.卸料力、推件力和頂件力的計(jì)算由于沖裁中材料的彈性變形及摩擦的存在,沖裁后帶孔部分的材料會緊扣在凸模上,而落下部分的材料會緊卡在凹模內(nèi)。為使沖裁工作繼續(xù)進(jìn)行,必須將扣在凸模上的料卸下,將卡在凹模內(nèi)的料推出。從凸模上卸下緊扣著的材料所需的力叫卸料力;把落料件從凹模洞口順著沖裁方向推出去的力稱為推件力;逆著沖裁方向?qū)⒘蠌陌寄?nèi)頂出所需的力稱為頂件力(如圖2-5所示)。

圖2-5卸料力、推件力和頂件力

影響卸料力、推件力和頂件力的因素較多,主要有材料的力學(xué)性能、材料的厚度、模具間隙、凹模洞口的結(jié)構(gòu)、零件形狀尺寸以及潤滑情況等。這些力通常采用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:卸料力 F卸=K卸F (2-11)推件力 F推=nK推F (2-12)頂出力 F頂=K頂F (2-13)式中:F為沖裁力(N);n為卡在凹模洞口中工件(或廢料)的數(shù)目;K卸、K推、K頂分別為卸料力、推件力、頂出力的系數(shù),見表2-7。表2-7卸料力、推件力、頂出力的系數(shù)

選擇沖壓設(shè)備時,要根據(jù)不同的模具結(jié)構(gòu),計(jì)算出所需的總沖壓力,即采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖裁模時

F總=F+F推+F卸

采用彈性卸料裝置和上出料方式的沖裁模時

F總=F+F頂+F卸

采用剛性卸料裝置和下出料方式的沖裁模時

F總=F+F推

(2-14)(2-15)(2-16)2.1.4排樣與搭邊

1.排樣排樣是指沖裁件在條料、帶料或板料上的布置方法。排樣正確與否將影響到材料的合理利用、沖件質(zhì)量、生產(chǎn)率、模具結(jié)構(gòu)和壽命等。

1)材料的利用率沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比叫材料利用率,它是衡量合理利用材料的指標(biāo)。一個步距內(nèi)的材料利用率η可用下式表示:(2-17)式中:A為一個步距內(nèi)沖裁件的實(shí)際面積;B為條料寬度;S為步距。

若考慮到料頭、料尾和搭邊余料的材料消耗,則一張板料上總的材料利用率η總為

(2-18)式中:n為一張板料上沖裁件的總數(shù)目;L為板料長;B為板料寬。

2)排樣方法排樣分為有廢料、少廢料和無廢料排樣三種(如圖2-6所示),按工件的外形特征又可分為直排、斜排、直對排、斜對排、混合排、多行排及沖裁搭邊等形式。

圖2-6排樣方法(a)有廢料排樣;(b)少廢料排樣;(c)無廢料排樣

表2-8有廢料排樣和少、無廢料排樣主要形式的分類

2.搭邊

1)影響搭邊值的因素

(1)材料的力學(xué)性能。硬材料的搭邊值可小一些;軟材料、脆材料的搭邊值要大一些。

(2)沖裁件的形狀與尺寸。沖裁件的尺寸大或是有尖角的復(fù)雜形狀時,搭邊值取大些。

(3)材料厚度。厚材料的搭邊值取大一些。

(4)送料及擋料方式。用手工送料,有側(cè)壓裝置的搭邊值可小一些;用側(cè)刃定距比用擋料銷定距的搭邊小一些。

(5)卸料方式。彈性卸料比剛性卸料的搭邊值小一些。

2)搭邊值的確定

表2-9搭邊a和a1數(shù)值

2.1.5沖裁件的工藝性

1.沖裁件的結(jié)構(gòu)工藝性

(1)沖裁件的形狀應(yīng)力求簡單、對稱,有利于材料的合理利用。

(2)沖裁件的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角處應(yīng)盡量避免尖角,應(yīng)以圓弧過渡,以便于模具加工,減少熱處理開裂,減少沖裁時尖角處的崩刃和過快磨損。沖裁件的最小圓角半徑可參照表2-10選取。

表2-10沖裁件最小圓角半徑

(3)盡量避免沖裁件上過長的凸出懸臂和凹槽,懸臂和凹槽寬度也不宜過小,其許可值如圖2-7所示。

圖2-7沖裁件的結(jié)構(gòu)工藝性

(4)沖裁件的最小孔邊距,為避免工件變形,孔邊距不能過小,其許可值如圖2-7(a)所示。

(5)在彎曲件或拉深件上沖孔時,孔邊與直臂之間應(yīng)保持一定的距離,以免沖孔時凸模受水平力而折斷,如圖2-7(b)所示。

(6)沖孔時,因受凸模強(qiáng)度的影響,孔的尺寸不能太小。沖孔的最小尺寸取決于材料性能、凸模強(qiáng)度和模具結(jié)構(gòu)等。用無導(dǎo)向凸模和帶護(hù)套凸模所能沖制的孔的最小尺寸分別參考表2-11、表2-12。

表2-11無導(dǎo)向凸模沖孔的最小尺寸

表2-12帶護(hù)套凸模沖孔的最小尺寸

2.沖裁件的精度和斷面粗糙度

(1)沖裁件的經(jīng)濟(jì)公差等級不高于IT11級,一般要求落料件公差等級最好低于IT10級,沖孔件最好低于IT9級。沖裁得到的工件公差見表2-13、表2-14。如果沖裁件要求的公差值小于表中數(shù)值,沖裁后需經(jīng)整修或采用精密沖裁。

表2-13沖裁件外形與內(nèi)孔尺寸公差

表2-14沖裁件孔中心距公差

(2)沖裁件的斷面粗糙度與材料塑性、材料厚度、沖裁模間隙、刃口銳鈍以及沖裁結(jié)構(gòu)等有關(guān)。當(dāng)沖裁厚度為2mm以下的金屬板料時,其斷面粗糙度Ra一般可達(dá)12.5～3.2μm。

2.2沖裁模的典型結(jié)構(gòu)及主要零部件設(shè)計(jì)

2.2.1沖裁模的典型結(jié)構(gòu)

1.單工序沖裁模

1)落料模落料模有三種常見形式:

(1)無導(dǎo)向落料模。圖2-8所示為沖裁圓形零件的無導(dǎo)向落料模,工作零件為凸模2和凹模5,定位零件為導(dǎo)料板4和定位板7,卸料零件為卸料板3,其余為支承固定零件。上、下模之間無直接導(dǎo)向關(guān)系。工作時,條料沿導(dǎo)料板4送至定位板7定位后進(jìn)行沖裁,從條料上分離下來的沖裁件靠凸模直接從凹模洞口依次推下,箍在凸模上的廢料由固定卸料板3刮下來。照此循環(huán),完成沖裁工作。

無導(dǎo)向落料模的特點(diǎn)是上、下模無直接導(dǎo)向關(guān)系,結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,可用邊角余料沖裁,但是,這種模具安裝使用麻煩,間隙的均勻性靠壓力機(jī)滑塊的導(dǎo)向精度保證,沖模的壽命低,沖件精度較差,操作也不夠安全。常用于沖裁精度要求不高、形狀簡單和生產(chǎn)批量小的沖裁件。

圖2-8無導(dǎo)向落料模

(2)導(dǎo)板式落料模。圖2-9所示為沖裁圓形零件的導(dǎo)板式落料模。工作零件為凸模5和凹模8,定位零件是活動擋料銷6、始用擋料銷10、導(dǎo)料板12和承料板11,導(dǎo)板7既是導(dǎo)向零件又是卸料零件。工作時,條料沿承料板11、導(dǎo)料板12自右向左送進(jìn),首次送進(jìn)先用手將始用擋料銷10推進(jìn),使條料端部被始用擋料銷定位,凸模5下行與凹模8一起完成送料,沖裁件由凸模從凹?？字型葡隆Ｍ鼓；爻淌构吭谕鼓Ｉ系臈l料被導(dǎo)板卸下。繼續(xù)送進(jìn)條料時,先松手使始用擋料銷復(fù)位,將落料后的條料端部搭邊越過活動擋料銷6后再反向拉緊條料,活動擋料銷抵住搭邊定位,落料工作繼續(xù)進(jìn)行。

圖2-9導(dǎo)板式落料模

(3)導(dǎo)柱式落料模。圖2-10所示為導(dǎo)柱式固定卸料落料模。工作零件為凸模3和凹模9,定位零件是固定擋料銷8,導(dǎo)向零件為導(dǎo)柱5、導(dǎo)套7,卸料零件為卸料板1。這種落料模的上、下模正確位置是靠導(dǎo)柱和導(dǎo)套的導(dǎo)向來保證的,且凸模在進(jìn)行沖裁之前,導(dǎo)柱已經(jīng)進(jìn)入導(dǎo)套,從而保證了在沖裁過程中凸、凹模之間間隙的均勻性。

圖2-10導(dǎo)柱式固定卸料落料模

圖2-11為導(dǎo)柱式彈頂落料模,這種模具除上、下模采用導(dǎo)柱19和導(dǎo)套20進(jìn)行導(dǎo)向以外,還采用由卸料板11、卸料彈簧2及卸料螺釘3構(gòu)成的彈性卸料裝置和由頂件塊13、頂桿15、彈頂器(由托板16、橡膠22、螺栓17、螺母21構(gòu)成)構(gòu)成的彈性頂件裝置來卸下廢料和頂出沖裁件。此種結(jié)構(gòu)廣泛用于沖裁材料厚度較小,且有平面度要求的沖裁件。導(dǎo)柱式落料模導(dǎo)向比導(dǎo)板式可靠,精度高,壽命長,使用安裝方便,但輪廓尺寸較大,模具較重、制造工藝復(fù)雜、成本較高。它廣泛用于生產(chǎn)批量大、精度要求高的沖裁件。

圖2-11導(dǎo)柱式彈頂落料模

2)沖孔模沖孔模的結(jié)構(gòu)與一般落料模相似,但沖孔模有自己的特點(diǎn):沖孔大多是在工序件上進(jìn)行,為了保證沖裁件的平整,沖孔模一般采用彈性卸料裝置,且沖小孔時必須考慮凸模的強(qiáng)度和剛度,以及快速更換凸模的結(jié)構(gòu)。沖裁成型零件上的側(cè)孔時,需考慮凸模水平運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等。

圖2-12為導(dǎo)柱式?jīng)_孔模,工作零件為凸模2和凹模3,定位零件為定位銷1、17,卸料零件為卸料板5、卸料螺釘10和橡膠9。工件以內(nèi)孔?50和圓弧槽R7分別在定位銷1和17上定位,彈性卸料裝置在凸模2下行沖孔時可將工件壓緊,以保證沖裁件平整,在凸模回程時又能起卸料作用。沖孔廢料直接由凸模依次從凹?？變?nèi)推出。定位銷1的右邊緣與凹模板外側(cè)平齊,可使工件定位時右凸緣懸于凹模板外,以便于取出沖裁件。

圖2-12導(dǎo)柱式?jīng)_孔模

圖2-13為斜楔式側(cè)面沖孔模,此模具是依靠固定在上模的斜楔1把壓力機(jī)滑塊的垂直運(yùn)動變?yōu)橥苿踊瑝K4的水平運(yùn)動,從而帶動凸模5在水平方向進(jìn)行沖孔。凸模5與凹模6的對準(zhǔn)是依靠滑塊在導(dǎo)滑槽內(nèi)滑動來保證的,上?；厣龝r滑塊的復(fù)位靠橡膠的彈性恢復(fù)來完成。斜楔的工作角度α取40°～50°為宜,需要較大沖裁力時,α也可取30°,以增大水平推力。要獲得較大的凸模工作行程,α可增加到60°。工件以內(nèi)形在凹模6上定位,為了保證沖孔的位置準(zhǔn)確,彈壓板3在沖孔前就把工件壓緊。為了排除沖孔廢料,應(yīng)注意開設(shè)漏料孔。這種結(jié)構(gòu)凸模常對稱布置,最適宜壁部對稱孔時的沖裁。這種模具主要用于沖空心件或彎曲件等成型零件的側(cè)孔、側(cè)槽、側(cè)切口等。

圖2-13斜楔式側(cè)面沖孔模

2.復(fù)合模

1)正裝式復(fù)合模圖2-14為正裝式落料沖孔復(fù)合模,凸凹模6在上模,落料凹模8和沖孔凸模11在下模。工作時,板料以導(dǎo)料銷13和擋料銷12定位。上模下壓,凸凹模外形和凹模8進(jìn)行落料,沖件卡在凹模中,同時沖孔凸模與凸凹模內(nèi)孔進(jìn)行沖孔,沖孔廢料卡在凸凹模內(nèi)?？ㄔ诎寄Ｖ械臎_件由頂件裝置頂出。頂件裝置由帶肩頂桿10和頂件塊及裝在下模座底下的彈頂器組成,當(dāng)上模上行時,在沖裁時被壓縮的彈性元件恢復(fù),把卡在凹模中的沖件頂出。該模具采用裝在下模座底下的彈頂器推動頂桿和頂件塊,彈性元件高度不受模具有關(guān)空間的限制,頂件力大小容易調(diào)節(jié),可獲得較大的頂件力?？ㄔ谕拱寄?nèi)的沖孔廢料由推件裝置推出。推件裝置由打桿1、推板3和推桿4組成。當(dāng)上模上行至上止點(diǎn)時,把廢料推出。

每沖裁一次,沖孔廢料被推下一次,凸凹模孔內(nèi)不積存廢料,脹力小,不易破裂。但沖孔廢料落在下模工作面上,清除廢料麻煩,尤其孔較多時。邊料由彈壓卸料裝置卸下。由于采用固定擋料銷和導(dǎo)料銷,在卸料板上需鉆出讓位孔,或采用活動導(dǎo)料銷或擋料銷。正裝式復(fù)合模工作時,板料是在壓緊的狀態(tài)下分離的,沖出的沖件平直度較高。但由于彈頂器和彈壓卸料裝置的作用,分離后的沖件容易被嵌入邊料中影響操作,從而影響了生產(chǎn)率。

圖2-14正裝式復(fù)合模

2)倒裝式復(fù)合模圖2-15為倒裝式復(fù)合模。凸凹模18裝在下模,落料凹模17和沖孔凸模14和16裝在上模。倒裝式復(fù)合模通常采用剛性推件裝置把卡在凹模中的沖件推下。圖中剛性推件裝置由打桿12、推板11、連接推桿10和推件塊9組成。沖孔廢料直接由沖孔凸模從凸凹模內(nèi)孔推下,無頂件裝置,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,但如果采用直刃壁凹模洞口,凸凹模內(nèi)有積存廢料,脹力較大,當(dāng)凸凹模壁厚較小,可能導(dǎo)致凸凹模破裂。

圖2-15倒裝式復(fù)合模

板料的定位靠導(dǎo)料銷22和彈簧彈頂?shù)幕顒訐趿箱N5來完成。非工作行程時,擋料銷5由彈簧3頂起,可供定位;工作時,擋料銷被壓下,上端面與板料平。由于采用彈簧彈頂擋料裝置,因此在凹模上不必鉆相應(yīng)的讓位孔。但實(shí)踐證明,這種擋料裝置的工作可靠性差。采用剛性推件裝置的倒裝式復(fù)合模,板料不是處在被壓緊的狀態(tài)下沖裁,因而平直度不高。這種結(jié)構(gòu)適用于沖裁較硬的或厚度大于0.3mm的板料。如果在上模內(nèi)設(shè)置彈性元件,即采用彈性推件裝置,就可以用于沖制材料材質(zhì)較軟的或板料厚度小于0.3mm,且平直度要求較高的沖裁件。

正裝式和倒裝式復(fù)合模機(jī)構(gòu)兩者各有優(yōu)缺點(diǎn):正裝式較適用于沖制材質(zhì)較軟的或板料較薄的、平直度要求較高的沖裁件,還可以沖制孔邊距離較小的沖裁件。而倒裝式不宜沖制孔邊距離較小的沖裁件,但倒裝式復(fù)合模結(jié)構(gòu)簡單,可以直接利用壓力機(jī)的打桿裝置進(jìn)行推件,卸件可靠,便于操作,并為機(jī)械化出件提供了有利條件,故應(yīng)用廣泛。總之,復(fù)合模生產(chǎn)率較高,沖裁件的內(nèi)孔與外緣的相對位置精度高,板料的定位精度要求比級進(jìn)模低,沖模的輪廓尺寸較小。但復(fù)合模結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造精度要求高,成本高。復(fù)合模主要用于生產(chǎn)批量大、精度要求高的沖裁件。

3.連續(xù)模連續(xù)模又稱為級進(jìn)模或跳步模,是指壓力機(jī)在一次行程中,依次在不同的位置上同時完成多道工序的沖模。整個沖件的成型是在連續(xù)過程中逐步完成的,可使切邊、切口、切槽、沖孔、彎曲、拉深、落料等多道工序在一副模具上完成。連續(xù)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)與制造不易,在第五章中將對連續(xù)模設(shè)計(jì)加以介紹。

2.2.2沖裁模主要零部件的設(shè)計(jì)與選用

1.沖模零件的分類從典型沖裁模的結(jié)構(gòu)可見,盡管各類沖裁模的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜程度不同,組成模具的零件又多種多樣,但沖裁模的零部件根據(jù)其在沖裁模中所起的作用不同,可分為工藝零件和結(jié)構(gòu)零件。工藝零件——直接參與完成工藝過程并與板料或沖件直接發(fā)生作用的零件,包括工作零件、定位零件、卸料零件和頂出零件等。結(jié)構(gòu)零件——將工藝零件固定連接起來構(gòu)成模具整體,是對沖裁完成工藝過程起保證和完善作用的零件,包括支承與固定零件、導(dǎo)向零件、緊固件及其它零件等。國家標(biāo)準(zhǔn)總局對冷沖模先后制定了GB/T2851.1～2861.16—1990、GB/T2861.17—1981等標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)時應(yīng)優(yōu)先選用。

2.工作零件

1)凸模

(1)凸模的結(jié)構(gòu)形式。凸模的種類很多,按凸模工作斷面分為圓形、方形、矩形和異形凸模;按凸模的結(jié)構(gòu)分為整體式和鑲拼式凸模;按凸模的固定方式分為鉚接、臺肩固定、螺釘銷釘固定、澆鑄法固定等多種。沖模中的凸模不管其斷面形狀如何,其基本結(jié)構(gòu)均由安裝固定部分和工作部分兩大部分組成。沖小孔的凸模從增加強(qiáng)度等因素考慮,在這兩部分之間增設(shè)過渡的段,如圖2-16所示。常見凸模的結(jié)構(gòu)形式見表2-15。

圖2-16凸模的構(gòu)成

表2-15沖裁凸模的結(jié)構(gòu)形式

表2-15沖裁凸模的結(jié)構(gòu)形式

(2)凸模的固定方式。凸模的基本固定方式是臺肩固定和鉚接兩種。在卸料力較大,或凸模固定端退火困難時,通常采用臺肩固定,如圖2-17(a)所示。對于卸料力小的階梯式或直通式凸模,一般采用鉚接固定,先裝入固定板后再鉚接,并與固定板一起磨平,如圖2-17(b)、(c)所示。對于采用鉚接固定的凸模,在精加工前已全部淬硬,因此凸模的固定端必須局部退火才能鉚開。無論哪種固定方式,只要工作端為非圓形,而固定端為圓形的凸模,則都必須在固定端的接縫處加防轉(zhuǎn)銷,防止在沖裁時凸模發(fā)生轉(zhuǎn)動。

除上述兩種基本固定方式以外,還有如圖2-17(d)、(e)所示的螺釘?shù)跹b和橫銷吊裝固定法,前者用于卸料力較大的模具,后者用于卸料力較小的模具;圖2-17(f)為單斜面吊裝式,用于刃口尺寸以A面為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的凸模。大型凸?？梢灾苯佑寐葆?、銷釘安裝在上模座上。通用模架上用的凸模或易損凸?？捎每焖偈焦潭ǚāＥ_肩式凸模與固定板的配合一般采用H7/n6或H7/m6基孔制過渡配合;直通式凸模,為便于固定板型孔加工,則采用N7/h6或M7/h6基軸制過渡配合。采用彈性卸料板導(dǎo)向的小凸模,凸模與固定板可采用H7/h6或H7/h5間隙配合。

圖2-17凸模的固定方式

(3)凸模的長度計(jì)算。凸模的長度尺寸應(yīng)根據(jù)模具的具體結(jié)構(gòu)確定,同時要考慮凸模的修磨量及固定板與卸料板之間的安全距離等因素。當(dāng)采用固定卸料板時(見圖2-18(a)),凸模長度按下式計(jì)算:L=h1+h2+h3+h

(2-19)當(dāng)采用彈性卸料板時(見圖2-18(b)),凸模長度按下式計(jì)算:L=h1+h2+t+h

(2-20)式(2-19)和式(2-20)中:L為凸模長度(mm);h1為凸模固定板厚度(mm);h2為卸料板厚度(mm);h3為導(dǎo)料板厚度(mm);t為材料厚度(mm);h為附加長度,包括凸模的修正量,凸模進(jìn)入凹模的深度,凸模固定板與卸料板之間的安全距離等,一般取h＝15～20(mm)。圖2-18凸模長度尺寸

按照上述方法計(jì)算出凸模長度后,參考國家標(biāo)準(zhǔn)得出凸模的實(shí)際長度。冷沖模國家標(biāo)準(zhǔn)對凸模長度已系列化,長度有30mm、32mm、36mm、38mm、40mm、42mm、45mm、48mm、50mm、52mm、55mm、58mm、60mm、65mm、70mm、80mm、90mm、100mm等。

(4)凸模強(qiáng)度校核。在一般情況下,凸模的強(qiáng)度是足夠的,無需進(jìn)行強(qiáng)度核算。但對于特別細(xì)長的凸?；驍嗝娉叽绾苄《譀_裁較厚材料時,必須進(jìn)行壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的校核。校核的目的是檢查凸模的危險(xiǎn)斷面尺寸和自由長度是否滿足強(qiáng)度要求,以防止凸?？v向失穩(wěn)和折斷。

表2-16沖裁凸模強(qiáng)度校核計(jì)算公式

2)凹模

(1)凹模的刃口形式。凹模按結(jié)構(gòu)分為整體式和鑲拼式,此處主要介紹整體式。沖裁凹模的刃口形式有直筒形和錐形兩種。選用刃口形式時,主要根據(jù)沖裁件的形狀、厚度、尺寸精度以及模具的具體結(jié)構(gòu)來決定,其刃口形式見表2-17。

表2-17沖裁凹模刃口形式及主要參數(shù)

表2-17沖裁凹模刃口形式及主要參數(shù)

(2)凹模外形尺寸。凹模的外形尺寸是指其平面尺寸和厚度,凹模的外形一般為圓形和矩形兩種。當(dāng)沖裁中小型工件時,常采用圓形凹模,而對于大型工件的沖裁,應(yīng)采用矩形凹模。由于沖裁時凹模受力狀態(tài)比較復(fù)雜,目前還不能用理論方法精確計(jì)算,必須綜合考慮各方面因素。在實(shí)際生產(chǎn)中首先采用下列經(jīng)驗(yàn)公式概略地確定,再參見圖2-19確定凹模外形尺寸。凹模厚度

H=Kb

(≥15mm)凹模壁厚C=(1.5~2)H(30～40mm)(2-21)

(2-22)圖2-19凹模外形尺寸的確定

表2-18系數(shù)K值此外,凹模用銷釘和螺釘固定時,螺釘與銷孔之間的距離、螺孔或銷孔距凹模刃口邊緣的距離、螺孔或銷孔至凹模邊緣的距離,均不應(yīng)過小,以防止降低強(qiáng)度。一般螺孔與銷孔間,螺孔或銷孔與凹模刃口間的距離應(yīng)大于兩部孔徑值,其最小許用值可參考有關(guān)手冊。綜合考慮上述諸多因素設(shè)計(jì)后,計(jì)算出凹模外形尺寸,參考國家標(biāo)準(zhǔn)得出凹模外形實(shí)際尺寸。

(3)凹模的固定方法。凹模常用的固定方法如圖2-20所示。圖2-20(a)用螺釘、銷釘固定在下模座上。圖2-20(b)、(c)采用H7/m6過渡配合或過盈配合(H7/r6)直接壓入固定板中,其中圖2-20(c)常用于硬質(zhì)合金模。圖2-20(d)是小批或快換凹模。圖2-20凹模的固定方法(a)用螺釘、銷釘固定;(b)、(c)壓入固定;(d)快速凹模用止動螺釘固定

(4)強(qiáng)度校核。按上述方法確定的凹模外形尺寸,即可保證足夠的強(qiáng)度和剛度,故對凹模一般不進(jìn)行強(qiáng)度校核。校核凹模強(qiáng)度的目的主要是檢查其厚度H。因此,當(dāng)凹模平面尺寸較大且厚度較薄時,必須進(jìn)行彎曲應(yīng)力的校核。

3)凸凹模凸凹模存在于復(fù)合模中,是復(fù)合模的工作零件。凸凹模工作面的內(nèi)、外緣均為刃口,內(nèi)外緣之間的壁厚取決于沖裁件的尺寸。因此從強(qiáng)度方面考慮,其壁厚應(yīng)受最小值限制。凸凹模的最小壁厚與模具結(jié)構(gòu)有關(guān):當(dāng)模具采用正裝式結(jié)構(gòu),內(nèi)孔不積存廢料,脹力小時,最小壁厚可以小些;當(dāng)模具為倒裝結(jié)構(gòu)時,若內(nèi)孔為直筒形刃口形式,且采用下漏料方式,則內(nèi)孔積存廢料,脹力大,故最小壁厚應(yīng)大些。沖裁凹模的強(qiáng)度校核公式見表2-19。

表2-19沖裁凹模強(qiáng)度校核計(jì)算公式

表2-20倒裝復(fù)合模的沖裁凸凹模最小壁厚

4)凸模與凹模的鑲拼結(jié)構(gòu)鑲拼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則如下：

(1)便于加工制造,減少鉗工工作量,提高模具精度。①盡量將形狀復(fù)雜的內(nèi)形加工分割后變?yōu)橥庑渭庸?以便于機(jī)械加工和成型磨削;同時拼塊斷面可以做得均勻,以減少熱處理變形,提高模具制造精度。

②沿對稱軸線分割。形狀、尺寸相同的分塊可以一同磨削加工,如圖2-21(a)、(b)、(c)所示。③沿轉(zhuǎn)角、尖角分割。拼塊角度大于等于90°,如圖2-21(a)、(b)、(c)所示。

圖2-21凸凹模的鑲拼結(jié)構(gòu)

④圓弧單獨(dú)做成一塊,拼接線應(yīng)在離圓弧與直線的切點(diǎn)4～7mm的直線處;大弧線、長直線可以分為幾塊,拼接線應(yīng)與刃口垂直。

(2)便于維修、更換與調(diào)整。①比較薄弱或易磨損的局部凸出或凹進(jìn)部分,單獨(dú)做成一塊,如圖2-21(e)所示。②拼塊之間可以通過增減墊片或磨削接合面的方法,以調(diào)整間隙或中心距,如圖2-21(f)、(g)所示。

(3)滿足沖裁工藝要求,即凸模與凹模的拼接線應(yīng)錯開3～5mm,以免產(chǎn)生沖裁毛刺。

3.定位零件

1)導(dǎo)料板、導(dǎo)料銷對條料的側(cè)邊進(jìn)行導(dǎo)向,以保證正確送進(jìn)方向的板件或銷，稱做導(dǎo)料板(或?qū)Я箱N)。條料靠著導(dǎo)料板或?qū)Я箱N的一側(cè)導(dǎo)向送進(jìn),以免送偏。導(dǎo)料銷一般用兩個,多用于單工序模和復(fù)合模。導(dǎo)料板常用于單工序模、級進(jìn)模和復(fù)合模中,導(dǎo)料板分為與固定卸料板分離和制成整體的兩種結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)及適用范圍見表2-21。從右向左送料時,與條料相靠的導(dǎo)料板或?qū)Я箱N裝在后側(cè);從前向后送進(jìn)時,基準(zhǔn)導(dǎo)料板裝在左側(cè)。

表2-21導(dǎo)料板、側(cè)壓裝置的結(jié)構(gòu)形式

為保證條料緊靠導(dǎo)料板一側(cè)送料時,常采用側(cè)壓裝置。側(cè)壓裝置的結(jié)構(gòu)形式見表2-22。一般料厚小于0.3mm,或用滾珠軸自動送料時,不宜采用側(cè)壓裝置。

表2-22導(dǎo)料板的厚度

2)擋料銷擋料銷是限定條料送進(jìn)距離的定位銷件。擋料銷抵住條料的搭邊或沖裁件的輪廓,起定位作用。擋料銷分為固定擋料銷、活動擋料銷和始用擋料銷三類。始用擋料銷主要用于級進(jìn)模,此處不作介紹。擋料銷的結(jié)構(gòu)形式見表2-23。

表2-23擋料銷的結(jié)構(gòu)形式

4.卸料裝置卸料裝置分固定卸料裝置、彈性卸料裝置和廢料切刀三種。其中卸料板是用于卸掉卡箍在凸模上或凸、凹模上的沖裁件或廢料的板件。廢料切刀是在沖壓過程中將廢料切斷成數(shù)塊,從而實(shí)現(xiàn)卸料的零件。固定卸料裝置裝于下模的凹模上,結(jié)構(gòu)簡單,卸料力大,使用安全可靠,一般僅起卸料作用,用于硬料、厚料、工作精度不高的沖裁件。彈性卸料裝置既可裝于上模,又可裝于下模,具有卸料和壓料的雙重作用,由于卸料力由彈性元件提供,卸料力一般較小,因此多用于薄料、零件的平面度要求高的沖壓。廢料切刀多用于大型落料件或帶凸緣拉深件切邊時的卸料工作。各種卸料裝置的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及適用范圍見表2-24。

表2-24卸料裝置的結(jié)構(gòu)形式

圖2-22帶小導(dǎo)柱的彈性卸料裝置

5.標(biāo)準(zhǔn)模架

1)模架的分類與選擇根據(jù)模架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的摩擦性質(zhì),分為滑動和滾動導(dǎo)向模架兩大類。每類模架中,由于導(dǎo)柱的安裝位置和導(dǎo)柱數(shù)量的不同,又分為多種模架形式。沖裁?；瑒訉?dǎo)向模架有對角導(dǎo)柱模架、后側(cè)導(dǎo)柱模架、后側(cè)導(dǎo)柱窄型模架、中間導(dǎo)柱模架、中間導(dǎo)柱圓形模架、四導(dǎo)柱模架(如圖2-23所示);沖裁滾動導(dǎo)向模架有對角導(dǎo)柱模架、中間導(dǎo)柱模架、四導(dǎo)柱模架、后側(cè)導(dǎo)柱模架(如圖2-24所示)。各類模架形式的主要特點(diǎn)和用途見表2-25。滑動導(dǎo)向模架的導(dǎo)柱、導(dǎo)套結(jié)構(gòu)簡單,加工、裝配方便,應(yīng)用廣泛;滾動導(dǎo)向模架在導(dǎo)套內(nèi)鑲有成行的滾珠，導(dǎo)柱通過滾珠與導(dǎo)套實(shí)現(xiàn)有微量過盈的無間隙配合,因此,這種滾動模架導(dǎo)向精度高,使用壽命長,運(yùn)動平穩(wěn)。

圖2-23滑動導(dǎo)向模架(a)對角導(dǎo)柱模架;(b)后側(cè)導(dǎo)柱模架;(c)后側(cè)導(dǎo)柱窄型模架;(d)中間導(dǎo)柱模架;(e)中間導(dǎo)柱圓形模架;(f)四導(dǎo)柱模架

圖2-24滾動導(dǎo)向模架(a)對角導(dǎo)柱模架;(b)中間導(dǎo)柱模架;(c)四導(dǎo)柱模架;(d)后側(cè)導(dǎo)柱模架

國家標(biāo)準(zhǔn)將模架精度等級分為0Ⅰ、Ⅰ級和0Ⅱ、Ⅱ級。Ⅰ級和Ⅱ級為滑動導(dǎo)向模架用精度,0Ⅰ和0Ⅱ?yàn)闈L動導(dǎo)向模架精度。各級精度:上模座下平面對上平面的平行度;下模座上平面對下平面的平行度;導(dǎo)柱滑動部分的圓柱度;導(dǎo)柱滑動部分軸心線對固定部分軸心線的同軸度;導(dǎo)套滑動部分軸心線對固定部分軸心線的同軸度;導(dǎo)套臺肩對滑動部分軸心線的端面的跳動;導(dǎo)柱軸心線對下模座下平面的垂直度;導(dǎo)柱導(dǎo)套配合間隙配合值或過盈量;模架上模座上平面的平行度等均制訂了指標(biāo)值及檢查方法GB/T2584—1990《沖模模架技術(shù)條件》、GB/T12446—1990《沖模模架零件技術(shù)條件》。

圖2-25導(dǎo)柱和導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)形式

表2-25沖裁模模架形式、主要特點(diǎn)和用途

表2-25沖裁模模架形式、主要特點(diǎn)和用途

2)滑動導(dǎo)向模架主要零件的結(jié)構(gòu)

(1)模座。模座一般分為上、下模座,其上、下形狀基本相似。除特殊形狀外,一般結(jié)構(gòu)尺寸都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,設(shè)計(jì)時可參考有關(guān)手冊。

(2)導(dǎo)柱和導(dǎo)套。導(dǎo)向零件是用來保證上模相對于下模的正確運(yùn)動的。模具中應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)向零件是滑動導(dǎo)柱和導(dǎo)套。

①導(dǎo)柱和導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)形式?；瑒訉?dǎo)柱和導(dǎo)套是標(biāo)準(zhǔn)件,其結(jié)構(gòu)和尺寸都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。常用結(jié)構(gòu)形式如圖2-25所示。其中,圖2-25(a)為導(dǎo)套,內(nèi)孔開有儲油槽,以便儲油潤滑,內(nèi)孔d與導(dǎo)柱滑動配合,外徑D和上模座采用H7/r6過盈配合。由于過盈配合裝配時孔有縮小現(xiàn)象,因此,在設(shè)計(jì)加工時大0.5～1mm。圖2-25(b)、(c)為導(dǎo)柱,圖2-25(b)兩端基本尺寸相同,公差不同;圖2-25(c)為直通式,只有一個尺寸公差,加工方便。

②安裝尺寸要求。導(dǎo)柱直徑一般在16～160mm之間,長度在90～320mm之間。選擇導(dǎo)柱長度時,應(yīng)考慮模具閉合高度的要求,即保證沖裁模在最低工作位置。導(dǎo)柱的上端面與上模座的上平面之間的距離不小于10～15mm,以保證凸、凹模經(jīng)多次刃磨而使模具閉合高度變小后,導(dǎo)柱也不會影響模具正常工作;而下模座的下平面與導(dǎo)柱壓入端的端面之間的距離不應(yīng)小于2～3mm,以保證下模座在壓力機(jī)工作臺上的安裝固定;導(dǎo)套的上端面與上模座上平面之間的距離應(yīng)大于2～3mm,以便排氣和出油，如圖2-26所示。

圖2-26導(dǎo)柱和導(dǎo)套安裝尺寸要求

③導(dǎo)柱、導(dǎo)套尺寸配合要求。導(dǎo)柱、導(dǎo)套一般采用過盈配合H7/r6,分別壓入下模座和上模座的安裝孔中。導(dǎo)柱、導(dǎo)套之間采用間