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第2单元 冲裁工艺和冲裁模具设计
教学课题
冲裁工艺及模具
计划
课时
10
教学目标
1.掌握冲裁模设计基础；
2.了解冲裁模设计应用。
教学关键
冲裁模设计基础。
教学难点
冲裁模设计基础。
教学方法
采取实际问题讲解，以常见实物分析，达成教学目标
教学手段
经过课件多媒体教学
本讲专题
1. 冲裁模设计基础；
2. 冲裁模设计应用。
教
学
过
程
步骤
方法
教学内容
所用时间
一
以实例垫片引入

二
提出问题
假如要你制作一个或多个垫片，你通常会想到哪些方法？假如要求你制作一匹垫片，通常见什么方法？
本讲问题提出：
1.冲裁变形原理
2.冲裁件质量分析
3.冲裁工艺分析
4.冲裁模分类
5.排样
6.计算冲压力
7.冲压设备选择
8.确定模具压力中心
9.冲裁模刃口尺寸计算
10.凸模、凹模结构设计
11.定位零件
12.导向零件
13.卸料和顶件装置
14.连接和固定零件

三
提出要求
1.掌握冲裁变形原理；
2.掌握排样、计算冲压力；
3.掌握冲裁模刃口尺寸计算；
4.其它仅作了解。

四
分析解答问题
（一）冲裁变形原理
以下图所表示是金属板料冲裁变形过程。变形过程大致可分为三个阶段。
(a) 弹性变形阶段
(b) 塑性变形阶段
(c) 分离阶段

（a）弹性变形阶段 （b）塑性变形阶段 （c）分离阶段

1、弹性变形阶段
变形区内部材料应力小于屈服应力
2、塑性变形阶段
变形区内部材料应力大于屈服应力。
凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形，还伴随有弯曲、拉伸，凸、凹模有压缩等变形。
3、分离阶段
变形区内部材料应力大于强度极限。
裂纹首先产生在凹模刃口周围侧面→凸模刃口周围侧面→上、下裂纹扩展相遇→材料分离
冲裁件断面特征：
圆角带：塑性剪切变形。质量最好区域。
光亮带：塑性剪切变形。质量最好区域。
断裂带：裂纹形成及扩展。
毛刺区：间隙存在，裂纹产生不在刃尖，毛刺不可避免。另外，间隙不正常、刃口不锋利，还会加大毛刺。
（二）冲裁件质量分析
冲裁件质量：指断面情况、尺寸精度和形状误差。
断面情况：垂直、光洁、毛刺小 。冲裁间隙对于断面质量起决定性作用。在含有合理间隙冲裁条件下，冲裁件所产生初始裂纹将重合，可得正常冲裁件断面质量。
尺寸精度：图纸要求公差范围内 。冲裁件形状尺寸精度在很大程度上取决于冲模制造精度。冲模精度愈高，冲裁件精度愈高。
形状误差：外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小。
（三）冲裁工艺分析
1.冲裁件形状和尺寸要求
(1) 冲裁件形状应尽可能简单、对称。
(2) 冲裁件凸出悬臂和凹槽宽度不宜太小，以免凸模折断，其合理值见表2.1。
(3) 冲裁件外形或内形转角处，要避免尖角出现。
(4) 冲孔时，因为受到冲孔凸模强度限制，孔尺寸不宜过小。冲孔孔径尺寸和孔形状、材料机械性能、材料厚度等相关，
(5) 冲裁件孔和孔之间，孔和边缘之间距离不应过小，不然模具强度和冲裁件质量不能确保，
(6) 在弯曲件或拉深件上冲孔时，为了避免冲孔时使凸模受水平推力而折断，其孔边和制件直壁间应保持一定距离，
2. 冲裁件精度和断面粗糙度
(1) 冲裁件经济精度通常不高于IT11级，最高可达IT8～IT10级，冲孔比落料精度约高1级。冲裁件尺寸公差、孔中心距公差及孔对外缘轮廓偏移公差分别见表2.6～表2.8。
(2) 冲裁件断面粗糙度通常为 最高可达高

表2.6 冲裁件内外形所能达成经济精度
基础尺寸/mm
材料厚度t/mm
≤3
3～6
6～10
10～18
18～500
≤1
IT12～IT13
IT11
1～2
IT14
IT12～IT13
IT11
2～3
IT14
IT12～IT13
3～5
－
IT14
IT12～IT13

表2.7 两孔中心距公差
材料厚度t/mm
通常精度
较高精度
孔距基础尺寸/mm
≤50
50～150
150～300
≤50
50～150
150～300
≤1
1～2
2～4
4～6
±1.00
±0.12
±0.15
±0.20
±0.15
±0.20
±0.25
±0.30
±0.20
±0.30
±0.35
±0.40
±0.03
±0.04
±0.06
±0.08
±0.05
±0.06
±0.08
±0.10
±0.08
±0.10
±0.12
±0.15

表2.8 孔中心和边缘距离尺寸公差
材料厚度t/mm
孔中心和边缘距离/mm
≤50
50～120
120～220
220～360
≤2
2～4
＞4
±0.5
±0.6
±0.7
±0.6
±0.7
±0.8
±0.7
±0.8
±1.0
±0.8
±1.0
±1.2
（四）冲裁模分类
(1) 按工序性质可分为落料模、冲孔模、切断模、切口模、剖切模、切边模等。
(2) 按工序组合方法可分为单工序简单模和多工序连续模、复合模和连续复合模。
(3) 按模具上、下模导向方法可分为无导向开式模和有导向导板模、导柱模、滚珠导柱模、滚柱导柱模等。
(4) 按控制送料步距方法可分为固定挡料销式、活动挡料销式、自动挡料销式、导正销式、侧刃式等。
(5) 按凸、凹模材料可分为碳素工具钢冲模、合金工具钢冲模、硬质合金冲模、锌基合金冲模、橡皮冲模、聚氨酯橡胶冲模等。
(6) 按凸、凹模结构形式可分为整体模和拼块模。
(7) 按凸、凹模位置形式可分为正装模和倒装模。
(8) 按模具卸料方法可分为刚性卸料模和弹性卸料模。
（五）排样
1. 排样方法
多个常见排样方法见表2.10。
2. 材料利用率
排样时，在确保制件质量前提下，关键考虑怎样提升材料利用率。材料利用率计算公式以下：
一个进距材料利用率计算见式(2.1)：
3. 搭边
排样时制件之间，和制件和条料侧边之间留下余料叫搭边。搭边作用是赔偿条料定位误差，确保冲出合格制件。搭边还能够保持条料有—定刚度，便于送料。
表2.10 排样方法

（六）计算冲压力
1. 冲裁力计算
采取平刃口凸模和凹模冲裁时，其冲裁力计算见式(2.3)。

2. 卸料力、推件力和顶件力计算 图2.5所表示
影响卸料力、推件力和顶件力原因很多，关键有材料机械性能、材料厚度、冲裁间隙、制件结构形状和尺寸和润滑情况等。在生产中，全部是采取简单经验公式来计算：

3. 冲裁工艺力计算
图2.5 卸料力、推件力和顶件力

（七）冲压设备选择
1. 冲压设备类型选择
依据所要完成冲压工艺性质，生产批量大小，冲压件几何尺寸和精度要求等来选择设备类型。
2. 冲压设备规格确实定
在冲压设备类型选定以后，应该深入依据冲压件尺寸、模具尺寸和冲压力来确定设备规格。
（八）确定模具压力中心
对称形状制件冲模压力中心，在制件轮廓图形几何中心上，非对称制件冲模和多凸模、连续模压力中心可用解析法给予确定。
解析法采取空间平行力系协力作用线求解方法，依据“协力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和”协力矩定理求得。图2.6所表示制件压力中心计算步骤以下 略
（九）冲裁模刃口尺寸计算
1. 尺寸计算标准
生产实践证实：因为凸、凹模之间存在着间隙，使落下料或冲出孔全部带有锥度，落料件大端尺寸等于或靠近于凹模刃口尺寸，冲孔件小端尺寸等于或靠近于凸模刃口尺寸。图2.7所表示。
2. 刃口尺寸计算方法
依据上述标准，就可确定凸、凹模刃口尺寸及公差。但因为模具加工和测量方法不一样，在进行具体计算和尺寸公差标注时，其方法也不一样，通常按下述方法进行。略
3. 冲裁间隙
冲裁间隙是指冲裁凸、凹模之间工作部分尺寸之差。如无尤其说明，冲裁间隙即指双边间隙。
图2.7 刃口尺寸和冲件尺寸关系

（十）凸模、凹模结构设计
1. 凸模设计
凸模又称冲头，是冲模关键零件之一，凸模本身按其作用又可分为工作部分(即刃口)和固定部分，图2.13所表示。
2. 凹模设计
3. 凸凹模
4. 镶拼式凸模和凹模
图2.13 凸模

（十一）定位零件
1. 挡料销
挡料销定位面抵住条料前搭边或制件内廓前(后)面，使条料送进步距正确。
2. 导正钉
导正钉亦叫导正销，在连续模中安装在落料凸模上。落料前因为它先插入已冲出内孔中而取得制件良好内孔定位，这时冲模上安装固定挡料销，仅对条料起粗略定位作用。
3. 侧刃
在连续模中若采取导正钉正确定位有困难时，可改用侧刃定位。侧刃定位关键用于板料厚度小于0.5mm精密零件或脆性材料冲裁定位。这种结构定位元件特点是步距定位精度高，操作方便，生产效率高，缺点是造成一定板料消耗和增大冲裁力。
4. 导尺
导尺有分离式和整体式，图2.21所表示
图2.21 导尺

（十二）导向零件
1. 导板
在导板模中，以导板对凸模导向，此时导板又兼作卸料板之用。导板厚度可取凹模厚度0.8～1倍，长宽尺寸和凹模相同。导板用材料为Q235A或45钢。
2. 导柱、导套
(1) 滑动导柱、导套
(2) 滚动导柱、导套
滚动导向装置导向是由无间隙纯滚动副来实现，所以和滑动式导向装置相比，其导向精度高、摩擦力小、发烧量小，但刚度差，所以使用范围受到一定限制。图2.24所表示。
图2.24 滚动导向装置

（十三）卸料和顶件装置
1. 卸料和顶件装置型式
2. 推(顶)件装置
推(顶)件装置多在复合模中采取，经过它动作将卡在凹模内制件或废料推(顶)出来。其结构图2.25所表示。
3. 卸料机构中关系冲裁计算
4. 弹性元件选择和计算
图2.27 打杆长度

（十四）连接和固定零件
1. 模柄
2. 上模板和下模座
它们是冲模全部零件安装基体，又承受和传输冲压力，所以它要含有足够强度、刚度和足够大外形尺寸。上、下模板(座)有带导柱和不带导柱两种。
常见标准模架型式，图2.29所表示
图2.29 常见标准模架

部署
作业

1.材料强度判据有哪些？
2.材料塑性判据有哪些？
3.怎样计算材料σs，σb, δ和ψ?