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案例九 冲模结构与设计
冲模是冲压生产的主要工艺设备，冲模结构设计对冲压件品质、生产率及经济效益影响很大。因此，了解冲模结构，研究和提高冲模的各项技术指标，对冲模设计和发展冲压技术是十分必要的。
8.1 冲模分类及其特点
按不同的特征对冲模进行分类，其分类方法主要有：
（1） 按冲压工序性质可分为冲裁模、拉深模、翻边模、胀形模、弯曲模……。
习惯上把冲裁模当作所有分离工序模的总称，包括落料模、冲孔模、切断模、切边模、半精冲模、精冲模及整修模等。
（2） 按冲压工序的组合方式可分为单工序模、级进模和复合模。
1） 单工序模 在压力机一次冲压行程内，完成一道冲压工序的模具。
2） 级进模 在压力机一次冲程内，在模具不同工位上完成多道冲压工序的模具。
3） 复合模 在压力机一次行程内，在模具一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。
表8-1 三种模具的简单比较
模具项目
简单模
级进模
复合模
外形尺寸
复杂程度
工作条件
生产效率
工件精度
模具成本
模具加工
设备能力
生产批量
小
简单
不太好
低
低
低
易
小
中小批量为主
大
较复杂
好
最高
高
高
难
大
中
复杂
较好
高
最高
高
难
中
以大批量为主

三种模具的简单比较如表8-1。
（3） 按模具的结构形式，根据有无导向装置和不同的导向装置形式可分为无导向的开式模、有导向的导板模、导筒模、导柱模等；根据挡料或定位方式可分固定挡料销、活动挡料销、导正销和侧刃定距冲模；根据卸料方式可分为带刚性卸料板和带弹性卸料板的冲模。
（4） 按进料、出件及排除废料方式可分为手动模、半自动模、自动模。
（5） 按模具零件组合通用程度可分为专用模（包括简易模）和组合冲模。
（6） 按凸、凹模材料可分钢模、硬质合金模、钢结硬质合金模、聚氨酯模、低熔点合金模等。
（7） 按模具轮廓尺寸可分为大型模、中型模、小型模等。
8.2 冲模零部件分类及功能
各种类型冲模复杂程度不同，所含零件各有差异，但根据其作用都可归纳为如下五种类型：
（1） 工作零件
工作零件直接使被加工材料变形、分离，而成为工件，如凸模、凹模、凸凹模等。
（2） 定位零件
定位零件控制条料的送进方向和送料进距，确保条料在冲模中的正确位置，有挡料销、导正销、导尺、定位销、定位板、导料板、侧压板和侧刃等。
（3） 压料、卸料与顶料零件
压料、卸料与顶料零件包括冲裁模的卸料板、顶出器、废料切刀、拉深模中的压边圈等。卸料与顶料零件在冲压完毕后，将工件或废料从模具中排出，以使下次冲压工序顺利进行；拉深模中的压边圈的作用是防止板料毛坯发生失稳起皱。
（4） 导向零件
导向零件的作用是保证上模对下模相对运动精确导向，使凸模与凹模之间保持均匀的间隙，提高冲压件品质。如导柱、导套、导筒即属于这类零件。
（5） 固定零件
固定零件包括上模板、下模板、模柄、凸模和凹模的固定板、垫板、限位器、弹性元件、螺钉、销钉等。这类零件的作用是使上述四类零件联接和固定在一起，构成整体，保证各零件的相互位置，并使冲模能安装在压力机上。
8.3 冲模主要零部件结构设计
8.3.1 工作零件
（1） 凸模

a)凸缘固定方式 b）铆接固定方式 c)、d）、e）、f）、g）螺钉固定方式
h）环氧树脂固定方式 i）钢球固定方式 j）定位销固定方式 k）小孔冲裁凸模固定方式
1－垫板；2－凸模板；3－侧向螺钉；4－环氧树脂；5－弹簧；6－钢球；7－推钢球孔；
8－凸模板或凸模座；9－定位销；10－固定螺栓；11－凸模套；12－针状凸模；13－挡销
图8－1 凸模的固定形式
1） 凸模结构型式与固定方法 图8－1列举了若干种凸模固定方法。
常见的圆形凸模结构及固定方法如图8-1a所示。为了增加凸模的强度和刚度，凸模做成台阶式，用固定板固定，台阶处圆滑过渡，以避免应力集中。小端是工作部分，其尺寸和公差根据工作尺寸和制造方法确定。中间台阶与凸模固定板过渡配合（H7/m6）。最大台阶是用其台肩保证凸模在卸料时不被拉出。这种凸模一般用于d=8～30mm。
冲d=1～8mm的小圆孔凸模，可以采用图8-1b所示的结构和固定方法。固定部分做成直通式，淬火时尾端回火，装配后铆开磨平。
容易损坏的凸模可做成快换式凸模结构，其结构和固定方法如图8-1f、g所示。为了便于更换，凸模的固定部分采用间隙极小的间隙配合（H7/h6）。
在厚板上冲小孔时，细小的凸模受力较大，容易折断。为了提高凸模的抗纵向弯曲能力，可将小凸模装在护套里，然后再将护套固定在凸模固定板上。这种凸模叫做护套式凸模，其结构如图8-1k所示。
冲大圆孔或落料大件用的凸模，可采用图8-2所示的结构。它采用窝孔定位，窝孔与模板或凸模为过渡配合，再用螺钉紧固。为了减少磨削加工面积，凸模外圆的非工作部分要车小，端面加工成凹坑形式。大圆凸模也可以采用镶块式结构，如图8－3所示。镶块采用工具钢制造并进行热处理。同样，为了减少凸模的磨削面积，将其中部挖成空心。镶块镶嵌在凸模固定座上，中间用螺钉紧固，然后再将凸模固定座用螺钉和销钉紧固在模板上。
1－薄刃口凸模；2－凸模
本体；3－凸模固定板 图8－5 非圆凸模的圆柱形固定 图8－6 非圆凸模的长方
图8－4 薄刃口组合圆凸模 形固定

1－模板；2－凸模 1－凸模固定座；2－凸模镶块
图8－2 大圆凸模 图8－3 镶块式凸模

还有一种薄刃口组合圆凸模，如图8－4所示。它由刃口部分1和本体部分2组成。相互之间采用螺钉或其他连接方式紧固。刃口部分材料与一般凸模相同；本体部分用普通材料，如Q235钢。本体部分可不进行热处理。
对于非圆形凸模，为了便于加工和装配，通常将其固定部分做成圆柱形（图8－5）或长方形（图8－6）。如果非圆形凸模的固定部分采用圆柱形，则应有防止转动的结构，如图8－7中的止动销钉，或采用止动面。
具有复杂外形的凸模应设计成直通式（图8－8），以便于成形磨削或线切割加工，采用铆接固定方式。如凸模横断面足够大，可采用图8－9所示的固定方式。
较小的凸模、冲多孔的凸模或冲薄板的凸模除用机械固定外，还可采用低熔点合金固定（图8－10）或环氧树脂粘结固定（图8－1h）。这两种固定方法不如机械固定法的紧固强度高，但可使模具制造和装配大为简化。其方法是在固定板与凸模连接处留有空槽，装配时，将凸模与凹模的间隙调整好，然后在空槽中灌注低熔点合金或环氧树脂，冷却后即可把凸模紧固住。

图8－10 低熔点合金浇注固定

图8－7 防止凸模转动的止动销 图8－8 直通式凸模 图8－9 大断面直通式凸模的固定

2） 凸模长度的确定 凸模长度一般根据模具结构来确定。采用固定卸料板和导尺的模具结构时（图8－11），其凸模长度用下列公式计算：

图8－11 凸模长度的确定
L=h1+h2+h3+h4+h （8－1）
式中 L——凸模长度，mm；
h1——凸模固定板厚度，mm；
h2——卸料板厚度，mm；
h3——导料板厚度，mm；
h4——凸模进入凹模的深度(0.5～1mm)；
h—— 附加长度，包括凸模的修磨量及模具闭合
状态下卸料板到凸模固定板之间的安全距
离等。一般取h＝15～20mm。
3） 凸模强度校核 凸模长度确定后，一般不做强度校核，但对于细长的或冲厚料的凸模，为防止纵向失稳和折断，应进行凸模承压能力和抗弯能力的校核。
a. 承压能力的校核 冲裁时，凸模承受的压应力应小于或等于凸模材料的允许压
应力［］： ＝
对圆形凸模，由上式可得： （8-2）
对于其他各种断面的凸模： （8-3）
式中 ——凸模最小直径，mm；
—— 料厚，mm；
—— 材料抗剪强度，MPa；
F —— 冲裁力，N；
Amin——凸模最小截面积，mm2；
[]——凸模材料的许用压应力，MPa。
b. 凸模抗弯能力的校核 根据模具结构特点，可分为无导向装置和有导向装置的凸模（见图8－12）进行校核。
凸模无导向装置时，对于圆形凸模 （8－4）
对于其他各种断面的凸模 （8－5）
凸模有导向装置时，对于圆形凸模 （8－6）
对于其他各种断面的凸模
a) 无导向 b) 有导向
图8－12 无导向和有导向凸模

（8－7）
式中 Lmax——凸模不失稳弯曲的最大自由长度，mm；
d——凸模的最小直径，mm；
F——冲裁力，N；
I——凸模最小断面的惯性矩，mm4。
（2） 凹模
1） 凹模的结构形式与固定方法 常见的凹模结构形式有整体式凹模和组合式凹模两种形式。
图8－13所示为整体式凹模结构，其俯视外形按毛坯和工件形状可做成矩形或圆形，用螺钉和销钉直接固定在模板上。整体式凹模特点是制造简单，但工作部分与非工作部分做为一体，全由优质钢制造，使用时，若局部损坏就得整体更换。因此，整体式凹模只适用于冲制中小型工件。
图8－14所示为组合式凹模结构。凹模工作部分与非工作部分是分开制成的，非工作部分（图中凹模套1）可以用普通钢材制造。凹模2以过渡配合压装在凹模套1内，然后再用螺钉和销钉把凹模套紧固在模板上。组合式凹模可以节约贵重的模具材料，且当凹模损坏后易于维修更换。这种凹模适用于冲制大、中型工件上的小孔。

图8－15 凹模刃口形式

1－凹模套；2－凹模
图8－13 整体式凹模 图8－14 组合式凹模
2） 凹模的刃口形式 如图8－15所示为凹模刃口常见的几种形式。图中a、e为直壁形，刃口强度高，刃磨后工作尺寸不变，制造方便。但是在孔内易积存工件或废料，增大了凹模胀力、推件力和孔壁的磨损；磨损后每次修磨量大，凹模总寿命较低。该形式的凹模刃口内可安装压料板，向上顶出工件或废料，适用于冲裁精度较高、厚度较大的工件。a适用于圆形或矩形工件；e适用于形状较复杂的工件。
b、c、d的刃口为锥形，孔内不易积存工件或废料，孔壁所受的胀力、摩擦力小，所以凹模磨损及每次刃磨量小，但刃口强度较低，且刃口尺寸在修磨后略有增大。一般用于形状简单、精度要求不高和较薄的冲裁件。c适用较复杂的冲裁件；d用于冲裁薄料和凹模厚度较薄的情况。
f为凸台式凹模，适用于冲裁软而薄的金属与非金属材料。
凹模孔型的直壁高度（h）、斜度角（α和β）与工件的材料厚度和加工方法有关，其数值见表8－2。
表8-2 凹模孔型参数
t/mm
主要参数
备 注
h/mm
α
β
<0.5
0.5～1
1.0～2.5
≥4
≥5
≥6
15’
2o
α、β值仅适用于钳工加工。电火花加工时，一般α＝4’～20’（复合模取小值），β＝30’～50’。带斜度装置的线切割时，β＝1o～1.5o
2.5～6.0
>6.0
≥8
－
30’
3o

3） 凹模外形尺寸的确定 凹模外形尺寸应保证有足够的强度和刚度。由于凹模的结构型式不一，受力状态又比较复杂，一般根据冲裁件尺寸和板料厚度，按下列经验公式确定外形尺寸（见图8－16）。
凹模高度 H=K·b （≥15mm） （8－8）
凹模壁厚（刃口到外边缘的距离）
C=(1.5～2.0)H （≥30～40mm） （8－9）
式中 b——冲裁件最大外形尺寸，mm；
K——考虑坯料厚度影响的系数，其值可参考表8－3。

ａ）键、楔固定 ｂ）垫片、楔固定 ｃ）热压配合 ｄ）键固定
ｅ）止口和横向螺栓固定 ｆ）低熔合金和斜楔固定
图8－17 凹模镶块及固定方法
表8-3 系数K值
t/mm
b/mm
0.5
1
2
3
>3
<50
50～100
100～200
>200
0.3
0.2
0.15
0.1
0.35
0.22
0.18
0.12
0.42
0.28
0.2
0.15
0.5
0.35
0.24
0.18
0.6
0.42
0.3
0.22
注：t为厚度

图8－16 凹模外形尺寸
上述方法适用于确定普通工具钢经过正常热处理，并在平面支撑条件下工作的凹模尺寸。用于大批量生产条件下的凹模，其高度应该在计算结果中增加总的修磨量。
（3） 镶拼结构式组合凹模
大、中型和形状复杂、局部薄弱的整体凹模，往往给锻造、机械加工或热处理带来很大困难，当它局部磨损后又会造成整个凹模报废。为此，常采用镶拼结构式组合凹模。
镶拼结构一般有拼接与镶接两种。拼接是将整体凹模块分割成若干块拼接起来；镶接则是将局部形状分割出再镶入。图8-17所示为镶拼结构的几个例子。
镶拼结构设计的一般原则为：
1）便于加工制造，减少钳工工作量，减少热处理变形。具体办法是：
a. 尽量将形状复杂的内形分割后变为外形加工，以便于机械加工和成形磨削；同时，拼块断面可以做得较均匀，以减小热处理变形，提高模具制造精度。
b. 如有对称轴线，应沿对称轴线分割，对于圆形件应尽量沿径向线分割。这样形状、尺寸相同的分块可以同时加工磨削，并便于装配紧固。
c. 沿转角、尖角分割，拼块角度应≥90°，以便于机械加工，并避免热处理开裂。
d. 圆弧单独做成一块，拼接线应在离切点4～7mm的直线处。大弧线、长直线可以分为几块，拼接线要与刃口垂直。结合面接触处不宜过长，以减少磨削量，一般为12～15mm。
2）便于维修更换与调整
a. 比较薄弱或易磨损的局部凸出或凹进部分，单独做成一块。
b. 拼块之间可以通过增减垫片或磨接合面的方法，以调整间隙或中心距。
3）满足冲裁工艺要求
a. 如果凸模与凹模都采用镶拼结构，凸模与凹模的拼接线应错开3～5mm，以避免产生冲裁毛刺。
b. 大型或厚料冲裁件的镶拼模，为减小冲裁力，可以将冲孔凸模或落料凹模做成波浪形斜刃，如图8-18所示，斜刃要对称，分块线一般取在波浪的高点或低点，每块最好取一个或半个波形，以便于加工制造。

图8－18 斜刃冲裁模的镶拼结构 图8－19 框套螺钉紧固示意图

图8－20 用斜楔紧固镶块
镶块或拼块的固定可以采用热套、锥套、框套、螺钉销钉紧固以及低熔点合金和环氧树脂浇注等方法。采用螺钉销钉固定时，螺钉布置应接近刃口而销钉则远离刃口，两者参差排列，每块镶块应以两个销钉定位。
还有一种框套螺钉紧固法，多用于中小镶块。螺钉通过框套将镶块拉紧或顶紧，使镶块间紧密配合，如图8－19。
图8-20所示为用于两半对合的镶块模的双斜楔紧固方式。
图8-21所示为螺钉销钉紧固方式，一般用于大、中型镶块模上。图中a用于冲压料厚t＜1.5mm的零件，b增加了止推键，用于冲压料厚t＝1.5～2.5mm的零件，c采用了窝槽形式，用于冲压料厚t＞2.5mm的零件。
镶拼式组合凹模具的优点有：每个拼块可以磨削，刃口尺寸和模具间隙可以得到精确控制；冲模制造精度高，使用寿命长；分块后消除了应力集中，断面均匀，减少或消除热
图8－21 用螺钉与销钉紧固镶块
处理的内应力、变形与开裂；便于维修与更换损坏部分，减少模具制造与维修费用，节约模具钢；凹模分块后，可以用小设备加工大模具。其缺点是拼块尺寸精度高，加工工艺复杂；装配和调整也比整体结构复杂。

ａ）低熔点合金、螺钉或销钉固定 ｂ）六角螺钉、矩形键固定
ｃ）压入配合固定 ｄ）止动螺钉固定 ｅ）套筒式键固定
图8－22 小孔筒状凹模结构及安装
冲小孔凹模采用镶嵌筒状凹模，为使废料顺利落下，废料孔采用阶梯扩大。筒状凹模的安装采用螺钉或键连接，或用凸缘压接，必须注意对其定位止转。小孔筒状凹模的结构及安装方法如图8－22。
采用螺钉、销钉固定时，要保证凹模有足够的强度。螺孔之间、螺孔与销孔之间及与刃口边之间最小距离可参考表8－4。
表8－4 螺孔、销孔之间及至刃口边的最小距离 mm

螺 钉 孔
M4
M6
M8
M10
M12
M16
M20
A
淬 火
不淬火
8
6.5
10
8
12
10
14
11
16
13
20
16
25
20
B
淬 火
7
12
14
17
19
24
28
C
淬 火
不淬火
5
3
销 钉 孔
φ4
φ6
φ8
φ10
φ12
φ16
φ20
D
淬 火
不淬火
7
4
9
6
11
7
12
8
15
10
16
13
20
16

（4） 凸凹模
复合模中的凸凹模内外缘均为刃口，内外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸，它不像一般凹模那样可以将外缘轮廓尺寸扩大，所以从强度考虑，壁厚受最小值限制。
凸凹模的最小壁厚受冲模结构影响：凸凹模装于上模（正装复合模）时，内腔不积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些；凸凹模装于下模（倒装复合模）时，直壁型孔内积存废料，胀力大，最小壁厚要大些。凸凹模的最小壁厚值一般按经验数据确定。
不积存废料的凸凹模的最小壁厚：对冲制黑色金属和硬材料，约为工料厚的1.5倍，但不小于0.7mm；对冲制有色金属和软材料，约等于工件料厚，但不小于0.5mm。积存废料的凸凹模的最小壁厚(a)和最小直径(D)可参考表8－5的选用。
表8－5 凸凹模最小壁厚 mm
t
0.4
.0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75

a
1.4
1.6
1.8
2.0
2.3
2.5
2.7
3.2
3.8
4.0
D
15
18
21
t
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
a
4.9
5.0
5.8
6.3
6.7
7.8
8.5
9.3
10.0
12.0
D
21
25
28
32
35
40
45

12