金属塑性成型工艺与模具设计第一二章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,金属塑性成型工艺,与,模具设计,材料科学与工程学院,张绪平,内,容,提,纲,第一章 概述 第二章 冲裁,第三章 弯曲 第四章 拉深,第五章 其它成形工艺,第六章 冲压工艺规程,第七章 冲模结构设计,第八章 特种模具,第一章 概述,内容简介,:,本章讲述冲压模具设计的基础知识。涉及冲压和冲模概念、冲压工序和冲模分类；常见冲压设备及工作原理、选用原则；冲压成形基本原理和规律；冲压成形性能及常见冲压材料；模具材料种类；模具制造特点、模具零件加工方法及应用等。,学习目的与要求：,1,掌握冲压和冲模概念、冲压工序和冲模分类；,2,认识常见冲压设备，掌握选用原则；,3,了解屈服准则、塑性变形时应力应变关系、体积不变条件、硬化规律等冲压成形基本规律；,4,了解冲压成形性能与机械性能关系；,5,认识模具制造特点，掌握模具零件加工方法。,重点内容：,冲压成形基本概念、冲压设备及选用、冲压成形基本规律及应用、冲压成形性能与机械性能关系、常用模具零件加工方法及应用。难点内容：冲压成形基本规律、冲压成形性能与机械性能关系。,主要参考书：,1,王同海,.,实用冲压设计技术,.,北京：机械工业出版社，,20002,冯炳尧,.,模具设计与制造简明手册,.,上海：上海科学技术出版社，,2000,章节内容：,1.1,冲压的定义,1.2,冲压工序分类,1.3,冲压工艺的特点及其应用,1.4,冲压变形的理论基础,1.5,冲压用板料,1.6,冲压设备简介,1.1,冲压的定义,冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力（或拉力），使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。,冲压加工的对象一般为金属板料（或带料）、薄壁管、薄型材等，板厚方向的变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，且通常是在室温状态下进行（不用加热，显然处于再结晶温度以下），故也称为冷冲压。,锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料（或锭料），必须考虑长、宽、高,3,个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。,基于通常要施加一定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拨等总称为金属压力加工；金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称为塑性加工。,动画,:,课程相关的知识点,(,说明该课程主要知识点与相关课程的关系,),冲模、冲压设备和板料,是构成冲压加工的,3,个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。,轧制、拉拨、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、线材等制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上，将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件（或零件），可称为二次塑性加工。,20,世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。,动画二,:,冲模设计与制造流程图,1.2,冲压工序的分类,生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量大小、原材料性能的要求，冲压加工的方法是多种多样的。,概括起来可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序又可分为落料、冲孔和剪切等，目的是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，表,1,所示。成形工序可分为弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、缩口等，目的是使冲压毛坯在不破坏的条件下发生塑性变形，并转化成所要求制件形状，见表,2,。表,3,是立体塑性成形工序立体冲压。,动画三,:,典型冲压零件,1.3,冲压工艺的特点与应用,特点：,（,1,）冲压件的尺寸精度由模具来保证，具有一模一样的特征，所以质量稳定，互换性好。,（,2,）由于利用模具加工，所以可获得其它加工方法所不能或难以制造的，壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件。,（,3,）冲压加工一般不需要加热毛坯，也不像切削加工那样，大量切削金属，所以它不但节能，而且节约金属。,（,4,）对于普通压力机每分钟可生产几十件，而高速压力机每分钟可生产几百上千件。所以它是一种高效率的加工方法。,由于冲压工艺具有上述突出的特点，因此在国民经济各个领域广泛应用。例如，航空航天、机械、电子信息、交通、兵器、日用电器及轻工等产业都有冲压加工。不但产业界广泛用到它，而且每一个人每天都直接与冲压产品发生联系。冲压可制造钟表及仪器中的小型精密零件，也可制造汽车、拖拉机的大型覆盖件。冲压材料可使用黑色金属、有色金属以及某些非金属材料。冲压也存在一些缺点，主要表现在冲压加工时的噪声、振动两种公害。这些问题并不完全是冲压工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备落后所造成的。随着科学技术的进步，这两种公害一定会得到解决。,1.4,冲压变形的理论基础,1.4.1,金属塑性变形的概念,塑性：指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。,塑性指标：常用的塑性指标如下,变形抗力：,引起塑性变形的单位变形力。（金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力）。,1.4.2,影响塑性及变形抗力的主要因素,内因：,外因：,1.4.3,金属塑性变形的力学条件,屈服条件,1.4.4,冲压成形中的变形趋向及其控制,冲压成形时，毛坯内各处的应力应变状态都不相同。从变形过程中的某瞬间来看，在应力状态满足屈服准则的区域内将产生塑性变形，此区称为塑性变形区，没有满足屈服准则的区域不会产生塑性变形，称为非变形区。,非变形区进一步又可分为已变形区、待变形区和不变形区。,通过对材料流动趋向性的控制，其实就是对变形趋向性的控制，一切导流措施均有利于强区向弱区转化。反之，一切阻流措施，均有利于弱区转化为强区。,为实现对变形趋向性的控制经常采取的工艺措施有：,1.,2.,3.,4.,1.5,冲压用板料,1.5.1,板料的冲压成形性能和评定方法,板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。,(,一,),成形极限,在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。,依据什么来确定极限变形系数呢？这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。,1.,属于变形区的问题,伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如 胀形、翻孔、扩口 和弯曲外区等的拉裂。压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深 等的起皱。,2.,属于非变形区的问题,非变形区 作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。,拉裂或过度变薄,失稳或 塑性镦粗,各属于什么加工方法？,非变形区不是传力 区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。,待变形区拉裂或起皱,已变形区拉裂或起皱,(,二,),成形质量,冲压零件不但要求具有所需形状，还必须保证产品质量。冲压件的质量指标主要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。,1.6,冲压设备简介,1.6.1,曲柄压力机,曲柄压力机是一种通用金属成形机床，图所示为一种典型的曲柄压力机的传动原理与外观。,理与外观。,J23-16,1.6.2,薄板拉深液压机,液压机根据帕期卡原理制成，以液体（大型机用水,-,乳化液、中小型机用油）为介质传递能量。液压机一般液压系统和本体两部分组成。液压缸、相关容器、管道和各种阀、泵是液压系统的主要构件：本体的结构类型有梁柱式（典型结构为三梁四柱）、框架式、单臂式等，部分大型液压机的工作台可移出，以便安装大型模具。,第二章 冲裁,内容简介,:,冲裁是最基本的冲压工序。本章是本课程的重点章。在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上，介绍冲裁工艺计算、工艺方案制定和冲裁模设计。涉及冲裁变形过程分析、冲裁件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲裁力与压力中心计算、冲裁工艺性分析与工艺方案制定、冲裁典型结构、零部件设计及模具标准应用、冲裁模设计方法与步骤等。,学习目的与要求：,1,了解冲裁变形规律、冲裁件质量及影响因素；,2掌握冲裁模间隙确定、刃口尺寸计算、排样设计、冲裁力计算等设计计算方法。,3,掌握冲裁工艺性分析与工艺设计方法；,4,认识冲裁模典型结构（尤其是级进模和复合模）及特点，了解模具标准，掌握模具零部件设计及模具标准应用方法；,5,掌握冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。,重点内容：,1,冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；,2,刃口尺寸计算原则和方法；,3,冲裁工艺性分析与工艺方案制定；,4,冲裁模典型结构及特点；,5,冲裁模结构设计及模具标准应用；,6,冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。,难点内容：,1,冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；,2,刃口尺寸计算原则和方法；,3,模具结构设计及模具标准应用4,冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。,图,1,手柄工件简图,图,2,电极板,图,1,工件结构相对简单，有一个,8mm,的孔和,5,个,5mm,的孔；孔与孔、孔与边缘之间的距离最小为,3,5mm,（大端,4,个,5mm,的孔与,8mm,孔、,5mm,的孔与,R16mm,外圆之间的壁厚）。工件的尺寸全部为自由公差,，,生产需要准备坯料和加工,6,个孔！,怎么准备坯料和加工,6,个孔呢？,1.,几个概念,1,）冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。冲裁所使用的模具称为冲裁模，如落料模、冲孔模、切边模、冲切模等。冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛，它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯，也可直接制作零件的模具是冲压一板状零件的冲裁模。,冲裁加工示意图,1,凸模；,2,凹模,由图可见，冲裁加工必须使用模具。图中,1,为凸模，,2,为凹模，凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓形状与工件形状对应，并有锋利的刃口。凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模，其差值称为冲裁间隙,在间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程可分为三个阶段：,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.,断裂分离阶段,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附近的侧面，然后凸模刃口附近的侧面,再次上、下裂纹扩展相遇，最后材料分离。,断面质量,冲裁单面间隙是指凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半，常称冲裁间隙。用,c,表示。间隙值的大小，影响冲裁时上、下形成的裂纹会合；影响变形应力的性质和大小。,当间隙过小时，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带,(,夹层,),。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压力作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。,当间隙过大时，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大，拱弯翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面出现,2,个斜度，断面质量也不理想。当间隙适中时，上、下裂纹会合成一条线。尽管断面有斜度，但断面较平直，圆角和毛刺均不大，有较好的综合断面质量。这种间隙是设计选用的合理间隙，,当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现 部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件断面质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。,动画,冲裁变形区及受力,由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、凹模刃口连线为中心而形成纺锤形区域，即从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围。其变形性质是以塑性剪切变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与模向挤压等变形。,无压边装置的冲裁过程中板料所受外力,2.2,冲裁质量分析与控制,1.,尺寸精度,冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差；,模具本身的制造偏差。,2.,形状误差,材料在冲裁过程中会受到弯曲力偶的作用，因此冲裁件会出现弯拱现象加工硬化指数大的材料，弯拱较大。凹模间隙愈大，弯拱也愈大。,预防及减少弯拱的措施是：对于冲孔件在模具结构上增设压料板；对于落料件，则在凹模孔中加顶件板。,3.,毛刺高度,刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。,模具刃口状态对断面质量的影响,2.3,冲裁力和压力中心的计算,计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具的强度。,压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的需求。普通平刃冲裁模，其冲裁力,F,一般可按下式计算：,F,KtL,式中,材料抗剪强度，见附表,(,MPa,),；,L,冲裁周边总长,(mm),；,t,材料厚度,(mm),系数,K,是考虑到冲裁模刃口的磨损、凸模与 凹模间隙之波动,(,数值的变化或分布不均,),、润滑情况、材料力学性能与厚度公差的变化等因素而设置的安全系数，一般取,1.3,。当查不到抗剪强度,时，可用抗拉强度,b,代替,，而取,K,1,的近似计算法计算。,F=Lt,b,工艺力示意图,当上模完成 一次冲裁后，冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内，模面上的材料因弹性 收缩而紧箍在 凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的材料料刮下,将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。从凸模上刮下材料所需的力，称为卸料力；从凹模内向下推出制件或废料所需的力，称为推料力；从凹模内向上顶出制件需的力，称为 顶件力。,降低冲裁力的措施,在冲压高强度材料、厚料和大尺寸冲压件时，需要的冲裁力较大，生产现场压力机的吨位不足时，为不影响生产，可采用一些有效措施降低冲裁力。,凸模阶梯布置由于各凸模工作端面不在一个平面，各凸模冲裁力的最大值不同时出现，从而达到降低冲裁力的目的。当凸模直径有较大差异时，一般把小直径凸模做短一些，高度差,H=(0.5,1)t,。凸模的阶梯布置会给刃磨造成一定困难，仅在小批量生产采用。,凸模阶梯布置,斜刃冲裁斜刃是将冲孔凸模或落料凹模的工作刃口作成斜刃，冲裁时刃口不是全部同时切入，而是逐步地将材料分离，能显著降低冲裁力，但斜刃刃口制造和刃磨都比较困难，刃口容易磨损，冲件也不够平整。,为了能得到较平整的工件，落料时斜刃做在凹模上；冲孔时斜刃做在凸模上。,另外，加热冲裁使金属抗剪强度降低，也能降低冲裁力。,式中,材料抗剪强度，,t,材料厚度,(mm),斜刃角（,）,卸料力、推件力和顶件力,从凸模上将工件卸下来所需的力称为卸料力；,顺着冲裁方向将零件从凹模腔推出的力称为推件力,逆着,-,顶件力,影响卸料力、推料力和 顶件力 的因素很多，如,材料的力学性能、厚度；,模具间隙、表面粗糙度等，因此要精确地计算是困难的。,在实际生产中常采用经验 公式计算：,卸料力,F,卸,卸,F,推料力,F,推,n,推,F,顶件力,F,顶,顶,F,卸,、,推,、,顶,分别为卸料力、推件力和顶件力的系数，可查表得。,F,冲裁力,n,凹模口中的工件数。,h,直刃口部分的高,(,mm),；,t,材料厚度,(mm),，则,n,h/t,。,总冲压力,冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲裁各工艺力的总和。,采用弹压卸料装置和下出件的模具时：,F,总,F,F,卸,F,推,采用弹压卸料装置和上出件的模具时：,F,总,F,F,卸,F,顶,采用刚性卸料装置和下出件模具时：,F,总,F,F,推,2.4,冲裁模间隙,2.4.1,冲裁间隙对模具寿命的影响,模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的因素之一。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重。所以过小的间隙对模具寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面与材料间的摩擦减小，并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。,2.4.2,冲裁间隙对冲裁力及卸料力、推件力、顶件力的影响,间隙对冲裁力影响不是很大。,间隙小，挤压状态、压应力增大，板料不易产生裂纹，,F,间隙大，拉伸增大、容易产生裂纹，,F,间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大，卸料力和推件力都将减小。,2.4.3合理冲裁间隙的选用,因此，凸模、凹模间间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响。设计模具时一定要选择一个合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求、所需冲裁力小、模具寿命高。但分别从质量、冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙,c,min,，最大值称为最大合理间隙,c,max,。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值,c,min,。确定合理间隙的方法有理论确定法与经验确定法。,冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态,根据图中三角形,ABC,的关系可求得间隙值,c,为：,c=(t-h,0,),tan,=t(1-h,0,/t),tan,h,凸 模切入深度；,最大剪应力方向与垂线方向的夹角。,理论确定法,经验确定法,根据近年来的研究与使用经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。对于尺寸精度、断面垂直度要求 高的制件应选用较小间隙值，对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大间隙值。,其值可按下列经验公式和实用间隙表选用：,软材料：,t,1 mm,c=(3%4%)t,t=1 3mm,c=(5%8%)t,t3 5mm,c=(8%10%)t,硬材料：,t,1mm,c=(4%5%)t,t=1 3mm,c=(6%8%)t,t=3 8mm,c=(8%13%)t,表见教材,P29,、,30,2.5,图凹模刃口尺寸确定,2.5.1,计算的原则,冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现：,（,1,）由于凸模、凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。,（,2,）在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是以小端尺寸为基准。,（,3,）冲裁时，凸模、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，结果使间隙越来越大。,由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需考虑下述原则：,（,1,）落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。故设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。,（,2,）考虑到冲裁中凸模、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。这样，在凸模、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格制件。凸模、凹模间隙则取最小合理间隙值。,3,）确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。如果对刃口精度要求过高,(,即制造公差过小,),，会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低,(,即制造公差过大,),，则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。制件精度与模具制造精度的关系见表,2.3,（,P32,）。,（,4,）若制件没有标注公差，则对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”,IT14,级处理，冲模则可按,IT11,级制造；对于圆形件，一般可按,IT7,IT6,级制造模具。冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注，落料件上偏差为零，下偏差为负；冲孔件下偏差为零，上偏差为正。,刃口尺寸计算方法由于模具加工方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，刃口尺寸的计算方法可分为二种情况。,1.,分别加工法,当凸模和凹模的图纸分别标注尺寸和公差时，按此方法进行加工。,会造成：,1,）冲裁间隙由凸模、凹模刃口尺寸和公差来保证；,2,）要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差,(,凸模,p,、凹模,d,),，具有互换性；,3,）受到冲裁间隙的限制，它仅适用于圆形或简单形状的冲压件。,4,）要保证初始间隙值小于最大合理间隙,2c,max,，必须满足下列条件：,p,d,c,max,2c,min,5,）若,p,d,c,max,2c,min,，可取,p,0.4(2c,max,2cmin,),，,d,0.6(2c,max,2c,min,),作为模具的凸模、凹模的制造偏差。,落料：,设工件的尺寸为,D,，根据计算原则，落料时以凹模为设计基准。首先确定凹模尺寸，使凹模基本尺寸接近或等于制件轮廓的最小极限尺寸，再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值,2c,min,。各尺寸分配位置。凹模制造偏差取正偏差，凸模偏差取负偏差，其计算公式如下：,（,2-3-2),。,冲孔：,设冲孔尺寸为,d,0,，根据以上原则，冲孔时以凸模设计为基准，首先确定凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙,2c,min,。各部分尺寸分配位置，凸模制造偏差取负偏差，凹模取正偏差。其计算公式如下：,在同一工步中冲出制件两个以上孔时，凹模型孔中心距,L,d,按下式确定：,式中：,d,落料凹模基本尺寸,(mm),；,p,落料凸模基本尺寸,(mm),；,D,max,落料件最大极限尺寸,(mm),；,d,d,冲孔凹模基本尺寸,(mm),；,d,p,冲孔凸模基本尺寸,(mm),；,d,min,冲孔件孔的最小极限尺寸,(mm),；,L,d,同一工步中凹模孔距基本尺寸,(mm),；,L,min,制件孔距最小极限尺寸,(mm),；,制件公差,(mm),；,2c,min,凸模、凹模最小初始双面间隙,(mm),；一般用,Z,表示。,p,凸模下偏差，可按,IT6,选用,mm),；,d,凹模上偏差，可按,IT7,选用,(mm),；,x,系数，是为了使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸，与工件制造精度有关，按下列关系取值：,当制件公差为,IT10,以上，取,x,当制件公差为,IT11,IT13,，取,x,0.75,当制件公差为,IT14,以下时，取,x,0.5,。,也可查表,2-4,（,P32,）,凸凹模配合加工,用凸模与凹模互相配制的方法来保证冲裁间隙。根据车间现有的生产条件，规定凸模或凹模为制造的基准模，通常冲孔件选择凸模，落料件选择凹模为基准模。在作为基准模的零件图上标注尺寸和公差。相配的非基准模按基准模的实际尺寸配间隙。在非基准模的零件图上标注与基准模相同的基本尺寸，在技术条件上注明按基准模的实际尺寸配间隙及间隙值。如冲孔以凸模为基准机凸模零件图上标注尺寸和公差，凹模图上标注与凸模相同的基本尺寸，并注明按凶模实际尺寸配间隙。用配创法保证间隙，会延长生产周期，增加装配模具工作量，生产管理也麻烦，但可以放大模具制造公差，对模具加工有利。,2.6,冲裁排样设计,1,排样原则,排样合理与否不但影响材料的经济利用，还影响到制件的质量、模具的结构与寿命、制件的生产率和模具的成本等技术、经济指标。因此，排样时应考虑如下原则：,1,）提高材料利用率,(,不影响制件使用性能前提下，还可适当改变制件形状,),。,2,）排样方法使应操作方便，劳动强度小且安全。,3,）模具结构简单、寿命高。,4,）保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。,2,排样方法,根据材料经济利用程度，排样方法可分为有废料、少废料和无废料排样三种，根据制件在条料上的布置形式，排样又可分为直排、斜排、对排、混合排、多排等多种形式。,1,）有废料排样法：图 所示，沿制件的全部外形轮廓冲裁，在制件之间及制件与条料侧 边之间，都有工艺余料,(,称搭边,),存在。因留有搭边，所以制件质量和模具寿命较高，但材料利用率降低。,2,）少废料排样法：如图 所示。沿制件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在制件之间,(,或制件与条料侧 边之间,),留有搭边，材料利用率有所提高。,3,）无废料排样法：无废料排样法就是无工艺搭边的排样，制件直接由切断条料获得。图是步距为两倍制件宽度 的一模两件 的无废料排样。,采用少、无废料排样法,1,）材料利用率高，,2,）有利于一次冲程获得多个制件，,3,）简化模具结构、降低冲裁力,4,）由于条料本身的公差以及条料导向与定位所产生的误差的影响，所以冲裁件的公差等级较低。,5,）因模具单面受力,(,单边切断时,),，会加剧模具的磨损，降低模具的寿命，并且也直接影响到冲裁件的断面质量。,因此排样时必须统筹兼顾、全面考虑。,排样形式分类示例,排样形式,有废料排样,少、无废料排样,应用范围,直排,方形、矩形零件,斜排,椭圆形、,L,形、,T,形、,S,形零件直对排,梯形、三角形、半圆形、,T,形、,形零件,混合排,材料与厚度相同的两种以上的零件,多行排,批量较大、尺寸不大的圆形、六角形、方形、矩形零件,整裁搭边,细长零件,分次裁搭边,3.,搭边,搭边：排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料。,作用：,1,）补偿定位和剪板误差，确保冲出合格零件；,2,）增加条料刚度，便于条料送进，提高劳动生产率。,搭边值的大小,直接影响材料利用率、模具寿命等。搭边值的大小由经验确定。一般来说，,1),硬材料、用手工送料、有侧压装置的搭边值可取小些；,2),软材料、脆材料、厚材料、尺寸大和形状复杂的搭边值要取大一些。,影响搭边值的因素,（,1,）,材料的力学性能,硬材料的搭边值可小一些；软材料、脆材料的搭边值要大一些。,（,2,）,材料厚度,材料越厚，搭边值也越大。,（,3,）,冲裁件的形状与尺寸,零件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值取大些。,（,4,）,送料及挡料方式,用手工送料，有侧压装置的搭边值可以小一些；用侧刃定距比用挡料销定距的搭边小一些。,（,5,）,卸料方式,弹性卸料比刚性卸料的搭边小一些。,4.,送料步距与条料宽度,排样方式和搭边值确定后，条料的宽度和进距也就可设计出。,步距是每次将条料送入模具进行冲裁的距离。步距与排样方式有关，是决定挡料销位置的依据。,条料宽度的确定与模具的结构有关。确定的原则是：最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利地在导料板之间送进条料，并有一定的间隙。,1,）有侧压装置时条料的宽度,有侧压装置的模具，能使条料始终沿基准导料板送料，因此条料宽度可按下式计算：,条料宽度：,导料板间距离：,式中：,B,条料宽度的基本尺寸,(mm),；,D,条料宽度方向零件轮廓的最大尺寸,(mm),；,a,侧面搭边，查表（,mm,）,；,Z,条料下料剪切公差，查表（,mm,）,2.6,冲裁排样设计,搭边,a,和,a1,数值,(,低碳钢,),剪料公差及条料与导料板之间隙,(mm),条料宽度,B,条料厚度,t,1,1,2,2,3,3,5,c,c,c,c,50,50,100,100,150,150,220,220,300,0.40.50.60.70.8,0.1,0.1,0.2,0.2,0.3,0.50.60.70.80.9,0.2,0.2,0.3,0.3,0.4,0.70.80.91.01.1,0.4,0.4,0.5,0.5,0.6,0.91.01.11.21.3,0.6,0.6,0.7,0.7,0.8,滚剪机剪切的最小公差,(mm),条料厚度,t,条料宽度,B,20,20,30,30,50,0.5,0.5,1.0,1.0,2.0,0.050.080.10,0.080.100.15,0.100.150.20,无侧压装置时条料的宽度与导料板间距离,条料宽度,：,导料板间距离,：,用侧刃定距时条料的宽度与导料板间距离,条料宽度,：,导料板间距离,：,B,为侧刃余料，金属材料取,.5mm,，非金属材料取,1.5,mm(,薄材料取小值，厚料取大值,),；,n,为侧刃个数；,y,为侧刃冲切后条料与导料板之间的间隙，常取,0.1,0.2mm,（薄料取小值，厚料取大值）。,一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸,、条料长度,L,、板料厚度,t,、端距,l,、步距,S,、工件间搭边和侧搭边,a,。并习惯以剖面线表示冲压位置。,排样图,零件形状不同材料利用情况的对比,2.7,冲裁工艺设计,1,冲裁件工艺性分析,冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的结构、形状尺寸及公差等技术要求是否符合冲裁加工的工艺要求，难易程度如何。工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大的影响。,1,）冲裁件的形状和尺寸,冲裁件形状应尽可能简单、对称、排样废料少。在满足质量要求的条件下，把冲裁件设计成少、无废料的排样形状。如图所示零件，若外形无要求，只要满足三孔位置达到设计要求，可改为图,b),所示形状，采用无废料排样，材料利用率提高,40%,。,提高,40%,。,冲裁件形状对工艺性的影响示例,除在少、无废料排样或采用镶拼模结构时，允许工件有尖锐的清角外，冲裁件的外形或内孔交角处应采用圆角过渡，避免清角。其圆角值见表,。,零件种类,黄铜、铝,合金钢,软钢,备注落料,交角,90o,90o,0.18t0.35t,0.35t0.70t,0.25t0.5t,0.25mm 0.5mm,冲孔,交角,90o,90o,0.2t0.4t,0.45t0.9t,0.3t0.6t,0.3mm 6mm,冲裁件最小圆角半径,R,尽量避免冲裁件上过长的悬臂与窄槽，它们的最小宽度,b1.5t,。,冲裁件孔与孔之间、孔与零件边缘之间的壁厚，因受模具强度和零件质量的限制，其值不能太小。一般要求,c1.5t,，,ct,。,冲裁件的结构工艺性图,若在弯曲或拉深件上冲孔，冲孔位置与件壁间距应满足图示尺寸。,弯曲件的冲孔位置,冲裁件的孔径因受冲孔凸模强度和刚度的限制，不宜太小，否则容易折断和压弯。孔的最小尺寸取决于材料的机械性能、凸模强度和模具结构。用自由凸模见表自由凸模冲孔的最小尺寸,(mm),带护套的凸模所能冲制的最小孔径分别见表，,带护套的凸模的最小尺寸,冲压件材料,圆形孔（直径,d,）,矩形孔（孔宽,b,）,硬钢,软钢及黄铜,铝、锌,0.5t0.35t0.3t,0.4t0.3t0.28t,孔距的最小尺寸可见表。,孔型,圆孔,方,孔,料厚,t(,),1.55,2.3,最小孔距,3.1t,2t,4.6t,2t,2,）冲裁件的尺寸精度（公差等级）和表面粗糙度,冲裁件的精度一般可分为,精密级与,经济级,两类,在经济精度范围以内，冲裁件的尺寸精度要求，对于普通冲裁件，其经济精度不高于,IT11,级，冲孔件比落料件高一级。冲裁件外形与内孔尺寸公差可见表。,冲裁件外形与内孔尺寸公差,冲裁件两孔孔心距所能达到的公差见表。,冲裁件孔中心距的公差,冲裁件断面的表面粗糙度和允许的毛刺高度可见表,冲裁断面的表面粗糙度表,冲裁件允许毛刺的高度,如果工件精度高于上述要求，则需在冲裁后整修或采用精密冲裁工艺。,冲裁件的尺寸基准 冲裁件孔位尺寸基准应尽量选择在冲裁过程中始终不参加变形的面或线上，切不要与参加变形的部位联系起来。如图所示，原设计尺寸的标注图,a,），对冲裁件图样的标注是不合理的，因为这样标注，尺寸,L1,、,L2,必须考虑到模具的磨损，而相应给以较宽的公差造成孔心距的不稳定，孔心距公差会随着模具磨损而增大。改用图,b),的标注，两孔的孔心距不受模具磨损的影响，比较合理。因此，考虑冲裁件的尺寸基准时应尽可能考虑制造模具及模具的使用定位基准重合，以避免产生基准不重合误差。,2.,冲裁工艺方案的确定,在冲裁工艺分析和技术经济分析的基础上根据冲裁件的特点确定冲裁工艺方案。冲裁工艺方案可分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁。单工序冲裁是在压机一次行程，在模具单一的工位中完成单一工序的冲压；复合冲裁是在压机一次行程中，在模具的同一工作位置同时完成两个或两个以上的冲压工序；级进冲裁是把冲裁件的若干个冲压工序，排列成一定的顺序，在压机一次行程中条料在冲模的不同工序位置上，分别完成工件所要求的工序，在完成所有要求的工序后，以后每次冲程都可以得到一个完整的冲裁件。组合的冲裁工序比单工序冲裁生产效率高，获得的制件精度等级高。,冲裁工序的组合 冲裁组合方式的确定应根据下列因素决定。,1,）生产批量 小批量与试制采用单工序冲裁，中批和大批量生产采用复合冲裁或级进冲裁。,2,）工件尺寸公差等级 复合冲裁所得到的工件尺寸公差等级高，因为它避免了多次冲压的定位误差，并且在冲裁过程中可以进行压料，工件较平整。级进冲裁所得到的工件尺寸公差等级较复合冲裁低，在级进冲裁中采用导正销结构，可提高冲裁件精度。,3,）对工件尺寸、形状的适应性 工件的尺寸较小时，考虑到单工序上料不方便和生产率低，常采用复合冲裁或级进冲裁。对于尺寸中等的工件，由于制造多副单工序模的费用比复合模昂贵，也宜采用复合冲裁。但工件上孔与孔之间或孔与边缘之间的距离过小时，不宜采用复合冲裁和单工序冲裁，宜采用级进冲裁。所以级进冲裁可以加工形状复杂、宽度很小等异形工件，但级进冲裁受压机台面尺寸与工序数的限制，冲裁工件尺寸不宜太大。,4,）模具制造、安装调整和成本 对复杂形状的工件，采用复合冲裁比采用级进冲裁为宜。因模具制造、安装调整较易，成本较低。,5,）操作方便与安全 复合冲裁出件或清除废料较困难，工作安全性较差。级进冲裁较安全。,综合上述分析，对于一个工件，可以得出多种工艺方案。必须对这些方案进行比较，选取在满足工件质量与生产率的要求下，模具制造成本低、寿命长、操作方便又安全的工艺方案。,2.,冲裁顺序的安排,1,）级进冲裁的顺序安排 先冲孔或切口，最后落料或切断，将工件与条料分离。首先冲出的孔可作后续工序的定位用。在定位要求较高时，则可冲出专供定位用的工艺孔,(,一般为两个，见图,),。采用定距侧刃时，定距侧刃切边工序安排与首次冲孔同时进行，以便控制送料步距。采用两个定侧距刃时，可以安排成一前一后，也可并例布置。,图,2.6.6,级进冲裁,2,）多工序工件用单工序冲裁时的顺序安排 先落料使毛坯与条料分离，再冲孔或冲缺口。后继各冲裁工序的定位基准要一致，以避免定位误差和尺寸链换算。冲裁大小不同、相距较近的孔时，为减少孔的变形，应先冲大孔，后冲小孔。,冲裁模设计与制造实例,工件名称：手柄,工件简图：如图所示。,生产批量：中批量,材料：,Q235-A,钢,材料厚度：,1.2mm,1,冲压件工艺性分析,此工件只有落料和冲孔两个工序。材料为,Q235-A,钢，具有良好的冲压性能，适合冲裁。工件结构相对简单，有一个,8mm,的孔和,5,个,5mm,的孔；孔与孔,、,孔与边缘之间的距离也满足要求，最小壁厚为,3,、,5mm,（大端,4,个,5mm,的孔与,8mm,孔,、,5mm,的孔与,R16mm,外圆之间的壁厚）。工件的尺寸全部为自由公差，可看作,IT14,级，尺寸精度较低，普通冲裁完全能满足要求。,2