工艺技术_冲裁工艺与冲裁模的设计课件

第二讲冲裁工艺与冲裁模的设计 1典型案例2冲裁工艺与模具的设计程序3冲裁工艺性分析4冲裁工艺过程5排样6冲裁模刃口尺寸计算7定位与卸料出料8凸 凹模结构设计9冲裁模总体设计 1典型案例垫圈垫圈是标准化的零件 具有通用性和互换性 材料一般为普通碳素钢 如Q215 属于大批量生产 t 1mm 2冲裁工艺与模具的设计程序冲裁模设计的总原则 在满足制件尺寸精度和形状精度的前提下力求使模具结构简单 操作方便 材料消耗少 制件成本低 冲裁模设计程序示意图 1 审图审阅制件图的正确性和完整性 包括 投影关系 尺寸标注 公差 技术要求 材料等标注 2 冲裁工艺性分析冲裁件的工艺性是指冲裁件结构 形状 尺寸和材料等对冲裁工艺的适应性 3 冲裁工艺方案制定依据制件对冲裁工艺的适应性 结合制件的生产批量和各种冲裁工艺的特点 制定适合于制件的冲裁工艺方案 单工序工艺方案 复合工艺方案 连续工艺方案 4 排样依据制件结构形状特点 在保证制件质量前提下 采用较为合理的排样方式 以达到较高的经济效益 冲压件排样实物 5 刃口尺寸计算 6 冲压力及冲压设备选择 7 压力中心计算 8 凸 凹模结构设计在设计中应尽可能采用标准冷冲模具结构尺寸 9 总体结构设计 10 冲裁模装配图绘制 11 非标零件图绘制 3冲裁工艺性分析3 1冲裁变形特征 c 断裂分离阶段凸 凹模间隙正常且无弹压时 金属材料的冲裁变形过程 a 弹性变形阶段b 塑性变形阶段 普通冲裁零件断面 冲裁件断面示意图 冲裁件断面质量1 光亮带2 毛刺3 断裂带4 塌角带 a 间隙过小b 间隙适中c 间隙过大 3 2冲裁工艺性要求冲裁件的工艺性是指该工件在冲裁加工中的难易程度 良好的冲裁工艺性应保证材料消耗少 工序数少 模具结构简单且寿命长 产品质量稳定 操作安全方便等 1 冲裁件的形状与结构冲裁件的形状应尽可能的简单 对称 1 应避免冲裁件上有过长的悬臂和狭槽 冲裁件悬臂与窄槽尺寸 最小宽度 b 2t 2 冲裁件的孔与边缘间 孔与孔之间的距离b1 b2不能太小 最小孔边距离 一般取b1 1 5t b2 2t 3 冲裁件的外形或内孔的转角处 应避免有锐角的清角 应采用圆弧过渡 4 冲孔的尺寸不能太小 2 冲裁件的尺寸精度和粗糙度普通冲裁件1 尺寸精度一般在IT10 IT11级以下2 粗糙度低于Ra 6 3 m3 冲孔精度比落料精度高一级 3 冲裁材料选材原则 1 取决于零件的要求2 廉价代贵重 薄料代厚料 黑色代有色 3 采用国家标准规格材料 4 典型案例分析垫圈 无悬臂狭槽 孔边距较大 无尖锐转角 孔径较大 制件尺寸精度较低 无粗糙度要求 材料为普通碳素钢 冲裁性能较好 但容易产生毛刺 4冲裁工艺过程4 1垫圈冲裁工艺方案制定 单一工序 复合工序 级进工序 5排样5 1冲裁排样排样 指制件在板料或条料排上的布置方法 冲裁排样从废料的角度来分 可分为有废料排样 少废料排样和无废料排样三种 a 有废料排样b 少废料排样c 无废料排样 冲裁排样按制件在材料上的排列形式来分 可分为直排法 斜排法 对排法 混合排法 多排法和冲裁搭边法等多种形式 1 直排 适用于方形 矩形零件 2 斜排 适用于椭圆形 T形 形 S形零件 3 直对排 适用于梯形 三角形 半圆形 T形 形 形零件 4 斜对排 适用于椭圆形 T形 形 S形零件 6 多行排 适用于大批量生产中尺寸不大的圆形 六角形 方形 矩形零件 7 交叉排 适用于C形 形 形等零件 5 组合排 适用于材料与厚度相同的两种以上零件 8 裁搭边法 整裁法 适用于尺寸较小且形状较简单的细长零件 9 裁搭边法 分次裁切法 适用于尺寸较小且形状较复杂的细长零件 典型案例冲裁排样分析垫圈 5 2搭边值的确定搭边 指排样时制件与制件之间 制件与条 板 料边缘之间的余料 搭边的作用1 搭边能够补偿定位误差 保证冲出合格的制件 2 保证条料具有一定的刚性 便于送料 3 起到保护模具的作用 以免模具过早地磨损而报废 1 普通冲裁搭边值的选取 见表2 10 表2 12 2 多工序连续冲压1 切断工序中其搭边值的选取 主要指制件与制件之间被切除的废料的宽度 表2 13 2 切口工序中工艺废料值的确定 设计时可参照切断加工工艺废料标准值 3 材料侧面切口值的确定 一般取侧刃长度等于进距L 然后根据料厚t与侧刃切进长度L 或料宽B 求出切边宽度F 侧刃切口值 3 典型案例冲裁搭边值确定垫圈冲裁搭边值确定料厚为1mm 由表2 10可查得 工件间搭边值a1 0 8mm 沿边搭边值a 1 0mm 案例排样图垫圈 单排 级进工序 复合工序 级进工序 复合工序 垫圈 多排 5 3材料利用率的计算 1 条料宽度尺寸的确定1 有侧压装置 B L 2b 2 无侧压装置 B L 2b C 式中 L 制件垂直于送料方向的基本尺寸 条料的宽度公差 见表2 16 b 侧面搭边值 C 送料保证间隙 B 100 C 0 5 1 0 B 100 C 1 0 1 5 簧片压块式侧压1 簧片2 压块3 基准导料板 3 采用侧刃 B L 1 5b nF 式中 L 制件垂直于送料方向的基本尺寸 n 侧刃数 F 侧刃裁切宽度 条料的宽度公差 b 侧面搭边值 2 材料利用率的计算一般常用的计算方法是 一个进距内的实际面积与所需板料面积之比的百分率 一般用 表示 式中 A 在送料方向 排样图中相邻两个制件对应点的距离 mm B 条料宽度 mm S 一个进距内之间的实际面积 mm S0 一个进距内所需毛坯面积 mm 3 典型案例冲裁材料利用率计算 见表2 17 6冲裁模刃口尺寸计算6 1冲裁间隙冲裁间隙是指冲裁模凸模与凹模刃口间缝隙的距离 Z Dd Dp式中Z 冲裁间隙 mm Dd 凹模刃口尺寸 mm Dp 凸模刃口尺寸 mm 1 间隙对冲裁件断面质量的影响 播放动画 间隙过小 间隙适合 间隙过大 2 冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响冲裁件的尺寸偏差主要是由两个方面造成的 一是冲模的制造偏差 二是冲裁件实际尺寸与冲模刃口尺寸之间的偏差 间隙越小 冲裁力就越大 反之 间隙越大 冲裁力就小 间隙越小 卸料力和推料力随之增加 间隙越大 卸料力和推料力随之减小 3 冲裁间隙对冲裁力 卸料力 推料力 顶料力的影响 4 冲裁间隙对冲模寿命的影响 凸 凹模刃口磨损情况 较小的间隙可提高模具的使用寿命 过小的间隙对模具的寿命极为不利 5 合理间隙值的确定合理间隙是一个范围值 其上限为最大合理间隙 其下限为最小合理间隙 在具体设计冲裁时 根据零件在生产中的具体要求可按下列原则进行选取 当冲裁件尺寸精度要求不高 或对断面质量无特殊要求时 一般采用较大的间隙值 当冲裁件尺寸精度要求较高 或对断面质量有较高要求时 应选择较小的间隙值 在设计冲裁模刃口尺寸时 应按最小间隙值来计算刃口尺寸 确定合理间隙的方法通常有理论分析法 经验确定法及查表法 6 典型案例冲裁间隙的确定垫圈冲裁间隙垫圈零件对冲裁断面质量无要求 一般为 类断面 由表2 18可查得Zmax 40 t 即Zmax 0 4mm 2 6 2凸 凹模刃口尺寸计算的原则 落料尺寸取决于凹模尺寸 冲孔尺寸取决于凸模尺寸 根据磨损规律 设计落料模时 凹模基本尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小尺寸 设计冲孔模时 凸模基本尺寸则应取制件孔尺寸公差范围内的较大尺寸 冲裁间隙一般采用最小合理间隙值 刃口尺寸的制造偏差方向 原则上单向注向金属实体内部 凸 凹模刃口尺寸计算关系 2 6 3凸 凹模刃口尺寸的计算方法冲裁模加工方法的不同 其刃口尺寸的计算方法也不同 冲裁模的加工方法分为互换加工法和配做加工法两种 1 凸 凹模互换加工时 凸 凹模刃口尺寸的计算适用于圆形等简单形状的冲裁件 设计时需在图纸分别标注凸 凹模的刃口尺寸及制造公差 为了保证冲裁间隙在合理范围内 需满足下列关系式 或取 d 0 6 Zmax Zmin p 0 4 Zmax Zmin 1 落料 3 孔心距Ld Lmin 0 5 0 125 2 冲孔 2 凸 凹模配合加工时 凸凹模刃口尺寸的计算配合加工方法 是先按照工件尺寸计算出基准件凸模 或凹模 的公称尺寸及公差尺寸 然后配做另一个相配件凹模 或凸模 设计时 只要把基准件的刃口尺寸及制造公差详细注明 而另外一个相配件只需在图纸上注明 凸 凹 模刃口尺寸按凹 凸 模的实际尺寸配制 保证双面间隙Z即可 刃口尺寸计算方法1 落料模刃口尺寸计算以凹模为基准件 配制凸模 由于工件比较复杂 故凹模磨损后刃口尺寸有变大 变小和不变三种情况 播放动画 模具磨损后刃口尺寸变大的 如图中尺寸A1 A2 A3 计算时应使其具有最小极限尺寸 其基准件尺寸为 模具磨损后刃口尺寸变小的 如图中尺寸B1 B2 计算时应使其具有最大极限尺寸 其基准件尺寸为 模具磨损后刃口尺寸大小不变化的 如图中尺寸C1 C2 C3 计算时按凹模孔距公式进行 其基准件尺寸为 式中Ad Bd Cd 凹模刃口尺寸 Amax Bmin C平均 工件的最大 最小和平均尺寸 2 冲孔模刃口尺寸计算以凸模为基准件 先计算凸模的刃口尺寸 再配制凹模 凸模同样存在着磨损后变大 变小和不变的三种磨损情况 模具磨损后刃口尺寸变小的 如图中尺寸A1 A2 A3 计算时应使其具有最大极限尺寸 其基准件尺寸为 模具磨损后刃口尺寸变大的 如图中尺寸B1 B2 计算时应使其具有最小极限尺寸 其基准件尺寸为 模具磨损后刃口尺寸大小不变化的 如图中尺寸C1 C2 C3 计算时与凹模孔距计算公式相同 式中Ap Bp 凸模刃口尺寸 Amin Bmax 工件的最大和最小尺寸 3 冲模尺寸属于半边磨损刃口尺寸的计算其计算方法与其他尺寸计算方法相同 只是在刃口尺寸计算时 把冲裁间隙值及冲模的制造公差减半选取即可 4 采用电火花加工冲模时刃口尺寸的计算采用电火花加工也属于配合加工 一般都在凸模上标注刃口尺寸和制造公差 凹模刃口只标明与凸模刃口配制加工 并保证最小间隙即可 2 6 4案例刃口尺寸计算案例的刃口尺寸计算如表2 21所列 毛坯的定位a 固定挡料销b c 导料销 7定位与卸料出料7 1定位方式确定在送料方向上的定位 用来控制送料的进距 在与送料方向垂直方向上的定位 通常称为送进导向 1 定位板与定位销用于单个毛坯进行冲压加工时定位 a b c d 定位板与定位销a b 定位板c d 定位销 2 挡料销保证条料送进时有准确的送进距 a 圆柱头挡料销b 钩形挡料销c 活动挡料销 a b c 固定挡料销 始用挡料销 始用挡料销用于条料送进时的首次定位 导正销1 导正销2 挡料销 3 导正销保证级进模冲裁件各部分的相对位置精度 消除送料和导向中产生的误差 挡料销的位置e可由下式计算 式中c 条料布距 D 落料凸模直径 d 挡料销头部直径 0 1 导正销往前推的活动余量 4 导料板或导料销导正条料或带料的送进方向 导料板常用于单工序模和级进模 a 分离式导料板b 整体式导料板c 导料销形式 导料销多用于有弹性卸料板的单工序模 簧片压块式侧压1 簧片2 压块3 基准导料板 侧压装置装于导料板一侧 用于消除条料的宽度误差 5 定距侧刃以切去条料旁侧少量材料来限定送料步距 侧刃一般用于级进模的送料定距 使用的材料厚度为0 1 1 5mm 侧刃定距准确可靠 生产效率高 但增大了总冲裁力 降低了材料利用率 如能用挡料销满足定距要求的场合 一般不采用侧刃 a b c 侧刃断面形状a 长方形侧刃b 成形侧刃c 尖角形侧刃 6 案例分析 垫圈 级进 复合 7 2卸料及出料形式确定 1 卸料板分为刚性卸料板和弹性卸料板两种形式 封闭式适用于冲压厚度在0 5mm以上的条料 悬臂式适用于窄而长的毛坯 钩形适用于简单的弯曲模和拉深模 a b c 刚性卸料板a 封闭式刚性卸料板b 悬臂式刚性卸料板c 钩形刚性卸料板 工作空间敞开 操作方便 生产效率高 冲压前对毛坯有压紧作用 冲压后又使冲压件平稳卸料 从而使冲裁件较为平整 但受弹簧 橡胶等零件的限制 卸料力较小 且结构复杂 可靠性与安全性不如刚性卸料板 a b c 弹性卸料板a 顺装式模具b 倒装式模具c 采用橡胶等弹性元件 2 推件装置刚性推件装置 推力大 推件可靠 但不具有压料作用 弹性推件装置 在冲压时能压住工件 冲出的工件质量较高 但推力有限 a b 推件装置a 刚性推件装置b 弹性推件装置 3 压边圈 4 案例分析1 垫圈采用正装复合模时卸料 出料装置的选择由于制件及废料均存于下模上表面 在冲裁时需及时清理下模上表面 因而只能采用弹性卸料板卸料 制件由弹性顶件装置顶出落料凹模 冲孔废料有刚性打料和弹性顶件两种形式 因弹性顶件的使用使模具结构变得较为复杂 尺寸增大 冲压力增加 而刚性打料则结构简单 不加大冲压力 所以宜选用刚性打料装置 4 案例分析2 垫圈采用倒装复合模时卸料 出料装置的选择由于制件存于下模上表面 在冲裁时需及时清理模具表面 因而只能采用弹性卸料板卸料 制件有刚性打料和弹性顶件两种形式 因弹性顶件的使用使模具结构变得较为复杂 尺寸增大 冲压力增加 而刚性打料则结构简单 不加大冲压力 所以宜选用刚性打料装置 废料可由凹模漏料孔直接下出料 4 案例分析3 垫圈采用级进冲裁时模时卸料 出料装置选择为简化模具结构 方便冲裁时的操作 一般设计成下出料形式 因垫圈具有一定的料厚 所以选择采用刚性卸料装置 如此可降低冲压力 7 3冲压力冲压力是冲裁力 卸料力 推件力和顶料力的总称 1 冲裁力F K L t 式中F 冲裁力 N L 冲裁件周边长度 mm K 系数 取K 1 3 t 材料厚度 mm 材料抗剪强度 MPa K卸 卸料力系数 K推 推料力系数 K顶 顶料力系数 卸料力 推料力 顶件力 F卸 K卸FF推 nK推FF顶 K顶F 2 卸料力 推料力 顶料力 3 冲压力的计算 采用弹性卸料和上出料方式时 总冲压力为F F F卸 F顶 采用刚性卸料和下出料方式时 总冲压力为F F F推 采用弹性卸料和下出料方式时 总冲压力为F F F卸 F推 4 案例分析案例的冲压力计算见表2 18 7 4模具压力中心的计算冲裁模的压力中心是指冲裁合力的作用点 在设计冲模时必须确定模具的压力中心 并使其通过模柄的轴线 从而保证模具压力中心与冲床滑块中心重合 1 简单形状的工件 其压力中心的计算1 对称形状的零件 对称工件的压力中心 垫圈复合模 2 直线段的压力中心位于直线段的中心 3 等半径的圆弧段的压力中心x0 rsin 式中 弧度 压力中心位于角平分线上x0点 2 复杂工件或多凸模冲裁件的压力中心根据力矩平衡原理进行计算计算步骤 按比例画出工件的轮廓图 复杂工件的压力中心 多凸模冲裁件的压力中心 在任意处选取坐标轴X Y 选取坐标轴不同 则压力中心位置也不同 将工件分解成若干直线段或圆弧段 l1 l2 ln 计算各基本线段的中心到Y轴的距离x1 x2 xn和到X轴的距离y1 y2 yn 则根据力矩原理可得压力中心的计算公式为 3 案例分析 复合 压力中心位于制件形心 0 0 3 案例分析 垫圈 级进 取外形落料形心处为坐标原点 0 0 因制件形状对称 得 8凸 凹模结构设计8 1凸模结构设计 1 凸模的结构形式凸模按其工作断面的形式可分为圆形和非圆形凸模 1 圆形凸模 工作断面为圆形 a b c d e 圆形凸模 a b c a 非圆形凸模b 长方形凸模c 直通式凸模 2 非圆形凸模 近似分为圆形类和矩形类圆形类凸模注意凸模定位 常用骑缝销来防止凸模的转动 如果用线切割加工非圆形凸模 则固定部分和工作部分的尺寸及形状一致 即为直通式凸模 2 凸模长度的确定在满足使用要求的前提下 凸模尽量减短 采用固定卸料板的冲裁模凸模长度为 L h1 h2 h3 15 20 mm式中h1 凸模固定板厚度 h2 卸料板厚度 h3 导尺厚度 L 凸模长度 15 20mm 包括凸模进入凹模的深度 凸模修磨量 冲模在闭合状态下卸料板到凸模固定板间的距离 3 凸模强度的校核当凸模特别细长或板料厚度较大时 应对凸模进行压应力和弯曲应力的校核 4 案例分析设计凸模时 如无特殊要求 其长度 厚度 尺寸一般按 冷冲模 国家标准 GB2851 2857 81 选取 级进模凸模设计示例如表2 20所示 级进模凸模设计示例垫圈 落料凸模 固定板厚度 14mm 卸料板厚度 10mm 导料板厚度 8mm L 14 10 8 15 47mm 冲孔凸模 8 2凹模结构设计 1 凹模的刃口形式 凹模的结构形式 2 凹模外形尺寸凹模厚度 H Kb凹模壁厚 小凹模C 1 5 2 H大凹模C 2 3 H式中b 凹模孔的最大宽度 mm K 系数 见表2 18 H 凹模厚度 其值为15 20mm C 凹模壁厚 其值为26 40mm 3 凸凹模的最小壁厚凸凹模的内 外缘均为刃口 内 外缘之间的壁厚取决于冲裁件的尺寸 为保证凸凹模的强度 凸凹模应具有一定的壁厚 凸凹模的最小壁厚C一般按经验数据确定不积聚废料的凸凹模最小壁厚值为 冲裁硬材料时m 1 5t冲裁软材料时m t积聚废料的凸凹模 由于胀力大 故最小壁厚只要比上述数据适当加大 4 案例分析垫圈 由表2 21得K复合 0 35 K级进 0 35H复合 0 35 20 7mm H级进 0 35 20 7mmC取26mmD 72mm复合由GB2873 4 81查得D 80mm凸凹模长度 40mm级进由GB2873 4 81查得 9冲裁模总体设计9 1导向及支承固定零件 1 导柱和导套保证上 下模的精确导向 1 滑动导柱 导套加工方便 容易安装 是应用最广的导向装置 2 滚珠导柱 导套适用于高速冲模 精密冲裁模以及硬质合金模具 滑动导柱 导套结构形式1 上模座2 导套3 导柱4 下模座5 特殊螺钉6 螺钉7 压板 滚珠导柱 导套结构形式1 导套2 上模座3 滚珠4 滚珠夹持圈5 导柱6 下模座 2 上 下模座模座分带导柱和不带导柱两种 d e f 带导柱模座的形式a 后侧导柱模座b 对角导柱模座c 中间导柱模座d 四导柱模座e 后导柱窄形模座f 三导柱模座 a b c 后侧导柱模座可三面送料 操作方便 但冲压时容易引起偏心距而使模具歪斜 适用于冲压中等精度的较小尺寸冲压件的模具 后侧导柱模座 对角导柱模座便于纵向和横向送料 冲压时可防止由于偏心力矩而引起的模具歪斜 适用于冲制一般精度冲压件的冲裁模或级进模 对角导柱模座 对角导柱模座便于纵向和横向送料 冲压时可防止由于偏心力矩而引起的模具歪斜 适用于冲制一般精度冲压件的冲裁模或级进模 对角导柱模座 中间导柱模座 中间导柱模座适用于纵向送料或以单个毛坯冲制较精密的冲压件 四导柱模座导向性能最好 适用于冲制比较精密的冲压件 四导柱模座 后导柱窄形模座用于冲制中等尺寸冲压件的各种模具 后导柱窄形模座 3 模柄作用是将模具的上模座固定在冲床的滑块上 a b c d e f g 常用的模柄形式a 旋入式模柄b 压入式模柄c 铆接式模柄d 凸缘式模柄e 浮动式模柄f 槽形模柄g 通用模柄1 模柄2 凹球面垫块3 凸球面连接杆 带螺纹的旋入式模柄 垂直度精度较差 主要用于小型模具 带台阶的压入式模柄 同轴度和垂直度较高 适用于各种中小型模具 旋入式模柄 压入式模柄 压入铆接式模柄 可以保证较高的同轴度和垂直度 适用于各种小型模具 有凸缘的模柄 适用于较大的模具 压入铆接式模柄 有凸缘的模柄 浮动式模柄 可以通过球面垫块消除冲床导轨误差对冲模导向精度的影响 适用于有滚珠导柱 导套导向的精密冲模 浮动式模柄1 模柄2 凹球面垫块3 凸球面连接杆 整体式模柄 模柄与上模座做成整体 用于小型模具 整体式模柄 4 案例分析 导向及支承固定零件选择1 垫圈冲裁模该零件一般无精度要求 且冲压力和模具结构均较小 应选用滑动导柱导套 螺纹旋入式模柄 复合冲裁单排 宜选用中间导柱模架多排 宜选用后侧导柱模架级进冲裁中间导柱模架或对角导柱模架 9 2弹簧和橡胶零件弹簧和橡胶零件是模具中广泛应用的弹性零件 主要用于卸料 推件和压边等场合 1 圆钢丝螺旋压缩弹簧1 选用标准弹簧