模具冲压与模具设计知识点

一章概述

冲压：室温下利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，

使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的压力加工方法。冲压生产的三要素先进的模具，高效的冲压设备，合理的冲压工艺冲压工序的分类：

根据材料的变形特点分为：分离工序、成形工序

分离工序：冲压成形时，变形材料内部的应力超过强度极限σb，使材料发生断裂而产生分离，从而成形零件。分离工序主要有剪裁和冲裁等。

成形工序：冲压成形时，变形材料内部应力超过屈服极限σs，但未达到强度极限σb，使材料产生塑性变形，从而成形零件。成形工序主要有弯曲、拉深、翻边、胀形、扩口、缩口和旋压等。冲压模具

1.冲模的分类

（1）根据工艺性质分类：

冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模等。

（2）根据工序组合程度分类：单工序模、复合模、级进模

复合模：在压力机的一次行程内在模具的一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。

级进模：在压机的一次行程内，在连续模具的不同工位上完成多道冲压共序的模具。

2.冲模组成零件

冲模通常由上、下模两部分构成。组成模具的零件主要有两类：

①工艺零件：直接参与工艺过程的完成并和坯料有直接接触，包括：工作零件、定位零件、卸料与压料零件

②结构零件：不直接参与完成工艺过程，也不和坯料有直接接触，只对模具完成工艺过程起保证作用，或对模具功能起完善作用，包括：导向零件、紧固零件、标准件及其它零件等.

第二冲裁工艺与冲裁模设计学习目的与要求：

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。第一节概述

冲裁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。基本工序：落料和冲孔。既可加工零件，也可加工冲压工序件。落料：冲下所需形状的零件冲孔：在工件上冲出所需形状的孔

冲裁模：冲裁所使用的模具叫冲裁模，它是冲裁过程必不可少的工艺装备。凸、凹模刃口锋利，间隙小。

分类：普通冲裁、精密冲裁

第二节冲裁变形过程分析凸、凹模间隙存在，产生弯矩

二、冲裁变形过程

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

凸模加压，材料发生弹性压缩与弯曲，并略有挤入凹模洞口特点：材料内应力没有超出屈服极限，在板料与凸模及凹模接触处形成圆角带。

2.塑性变形阶段

特点：材料内应力达到屈服极限，材料产生塑性变形．形成光亮的剪切断面带，在凹模刃口部分的材料，除受塑剪变形外．还受弯曲和拉伸作用，因而裂纹将首先在凹模刃口处开始。

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——凸模刃口附近的侧面 ——上、下裂纹扩展相遇——材料分离三、冲裁件质量及其影响因素

冲裁件质量：指断面状况垂直、光洁、毛刺小尺寸精度图纸规定的公差范围内

形状误差外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小 1.冲裁件断面质量影响因素

(１)材料性能的影响a、b、d大，c小

(２)模具间隙的影响间隙小，出现二次剪裂，产生第二光亮带间隙大，出现二次拉裂，产生二个斜度

(３)模具刃口状态的影响

当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺

当凹模刃口磨钝时，则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；

当凸、凹模刃口同时磨钝时，则冲裁件上、下端都会产生毛刺。

2.冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度：

指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。该差值包括两方面的偏差：

一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差；二是模具本身的制造偏差。

影响因素：

（1）冲模的制造精度（零件加工和装配）

（2）材料的性质

（3）冲裁间隙

3.冲裁件形状误差及其影响因素

冲裁件形状误差指翘曲、扭曲、变形等缺陷

翘曲：冲裁件呈曲面不平现象。它是由于间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的，另外材料的各向异性和卷料未矫正也会产生翘曲。

扭曲：冲裁件呈扭歪现象。它是由于材料的不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的

变形：由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因，因胀形而产生的

第三节冲裁模间隙

1.间隙对冲裁件质量的影响

切断面质量、尺寸精度、形状误差 A、间隙对冲裁件切断面质量的影响

间隙合理－凸凹模刃口沿最大剪应力方向产生的裂纹将相互重合断面质量：有一定斜度，但平整、光洁、毛刺小

间隙过小－凹模刃口处产生的裂纹停止发展，上下裂纹间产生二次剪切

断面质量：断面中部留下撕裂面，两头为光亮带，断面出现挤长的毛刺，断面平直。间隙过大－拉伸增大，拉应力增大裂纹在离开刃口稍远的侧面产生断面质量：光亮带减小，塌角与断裂长度都增大，毛刺大而厚

结论：间隙在一定范围内Z=（14～24％）t变化时，毛刺高度小，变化不大，可供选择合理间隙值。

B、间隙对尺寸精度的影响

冲裁件尺寸精度：冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值差值：

1、冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差

2、模具本身的制造偏差影响偏差值的因素：

凸凹模间隙、材料性质、工件形状、与尺寸间隙较大：拉伸作用增大，弹性恢复－落料尺寸《凹模尺寸

－冲孔孔径》凸模直径

间隙较小：挤压作用－－落料尺寸增大－－冲孔孔径变小

模具制造公差：按工件的尺寸要求决定

3.间隙对模具寿命的影响

模具寿命分为刃磨寿命和模具总寿命。

模具失效的原因一般有：磨损、变形、崩刃、折断和涨裂。

小间隙将使磨损增加，甚至使模具与材料之间产生粘结现象，并引起崩刃、凹模胀裂、小凸模折断、凸凹模相互啃刃等异常损坏。

所以，为了延长模具寿命，在保证冲裁件质量的前提下适当采用较大的间隙值是十分必要的。

第四节凸模与凹模刃口尺寸的确定

重要性：凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。

凸、凹模刃口尺寸计算原则

１．设计落料模先确定凹模刃口尺寸。以凹模为基准，间隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。

设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸。以凸模为基准，间隙取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。

２．根据冲模在使用过程中的磨损规律，设计落料模时，凹模基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；

设计冲孔模时，凸模基本尺寸则取接近或等于工件孔的最大极限尺寸。模具磨损预留量与工件制造精度有关

３．冲裁（设计）间隙一般选用最小合理间隙值（Zmin）

４．选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，即要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值

５．工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按“入体”原则标注为单向公差。但对于磨损后无变化的尺寸，一般标注双向偏差。

加工方法：

1.分开加工：具有互换性、制造周期短，但Zmin不易保证，需提高加工精度，增加制造难度。

2.配合加工： Zmin易保证，无互换性、制造周期长。

凸、凹模刃口尺寸的计算方法

1．按凸模与凹模图样分别加工法

2．凸模与凹模配作法

配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。

第五节冲裁排样设计

一、材料的合理利用

冲裁所产生的废料：一类是结构废料；另一类是工艺废料。

二．排样方法

根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为三种： 1.有废料排样2.少废料排样3.无废料排样

三、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搭边的作用：

一是补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件；

二是增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率；

搭边还可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉人模具间隙，从而提高模具寿命。

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。

五、排样图

、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。

第六节冲裁力和压力中心的计算第七节冲裁的工艺设计

冲裁工艺设计包括:冲裁件的工艺性和冲裁工艺方案确定。

一、冲裁件的工艺性分析

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。

冲裁工艺性好是指能用普通冲裁方法，在模具寿命和生产率较高、成本较低的条件下得到质量合格的冲裁件。

二、冲裁工艺方案的确定

1．冲裁工序的组合

2、冲裁顺序的安排

（1）级进冲裁顺序的安排

1）先冲孔或冲缺口，最后落料或切断，将冲裁件与条料分离

2）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，以便控制送料进距。

（2）多工序冲裁件用单工序冲裁时的顺序安排

1）先落料使坯料与条料分离，再冲孔或冲缺口。

2）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。第八节冲裁模的典型结构一、单工序冲裁模单工序冲裁模：

在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模

1.落料模

（1）无导向单工序落料模

（2）导板式单工序落料模

（3）导柱式单工序落料模

2.冲孔模

（1）导柱式冲孔模

（2）导板式侧面冲孔模

（3）斜楔式水平冲孔模

（4）小孔冲模：全长导向结构的小孔冲模超短凸模的小孔冲模

二、级进模

级进模是一种工位多、效率高的冲模。整个冲件的成形是在连续过程中逐步完成的。

1．用导正销定位的级进模

2．侧刃定距的级进模

双侧刃定距的冲孔落料级进模侧刃定距的弹压导板级进模

优点：级进模比单工序模生产率高，减少了模具和设备的数量，工件精度较高，便于操作和实现生产自动化。

缺点：级进模轮廓尺寸较大，制造较复杂，成本较高适用：大批量生产小型冲压件。

3．排样

（1）零件精度对排样的要求

零件精度要求高的——精确的定位、尽量减少工位数孔距公差较小——在同一工步中冲出

（2）模具结构对排样的要求

零件较大或零件虽小但工位较多——采用连续一复合排样法（a）。

（3）模具强度对排样的要求

孔间距小——其孔要分步冲（b）

工位间凹模壁厚小——增设空步（c）

外形复杂——分步冲出（d）

侧刃的位置——避免导致凸、凹模局部工作而损坏刃口（b）

（4）零件成形规律对排样的要求

位于成形件变形部位上的孔——安排在成形工步之后冲出

落料或切断工步——安排在最后工位上。

全部为冲裁工步的级进模——先冲孔后落料或切断

套料级进冲裁——按由里向外的顺序进行冲裁（e）。

三、复合模

1．正装式复合模（又称顺装式复合模）结构特点：三套除料、除件装置优点：冲出的冲件平直度较高

缺点：结构复杂，冲件容易被嵌入边料中影响操作。

适用：冲制材质较软或板料较薄的平直度要求较高的冲裁件，可以冲制孔边距离较小的冲裁件。

2．倒装式复合模

结构特点：两套除料、除件装置缺点：结构不宜

优点：冲制孔边距离较小的冲裁件简单第九节冲裁模零部件设计冲裁模零部件的分类：

一、工作零件

二、定位零件

定位零件：用来保证条料的正确送进及在模具中的正确位置。条料的限位：

①在与条料垂直的方向上的限位，保证条料沿正确的方向送进，称为送进导向；

②在送料方向上的限位，控制条料一次送进的距离（步距）称为送料定距。块料或工序件的定位：

基本也是在两个方向上的限位，只是定位零件的结构形式与条料的有所不同而已。属于送进导向的定位零件：导料销、导料板、侧压板等属于送料定距的定位零件：用挡料销、导正销、侧刃等属于块料或工序件的定位零件：定位销、定位板等

1．导料销、导料板

导料销：两个，位于条料的同侧，从右向左送料时，导料销装在后侧；从前向后送料时，导料销装在左侧。结构形式：固定式、活动式导料板：设在条料两侧

结构形式：一种是标准结构，它与卸料板（或导板）分开制造一种是与卸料板制成整体的结构

2．侧压装置

设置目的：若条料公差较大，为避免条料在导料板中偏摆，使最小搭边得到保证。结构形式①弹簧式侧压装置②簧片式侧压装置③簧片压块式侧压装置 ④板式侧压装置

3．挡料销

4．侧刃：在级进模中，为了限定条料送进距离，在条料侧边冲切出一定尺寸缺口的凸模。

特点：定距精度高、可靠

适用：薄料、定距精度和生产效率要求高的情况

5．导正销

使用目的：消除送进导向和送料定距或定位板等粗定位的误差主要用于:级进模

配合使用：与挡料销或与侧刃配合使用后者粗定位，前者精定位

导入部分：圆锥形的头部导正部分：圆柱形的

6．定位板和定位销定位方式：外缘定位、内孔定位三、卸料装置与推件装置

1．卸料装置

形式：固定卸料装置、弹压卸料装置和废料切刀

（1）固定卸料板

特点：卸料力大，卸料可靠适用：板料较厚（大于0.5mm）、卸料力较大、平直度要求不很高的冲裁件与凸模的双边间隙：当卸料板仅起卸料作用，取0.2~0.5mm 当卸料板兼起导板作用，按H7/h6配合，且应小于冲裁间隙。

（2）弹压卸料装置

特点：兼卸料及压料作用，冲件质量较好，平直度较高。适用：质量要求较高的冲裁件或薄板冲裁

与凸模的单边间隙：当卸料板兼起导板作用，同固定卸料板。

（3）废料切刀

适用冲件尺寸大，采用废料切刀将废料切开而卸料 a）圆废料切刀，用于小型模具和切薄板废料 b）方形废料切刀，用于大型模具和切厚板废料 2．推件（顶件）装置

（1）推件装置

a）刚性推件装置组成：打杆、（推板、连接推杆、）推件块特点：推件力大，工作可靠 b）弹性推件装置作用：压料、卸料

特点：出件力不大，但出件平稳无撞击，冲件质量较高。

（2）顶件装置

组成：顶杆、顶件块和装在下模底下的弹顶器

特点：顶件力容易调节，工作可靠，冲件平直度较高

第三章弯曲工艺与弯曲模设计第一节概述

弯曲：将板料、型材、管材或棒料等按设计要求弯成一定的角度和一定的曲率，形成所需形状零件的冲压工序。

第二节弯曲变形分析

V形弯曲是最基本的弯曲变形。

1.弯曲变形时板材变形区受力情况分析

变形区主要在弯曲件的圆角部分，板料受力情况如图所示。

2.弯曲变形过程

自由弯曲→校正弯曲弹性弯曲→塑性弯曲

弯曲效果：表现为弯曲半径和弯曲中心角的变化（减小）

3.相对弯曲半径（ r/t）：表示板料弯曲变形程度的大小。弯曲中心角为α 4.最小弯曲半径

最小弯曲半径rmin：在板料不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径。常用最小相对弯曲半径rmin/t表示弯曲时的成形极限。其值越小越有利于弯曲成形。

影响最小弯曲半径的因素

１）材料的力学性能

２）材料表面和侧面的质量

３）弯曲线的方向

４）弯曲中心角

第三节弯曲卸载后的回弹

一、回弹现象

塑性弯曲时伴随有弹性变形，当外载荷去除后，塑性变形保留下来，而弹性变形会完全消失，使弯曲件的形状和尺寸发生变化而与模具尺寸不一致，这种现象叫回弹。

弯曲回弹的表现形式：

１．曲率减小

２．弯曲中心角减小

二、影响回弹的因素

１．材料的力学性能

２．相对弯曲半径相对弯曲半径越大，回弹越大。

３．弯曲中心角弯曲中心角越大，变形区的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹角越大

４．弯曲方式及弯曲模

５．工件的形状一般而言，弯曲件越复杂，一次弯曲成形角的数量越多，回弹量就越小。

三．减少回弹的措施：

1.改进弯曲件的设计

（1）尽量避免选用过大的r/t 。如有可能，在弯曲区压制加强筋，以提高零件的刚度，抑制回弹。

（2）尽量选用小、力学性能稳定和板料厚度波动小的材料。

2.采取适当的弯曲工艺

（1）采用校正弯曲代替自由弯曲。

（2）对冷作硬化的材料须先退火，使其屈服点σs降低。对回弹较大的材料，必要时可采用加热弯曲。

（3）采用拉弯工艺。

3.合理设计弯曲模

1）对于较硬材料，可根据回弹值对模具工作部分的形状和尺寸进行修正。

（2）对于软材料，其回弹角小于5°时，可在模具上作出补偿角并取较小的凸、凹模间隙。

（3）对于厚度在0.8mm以上的软材料， r/t又不大时，可以把凸模做成局部突起的形状，使凸模的作用力集中在变形区，以改变应力状态达到减小回弹的目的，但易产生压痕。

（4）对于U形件弯曲

当r/t较小时,可采取增加背压的方法

当r/t较大时，可采取将凸模端面和顶板表面作成一定曲率的弧形另一种克服回弹的有效方法：采用摆动式凹模，而凸模侧壁应有补偿回弹角，当材料厚度负偏差较大时，可设计成凸、凹模间隙可调的弯曲模。

（5）在弯曲件直边端部纵向加压。

（6）用橡胶或聚氨酯代替刚性金属凹模能减小回弹。

第四章拉深工艺与拉深模设计

拉深：

又称拉延，是利用拉深模在压力机的压力作用下，将平板坯料或空心工序件制成开口空心零件的加工方法。

它是冲压基本工序之一。可以加工旋转体零件，还可加工盒形零件及其它形状复杂的薄壁零件。

拉深：不变薄拉深，变薄拉深

拉深模特点：结构相对较简单，与冲裁模比较，工作部分有较大的圆角，表面质量要求高，凸、凹模间隙略大于板料厚度。

第二节圆筒形件拉深变形分析拉深件的起皱与拉裂拉深过程中的质量问题：

主要是凸缘变形区的起皱和筒壁传力区的拉裂。

凸缘区起皱：由于切向压应力引起板料失去稳定而产生弯曲传力区拉裂：由于拉应力超过抗拉强度引起板料断裂。 1.凸缘变形区的起皱

主要决定于：一方面是切向压应力σ3的大小，越大越容易失稳起皱；

另一方面是凸缘区板料本身的抵抗失稳的能力。

凸缘宽度越大，厚度越薄，材料弹性模量和硬化模量越小，抵抗失稳能力越小。最易起皱的位置：凸缘边缘区域

起皱最强烈的时刻：在Rt=（0.7～0.9）R0时

防止起皱：压边 2.筒壁的拉裂

主要取决于：一方面是筒壁传力区中的拉应力另一方面是筒壁传力区的抗拉强度。

当筒壁拉应力超过筒壁材料的抗拉强度时，拉深件就会在底部圆角与筒壁相切处——“危险断面”产生破裂。

防止拉裂：一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度另一方面通过正确制定拉深工艺和设计模具，降低筒壁所受拉应力。

拉深系数的定义：拉深系数m是以拉深后的直径d与拉深前的坯料D（工序件dn）直径之比表示。

拉深系数m表示拉深前后坯料（工序件）直径的变化率。

m愈小，说明拉深变形程度愈大，相反，变形程度愈小。拉深件的总拉深系数等于各次拉深系数的乘积，即如果m取得过小，会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。极限拉深系数［m］

从工艺的角度来看，［m］越小越有利于减少工序数影响极限拉深系数的因素

（1）材料的组织与力学性能

（2）板料的相对厚度下降——［m］上升

（3）拉深工作条件 1）模具的几何参数 2）摩擦润滑3）压料圈的压料力

（4）拉深方法、拉深次数、拉深速度、拉深件的形状等

为了提高工艺稳定性和零件质量，适宜采用稍大于极限拉深系数［m］的值。

来源：网络

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