模具设计与制造冲裁模

第2章冷冲压模具设计2.1冷冲压概述2.1.1冷冲压的概念及特点机器制造中的塑性加工方法主要有锻造和冲压两类。冲压属于板料成形，是利用模具在压力机作用下，使金属板料产生分离或变形，以获得一定形状和尺寸的零件（以下统称工件）的加工方法。由于板料冲压在常温下进行，故也常称为冷冲压。在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成冲压件的工艺装备称为冷冲压模具。在冲压件的生产中，合理的冲压成形工艺、先进的模具、高效的冲压设备是必不可少的三要素。冷冲压与其它机械加工方法相比，在技术和经济方面有如下特点：（1）冲压加工的生产效率高，且操作方便，对工人的要求也不高，易于实现机械化与自动化。普通压力机每分钟可生产几十件零件，高速压力机每分钟可生产几百甚至上千件零件。所以它是一种高效率的加工方法。（2）冲压件的尺寸精度由模具来保证，所以质量稳定、互换性好。（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，小到仪表零件，大到汽车覆盖件，还可获得其他加工方法难以制造的壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件。（4）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，冲压件的成本较低。冲压可制造钟表及仪器的小零件，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。但是，冲压加工所使用的模具多为专用工具，有时一个复杂的零件需要多副模具才能加工成形，且模具的制造精度高、技术要求高、成本高。所以只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益。此外，冲压还存在一些缺点，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，这两种问题一定会得到解决。2.1.2冷冲压的基本工序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。根据材料的变形特点及工厂现行的习惯，冲压的基本工序可分为分离工序与成形工序两大类。分离工序是使冲压件与板料沿要求的轮廓线相互分离并获得一定断面质量和尺寸精度的冲压加工方法。成形工序是使冲压毛坯在不被破坏的条件下发生塑性变形，以获得所要求的工件形状、尺寸和精度的冲压加工方法。主要冲压工序的分类及相应模具简图见表2-1。表2-1主要冲压工序的分类及相应的模具类别工序名称工序简图工序特征模具简图分离工序切断用剪刀或模具切断板料，切断线不是圭寸闭的冲裁落冲料用模具沿封闭线冲切板料，冲下的部分为工件冲孔用模具沿封闭线冲切板料，冲下的部分为废料切口用模具将板料局部切开而不完全分离，切口部分材料发生弯曲切边用模具将工件多余的材料冲切下来成形工序弯曲用模具将板料弯成一定角度或一定形状拉深用模具将板料制成开口空心件成起伏成压筋）用模具将板料局部拉深成凸起和凹进形状形翻边用模具将板料上的孔或外缘翻成直壁缩口用模具对空心件口部施加由外向内的径向压力，使局部直径缩小胀形用模具对空心件施加向外的径向力，使局部直径扩张整形将工件不平的表面压平；将原先弯曲或拉深件压成正确形状同拉深模具2.1.3常用冲压材料1•材料的种类常用冲压材料一般可分为三大类：黑色金属板料、有色金属板料和非金属板料。黑色金属主要有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、电工硅钢等。优质碳素结构钢钢板主要用于成形复杂的弯曲件和拉深件。对冷轧钢板，根据国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 GB708—88规定，按轧制精度(钢板厚度精度)可分为A级和B级：A级—较高精度；B级—普通精度。对厚度4mm以下的冷轧薄钢板，根据GB/T13237—1991规定：表面质量可分为I、H、川三组。按拉深级别又分为Z、S、P三级：I高级的精整表面；n——较高级的精整表面；川——普通的精整表面；z——最深拉深级；S——深拉深级；P——普通拉深级。有色金属包括有纯铜、黄铜、青铜、铝等。常用的有色金属主要有黄铜板(带)和铝板等•非金属材料主要有纸板、胶木板、橡胶板、塑料板、纤维板和云母等。2.材料的规格冲压用材料大部分都是各种规格的板料、带料、条料和块料。板料的尺寸较大，用于大型零件的冲压。主要规格有500mM1500mm、900mmx1800mm、1000mmX2000mm等。条料是根据冲压件的需要，由板料剪裁而成，用于中、小型零件的冲压。带料(又称卷料)有各种不同的宽度和长度。成卷状供应的主要是薄料。适用于大批量生产的自动送料。块料一般用于单件小批生产和价值昂贵的有色金属的冲压，并广泛用于冷挤压。关于材料的牌号、规格和性能，可查阅有关设计资料和标准。表2-2给出了常用冷冲压材料的机械性能，从表中数据，？可以近似判断材料的冲压性能。表2-2冷冲压常用材料的机械性能材料名称牌号材料状态及代号力学性能抗剪强度t/Mpa抗拉强度bb/Mpa屈服点bs/Mpa伸长率S(%)普通碳素钢Q195255〜314315〜39019528〜33Q235未经退火303〜372375〜46023526〜31Q275392〜490490〜61027515〜20碳08F230〜310275〜38018027〜30素08已退火260〜360215〜41020027结10F220〜340275〜41019027构10260--340295〜43021026钢15270--380335〜4702302520280--400355〜5002502435400--520490〜6353201945440--560530〜6853601550440--580540〜71538013不锈钢1Cr13已退火320--380440〜470120201Cr18Ni9Ti经热处理460--520560~640200401060、1050A、已退火8070〜11050〜8020〜28铝1200冷作硬化100130〜140—3〜4已退火105〜125150〜220—12〜14硬铝2A12淬硬并经自然时效280〜310400〜43536810〜13淬硬后冷作硬化280--320400~4653408〜10纯铜T1、T2、T3软1602107029〜48硬240300—25〜40软260294〜300—3H62半硬300343〜46020020黄铜硬420>12—10软240294〜30010040H68半硬280340〜441—25硬400392〜400250132.1.4冷冲压模具与冷冲压设备的关系1•冷冲压设备的类型冲压设备属锻压机械。常见冷冲压设备有机械压力机（以Jxx表示其型号）和液压机（以Yxx表示其型号）。机械压力机按驱动滑块机构的种类可分为曲柄式和摩擦式；按滑块个数可分为单动和双动；按床身结构形式可分为开式（C型床身）和闭式（H型床身）；按自动化程度可分为普通压力机和高速压力机等。而液压机按工作介质可分为油压机和水压机。常用冷冲压设备的工作原理和特点如表2-3所示。表2-3常用冷冲压设备的工作原理和特点类型设备名称工作原理特点机械压力机摩擦压力机利用摩擦盘与飞轮之间相互接触并传递动力，借助螺杆与螺母相对运动原理而工作结构简单，当超负荷时只会引起飞轮和摩擦盘之间的滑动，而不致损坏机件，但飞轮磨损太大，生产率低，适用于中小型件的加工，用于校正、压印和成形等冲压工序较为适宜曲柄压力机利用曲柄连杆机构进行工作，电机通过皮带轮和齿轮带动曲轴转动，经连杆带动滑块作直线往复运动生产率高，适用于各类冲压加工高速压力机工作原理与曲柄压力机相同，但其刚度、精度和行程次数较高，一般带有自动送料和安全检测装置生产率高，适用于大批量生产，模具一般采用多工位级进模液利用帕斯卡原理，以水和油为工作介压力大，而且是静压力。但生产率压油压机质，采用静压力传递进行工作，使滑块低，适用于拉深、挤压等成形工序机水压机作上下往复运动等2•冷冲压设备的选用（1）类型选择冲压设备类型较多，其刚度、精度、用途各不相同，应根据冲压工艺的性质、生产批量、模具大小、工件精度等正确选用。一般生产批量较大的中小工件多选用操作方便、生产效率高的开式曲柄压力机。如生产洗衣桶这样的深拉深件，最好选用有拉深垫的拉深油压机。而生产汽车覆盖件则最好选用工作台面宽大的闭式双动压力机。（2）规格选用确定压力机的规格时应遵循如下原则：1）压力机的公称压力必须大于冲压工序所需压力，当冲压工作行程较长时，还应注意在全部工作行程上，压力机许可压力曲线应高于冲压变形力曲线。2）压力机滑块行程应满足工件在高度上能获得所需尺寸，并在冲压工序完成后能顺利地从模具上取出来。对于拉深件，则行程应大于工件高度两倍以上。3）压力机的行程次数应符合生产率和材料变形速度的要求。4）压力机的闭合高度、工作台面尺寸、滑块尺寸、模柄孔尺寸等都应能满足模具的正确安装要求。对于曲柄压力机，如图2-1所示，模具的闭合高度与压力机的闭合高度之间要符合以下关系Hmax-5mm>H模+H1^Hmin+10mm（2-1）式中H模——模具的闭合高度（mm）;Hmax—压力机的最大闭合高度（mm）;Hmin—压力机的最小闭合高度（mm）;H1——压力机的垫板厚度（mm）。图2-1模具的闭合高度与压力机闭合高度关系2.2冲裁模设计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。冲裁工序的种类很多，常用的有切断、落料、冲孔、切口、剖切、修边等。但一般来说冲裁主要是指落料和冲孔。若使材料沿封闭曲线相互分离，封闭曲线以内的部分作为冲裁件时，称为落料；而封闭曲线以外的作为冲裁件时，称为冲孔。例如冲制平面垫圈，冲其外形的工序称图2-2普通冲裁示意图1—凸模；2—凹模；3—板料(a)(b)(c)(d)文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持落料，冲其内孔的工序称冲孔。冲裁是冲压工序中最基本的工序之一，其应用非常广泛，它既可直接冲制成品零件，又可为其它成形工序制备坯料。根据变形机理不同，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。这里主要介绍普通冲裁。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。2.2.1冲裁工艺及设计计算1.冲裁过程分析图2-2所示为普通冲裁示意图，凸模1与凹模2具有与冲裁件轮廓相同的锋利刃口且相互之间保持均匀合适的间隙。冲裁时，板料3置于凹模上方，当凸模随压力机滑块向下运动时，冲穿板料进入凹模，使冲裁件与板料分离，从而完成冲裁工作。从凸模接触板料到板料相互分离是在瞬间完成的。冲裁变形过程大致可分为三个变形阶段。(1)弹性变形阶段如图2-3a所示，当凸模接触板料并下压时，在凸、凹模压力作用下，板料开始产生弹性压缩、拉伸、弯曲等复杂变形。这时，凸模略微挤入板料上部，板料下部也略微挤入凹模洞口，并在凸、凹模刃口接触处形成很小的圆角。同时板料稍有穹弯，材料越硬，凸、凹模刃口间隙越大，穹弯越严重。随着凸模的下压刃口附近板料所受的应力逐渐增大，直至到达弹性极限，弹性变形阶段结束。图2-3冲裁变形过程塑性变形阶段当凸模继续下压，使板料变形区的应力达到塑性变形条件时，开始进入塑性变形阶段，如图2-3b所示。这时，凸模挤入板料和板料挤入凹模的深度逐渐增大，产生塑性剪切变形，形成光亮的剪切断面。随着凸模的下降，塑性变形程度增加，变形区材料硬化程度加剧，变形抗力不断上升，冲裁力也相应增大，直到刃口附近的应力达到抗拉强度时，塑性变形阶段结束。由于凸、凹模间隙的存在，此阶段中冲裁变形区还伴随着弯曲和拉伸变形，且间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。断裂分离阶段当板料内的应力达到抗拉强度后，凸模再向下压时，则在板料上与凸模、凹模刃口接触的部位先后形成裂纹，如图2-3c所示。裂纹的起点一般在距刃口很近的侧面，且一般先在凹模刃口附近的侧面产生，然后才在凸模刃口附近的侧面产生。随着凸模的继续下行，已产生的上、下裂纹将沿最大剪应力方向不断向板料内部扩展，当上、下裂纹重合时，板料被剪断分离，如图2-3d所示。随后，凸模将分离的材料推入凹模洞口，至此，冲裁变形过程结束。2•冲裁件的工艺性冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，即冲裁加工的难易程度。良好的冲裁工艺性是指在满足冲裁件使用要求的前提下，能以最简单、最经济的冲裁方式加工出来。因此，在编制冲压工艺规程和设计模具之前，应对冲裁件的形状、尺寸和精度等方面进行分析。从工艺角度分析冲裁件设计得是否合理，是否符合冲裁的工艺要求。(1)冲裁件的结构工艺性冲裁件的形状应力求简单、规则，有利于材料的合理利用，以便节约材料，减少工序数目，提高模具寿命，降低冲裁件成本。冲裁件的内、外形转角处要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，以便于模具加工，减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。冲裁件的最小圆角半径可参照表2-4选取。表2-4冲裁件最小圆角半径工序圆弧角度a最小圆角半径黄铜、铝低碳钢合金钢备注落料a90°0.18t0.25t0.35ta0.25aV90°0.35t0.50t0.70ta0.50冲孔a90°0.20t0.30t0.45ta0.30aV90°0.40t0.60t0.90ta0.60注：t为料厚尽量避免冲裁件上过于窄长的凸出悬臂和凹槽，否则会降低模具寿命和冲裁件质量，如图2-4所示。一般情况下，悬臂和凹槽的宽度B昌.5t(t为料厚，当料厚tvImm时，按t=Imm时计算)；当冲裁件材料为黄铜、铝、低碳钢时，B昌.5t;当冲裁件材料为高碳钢时，B^2t。悬臂和凹槽的深度LWB。图2-4冲裁件的悬臂与凹槽冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小。冲孔的最小尺寸取决于材料凸模强度和模具结构等。冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离，受模具强度和冲裁件质量的制约，其值不应过小，一般要求O(1~1.5)t,c'(1.5~2)t，如图2-5a所示。在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免冲孔时凸模受水平推力而折断，孔边与直壁之间应保持一定的距离，一般要求L杀十0.5t，如图2-5b所示。(a)(b)图2-5冲裁件上的孔距以及孔边距(2)冲裁件的精度和断面质量冲裁件的精度冲裁件的经济公差等级不高于ITI1级，一般要求落料件公差等级最好低于ITI0级，冲孔件最好低于IT9级。此外，冲裁件的尺寸公差标注及基准的选择应尽可能与模具设计基准一致，以减小误差。2）冲裁件的断面质量冲裁件的断面粗糙度及毛刺高度与材料塑性、材料厚度、冲裁间隙、刃口锋利程度、冲裁模结构及凸、凹模工作部分表面粗糙度等因素有关。用普通冲裁方式冲裁厚度为2mm图2-6冲裁件的断面质量以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra—般可达到12.5~3.2g,毛刺的允许高度见表2-5。料厚t<0.3>0.3〜0.5>0.5~1.0>1.0~1.5>1.5~2试模时<0.015<0.02<0.03<0.04<0.05生产时<0.05<0.08<0.100.13<0.15表2-5普通冲裁毛刺的允许高度mm3•冲裁件的质量（1）冲裁件的质量冲裁件的质量是指冲裁件的断面质量、尺寸精度和形状误差。冲裁件的断面应尽可能垂直、光滑、毛刺小；尺寸精度应保证在图纸规定的公差范围以内；冲裁件外形应符合图纸要求，表面应尽可能平直。1）冲裁件的断面质量冲裁件断面呈明显的四个特征区，即塌角带、光亮带、断裂带和毛刺，如图2-6所示。塌角带a该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。光亮带b该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。正常情况约占全断面的1/2~1/3。断裂带c该区域是在断裂阶段形成的，是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下不断扩展而形成的撕裂面，其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。因断裂带都是向材料内倾斜，所以对一般应用的冲裁件并不影响其使用性。毛刺d毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工的板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，微裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在刃口侧面距刃尖不远的地方发生。普通冲裁中毛刺是不可避免的，但间隙合适时，毛刺的高度较小，易去除。毛刺影响冲裁件的外观和使用性能，因此希望毛刺越小越好。2）冲裁件的尺寸精度冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与公称尺寸之差。差值越小，精度就越高。该差值包括冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差和模具本身的制造.I「；偏差两方面。3）冲裁件形状误差冲裁件形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。（2）冲裁件质量的影响因素冲裁件质量影响因素主要有以下几个方面：1）材料的性能对冲裁件质量的影响对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料被剪切挤压的深度较大。所得到的断面光亮带所占比例大，断裂带较小，但圆角和毛刺也较大；而塑性差的材料，当剪切开始不久．材料便被拉裂，使断面光亮带所占比例小，断裂带较大，但圆角和毛刺都较小。对于比较软的材料，弹性变形量较小，冲裁后的弹性恢复也较小，因而冲裁件的精度较高；硬的材料则相反。2）冲裁间隙对冲裁件质量的影响冲裁间隙是影响冲裁件断面质量的主要因素。当间隙合适时，上、下刃口处产生的剪切裂纹基本重合，这时光亮带约占板厚的1/2~1/3左右，圆角、毛刺和断裂带斜角均较小，断面质量较好，如图2-7a所示。当间隙过小时，上、下裂纹延伸后互不重合。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。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，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，断面光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度、翘曲、穹弯等弊病都有所减小，断面质量较好，但断面的质量也有缺陷，如中部的夹层等。毛刺比合理间隙时高一些，但易去除，如图2-7b所示。当间隙过大时，上、下裂纹也不重合。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，断面光亮带减小，毛面、圆角带增大，毛刺和斜度较大，穹弯、翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面质量不理想，如图2-7c所示。另外，当模具间隙不均匀时，在凸、凹模之间可能同时存在着间隙合适、间隙过小和间隙过大几种情况，因此会出现在冲裁件断面上同时分布着上述各种情况的断面。（a）（b）（c）图2-7间隙大小对冲裁件断面质量的影响冲裁间隙对冲裁件尺寸精度有很大影响。图2-8a、b分别表示冲孔模和落料模的凸、凹模间隙Z对冲裁件尺寸精度（3为冲裁件相对于模具的尺寸偏差）影响的一般规律。（a）（b）图2-8间隙对冲裁件尺寸精度的影响3）模具刃口状态、结构及制造精度对冲裁件质量的影响模具刃口状态对冲裁件的断面质量也有较大影响。当模具刃口磨钝后，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。对于钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大的毛刺。实践表明：凹模磨钝时，冲孔件的孔口下端产生明显毛刺如图2-9a所示；凸模磨钝时，在落料件上端产生明显毛刺，如图2-9b所示；当凸、凹模刃口均磨钝时，则会在冲裁件上端和孔口下端都产生毛刺如图2-9c所示。（a）（b）（c）图2-9凸、凹模刃口磨钝后毛刺的形成4）冲裁模的制造精度（主要是凸、凹模的制造精度）对冲裁件尺寸精度有直接的影响，冲裁模的制造精度越高，冲裁件的精度越高。图2-10冲裁间隙此外，采用压料板和顶板等结构形式的模具，合理选择搭边，注意润滑等也可提高冲裁件质量。4•冲裁间隙冲裁间隙是指冲裁模的凸、凹模刃口横向尺寸之差。双面间隙用Z表示，单面间隙用Z/2表示。其值可为正，也可为负。如无特殊说明，冲裁间隙都是指双面间隙。如图2-10所示，即Z=D凹—d凸(2-2)式中D凹—凹模刃口尺寸；d凸——凸模刃口尺寸。冲裁间隙的影响冲裁间隙对冲裁过程有着很大的影响。在前述中已经分析了间隙对冲裁件质量起着决定性作用。除此以外，间隙对冲压力和模具寿命也有着较大的影响。1)间隙对冲压力的影响间隙很小时，因材料的挤压和摩擦作用增强，冲裁力必然较大。随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，容易断裂分离，因此冲裁力减小。但试验表明，当单面间隙介于材料厚度的5%~20%范围内时，冲裁力降低不多，不超过5%~10%。因此，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不很大。间隙对卸料力、顶件力、推件力的影响比较显著。由于间隙的增大，使冲裁件的光亮带变窄，材料弹性回复使落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔件尺寸大于凸模尺寸，因而使卸料力、推件力或顶件力随之减小。一般当单面间隙增大到材料厚度的15%~25%左右时，卸料力几乎降为零。2)间隙对模具寿命的影响模具寿命通常是用模具失效前所冲得的合格冲裁件数量来表示。冲裁模的失效形式一般有磨损、变形、崩刃和凹模胀裂。间隙大小主要对模具的磨损及凹模的胀裂产生较大影响。在冲裁过程中，由于材料的弯曲变形，材料对模具的反作用力主要集中在凸、凹模刃口部分。如果间隙小，垂直冲裁力和侧向挤压力将增大，摩擦力也增大，且间隙小时，光亮带变宽，摩擦距离增长，摩擦发热严重，所以小间隙将使凸、凹模刃口磨损加剧，甚至使模具与材料之间产生动结现象，严重的还会产生崩刃。另外，小间隙因落料件堵塞在凹模洞口的胀力也大，容易产生凹模胀裂。小间隙还易产生小凸模折断，凸、凹模相互啃刃等异常现象。凸、凹模磨损后，其刃口处形成圆角，冲裁件上就会出现不正常的毛刺，且因刃口尺寸发生变化，冲裁件的尺寸精度也降低，模具寿命减小。因此，为了减少模具的磨损，延长模具使用寿命，在保证冲裁件质量的前提下，应适当选用较大的间隙值。若采用小间隙，就必须提高模具硬度和精度，减小模具表面粗糙度值，提供良好润滑，以减小磨损。冲裁间隙值的确定由上述分析可以看出，冲裁间隙对冲裁件质量、冲压力、模具寿命等都有很大的影响，但影响的规律各有不同。因此，并不存在一个绝对合理的间隙值，能同时满足冲裁件断面质量最佳、尺寸精度最咼、冲裁模寿命最长、冲压力最小等各方面的要求。在冲压实际生产中，为了获得合格的冲裁件、较小的冲压力和保证模具有一定的寿命，我们给间隙值规定一个范围，这个间隙值范围就称为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙(Zmin)，最大值称为最大合理间隙(Zmax)。考虑到冲裁模在使用过程中会逐渐磨损，间隙会增大，故在设计和制造新模具时，应采用最小合理间隙。确定合理间隙的方法有理论确定法和经验确定法两种。但在实际工作中主要采用比较简单的经验法来确定合理间隙的数值。经验确定法是根据经验数据来确定间隙值。有关间隙值的数值，可在一般冲压手册中查到。选用时结合冲裁件的质量要求和实际生产条件考虑。常用材料的冲裁模初始双面间隙见表2-6和表2-7。表2-6冲裁模初始双面间隙Zmm材料厚度t/mm软铝纯铜、黄铜、软钢3c=(0.08~0.2)%杜拉铝、中等硬钢3c=(0.3~0.4)%硬钢3c=(0.5~0.6)%ZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax0.20.0080.0120.0100.0140.0120.0160.0140.0180.30.0120.0180.0150.0210.0180.0240.0210.0270.40.0160.0240.0200.0280.0240.0320.0280.0360.50.0200.0300.0250.0350.0300.0400.0350.0450.60.0240.0360.0300.0420.0360.0480.0420.0540.70.0280.0420.0350.0490.0420.0560.0490.0630.80.0320.0480.0400.0560.0480.0640.0560.0720.90.0360.0540.0450.0630.0540.0720.0630.0811.00.0400.0600.0500.0700.0600.0800.0700.0901.20.0500.0840.0720.0960.0840.1080.0960.1201.50.0750.1050.0900.1200.1050.1350.1200.1501.80.0900.1260.1080.1440.1260.1620.1440.1802.00.1000.1400.1200.1600.1400.1800.1600.2002.20.1320.1760.1540.1980.1760.2200.1980.2422.50.1500.2000.1750.2250.2000.2500.2250.2752.80.1680.2240.1960.2520.2240.2800.2520.3083.00.1800.2400.2100.2700.2400.3000.2700.3303.50.2450.3150.2800.3500.3150.3850.3500.4204.00.2800.3600.3200.4000.3600.4400.4000.4804.50.3150.4050.3600.4500.4050.4900.4500.5405.00.3500.4500.4000.5000.4500.5500.5000.6006.00.4800.6000.5400.6600.6000.7200.6600.7807.00.5600.7000.6300.7700.7000.8400.7700.9108.00.7200.8800.8000.9600.8801.1040.9601.1209.00.8700.9900.9001.0800.9901.1701.0801.26010.00.9001.1001.0001.2001.1001.3001.2001.400注：1.初始间隙的最小值相当于间隙的公称数值；初始间隙的最大值是考虑到凸模和凹模的制造公差所增加的数值；在使用过程中，由于模具工作部分的磨损，间隙将有所增加，因而间隙使用的最大值要超过表列数值；4.本表适用于尺寸精度和断面质量要求较高的冲裁件。表2-7冲裁模初始双面间隙Zmm材料厚度t/mm08、10、3509Mn、Q23516Mn40、5065MnZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax小于0.5极小间隙0.50.0400.0600.0400.0600.0400.0600.0400.0600.60.0480.0720.0480.0720.0480.0720.0480.0720.70.0640.0920.0640.0920.0640.0920.0640.0920.80.0720.1040.0720.1040.0720.1040.0640.0920.90.0900.1260.0900.1260.0900.1260.0900.1261.00.1000.1400.1000.1400.1000.1400.0900.1261.20.1260.1800.1320.1800.1320.1801.50.1320.2400.1700.2400.1700.2401.750.2200.3200.2200.3200.2200.3202.00.2460.3600.2600.3800.2600.3802.10.2600.3800.2800.4000.2800.4002.50.3600.5000.3800.5400.3800.5402.750.4000.5600.4200.6000.4200.6003.00.4600.6400.4800.6600.4800.6603.50.5400.7400.5800.7800.5800.7804.00.6400.8800.6800.9200.6800.9204.50.7201.0000.6800.9600.7801.0405.50.9401.2800.7801.1000.9801.3206.01.0801.4400.8401.2001.1401.5006.50.9401.3008.01.2001.680注：1.冲裁皮革、石棉和纸板时，间隙取08钢的25%；2.本表适用于尺寸精度和断面质量要求不高的冲裁件。5•排样排样是指冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。排样是否合理，将直接影响到材料利用率、冲裁件质量、生产效率、冲裁模结构与寿命等。因此，排样是冲压工艺中一项重要的、技术性很强的工作。（1）排样方法根据材料的利用情况，排样方法可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种。1）有废料排样如图2-11a所示，沿冲裁件的全部外形冲裁，在冲裁件周边都留有搭边（a、ai）。有废料排样时，冲裁件尺寸完全由冲裁模保证，因此冲裁件质量好，模具寿命高，但材料利用率低，常用于冲裁形状较复杂、尺寸精度要求较高的冲裁件。2）少废料排样如图2-11b所示，沿冲裁件的部分外形切断或冲裁，而在冲裁件之间或冲裁件与条料边缘之间留有搭边。这种排样方法因受剪裁条料质量和定位误差的影响，其冲裁件质量稍差，同时边缘毛刺易被凸模带入间隙，也影响冲裁模寿命，但材料利用率较高，冲裁模结构简单，一般用于形状较规则、某些尺寸精度要求不高的冲裁件。3）无废料排样如图2-11c、d所示，沿直线或曲线切断条料而获得冲裁件，无任何搭边废料。无废料排样的冲裁件质量和模具寿命更差一些，但材料利用率最高，且当步距为两倍冲裁件宽度时，如图2-11c所示，一次切断能获得两个冲裁件，有利于提高生产效率，可用于形状规则对称、尺寸精度不高或贵重金属材料的冲裁件。（a）（b）（c）（d）图2-11排样方法上述三种排样方法，根据冲裁件在条料上的不同排列形式，又可分为直排、斜排、直对排、斜对排、混合排、多排及冲裁搭边等六种，见表2-8。表2-8排样形式分类排样方式有废料排样少、无废料排样简图应用简图应用直排用于简单集合形状（方形、矩形、圆形、）的冲裁件用于矩形或方形冲裁件斜排用于T形、L形、S形、十字形、椭圆形冲裁件用于L形或其它形状的冲裁件，在外形上允许有不大的缺陷直对排用于T形、H形、山形、梯形、三角形、半圆形的冲裁件用于T形冲裁件、山形、n形、梯形、三角形冲裁件，在外形上允许有不大的缺陷斜对排用于材料利用率比直对排时高的情况多用于T形冲裁件混合排用于材料及厚度都相同的冲裁件用于两个外形互相嵌入的不同冲裁件（铰链等）多排用于大批量生产中尺寸不大的圆形、六角形、方形、矩形冲裁件用于大批量生产中尺寸不大的方形、矩形、及六角形冲裁件冲裁搭边用于大批量生产中小而窄的冲裁件（表针及类似冲裁件）或带料的连续拉深用于以宽度均匀的条料或带料冲制长形件在实际确定排样时，通常可先根据冲裁的形状和尺寸列出几种可能的排样 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（形状复杂的冲裁件可以用纸片剪成3~5个样件，再用样件摆出各种不同的排样方案），然后再综合考虑冲裁件的精度、批量、经济性、模具结构与寿命、生产率、操作与安全、原材料供应等各方面因素，最后决定出最合理的排样方法。（2）材料的利用率合理利用材料，提高材料的利用率，是排样设计主要考虑的因素之一。冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比称为材料利用率，它是衡量材料合理利用的一项重要经济指标。如图2-11所示，一个步距内的材料利用率n为n=A/BSX100%（2-3）式中A个步距内冲裁件的实际面积（mm2）;B——条料宽度（mm）;S步距（冲裁时条料在模具上每次送进的距离，其值为两个对应冲裁件间相互对应的间距）（mm）。一张板料（或条料、带料）上总的材料利用率n为n=nAi/BLX100%（2-4）式中n张板料（或条料、带料）上冲裁件的总数目；Ai—个冲裁件的实际面积（mm2）;L—板料（或条料、带料）的长度（mm）;B板料（或条料、带料）的宽度（mm）。（3）搭边与条料宽度的确定1）搭边搭边是指排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料边缘之间留下的工艺废料。搭边虽然是废料，但在冲裁工艺中却有很大的作用：补偿定位误差和送料误差，保证冲裁出合格的零件；增加条料刚度，方便条料送进，提高生产效率；避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙，提高模具寿命。搭边值的大小要合理。搭边值过大时，材料利用率低；搭边值过小时，达不到在冲裁工艺中的作用。在实际确定搭边值时，主要考虑以下因素。材料的力学性能软材料、脆材料的搭边值取大一些；硬材料的搭边值可取小一些。冲裁件的形状与尺寸冲裁件的形状复杂或尺寸较大时，搭边值取大些。材料的厚度厚材料的搭边值要取大些。送料及挡料方式用手工送料，且有侧压装置的搭边值可以小些，用侧刃定距可以比用挡料销定距的搭边值小一些。卸料方式弹性卸料比刚性卸料的搭边值要小一些。搭边值一般由经验确定，表2-9为搭边值的经验数据表之一，供设计时参考。表2-9最小搭边值mm圆件及r>2t的圆角矩形件边长l<50矩形件边长l>50或圆角r<2t材料厚度l工件间a侧面a1工件间a侧面a1工件间a侧面a10.25以下1.82.02.22.52.83.00.25~0.51.21.51.82.02.22.50.5~0.81.01.21.51.81.82.00.8~1.20.81.01.21.51.51.81.2~1.51.01.21.51.81.82.01.6~2.01.21.51.82.02.02.22.0~2.51.51.82.02.22.22.52.5~3.01.82.22.22.52.52.83.0~3.62.22.52.52.82.83.23.5~4.02.52.82.83.23.23.54.5~5.03.03.53.54.04.04.55.0~120.6t0.7t0.7t0.8t0.8t0.9t注：表中所列搭边值适用于低碳钢，对于其它材料，应将表中数值乘以下系数：中等硬度钢0.9；软黄铜、纯铜1.2;硬钢0.8;铝1.3〜1.4;硬铝1〜1.2;硬黄铜1〜1.1;非金属1.5〜2。2）条料宽度与导料板间距在排样方式与搭边值确定之后，就可以确定条料的宽度，进而可以确定导料板间距。条料的宽度要保证冲裁时冲裁件周边有足够的搭边值，导料板间距应使条料能在冲裁时顺利地在导料板之间送进，并与条料之间有一定的间隙。因此条料宽度与导料板间距与冲裁模的送料定位方式有关，应根据不同结构分别进行计算。①用导料板导向且有侧压装置时，见图2-12a。在这种情况下，条料是在侧压装置作用下紧靠导料板的一侧送进的，故按下列公式计算条料宽度B0=（D十2a）0（2-5）TOC\o"1-5"\h\z导料板间距离Bo=B十Zi=D十2a十乙(2-6)式中D—条料宽度方向的基本尺寸；a——侧搭边值，可参考表2-9;△——条料宽度偏差，见表2-10;Zi导料板与条料之间的间隙，其值见表2-11。此种情况也适合于用导料销导向的冲裁模，这时条料是由人工靠紧导料销一侧送进的。(a)(b)图2-12条料宽度的确定表2-10条料宽度偏差△mm条料宽度B材料厚度t~0.50.5~11~22~33~5〜200.050.080.100.70.920〜300.080.100.150.81.030〜500.100.150.200.91.1~500.40.51.01.250〜1000.50.61.11.3100〜1500.60.7150〜2200.70.8220〜3000.80.9表2-11导料板与条料之间的间隙Z1mm材料厚度t无侧压装置有侧压装置条料宽度B条料宽度B<100100~200200~300<100>100约10.50.51581〜50.51158②用导料板导向且无侧压装置时，见图2-12b。无侧压装置时，应考虑在送料过程中因条料在导料板之间摆动而使侧面搭边值减小的情况，为了补偿侧面搭边的减小，条料宽TOC\o"1-5"\h\z度应增加一个条料可能的摆动量(其值为条料与导料板之间的间隙Z1)，故按下列公式计算：条料宽度B0=(D十2a十Z1)0(2-7)导料板间距离Bo=B十Z=D十2a十2Z1(2-8)⑷排样图排样图是排样设计最终的表达形式，通常应绘制在冲压工艺规程的相应卡片上和冲裁模总装图的右上角。排样图的内容应反映出排样方法、冲裁件的冲裁方式、用侧刃定距时侧刃的形状与位置、材料利用率等。绘制排样图时应注意以下几点：1）排样图上应标注条料宽度B0、条料长度L、板料厚度t、端距I、步距S、冲裁件间搭边ai和侧搭边a值、侧刃定距时侧刃的位置及截面尺寸等，如图2-13所示。2）用剖面线表示出冲裁工位上的工序件形状（即凸模或凹模的截面形状），以便能从排样图上看出是单工序冲裁（见图2-13a）、复合冲裁（见图2-13b）还是级进冲裁（见图2-13C）。3）采用斜排时，应注明倾斜角度的大小。必要时，还可用双点划线画出送料时定位元件的位置。对有纤维方向要求的排样图，应用箭头表示条料的纹路方向。图2-13排样图画法6.凸模与凹模刃口尺寸的确定凸、凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙也靠凸、凹模刃口尺寸及公差来保证。因此，正确确定凸、凹模刃口尺寸和公差，是冲裁模设计的一项重要工作。其计算方法与凸、凹模的加工方法有关，基本上可分为两类。（1）凸、凹模分开加工这种方法要求分别计算出凸模和凹模的刃口尺寸及公差，并标注在凸、凹模设计图样上。其优点是凸、凹模具有互换性，便于成批制造。但受冲裁间隙的限制，要求凸、凹模的制造公差较小，主要适用于简单形状（圆形、方形或矩形）的冲裁件。若落料件外形尺寸为D0，冲孔件内孔尺寸为d0，根据刃口尺寸计算原则，可得落料D凹=（Dmax—xZ）0凹（2-9）00D凸=（D凹—Zmin）凸=（Dmax—XA—Zmin）凸（2-10）冲孔d凸=（dmin+xA凸（2-11）凹凹d凹=（d凸+Zmin）0=（dmin+XA+Zmin）°（2-12）式中D凹、D凸——落料凹、凸模刃口尺寸（mm）;d凸、d凹—冲孔凸、凹模刃口尺寸（mm）;Dmax—落料件的最大极限尺寸（mm）;dmin——冲孔件孔的最小极限尺寸（mm）;A—冲裁件的制造公差（mm）;Zmin最小合理间隙（mm）;3凸、血——凸、凹模制造公差（mm）,订、血可分别按IT6和IT7确定，也可查表2-12或取（1/4〜1/5）A;x——磨损系数，x值在0.5~1之间，可查表2-13或按下列关系选取：冲裁件精度为IT10以上时，x=1;冲裁件精度为ITI1—ITI3时，x=0.75;冲裁件精度为IT14以下时，x=0.5。mm表2-12规则形状（圆形、方形）件冲裁时凸、凹模的制造偏差基本尺寸凸模偏差3凸凹模偏差3凹基本尺凸模偏差3凸凹模偏差3凸寸<180.0200.020>180〜2600.0300.045>18〜300.0200.025>260~3600.0350.050>30~800.0200.030>360~5000.0400.060>80〜1200.0250.035>5000.0500.070>120〜1800.0300.040表2-13磨损系数x材料厚度非圆形冲件圆形冲件t/mm10.750.50.750.5冲件公差Z/mm1V0.160.17~0.35>0.36V0.16>0.161~2V0.200.21~0.41>0.42V0.20>0.202~4V0.240.25~0.49>0.50V0.24>0.24>4V0.300.31~0.59>0.60V0.30>0.30(a)(b)图2-14落料、冲孔时各部分尺寸及公差的分布状态根据上述计算公式，可以将冲裁件与凸、凹模刃口尺寸及公差的分布状态用图2-14表示，其中图2-14a表示落料，图2-14b表示冲孔。从图中还可以看出，无论是冲孔还是落料，为了保证间隙值，凸、凹模的制造公差必须满足下列条件：合凸+§凹WZmax—Zmin(2-13)如果§凸+§凹》Zmax—Zmin故凹模型孔的中心如果出现§凸+§凹〉Zmax—Zmin情况，当大得不多时，可以适当调整§凸、§凹值以满足上述条件，可取§凸=0.4(Zmax—Zmin)；§凹=0.6(Zmax—Zmin)。时，则应采用凸、凹模配作方法。(2-14)当需在同一工步冲出两个以上孔时，因凹模磨损后孔距尺寸不变，距可按下式确定：L凹=(Lmin十0.5△)±.125△式中L凹——凹模型孔中心距(mm);Lmin冲裁件孔心距的最小极限尺寸(mm)。例2-1冲裁图2-15所示垫圈，材料为Q235钢，料厚t=lmm，试计算凸、凹模刃口部分尺寸及公差。解由图可知，该零件属无特殊要求的一般冲孔、落料件，0360063由落料获得，2-①600.12与18±0.09由冲孔同时获得。查表2-10得，Zmax=0.14,Zmin=0.10，则Zmax—Zmin=0.14—0.10=0.04(mm)①落料(①36°0.63)查表2-12、表2-13得，§凹=0.03mm,§凸=0.02mm,x=0.5。校核间隙：因为3凸+3凹=0.02十0.03=0.05(mm)>Zmax—Zmin=0.04(mm)，说明所取凸、凹模公差不冃能满足3凸+3凹Nmax—Zmin条件，但相差不大，此时可调整如下：3凸=0.4(Zmax一Zmin)=0.4%.04=0.016(mm)3凹=0.6(Zmax—Zmin)=0.60.04=0.024(mm)将已知和查表的数据代入公式，即得D凹=(Dmax-xZ)0凹=(36—0.50.63)00.024=35.69。赵4(mm)D凸=(D凹一Zmin)0凸=(35.69—0.10)00.016=35.5900.016(mm)②冲孔(①600.12)杳表2-12、表2-13得：3凹=0.02mm,3凸=0.02mm,x=0.75。校核间隙，因为3凸+3凹=0.02+0.02=0.04(mm)=Zmax—Zmin，所以符合3凸+3凹^Zmax—Zmin。将已知和杳表的数据代入公式，即得d凸=(dmin+x40凸=(6+0.750.12)00.02=6.0900.02(mm)d凹=(d凸+Zmin)0凹=(6.09十0.10)00.02=6.1900.02(mm)③孔中心距(18±0.09)L凹=(Lmin十0.54±.1254=(17.9l十0.50.18)±0.125018=18±.023(mm)(2)凸、凹模配作加工凸、凹模配作加工是指先按图样设计尺寸加工好凸模或凹模中的一件作为基准件(一般落料时以凹模为基准件，冲孔时以凸模为基准件)，然后根据基准件的实际尺寸按间隙要求配作另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配作保证，工艺比较简单，不必校核3凸+3凹