2.2　項(xiàng)目——連接板中心圓孔沖裁模具設(shè)計(jì)

2.2.1　項(xiàng)目目標(biāo)

（1）項(xiàng)目引入

如圖2-1所示為連接板沖裁件，材料為20鋼，該沖壓件材料厚度為t=0.5mm，屬薄板沖裁，橢圓外形，制件中間有2個(gè)?11mm的圓形孔。生產(chǎn)批量為80000件/年。

本部分案例在已經(jīng)沖裁出橢圓形外形的情況下，進(jìn)行連接板中心圓孔沖裁工藝分析，設(shè)計(jì)連接板中心圓孔沖裁模具。

（2）項(xiàng)目?jī)?nèi)容

該沖壓件材料厚度為t=0.5mm，屬薄板沖裁，需要在現(xiàn)有橢圓形板料中間沖裁出?11mm的2個(gè)圓形孔，屬于小型沖壓件。年產(chǎn)量80000件，屬于大批量生產(chǎn)，采用沖裁模加工既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能滿足生產(chǎn)效率的要求，還能降低成本。由于產(chǎn)品批量大，且導(dǎo)柱導(dǎo)向的單工序沖裁模沖裁精度高，使用壽命長(zhǎng)，因此采用導(dǎo)柱導(dǎo)向的單工序沖裁模。

2.2.2　沖裁工藝方案

對(duì)沖壓件進(jìn)行沖裁工藝方案分析，主要包括三個(gè)方面：沖裁過(guò)程分析、沖裁斷面質(zhì)量分析以及沖裁工藝性分析。

（1）沖裁過(guò)程分析

沖裁是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產(chǎn)生分離的一種沖壓工序。根據(jù)變形機(jī)理的差異，沖裁可分為普通沖裁和精密沖裁。通常我們說(shuō)的沖裁是指普通沖裁，它包括落料、沖孔、切口、剖切和修邊等。

圖2-2所示為連接板中心孔簡(jiǎn)單沖裁模的沖裁過(guò)程示意圖。圖中所示件1為凸模，件2為凹模，凸模端部及凹模洞口邊緣的輪廓形狀與工件形狀對(duì)應(yīng)，并有鋒利的刃口。凸模刃口輪廓尺寸略小于凹模，其差值稱為沖裁間隙。

沖裁金屬板料的變形過(guò)程如圖2-3所示。當(dāng)沖裁模間隙合理時(shí)沖裁變形過(guò)程可分為以下三個(gè)階段，分別為彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段。具體可以細(xì)分為：彈性變形—塑性剪切滑移—產(chǎn)生細(xì)微裂紋—裂紋生長(zhǎng)與板料斷裂。

（2）沖裁斷面質(zhì)量分析

當(dāng)沖裁模凸、凹模之間的間隙合理、模具刃口狀況良好時(shí)，沖裁件斷面的特征，如圖2-4所示。從圖中可以看出，沖裁斷面明顯分為四個(gè)特征區(qū)，即圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺四個(gè)部分。

由圖可知，沖裁件的斷面并不整齊，僅較短一段的光亮帶是柱體。若不計(jì)彈性變形的影響，沖孔件的光亮柱體部分尺寸近似等于凸模尺寸；而落料件的光亮柱體部分尺寸，近似等于凹模尺寸。

（3）沖裁工藝性分析

1）什么是沖裁件的工藝性

沖裁件的工藝性，是指沖裁件在沖壓加工過(guò)程中的難易程度，即沖裁件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及公差等技術(shù)要求是否符合沖壓加工的工藝要求。

2）沖裁件工藝性分析

沖裁件工藝性是否合理，對(duì)零件的質(zhì)量、模具壽命和生產(chǎn)率有很大的影響。沖裁工藝性好是指能用普通的沖裁方法，在模具壽命和生產(chǎn)效率較高、成本較低的情況下得到質(zhì)量合格的沖壓件。因此一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

①?zèng)_裁件的形狀與尺寸要求　沖裁件形狀應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、對(duì)稱、排樣廢料少。在滿足質(zhì)量要求的條件下，把沖裁件設(shè)計(jì)成少、無(wú)廢料的排樣形狀，如圖2-5所示。

a.除在少、無(wú)廢料排樣或采用鑲拼模結(jié)構(gòu)時(shí)，允許工件有尖銳的尖角外，沖裁件的外形或內(nèi)孔交角處應(yīng)采用圓角過(guò)渡，避免尖角，R>0.25t。常用的最小沖裁圓角可以通過(guò)查表得到。

b.盡量避免沖裁件上過(guò)長(zhǎng)的懸臂與狹槽，如圖2-6所示，應(yīng)使它們的最小寬度b≥1.5t。沖裁件孔與孔之間、孔與零件邊緣之間的壁厚，因受模具強(qiáng)度和零件質(zhì)量的限制，其值不能太小。一般要求c≥1.5t，c'≥t。

c.若在彎曲或拉深件上沖孔，沖孔位置與件壁間距應(yīng)滿足圖示尺寸。其要求見(jiàn)圖2-7。

d.沖裁件的孔徑因受沖孔凸模強(qiáng)度和剛度的限制，不宜太小，否則容易折斷和壓彎。沖孔最小尺寸取決于孔的形狀、材料的厚度、材料的機(jī)械性能、凸模強(qiáng)度和模具結(jié)構(gòu)。用自由凸模和帶護(hù)套的凸模所能沖制的最小孔徑分別見(jiàn)表2-1和表2-2。

②沖裁件的尺寸精度和表面粗糙度

沖裁件的精度要求，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)精度范圍以內(nèi)，對(duì)于普通沖裁件，其經(jīng)濟(jì)精度不高于IT12級(jí)。在IT12～I(xiàn)T14之間，沖孔件比落料件高一級(jí)，一般要求落料件公差等級(jí)最好低于IT10級(jí)，沖孔件精度最好低于IT9級(jí)。如果工件精度高于上述要求，則需在沖裁后整修或采用精密沖裁沖工件。兩孔的孔心距所能達(dá)到的公差可通過(guò)查表獲得。沖裁件斷面的表面粗糙度和允許的毛刺高度也應(yīng)符合一定要求。

（4）沖裁排樣的設(shè)計(jì)

1）什么是排樣

沖裁件在板料、條料、帶料等毛坯上的布置方式稱為排樣。

2）排樣的原則和方法

①排樣的原則　排樣合理與否不僅影響材料的經(jīng)濟(jì)利用，還影響到制件的質(zhì)量、模具的結(jié)構(gòu)與壽命、制件的生產(chǎn)率和模具的成本等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，排樣時(shí)應(yīng)考慮如下原則：

a.提高材料利用率（不影響制件使用性能前提下，還可適當(dāng)改變制件形狀）。材料的利用率為制件面積與毛坯面積的比率。材料利用率按式（2-1）計(jì)算。

　　        （2-1）

式中　η——材料利用率；

A₀——工件的實(shí)際面積；

A——沖裁此工件所用材料面積，包括工件面積與廢料面積。

b.排樣方法應(yīng)使操作方便，勞動(dòng)強(qiáng)度小且安全。

c.盡量保證模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命高。

d.保證制件質(zhì)量和制件對(duì)板料纖維方向的要求。

②排樣的方法

a.有廢料排樣法：沿制件的全部外形輪廓沖裁，制件與制件之間、制件與條料之間都留有工藝余料（稱為搭邊），沖裁后成為廢料。因留有搭邊，所以制件質(zhì)量和模具壽命較高，但材料利用率降低；

b.少?gòu)U料排樣：沿制件的部分外形輪廓沖裁，只在制件與制件之間或制件與條料之間留有搭邊，材料利用率有所提高；

c.無(wú)廢料排樣：沿制件的全部外形輪廓沖裁，在制件與制件之間或制件與條料之間都不留有搭邊。無(wú)廢料排樣的材料利用率較高，材料只有料頭和料尾損失，材料利用率可高達(dá)85%～95%。排樣的幾種方式具體，如圖2-8所示。

③搭邊和料寬

搭邊為工件與工件之間、工件與條料側(cè)邊之間留有的一定距離（工藝廢料）。

料寬：排樣方案和搭邊值確定后，即可確定條料或帶料的寬度及進(jìn)距。

條料寬度的確定原則：a.最小條料寬度應(yīng)保證沖裁時(shí)輪廓周邊有足夠的搭邊值；

b.最大條料寬度應(yīng)保證條料能在導(dǎo)料板內(nèi)順利的進(jìn)給，條料與導(dǎo)料板之間有一定的間隙；

c.在確定條料寬度時(shí)，必須考慮模具結(jié)構(gòu)中是否采用側(cè)壓裝置或側(cè)刃定距裝置。

（5）連接板中心圓孔沖裁件工藝性分析

如圖2-9所示為連接板沖裁件，橢圓外形，制件中間有2個(gè)?11mm的圓形孔。此沖裁件的工藝性如下：

①?zèng)_裁件形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱、排樣廢料少。

②沖裁件的外形或內(nèi)孔交角處為圓角過(guò)渡，沒(méi)有尖角。

③沖裁件上沒(méi)有過(guò)長(zhǎng)的懸臂與狹槽。

④沖裁件公差I(lǐng)T13，在IT12～I(xiàn)T14之間，屬于普通沖裁件。

因此，此連接板中心圓孔沖裁件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及公差等技術(shù)要求符合沖壓加工的工藝要求，可以采用沖壓加工方法進(jìn)行生產(chǎn)。

（6）連接板中心圓孔沖裁件的排樣

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，采用落料和沖孔兩道沖裁工序完成，第二道工序即本實(shí)例中的沖孔是在第一道工序沖裁完得到的橢圓形落料件的基礎(chǔ)上進(jìn)行，故不涉及排樣。若對(duì)此沖裁件采用沖孔、落料復(fù)合沖裁模完成時(shí)，考慮的排樣方式如下：

采用單排排樣設(shè)計(jì)，查《中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典：第3卷　沖壓模具設(shè)計(jì)》表19.1-17，如圖2-9所示，得搭邊值：工件間a₁=1.8mm，側(cè)邊a=1.5mm。

則條料寬B=43+2a=46（mm）
條料的進(jìn)距h=20+a₁=21.8（mm）

由式（2-1）計(jì)算沖裁單件材料的利用率為：

　　        

2.2.3　沖裁工藝計(jì)算

（1）沖裁壓力計(jì)算

①?zèng)_裁力　沖裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。沖裁力是選擇壓力機(jī)的主要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)模具所必須的數(shù)據(jù)。

F₀=Ltτ　　        （2-2）

式中　t——材料厚度，mm；

L——沖裁輪廓周長(zhǎng)，mm；

τ——材料抗剪強(qiáng)度，MPa；

F₀——沖裁變形力，N。

在實(shí)際的沖裁過(guò)程中，還有多種因素可以對(duì)沖裁力產(chǎn)生影響，例如刃口磨損、間隙部大小、間隙分布的不均勻、材料力學(xué)性能的波動(dòng)及材料厚度的波動(dòng)等。因此，實(shí)際的沖裁力應(yīng)增加30%。實(shí)際的沖裁力按式（2-3）計(jì)算：

F₀=1.3Ltτ　　        （2-3）

②卸料力、推件力及頂件力

什么是卸料力、推件力及頂件力？

在分析沖裁的變形過(guò)程時(shí)，當(dāng)沖裁件從板料切下以后，沖裁件要沿徑向發(fā)生彈性變形而擴(kuò)張，而板料上的孔則沿著徑向發(fā)生彈性收縮。同時(shí)，沖下的零件與余料還要力圖恢復(fù)彈性。這兩種彈性恢復(fù)的結(jié)果，使得落料件梗塞在凹模內(nèi)，而沖裁后剩下的板料則箍緊在凸模上。從凸模上將零件或廢料取下來(lái)所需的力稱卸料力，從凹模內(nèi)順著沖裁方向?qū)⒘慵驈U料推出的力稱為推件力，逆著沖裁方向把零件或廢料從凹模洞內(nèi)頂出的力稱為頂件力（圖2-10）。

如何計(jì)算卸料力、推件力及頂件力？

卸料力、推件力及頂件力將直接由壓力機(jī)和卸料機(jī)構(gòu)來(lái)負(fù)擔(dān)，所以在選用沖壓設(shè)備和設(shè)計(jì)模具的卸料機(jī)構(gòu)時(shí)，必須考慮卸料力、推件力與頂件力。影響這些力的因素較多，主要有材料的力學(xué)性能、材料厚度、模具間隙、零件形狀尺寸以及潤(rùn)滑情況等。因此要準(zhǔn)確地計(jì)算這些力是困難的，一般用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

推件力：

F_推=nK_推F₀　　        （2-4）

頂件力：

F_頂=nK_頂F₀　　        （2-5）

卸料力：

F_卸=nK_卸F₀　　        （2-6）

式中　　　F₀——沖裁力；

n——同時(shí)梗塞在凹模內(nèi)的零件（或廢料），n=h/t；

h——凹模孔口的直刃壁高度；

t——材料厚度；

K_推，K_頂，K_卸——推件力、頂件力及卸料力系數(shù)，其值見(jiàn)表2-3。

③沖裁時(shí)的總壓力　沖裁力、推件力、頂件力及卸料力在選擇壓床時(shí)是否要考慮進(jìn)去，是根據(jù)不同的模具結(jié)構(gòu)區(qū)別對(duì)待的。

采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖裁模：

F_總=F₀+F_推+F_卸　　        （2-7）

采用彈性卸料裝置和上出料方式?jīng)_裁模：

F_總=F₀+F_頂+F_卸　　        （2-8）

采用剛性卸料裝置和下出料方式的沖裁模：

F_總=F₀+F_推+F_卸　　        （2-9）

（2）沖裁間隙的確定

如何確定沖裁間隙？

沖裁間隙是指凸模與凹模刃口縫隙之間的距離，沖裁間隙對(duì)沖裁件斷面質(zhì)量、沖裁件尺寸精度、沖裁力及模具壽命有影響。沖裁間隙可根據(jù)理論確定法和經(jīng)驗(yàn)確定法來(lái)確定。

①?zèng)_裁間隙理論確定法　理論確定法的主要依據(jù)是要保證裂紋重合，以便獲得良好的斷面。圖2-11所示為沖裁過(guò)程產(chǎn)生裂紋的瞬時(shí)狀態(tài)。從圖中的三角形ABC可求得間隙Z：

　　        （2-10）

式中　h₀——凸模模壓入深度；

β——最大剪應(yīng)力與垂線間夾角。

由于各種材料的h₀和β值目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的測(cè)定數(shù)值，而且生產(chǎn)中使用這種計(jì)算法也不方便，因此目前廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式與圖表法。

②沖裁間隙經(jīng)驗(yàn)確定法　經(jīng)驗(yàn)確定法可以按厚度確定間隙值及直接查表確定間隙值。

按厚度確定的間隙值：經(jīng)驗(yàn)確定法也是根據(jù)材料的性質(zhì)與厚度來(lái)確定，按下式確定凸凹模的最小（雙向）間隙值。

Z_min=Kt　　        （2-11）

式中　K——材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；

t——材料厚度。

軟材料：如08、10、黃銅、紫銅等，Z_min=（0.08～0.1）t；

中性材料：如Q235、Q255、20、25等，Z_min=（0.1～0.12）t；

硬材料；如Q295、50等，Z_min=（0.012～0.14）t。

其中薄料取下限。

（3）沖裁模刃口尺寸的計(jì)算

①尺寸計(jì)算原則　模具刃口尺寸精度是影響沖裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理間隙值也要靠模具刃口尺寸與公差來(lái)保證。但正確地確定刃口部分尺寸及其公差的依據(jù)是什么呢？

我們從生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

a.由于凸、凹模之間存在間隙，因此落下的料或沖出孔都是帶有錐度的（圖2-12），且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，而沖孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。

b.用游標(biāo)卡尺測(cè)量落料件尺寸時(shí)，測(cè)得的是大端尺寸；測(cè)量孔徑時(shí)，測(cè)得的是小端尺寸（圖2-13）。

c.在裝配時(shí)，落料件相當(dāng)于軸，以其大端尺寸與TL相配與軸配合。

d.在生產(chǎn)中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，使間隙愈用愈大。

所以，在確定模具刃口尺寸及其制造公差時(shí)，必須考慮下述原則：

a.確定基準(zhǔn)件。落料件尺寸由凹模決定，沖孔件的尺寸由凸模尺寸決定。在設(shè)計(jì)落模時(shí)，以凹模為基準(zhǔn)，間隙留在凸模上；在設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，以凸模為基準(zhǔn)，間隙留在凹模上。

b.確定模具最大實(shí)體尺寸。考慮到模具使用中的磨損，設(shè)計(jì)落料模時(shí)，凹模的基本尺寸應(yīng)取接近或等于制件的最小極限尺寸；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，凸模的基本尺寸應(yīng)取接近或等于制件的最大極限尺寸。凸、凹模間隙則取最小合理間隙。以保證凸、凹模磨損到一定的值后，仍能沖出合格的零件。

c.確定模具制造公差。一般模具精度高于制件精度2～3級(jí)。若制件未標(biāo)注尺寸公差，按IT14級(jí)處理，模具精度取IT11級(jí)，對(duì)于制件，模具精度可取IT6～I(xiàn)T7級(jí)。

②刃口尺寸的計(jì)算方法

如何計(jì)算刃口尺寸？

由于模具加工和測(cè)量方法的不同，凹模與凸模刃口部分尺寸的計(jì)算公式與制造公差的標(biāo)注也不同，基本上可分為兩種：一種是凸模與凹模分開(kāi)加工；另一種是凸模與凹模配合加工。與其相應(yīng)的尺寸計(jì)算方法也各有不同。

方法一：凸模與凹模分開(kāi)加工。凸模與凹模分開(kāi)加工時(shí)，要分別標(biāo)注凸模和凹模刃口尺寸與制造公差，這種方法適用于圓形或簡(jiǎn)單形狀的工件，只符合下列條件：

δ_凸+δ_凹≤Z_max-Z_min　　        （2-12）

δ_凸=0.4（Z_max-Z_min）　　        （2-13）

或取

δ_凹=0.6（Z_max-Z_min）　　        （2-14）

現(xiàn)對(duì)沖孔和落料兩種情況分別討論如下：

a.沖孔設(shè)工件孔的尺寸為d+Δ。根據(jù)以上原則，沖孔時(shí)首先確定凸模刃口尺寸，使凸模公稱尺寸接近或等于工件孔的最大極限尺寸，再增加凹模尺寸以保證最小合理間隙偏Z_min。凸模制造偏差為負(fù)偏差，凹模制造偏差為正偏差，其計(jì)算公式如下：

　　        （2-15）

　　        （2-16）

各部分分配位置見(jiàn)圖2-14。

b.落料設(shè)工件孔的尺寸為D-Δ。根據(jù)上述原則，落料時(shí)首先確定凹模尺寸。凹模公稱尺寸接近或等于工件輪廓的最小極限尺寸。再減小凸模尺寸以保證最小合理間隙Z_min。各部分分配位置見(jiàn)圖2-15。其計(jì)算公式如下：

　　        （2-17）

　　        （2-18）

式中　d_凸，d_凹——沖孔凸模和凹模直徑，mm；

D_凸，D_凹——落料凸模和凹模直徑，mm；

d，D——沖孔零件孔徑和落料工件外徑的公稱尺寸；

Z_min——最小合理間隙（雙間），mm；

δ_凸，δ_凹——凸模、凹模的制造公差，其值可查表2-4，xΔ代表磨損量。

其中系數(shù)X是為了使沖裁件的實(shí)際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的小間尺寸。X值在0.5～1之間，與制造精度等級(jí)有關(guān)。可查表2-5或者按下列關(guān)系選取：

工件精度IT10級(jí)以下：X=1；

工件精度1T10～I(xiàn)T9級(jí)以下：X=0.75；

工件精度IT7以上：X=0.5。

方法二：凸模與凹模配合加工。此方法是先做好其中的一件（凸模或凹模）作為基準(zhǔn)件，然后以此基準(zhǔn)件為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)加工另一件，使它們之間保持一定的間隙。此時(shí)只在基準(zhǔn)件上標(biāo)注尺寸和制造公差，另一件配做模只標(biāo)注公稱尺寸并注明配做間隙值。這樣δ_凸、δ_凹不再受間隙限制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般可取δ=Δ/4。這種方法不僅容易保證凸、凹模很小的間隙，而且還可放大基準(zhǔn)件的制造公差，使零件制造容易。故目前一般工廠都采用此種方法。

（4）連接板中心圓孔沖裁件沖裁壓力計(jì)算

①連接板中心圓孔沖裁件沖裁力

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，連接板中心圓孔的周長(zhǎng)：

L₁=2πD=22π=69.08（mm）

所以，由式（2-3）可得沖孔力為：

F₀=1.3Ltτ=1.3×69.08×0.5×80=3582.16（N）

②連接板中心圓孔沖裁件卸料力及推件力

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，采用如圖2-10所示中的卸料及推件方式，推件力及卸料力分別按式（2-4）和式（2-6）計(jì)算，具體如下：

查表2-3，取K_推和K_卸分別取0.063和0.05，同時(shí)梗塞在凹模內(nèi)的廢料：

n=h/t=3/0.5=6　　        （2-19）

F_推=nK_推F₀=6×0.063×3592.16=1357.84（N）

F_卸=nK_卸F₀=6×0.05×3592.16=1077.65（N）

③連接板中心圓孔沖裁件沖裁時(shí)的總壓力

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件總沖裁力，由式（2-7）得：

F_總=F₀+F_推+F_卸=6027.65（N）

（5）連接板中心圓孔沖裁間隙的確定

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定法，可以按照式（2-12）確定其間隙值：Z_min=（0.1～0.12）t=0.05～0.06mm，取間隙值為Z_min=0.05mm，Z_max=0.1mm。

（6）連接板中心圓孔的沖裁模刃口尺寸的計(jì)算

在連接板沖中心圓孔的沖壓中，由于為圓形沖孔工件，因此采用凸凹模分開(kāi)進(jìn)行加工的方法進(jìn)行刃口尺寸的計(jì)算。由表2-4查出δ_凸=0.02和δ_凹=0.02，Z_min=0.05mm和Z_max=0.1mm，滿足公式（2-13）的要求，因此可以利用公式（2-16）和公式（2-17）分別計(jì)算出沖孔凸模和凹模的刃口尺寸。其中x由表2-5查出為0.5，制件公差Δ=0.36，最后求出和。

2.2.4　沖裁模具結(jié)構(gòu)

（1）沖裁模具分類

沖裁模具按工序性質(zhì)分類，主要形式有：落料模、沖孔模、切斷模及切口模等。

按工序的組合程度可分為：①簡(jiǎn)單模：在一副模具中只完成一個(gè)工序的沖模。②連續(xù)模（又稱級(jí)進(jìn)模或跳步模）：在一副模具中，在不同位置上完成兩個(gè)或多個(gè)工序而最后將工件與條料分離的沖模。③復(fù)合模：在同一副模具中在同一位置上完成幾個(gè)不同工序的沖模。如落料、沖孔復(fù)合模。

（2）沖裁模總體設(shè)計(jì)

沖裁模總體設(shè)計(jì)包括：壓床選擇、壓力中心計(jì)算、沖模結(jié)構(gòu)的選擇。

①壓力機(jī)選擇　壓床選擇一般包括壓床類型與壓床規(guī)格兩方面。出于沖裁工作行程與壓床行程相比很小（小于5%），故除導(dǎo)板模要求使用行程可調(diào)節(jié)的偏心壓床外，一般對(duì)壓床類型沒(méi)有特殊要求。所以著重討論壓床規(guī)格的選擇。

壓床規(guī)格的主要技術(shù)參數(shù)有：噸位、閉合高度、行程和臺(tái)面尺寸等。

壓床噸位：對(duì)于沖裁工序，可按沖就所需的壓力來(lái)選擇壓床。

F_公≥∑F　　        （2-20）

式中　F_公——壓床的公稱壓力；

∑F——完成沖裁工序所需的總壓力，包括沖裁變形力，彈性卸料力和推件力等。

沖裁如果和拉深或彎曲工序復(fù)合，沖模工作行程就要按拉深或彎曲行程計(jì)算。當(dāng)工作行程與壓床行程相比較大（超過(guò)5%）時(shí)，所選壓床的許用壓力曲線在曲軸全部轉(zhuǎn)角內(nèi)應(yīng)高于沖壓變形力曲線。

壓床的閉合高度：沖模的閉合高度應(yīng)和壓床的閉合高度相適應(yīng)。

沖模閉合高度即沖模在最低工作位置時(shí)，上、下模板之間的距離（H_模）。壓床閉合高度即滑塊在下死點(diǎn)位置時(shí)，滑塊下端面至壓床墊板間的距離（H）。當(dāng)連桿調(diào)至最短時(shí)為壓床的最大閉合高度（H）最大，連桿調(diào)至最長(zhǎng)時(shí)為壓床的最小閉合高度H最小。如圖2-16所示，沖模的閉合高度與壓床的閉合高度關(guān)系見(jiàn)式（2-21）。

H_最大-5mm≥H_模≥H_最小+10mm　　        （2-21）

壓床行程：壓床的曲鈾旋轉(zhuǎn)一周時(shí)滑塊上下移動(dòng)的距離稱為壓床的行程。壓床的行程必須滿足工藝要求。沖床的工作行程小，壓床行程一般能滿足使用要求。導(dǎo)板模要求壓床的行程小且可調(diào)節(jié)。對(duì)于落料拉深復(fù)合模，壓床行程必須大于拉深高度兩倍以上，以便放入毛坯和取出工件。

壓床臺(tái)面尺寸：壓床臺(tái)面尺寸應(yīng)大于沖模下模板的外形尺寸，并要留有固定沖模的位置。

②壓力中心　模具壓力中心是指沖壓時(shí)諸沖壓力合力的作用點(diǎn)位置。為了確保壓力機(jī)和模具正常工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心相重合。對(duì)于帶有模柄的沖壓模，壓力中心應(yīng)通過(guò)模柄的軸心線。否則會(huì)使沖模和壓力機(jī)滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生過(guò)大的磨損，模具導(dǎo)向零件加速磨損，減少模具和壓力機(jī)的使用壽命。

對(duì)于多凸模沖孔的復(fù)合模具，首先選擇基準(zhǔn)坐標(biāo)，確定各孔中心的坐標(biāo)位置，如圖2-17所示。然后按公式進(jìn)行計(jì)算。

　　        （2-22）

　　        （2-23）

式中　X₀——壓力中心至y軸的距離；

Y₀——壓力中心至x軸的距離。

③沖裁模結(jié)構(gòu)的確定　選擇沖裁模結(jié)構(gòu)，是將沖裁模各部分結(jié)構(gòu)初步確定下來(lái)，以便繪制工序草圖和進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)。

a.正裝、倒裝結(jié)構(gòu)的選擇：落料凹模裝在下模的正裝復(fù)合模，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用彈性頂件器將工件從凹模向上頂出，故沖出的工件較平直；沖孔廢料從上模中的凸凹模內(nèi)推出，不積存在凸凹模內(nèi)，故凸凹模不易脹裂，容許壁厚小一些。但沖孔廢料掉在下模面上，清除困難且不安全，給操作帶來(lái)不便，如來(lái)不及清除就進(jìn)行下一次沖裁時(shí)，容易損壞刃口。因此，正裝復(fù)合模一般在工件要求較平整、沖裁薄板料、孔公差較小、孔邊距小以及落料沖孔兼成形工序時(shí)、或是只有一個(gè)孔的薄工件、孔的廢料不難清除等情況下才使用。

倒裝復(fù)合模特點(diǎn)是：孔的廢料經(jīng)壓力機(jī)臺(tái)孔下落，不需清除廢料，操作較方便；在下模能安裝力量可調(diào)節(jié)的卸料裝置，卸料可靠，是工廠常用的一種結(jié)構(gòu)。對(duì)較小的工件，一般少采用壓料，由于工件在沒(méi)有壓緊下沖裁，平直度較差，同時(shí)凸凹模內(nèi)要積存廢料，使脹力增大。

b.卸料裝置的選擇：選擇沖模結(jié)構(gòu)時(shí)，需考慮和工作部分配合使用的其他結(jié)構(gòu)。例如卸料裝置就是用來(lái)卸除卡在凸模上的廢料。不同形式的卸料裝置，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。

固定卸料板：一般安裝于下模。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卸料力大，卸料可靠，操作安全，多用于簡(jiǎn)單和連續(xù)模，尤其適用于沖裁較厚的材料。但沖裁工件的精度與平直度較低。固定卸料板若和凸模滑配制出時(shí)，還可兼作導(dǎo)板。

彈性卸料板：除卸料外，在沖裁時(shí)兼起壓料作用，故沖出的工件彎曲程度小，尺寸精度較高。裝于上模的彈性卸料板，其卸料力較小，且不能調(diào)節(jié)。裝于下模的彈性卸料板有兩種：一種將彈性元件置于卸料板與凸模固定板之間；另一種在下模下面安裝緩沖器。前者卸料力較小，后者卸料力較大并可調(diào)節(jié)。

c.推件裝置的選擇：從凹模孔內(nèi)推出工件的裝置有兩種形式：一種裝于上模的稱推件器，是剛性推件，比較可靠；另一種裝于下模的是頂件器，彈性反向頂出工件，并對(duì)工件有壓平作用。推件裝置的正確選擇要和工作部分結(jié)合起來(lái)考慮。

此外，上、下模是否采用導(dǎo)向裝置。采用導(dǎo)板還是導(dǎo)桿、導(dǎo)套結(jié)構(gòu)等這些問(wèn)題，都要在沖模總體設(shè)計(jì)時(shí)考慮。

（3）沖裁模主要零部件設(shè)計(jì)

工作部分零件設(shè)計(jì)

①?zèng)_裁凸模的設(shè)計(jì)。凸模的形式：凸模常用的形式有三種，如圖2-18所示。其工作部分尺寸根據(jù)工件尺寸通過(guò)計(jì)算決定，斷面形狀和工件一致。為了增加凸模的強(qiáng)度和剛度，可做成多級(jí)臺(tái)階。臺(tái)階之間要圓滑過(guò)渡，以免應(yīng)力集中。凸模用固定板固定，如果凸模是壓入固定板則采用過(guò)渡配合；如果是采用粘接力法，則固定板要留出間隙，而凸模不做出肩臺(tái)。凸模和固定板裝配后要求垂直，斷面需一起磨平。對(duì)于采用線切剖和成形磨削的非圓形凸模，要制成沒(méi)有臺(tái)階的等斷面。

凸模（以及凹模、導(dǎo)套等）的黏結(jié)劑，常用的有環(huán)氧樹(shù)脂、低熔點(diǎn)合金和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑三種。

凸模的長(zhǎng)度：根據(jù)沖模結(jié)構(gòu)的要求來(lái)定，還要考慮留有修磨余量，如圖2-18所示，長(zhǎng)度L為：

L=h₁+h₂+h₃+（10～20）mm　　        （2-24）

式中　h₁——凸模固定板厚度；

h₂——卸料板厚度；

h₃——導(dǎo)尺厚度。

凸模強(qiáng)度計(jì)算：在一般情況下，凸模強(qiáng)度不需計(jì)算，只是在凸模斷面較小而沖裁力較大或凸模較長(zhǎng)時(shí)，才對(duì)凸模強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。凸模強(qiáng)度校核時(shí)對(duì)于特別細(xì)長(zhǎng)的凸模，應(yīng)進(jìn)行壓應(yīng)力和彎曲力校核，檢查其危險(xiǎn)斷面尺寸和自由長(zhǎng)度是否滿足強(qiáng)度要求。

沖孔凸模加墊板的校核：

圓形沖孔凸模承受的壓應(yīng)力［σ_壓］，按下式計(jì)算：

σ_壓=P/F=P/0.758D²　　        （2-25）

式中　P——沖孔力，kN；

F——沖孔凸模承受面積，mm²；

D——沖孔凸模承受面的直徑，mm。

②沖裁凹模的設(shè)計(jì)。凹模形式按刃口孔形區(qū)分，有以下幾種，如圖2-19所示。

凹模的孔形參數(shù)按工件材料厚度選取，可查表。凹模外形尺寸和最小壁厚如圖2-20所示，可按經(jīng)驗(yàn)公式（2-26）計(jì)算。

H=Kb　　        （2-26）

凹模工作時(shí)，在沖裁力作用下主要是受彎曲，一般情況下不進(jìn)行強(qiáng)度校核，只有當(dāng)凹模尺寸過(guò)小、過(guò)薄時(shí)才有必要。

③定位零件設(shè)計(jì)。沖模定位裝置用以保證材料的正確送進(jìn)及在沖模中的準(zhǔn)確位置。使用條料時(shí)，保證條料送進(jìn)導(dǎo)向的零件有導(dǎo)料銷、導(dǎo)尺等，保證條料進(jìn)距的零件有擋料銷、定距側(cè)刃等；在連續(xù)模中保證工件孔與外形相對(duì)位置是用導(dǎo)正銷，單個(gè)毛坯采用定位銷或定位板，如圖2-21所示。

④卸料與推件零件設(shè)計(jì)。卸料裝置有剛性與彈性卸料板和廢料切刀等形式。彈性卸料板，對(duì)于正裝模則安裝于上模，卸料力較小，如圖2-22（a）所示。裝于下模的彈性卸料板有兩種：一種是將彈簧或橡皮放置在下模板上，其卸料力較小，如圖2-22（b）所示；另一種是在下模板或壓床工作臺(tái)下面安裝彈性緩沖器，其卸料力較大，并可調(diào)節(jié)，如圖2-22（c）所示。

⑤導(dǎo)向零件設(shè)計(jì)。對(duì)生產(chǎn)批量大，要求模具壽命長(zhǎng)、工件精度高的沖裁模，都需采用導(dǎo)向裝置，以保證下模的精確導(dǎo)向，常用的導(dǎo)向零件有導(dǎo)板和導(dǎo)柱兩種。導(dǎo)柱模使用廣泛，導(dǎo)向零件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)柱、導(dǎo)套和上、下模板組成的模架也都已標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)柱常用兩個(gè)。根據(jù)導(dǎo)柱在模板上的安裝位置分為后側(cè)導(dǎo)柱、中間和對(duì)角導(dǎo)柱三種。普通沖裁模常用后側(cè)導(dǎo)柱模架，可以從三面送料，操作方便。對(duì)角導(dǎo)柱和中間導(dǎo)柱的模架，其導(dǎo)向更為精確。

⑥連接零件設(shè)計(jì)。沖模連接零件主要包括模柄，上、下模板，凸模固定板以及螺釘、銷釘?shù)取３鼓９潭ò濉|板外，其余零件都已標(biāo)準(zhǔn)化，可以按需選用或參照標(biāo)準(zhǔn)另行設(shè)計(jì)。

（4）連接板中心圓孔的沖裁模沖壓壓力機(jī)的選擇

本實(shí)例中的沖裁件沖壓壓力機(jī)的選擇，由式（2-7）計(jì)算得：

F_總=F₀+F_推+F_卸=6027.65N

公稱壓力約為6kN，故選取公稱壓力為3.15t（31.5kN）的壓力機(jī)。由《中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典》查得壓力機(jī)為J23-10，其各項(xiàng)指標(biāo)如表2-6所示：

（5）連接板中心圓孔的沖裁模壓力中心的確定

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，沖模的壓力中心與制件外形的幾何中心重合。

（6）連接板中心圓孔的沖裁模模具結(jié)構(gòu)

對(duì)于本實(shí)例中的沖裁件，選用凸模在上，凹模在下的模具結(jié)構(gòu)，模具中采用彈性卸料板卸料，孔中的廢料由下模排料口排出。

（7）連接板中心圓孔的沖裁模凸模的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模，凸模斷面為簡(jiǎn)單圓形，故采用如圖臺(tái)階形式。其工作部分尺寸根據(jù)工件尺寸通過(guò)計(jì)算決定，斷面形狀和工件一致。由式（2-24）可得凸模長(zhǎng)度L為：

L=h₁+h₂+h_彈+（10～20）=16+10+20=56（mm）

（8）連接板中心圓孔的沖裁模凹模的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模，凹模形式選擇圖2-19的Ⅱ形，凹模尺寸按公式（2-26）計(jì)算，結(jié)合H必須大于15mm及模具結(jié)構(gòu)的要求，取凹模板的厚度H=15mm。

（9）連接板中心圓孔的沖裁模定位零件的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模，因?yàn)閱蝹€(gè)毛坯，采用定位銷定位，如圖2-23所示。

（10）連接板中心圓孔的沖裁模卸料與推件零件的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模，采用如圖2-22（a）所示的安裝于上模彈性卸料裝置。

（11）連接板中心圓孔的沖裁模導(dǎo)向零件的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模，采用后側(cè)導(dǎo)柱模架。

（12）連接板中心圓孔的沖裁模連接零件的設(shè)計(jì)

連接板中心圓孔的沖裁模采用標(biāo)準(zhǔn)連接零件：螺釘和銷釘。

（13）連接板中心圓孔的沖裁模裝配圖和主要零件圖

結(jié)合以上分析及計(jì)算，連接板中心圓孔的沖裁模裝配圖，如圖2-24所示，條料從左側(cè)進(jìn)料后，上模座在壓力機(jī)的帶動(dòng)下下壓，凸模下壓沖孔成形，廢料從凹模下方脫出，完成沖裁動(dòng)作后，上模座在壓力機(jī)的作用下上移，制件在卸料板的作用下與凸模脫離，完成卸料，接著按步距送料，完成下一次沖裁過(guò)程。凸模、凹模、卸料板、凸模固定板零件圖如圖2-25～圖2-28所示。