1.4 沖模結構設計簡介

沖模種類很多，普通全鋼沖模只是眾多種類沖模中的一種，是板料沖壓零件成批和大量生產中使用最廣泛、類型最多，在所有沖模中用量最大的主類型常規沖模。這種沖模的類型、結構不僅在眾多沖模中具有廣泛的代表性與典型性，而且其他種類的沖模類型與結構，大都源于普通全鋼沖模，是由普通全鋼沖模的相應類型與結構演變、派生而來的。因此，對一個沖模設計人員來說，應該熟悉板料沖壓工藝與標準規范、普通全鋼沖模的類型和各種典型結構組合、沖模的零部件標準和相關標準規定；了解沖模制造與修理工藝和設備、沖壓現場的設備條件與加工水平等；掌握普通全鋼沖模的基本設計方法，并具有一定的設計能力，從而能夠設計其他種類的沖模。掌握沖模設計方法是沖模設計與制造專業技術人員的基本功，而沖模設計的難點在于結構設計。

1.4.1 沖模的結構

沖模的結構就是沖模的構造，是構成沖模的眾多不同形狀和用途的零件，以及由多種零件構成的承擔不同功能或有不同作用的機構與裝置的巧妙組合。

如圖1-1所示，普通全鋼沖模的基本結構，都是由活動的上模與固定的下模兩大部件構成。這兩大部分通常由四大系統10余個不同結構、不同功能的機構組成。

應該指出，不是所有沖模都具有圖1-1所示的全部系統和全部機構。但圖1-1所示的四大系統10余個不同結構、不同功能的機構都是不同類型、不同結構、用于完成各種沖壓件用沖模所具有的，只是由于沖模技術功能不同，結構需要有別，設置系統與機構不同。

圖l-l 沖模的基本結構

1.4.2 沖模結構設計的任務

沖模設計最主要的工作就是沖模的結構設計。充分利用已知的數據、條件及資料、規范，汲取前人的經驗和已在生產中用過的、類似沖壓零件的沖模結構，憑借設計人員的智慧、能力和知識，策劃、設想并構思，形成一套符合技術功能與生產能力要求的沖模構造，最終設計出可以用于制模與沖制合格沖壓零件的成套沖模圖樣；而且經生產與長期使用考驗，沖模結構應技術上先進，使用上安全可靠，經濟上合理、節省。這就是沖模的結構設計任務。

沖模的結構設計是一項技術性很強，要求綜合知識面很廣的創造性工作。

1.沖壓工藝分析

根據新產品通過樣試與批試鑒定后的定形沖壓零件圖、沖壓零件實物，及其在所屬產品中的安裝位置、用途及技術功能、運作與使用要求等，進行沖壓工藝適應性分析。

按照沖壓零件圖及有關產品設計說明書、計算書與產品圖樣，審定沖壓零件材料種類及技術要求；檢查沖壓零件的形狀、尺寸及其要求的尺寸與幾何精度，沖切面質量及允許毛刺大小與方向，是否超出沖壓加工工藝允許的范圍；分析其沖壓加工的適應性，有沒有改進與簡化的可能。最后確認沖壓零件圖給定的沖壓工藝技術參數、技術要求及沖模設計所需技術數據與要求，找出沖壓加工的要點、難點及必須達到的質量及工藝水平。

2.沖壓工藝方案確定

（1）編制沖壓工藝的依據

1）沖壓零件的圖樣及其投產批量、預計年產量、總產量。

2）交貨期及要求交貨方式、包裝與運輸要求。

3）原材料供應形式與狀態。

4）沖壓零件的技術要求。

5）沖壓零件的質量指標及驗收標準。

6）沖壓生產現場的設備及配套設施的技術狀態。

7）相關沖壓設備使用說明書。

（2）沖壓工藝方案的內容

1）沖壓零件加工工藝流程（工藝路線）圖。該圖是表明從原材料出庫到沖壓加工零件完成，轉入下一道工序，如去毛刺、清洗、電鍍或攻螺紋等，再到成品零件入庫的全部完整的工藝流程圖。

2）沖壓工藝過程卡。沖壓工藝過程卡包括沖壓加工的各工藝工序，沖壓原材料分離與變形的各工序形狀、尺寸、技術要求，各工序使用設備、模具、材料與工時定額及檢驗要點與方法、檢驗工具、檢驗要求。

沖壓工藝過程卡有行業標準通用格式，使用時，應在確定工藝方案、經過工藝設計與常規工藝計算后，按要求填寫。

3）沖模設計任務書。工藝方案確定后，便可編制沖模設計任務書。該任務書除備有詳盡的沖壓工藝編制說明外，還應附上上述整套工藝文件：沖壓工藝流程圖、沖壓工藝過程卡等。其中，沖壓零件的沖壓排樣圖，對沖模設計尤為關鍵。

（3）沖壓工藝編制說明中應說明的問題

1）沖壓工序名稱、數量及工序（工步）順序。

2）各工序沖壓力、連續沖壓的總壓力，以及確定選用的壓力機類型及其公稱壓力。

3）沖壓原材料牌號、性質、料厚及其公差、半成品及坯件尺寸。

4）各工序（工步）沖壓加工的部位、工藝作業性質及沖壓后形狀。

5）各工序及連續沖壓各工位的送料方式、定位基準及出件（料）方法。

6）各工序采用沖模的結構形式及模具閉合高度。

7）各工序的檢驗要點、質量指標。

8）要求沖壓的生產率及產量。

9）各工序所使用的自動化裝置。

10）沖壓零件的重點尺寸公差、精度等級。

3.策劃—設想—構思—繪出沖模結構草圖

根據上述沖壓工藝文件及沖模設計任務書，在掌握現有相關資料的基礎上，遵照下述原則策劃沖模結構：

1）在充分研究沖壓工藝可行性的情況下，提出多個沖模結構方案，進行經濟性、安全性、操作舒服性等對比選優。

2）制模方便，制模周期短。

3）制模與修模費用少。

4）安全性好，勞動強度低。

5）沖模壽命高。

6）模具零部件標準化程度與商品率高。

經初步策劃后，可設想沖模的具體結構：模芯（沖模工作部位）的構成，送料、定位、沖壓、推卸等各系統與各機構的連接，要設置的各機構功能與必要性，采用導向裝置的類別與結構形式；而后，可以構思沖模的整體結構并繪出草圖；再經過比對排樣圖、沖壓零件圖、工藝過程卡等進行修改；確認結構無問題，便可進行凸模長度、強度與剛度、間隙、刃口與模腔尺寸、行程限位尺寸、沖模壓力中心、閉合高度等的計算；主要設計與工藝參數經過詳細驗算、校核后，最后繪制沖模總裝配圖。這樣，沖模結構設計就基本完成了，但就整套沖模設計而言，還有選用標準零部件、模板，測繪非標零件圖，編寫設計說明等多項工作要做。

上述為沖模結構設計的常規程序和基本方法。在現場的實際工作中，沖模設計還會根據客觀條件和掌握技術資料情況，可采用一些合適而簡捷的沖模結構設計方法，但均以上述基本方法為基礎。

1.4.3 沖模的設計程序及工作流程

1.新產品沖壓件生產與沖壓工藝文件編制

通常情況下，新開發的機電或家電產品，首先要進行新產品的樣試，即樣品試制，用以考核和測定新產品的技術性能、主要技術參數等是否達到產品設計的要求。通過對樣試產品的全項目檢測、例行試驗、在正常生產條件下的試運行、規定超載下試運行、長時間的使用壽命考驗等，改進產品設計，必要時重新進行樣試。一般情況下，中小型機電產品、儀器儀表、家電新產品樣試僅制造5～10臺樣品。其零件——主要是新設計的非標準零件，多數是板料沖壓件、塑料件、鑄件及一些切削加工件。這些在新產品樣試中所需的沖壓件，一般是用組合沖模、簡易沖模、通用沖模沖制的，甚至由鉗工用手工鋸、銼、焊、鉚等方法制作。

新產品通過樣試鑒定，還必須投入批試，即小批樣品試制。樣試是考驗和測定新產品的性能；批試是考核和驗證投入批量生產的工藝及工藝裝備，為正常的成批或大量生產作準備。因此，在新產品樣試通過以后，就要按初步定型的產品圖，零部件的加工、組裝及產品總裝的樣圖，編制所需工藝文件并設計制造工裝。其中，沖壓件所需的工藝文件及工藝裝備如下：

1）對產品設計師設計的沖壓件圖進行工藝性審查并修改，確定沖壓件加工圖（含技術條件、特別要求）。

2）編制工藝文件：①工藝路線和沖壓工藝過程卡（含沖壓件工藝流程、工序及工步、使用設備、模具、工夾最具、檢驗工序及要求等）；②材料消耗定額；③工（臺）時定額；④使用輔助材料名稱、數量；⑤工藝守則、安全操作規程及特殊要求；⑥工序質量分析表、質量檢驗規程及特殊要求；⑦沖模整套圖樣。

3）沖壓后續鉗工加工的夾具、專用工具。

4）轉序車間（工位）及運輸工具。

新產品批試一般要多于10臺，不超過100臺。很多沖壓件在進入產品批試階段后，由于產品設計人員對沖壓工藝性及其限制數據不熟悉、沖模結構設計需要或現場生產條件制約等因素，還會與沖壓工藝師、沖模設計師協商對沖壓件進行一些局部的小修改，以利于沖壓加工、提高沖模壽命和降低產品成本。

2.沖模設計的一般程序

沖模設計應該按照以下原則進行：

1）密切結合現場生產條件和技術水平，利用現有廠房、設備和人員，使用更經濟、更穩妥的沖壓工藝及模具，生產合格優質的沖壓件。

2）設計的沖模使用上安全可靠，技術上先進，經濟上合理。

3）采用的沖壓工藝及配套沖模，要達到“三低”和“三高”。“三低”即勞動強度低、能耗低、生產成本低；“三高”即生產率高、沖壓件質量高、模具壽命高。

4）在沖壓工藝與模具設計中，要將沖壓操作安全放在首位，努力減小噪聲污染，改善沖壓工作環境。

沖模設計程序與工作流程見圖1-2。

確定沖壓工藝及沖模結構選型，要按照以下程序逐項實施。

（1）沖壓件工藝分析 根據沖壓件加工圖樣，從以下幾個方面分析其沖壓工藝性：

1）沖壓件的材料類型、尺寸、規格及其力學性能和沖壓性能。

2）沖壓件的形狀、結構尺寸及沖壓加工的難點與整體沖壓難度。

3）沖壓件要求的尺寸與幾何精度。

4）其他技術要求：①沖壓件表面質量，是否有碰傷、劃痕、銹斑、油污等；②沖切面質量，包括沖切面表面粗糙度、垂直度、塌角等；③毛刺方向與毛刺高度；④成品交貨方式，包括包裝、堆放、混裝成箱、表面防護包裝等。

5）生產量及重復生產周期、預計總產量。

6）原材料供應渠道、供貨形式及材料狀態。

7）交貨期。

沖壓件的沖壓工藝性好，為連續沖壓、一模成形奠定基礎，可生產出高質量的沖壓件，沖模壽命也得到提高，同時材料利用率也較高，沖壓件成本較低。

圖1-2 沖模設計程序及工作流程

（2）確定工藝方案 每一種沖壓件，尤其是形狀復雜，要通過多道工序、多種沖壓工藝作業才能完成的沖壓件，往往都有多種工藝方案可以沖制完成。因此，在制訂沖壓件的沖壓工藝之前，應根據現場條件、工藝分析結果及可能影響生產的其他因素，提出多個工藝方案，內容主要有：沖壓工藝性質、必需的工序數目、工序的組合方式及工序順序；采用分序多模沖制還是多工位一模成形；列出具體的沖壓工藝過程，繪出沖壓工藝過程圖。通過對各方案的可行性研究，對比其主要優缺點及技術經濟數據后確定工藝方案。工藝方案應滿足以下要求：

1）實施操作過程中的安全性與可靠性更高。

2）沖壓件質量更好，合格率更高。

3）工序更少，使用工模具更少，消耗工（臺）時更少。

4）材料利用率更高。

5）生產率更高，沖壓件生產成本更低。

6）模具壽命更高。

（3）確定主要工藝技術數據及工藝參數

1）沖壓件展開平毛坯及其加工圖繪制與尺寸確定。

2）工藝參數的確定，包括拉深系數、翻邊系數、脹形系數、縮徑系數、變薄系數等。

3）工藝技術數據確定，包括拉深次數、沖裁間隙、拉深間隙、工序數目、連續沖壓的工位與工步數目、搭邊與沿邊寬度值等。

4）主要工藝數據計算，包括各分離與變形工位的沖壓力、卸料力、推（出）件力、壓邊力、壓料力、計算沖壓加工的總沖壓力和沖壓功、壓力中心、材料利用率等。

（4）沖壓設備的選用。根據沖壓工藝的作業性質和沖壓設備的性能特點，針對沖壓件沖壓工藝的需要，選定沖壓設備類型；按計算總沖壓力與沖壓功，兼顧模具閉合高度和外廓尺寸，結合現有設備，就高棄低，確定設備公稱壓力。

（5）排樣圖的設計 平板沖裁件及各種成形沖壓件的展開平毛坯在板、條、帶、卷料上的排列布置方法，通稱排樣。在沖模設計的前期工作中，排樣是一項極為重要、技術性很強的設計工作。所謂排樣，實際上就是排樣圖設計。沖模結構設計最主要、最直接的依據和基礎就是沖壓工藝及其排樣圖。尤其對于一模成形沖壓件的多工位連續模，排樣圖就是其結構設計的重要組成部分。多工位連續沖壓件的排樣圖，源于沖壓工藝及其沖壓工步的設計與工步順序的安排。這種排樣圖不僅表示出送料進距、沿邊、搭邊、工位間送進方式和完成沖壓件沖壓的全部沖壓工藝及沖壓變形過程，還表示出送料定位方法、沖模的送料定位系統及其構成，甚至連送料定位精度及要采用的定位裝置也都直接或間接地表示在排樣圖上。因此，排樣圖設計是否合理、實用、先進，直接影響到模具的選型、結構及材料利用率、沖壓生產率和沖壓件生產成本，同時也影響到沖壓件的質量和模具壽命。一個合理而實用的排樣圖，要密切結合實際和實施沖壓工藝的可能性，充分考慮現有材料供應的品種、狀態及沖壓設備等生產條件，在確保沖壓件質量的基礎上，力爭沖模具有更佳的結構、更好的操作安全性與制模工藝性，要全面綜合分析影響排樣的各種因素，進行多方案比較，從中選優而確定出最佳排樣。

（6）沖模結構選型

1）沖模結構選擇的基本原則如下：

①所選擇的模具類型和結構必須適合沖壓件圖樣規定的材料及其要求的料厚；沖壓的工件能達到所要求的尺寸公差、幾何公差、沖壓件塌角大小、毛刺高度及沖切面表面粗糙度。

②模具類型及其結構的選用應使制模費用盡可能低：一是選定的模具結構在現有條件下，能沖出合格沖壓件且制模費用最少；二是在滿足預計總產量的情況下，模具費占沖壓件總成本比例最小。

③無需特殊、專用、高精制模設備及高級技工，符合現場制模技術水平，適合現有制模生產與設備條件，具有良好的可加工性，并和實際使用模具的設備技術狀態匹配。

④核算沖壓件的年產量，預計其總產量。選擇的模具結構要使模具按沖次計算，在失效前的總壽命大于或等于沖壓件的年產量或總產量，以獲得最佳經濟效益。

⑤沖壓件重復生產的可能性。對于非一次性生產的沖壓件，除預計總產量外，還要考慮模具的易損件更換、貯存及沖壓件個別尺寸改變的可能性，以便選用壽命適合或更換模具個別零部件即可重復生產的模具結構。這一點對產品更新換代或需要局部改良的沖壓件生產是十分必要的。

2）選型應考慮的主要因素。用沖模沖制出成品零件還是加工沖壓毛坯，是選擇沖模結構遇到的第一個問題。在新產品試制時，沖壓件具有生產時間緊、尺寸與形狀變化大、數量少等特點，故應選用組合沖模、通用沖模及低壽命的各種簡易沖模。如果其幾何公差與尺寸公差、表面粗糙度Ra值等與圖樣技術要求不符或小孔、窄槽和成形部位沖不出來，可增加若干切削加工和鉗工工序予以彌補，或用電火花線切割加工。對成批生產，尤其是中批生產沖壓件，需要就多種工藝方案和多種模具使用的經濟性進行比較后選定。對于大量生產的沖壓件，滿足沖壓件各項工藝技術要求是選擇和設計沖模結構的首要依據。通常沖壓件的技術要求包括尺寸公差、幾何公差、沖切面表面粗糙度、塌角大小、毛刺高低以及其他一些特殊要求。不同的沖壓工藝需要使用不同類型與結構的模具，而各類模具在正常生產條件下能達到的經濟沖壓精度和質量的工藝水平也不同。導板式沖模在成批和大量生產中都可以大有作為：固定卸料導板式沖模在中厚板及厚度在0.2mm以上薄板沖壓件生產中優勢明顯；彈壓卸料導板式沖模在高精度薄板與超薄板沖壓件生產中優勢突出。

在選擇成批和大量生產用模具結構時，應盡量利用模具一模成形，達到沖壓件圖樣規定的各項技術要求，免除附加的后續有屑加工，努力做到直接由沖壓提供成品零件。通常的沖深孔模可用沖壓制孔取代鉆孔。目前，已可沖出孔徑只有料厚30%的深孔，最小孔徑可達0.4mm；利用精密沖裁工藝加工小模數片齒輪取代滾齒加工，如國內現在已能沖出模數為0.2mm的照相機片齒輪，尺寸精度與國產小模數滾齒機加工精度相當，能較好地滿足高精度儀表新產品生產的需要；利用萬能分解式組合沖模加工新產品試制所需的小批量沖壓件，一般在幾個小時內，僅靠成組元件拼裝而成的通用模具即可迅速完成；利用硬質合金模可以生產幾千萬到上億件的沖壓件，無需替補模具而實現優質高產。

（7）沖模結構設計

1）構思沖模總體結構。沖模基本類型大致選定后，可以根據投產批量，選擇原材料類型及其送料方式；按要求交貨期確定沖模效率，并考慮沖模的機械化與自動化程度。當采用帶料或卷料進行大量生產時，可考慮使用通用自動送料裝置，采用多工位連續沖壓一模成形進行不間斷地高效生產。

當確定采用板裁條料進行中批與大批量生產時，可以考慮手工送料。但最好用多工位連續沖壓一模成形，手工送料遠在模具入料口以外，操作安全。

考慮沖壓件料厚t及要求的尺寸精度：當料厚t=0.05～1mm時，應采用導柱模架彈壓卸料連續模；當沖壓件精度超過IT9而其料厚t<1mm時，應選用彈壓卸料導板式連續模；當料厚t≥1mm而沖壓件尺寸精度低于IT10時，推薦用固定卸料導板式沖模，經濟而又安全；當沖壓件料厚t=0.2～6mm，其尺寸精度低于IT10時，均可用固定卸料導板式沖模。

考慮沖模的操作安全性，杜絕沖壓事故，應在國產普通開式壓力機上逐步淘汰的沖模有：①無導向敞開式沖模；②無導向固定卸料結構單工序沖模、連續模、復合模。

2）沖模結構參數的選擇與計算。選定沖模結構形式及完成沖模總體構思后，可以初步繪出沖模總裝配草圖，并進行如下計算：①計算并確定沖模的壓力中心，確保其與壓力機滑塊的中心重合，如遇沖壓件特殊或沖模結構設計需要，模具壓力中心可偏離壓力機滑塊中心，但不應超出所用壓力機允許的范圍；②凸、凹模抗壓強度計算以及細長凸模抗縱彎失穩的強度校核；③墊板、模座的抗壓強度計算；④彈性元件—彈簧或橡膠的選擇及計算；⑤間隙的選定及間隙取向的確定；⑥凸模或凹模以及導板工作部分尺寸的計算與結構尺寸的確定；⑦模具輔助裝置及傳動機構的設計與計算，如楔傳動機構、自動送料與自動卸料結構的設計與計算。

3）繪制沖模總裝圖并測繪非標零部件圖，選用標準零部件。

4）匯總并填寫沖模零部件明細表，特別注明選用標準件號、規格、材料等。

5）在沖模總裝圖上寫出技術要求。在完成沖模總裝配圖的繪制后，必須在總裝圖的適當位置，設計并提出主要技術要求，主要包括：①壓力機型號、公稱壓力；②使用原材料牌號、種類、狀態；③入模材料尺寸、尺寸公差；④要求沖裁間隙；⑤模具閉合高度；⑥打標記。