3.2 單工序沖裁模結構特點及設計

在壓力機的一次沖壓行程中，只完成一個沖裁工步的單工序沖裁模，不光是沖孔模、落料模，還包括一次同時沖制群孔、沖多個切口的沖模，一個工步內同時沖孔、切口及沖開的沖裁模，以及拉深件垂直切邊、水平切邊等較復雜的沖裁模。這類沖模用于不同的沖裁工藝作業，其結構的繁簡與復雜程度相差懸殊。依其結構特征兼顧其用途細化分類，便可大致區分出其結構復雜程度、標準化程度及商品率，為其市場化運作創造有利條件。

3.2.1 無導向裝置的單工序沖裁模

結構簡單的落料與沖孔用沖裁模，一般既無模架，也無導板與卸料板，甚至還沒有定位裝置，只有整體結構的或鑲拼組合結構的凸模與凹模。為卸料方便，有在凸模上裝橡膠塊或彈性卸料器，也有在下模上裝卸料爪、卸料塊用于卸料。

實例1

圖3-1所示是一套結構簡單、通用性強的一般精度、形狀規則而簡單的平板沖裁件落料模。該模具在結構設計上有以下一些特點：

圖3-1 圓片無導向敞開式落料模

1—可調定位板 2—下模座 3、10、12、13—螺釘 4、11—墊圈 5—凹模 6—導料板 7—卸料爪 8—凸模 9—模柄

1）標準化與通用化程度高。除工作零件凸、凹模是可換的非標準零件外，其他零部件均為工廠常用的和機械行業冷沖模成套標準件，可以通用。

2）沖模結構通用性強，使用范圍較廣。該沖模的工作零件可依需要更換；兩導料板構成的導料槽寬窄與高低均可調，可以適用的料厚、條料寬度范圍更廣一些；可調定位板，不僅可調圓形工件的搭邊大小，還可改變圓形擋料形狀，即可用于其他形狀工件的落料定位；通用標準下模座中的標準圓形凹模板可隨時更換成欲沖裁工件凹模。

該模具可用于Φ40～Φ100mm圓片落料，相當尺寸的方形、矩形以及類似簡單形狀的平板沖裁件落料均可采用，但必須依沖壓工件更換凸、凹模；按送進料寬調整導料板與卸料爪；按送料進距及搭邊大小調整擋料板。

實例2～4

有一些較大尺寸的沖裁件，為簡化沖模結構，減輕模具質量并減少制模鋼材消耗，降低模具造價，縮短制模周期，經常采用無導向敞開式結構沖裁模。

圖3-2～圖3-4所示為電機長腰形罩殼、異形拉深件分序多模沖制所用三套不同分離作業的沖裁模，具有典型性。

圖3-2 電機長腰形罩殼拉深毛坯落料模

1—模柄 2—凸模 3—頂板 4—螺釘 5—凹模 6—圓柱銷 7—螺釘 8—下模座

電機的長腰形罩殼，是一個帶方形寬凸緣的異形拉深件，采用成對拉深最后剖切成兩件的分序多模沖壓工藝。以上圖3-2～圖3-4所示拉深毛坯落料、拉深件切邊以及拉深件剖切等三套不同分離作業的沖裁模，結構相對復雜一些。

其毛坯落料模結構選型，考慮工件為料厚僅1mm的軟鋼板，毛坯尺寸又較大：長×寬=254mm×158mm，采用落料后反頂模上出件，毛坯雖料薄、尺寸大、易變形，由于彈壓板將料校平后反頂出模，確保毛坯平整，為提高拉深件質量打下了基礎。

凹模采用凸臺刃口，使沖裁件能從原材料順利分離，并便于從凸模上卸下搭邊框而不會損傷工件。手工送料，操作方便，刃磨也方便，且刃磨量減少了許多。

因拉深具有寬窄不一凸緣的異形拉深件，要通過切邊獲得規定形狀的平凸緣，切邊模的刃口形狀與尺寸，靠鑲拼結構的刃口加以控制。凹模的鑲塊拼合后用加熱凹模框靠熱脹放大，套住鑲拼組件，待凹模容框冷卻后收縮夾牢鑲塊。

剖切模的結構設計，考慮采用拉深件的對應邊凸緣和設置定位板緊靠拉深件外側定位，用厚為15mm的剖切刀，從拉深件中間剖切，成為兩件。切縫寬15mm在拉深件上考慮。較寬的切縫可提高剖切刀壽命，并提高工件剖切面質量，保證工件光潔平直無手感毛刺。

圖3-3 電機長腰形罩殼拉深件切邊模

1—打棒 2、4、12、17、18、20—各種螺釘 3—模柄 5—四腳打板 6、13—圓柱銷 7—凸模固定板 8—凸模 9—卸料板 10—凹模 11—彈簧 14—熱套圈 15—凹模墊板 16—下模座 19—定位頂料板

拉深件剖切模都是單工序沖模，但其結構設計存在著工件夾持、壓料、剖切刃口形狀的設計，剖切件尺寸與幾何精度控制等諸多問題。圖3-4b所示為儀表殼剖切模結構形式。考慮儀表殼有較高尺寸精度要求，并不準有肉眼可見的剖切毛刺，故設計采用后側導柱模架，彈壓卸料板、可調夾緊定位裝置；同時，采用大于3倍料厚的剖切刀，并使其具有120°尖角刃口，見圖3-4b，使用效果較好。

實例5

圖3-5所示為一套有凸緣、帶臺階的圓筒形拉深件垂直切邊模。該沖模雖無導向裝置，但有可靠的定位系統，并裝有廢料切斷刀。只要在安裝沖模時仔細調試，控制合理切邊行程，保證切邊上模能在切邊后下行與廢料切斷刀接近，將切邊廢料切斷。但不得下行過深，以避免壓壞工件并與廢料切斷刀刃口相碰。

無導向單工序沖裁模通常在以下場合使用：

1）沖裁件尺寸精度不高，一般低于IT12。

2）沖裁料厚較大，通常t≥1mm。

3）沖裁線形狀為圓、方、矩、長圓，或多角以及類似或接近的、規則而簡單的幾何形狀，沖裁線圓滑、平直、無銳角與齒形、小凸臺，以及細長枝芽、懸臂等沖切形狀。

4）沖裁件產量不大。

5）對沖裁件沖切面質量、毛刺及平面度無要求。

6）沖裁件尺寸較大，推薦最小沖裁件尺寸：長×寬×料厚=L_件×B_件×t≥25mm×10mm×1mm；更小尺寸及更薄料厚的沖裁工件，為安全計，不推薦用敞開模沖制。

圖3-4 電機長腰形罩殼和儀表殼拉深件剖切模

a）電機長腰形罩殼拉深件剖切模 1—下模座 2、8、10、13—螺釘 3—圓柱銷 4—凹模座 5—凹模 6—剖切刀 7—模柄 9—芯軸 11—墊圈 12—定位板

圖3-4 電機長腰形罩殼和儀表殼拉深件剖切模（續）

b）儀表拉深件剖切模 1—凹模夾座 2—下模座 3—導柱 4—導套 5—上模座 6—凸模固定板 7—剖切凸模 8—墊板 9—彈壓卸料板 10—凹模框 11—凹模夾座 12—可調凹模板

圖3-5 有凸緣、帶臺階圓筒拉深件垂直切邊模

1—下模座 2—切邊下模 3—廢料切斷刀 4—切邊凸模 5—定位釘 6—切邊凹模 7—模柄 8—卸件打桿 9—螺釘 10—空心墊板 11—推板 12—工件 13—定位板

3.2.2 有導向裝置的單工序沖裁模

這類沖模沖壓零件精度高，質量好。一些特種沖裁加工，大多用這類結構沖模，如負間隙沖裁、微間隙圓角刃口沖裁、沖小孔、沖深孔、整修等。這類沖模結構形式多而復雜，制造精度也較高。

圖3-6～圖3-9及圖3-4b等所示為有導向裝置的各種單工序沖模，實施不同沖裁工藝作業所用的實用典型結構。其各具特色的結構形式，與其實施的沖裁作業任務密切相關。其沖壓精度與沖壓零件質量都是較好的。但與連續模、復合模相比，生產率較低。

實例1

圖3-6所示開口墊圈，尺寸較小，但料厚t達1.5mm，而其產量又較大。采用單列排樣或多列排樣都將遇到開口墊圈內外徑相差僅5mm，壁厚為2.5mm，但其料厚為t=1.5mm，又有5mm切口。單工位單列復合沖裁，不僅因工件尺寸小，料厚大，凸凹模壁厚相對薄弱，頂（卸）件壓力大，生產效率低，凸模與凹模刃口易磨損，壽命低。多列排樣也因工件尺寸小，凸模與凹模固定端加固后，安裝有困難；增大搭邊浪費材料，不合算。采用多列連續沖裁，也會出現類似問題，給沖模結構設計帶來困難。

圖3-6 開口墊圈多件沖裁模

1、7—導料板 2、8、15、16—螺釘 3、12—銷釘 4—下模座 5—導柱 6—凹模 9—固定板 10—墊板 11—上模座 13—模柄 14—凸模 17—卸料彈簧 18—彈壓卸料板 19—凹模鑲塊

根據以上分析，為滿足高效、大批量生產，同時沖模具有更高的壽命，采用三列三個開口墊圈按60°角等邊三角形的角對稱布置。一模三件，凹模依三個工件組合對稱，采用凹模整體鑲塊件，使模具結構得以簡化，方便了制模。

實例2

圖3-7所示為一套中厚板高精度沖孔模。從圖示沖孔零件圖可以看出，其材料為t=4mm的低碳鋼板，一次沖出三種孔徑的4個孔。其中，最大孔徑d_max=Φ3.30^+0.05₀mm，最小孔徑d_min=Φ2.03^+0.09₀mm，中等大小的圓孔兩個d=Φ2.80^+0.12₀mm。群孔各孔距都有公差要求，最小孔中心距為6.2mm±0.05mm。

圖3-7 滾珠導柱模架彈壓卸料導板式精沖孔模

1—小導套 2—小導柱 3—小壓板 4—卸料板 5—定位板 6—側壓塊 7—片簧 8—凹模 9—定位板 10—凸模 11、12—凸模 13—螺釘 14—沖擊塊

眾所周知，沖壓制孔與切削鉆孔相比，最大優勢在于效率高。但普通沖孔的孔壁遠不如鉆孔光潔。精沖小孔可以提高沖孔質量，使孔壁的表面粗糙度值Ra<1.6μm，達到鉆孔的水平。圖3-7所示的精沖孔模具有這種工藝功能，可以實施精沖小孔。

該沖模的結構設計采用了較完善的高精度導向結構。

1）采用了滾動導向中間導柱滾珠導柱模架。按JB/T 8050—2008《沖模模架技術條件》的規定，該模架的導柱與匹配的滾珠導套采用0.01～0.02mm的過盈配合，故該模架可以對其模芯實施接近零誤差的導向。

2）在下模座上安裝兩只小導柱，穿過凹模板、定位板、卸料板并與裝在凸模固定板上、外套彈簧的長導套匹配，構成“三板”同柱，即凹模板、定位板、卸料板并延伸至凸模固定板，由“三板”同柱擴展為多板同柱，確保上、下模芯具有更好的同軸度，對凸模有更高精度的導向。

3）上、下模座的模芯安裝在兩模座相對平面上，依標準規定兩者平行度，按模座大小有0.012mm～0.15mm的偏差，安裝兩組小導柱使模芯上、下模多板同柱，而使其不影響模具上、下模精確導向。

4）采用超短沖孔凸模，并將其裝在強力彈壓卸料板內的專用壓板組件內，用專門沖擊塊沖擊壓板，使凸模沖出卸料板后沖孔。凸模很短，剛度極好，承載后不會縱彎折斷；由一雙小導柱導向，凸模不僅能精確對準凹模，還能保持均勻沖孔間隙。

該沖模采用的沖孔間隙C≤0.01mm。精沖孔的間隙與沖孔材料及其厚度無關，一般均采用微間隙0.01mm以下，以獲取更高沖孔質量。

由于直線度、平面度對于平板沖裁件是一個關鍵技術指數，尤其在儀器儀表、復印機、照相機及電影放映機、鐘表等精密機械制造行業，不少重要平板沖裁零件用作機芯與表芯底板、基準板、標準孔板、支承板、側板、面板、表盤、支架、連接板、支座、分度與標識板等關鍵結構零件，由于平面度達不到要求，而必須增加平板甚至點牙校平工序。

有一些復雜形狀的立體成形沖壓零件，多個沖壓零件連接或鉚合，甚至焊接的結構組件、部件，為了保證分序多模沖壓成形的工件質量，確保多件組合部件的幾何精度，這些沖壓零件的展開平毛坯，盡管在其沖壓零件圖上未予標注，從轉序、沖壓工藝及沖模結構設計的需要考慮，都對平板沖裁件或毛坯，提出較高的直線度與平面度要求，以防止由于展開平毛坯扭曲、凸凹不平，局部拱彎，影響后續拉深、彎曲等各種成形作業的質量，降低多件組合部件的技術要求。因此，不少要求高的拉深件、多向彎曲件、翻邊及扭轉成形件以及連接組件，不得不在后續再加工之前，增加校平或校形工序。

對于沖壓零件未注明的、工序間半成品應該達到的、連續沖壓相關中間工步工件必須具有的直線度、平面度，通常可按GB/T 13916—2002《沖壓件形狀和位置未注公差》的規定選取，見表3-1。

表3-1 沖壓件直線度、平面度未注公差 （單位：mm）

①按沖裁件較大尺寸L、D、H作為主參數。

平板沖裁件的平面度、直線度公差大小與以下諸因素有關：

（1）沖裁件的材料種類及其抗拉強度。非鐵金屬材料比鋼鐵材料沖裁件平面度與直線度要好；材料越硬，抗拉強度越大，其沖裁件平面度與直線度越差，尤其彈性大的彈簧鋼、硬度與強度都很高的高碳高合金鋼板料沖裁件，直線度與平面度公差都較大，一般都要增加校平工序。

（2）沖裁件尺寸及其料厚t對其直線度與平面度影響顯著。相同料厚t的沖裁件，平面尺寸越大，直線度與平面度逐漸變差；平面尺寸L×B相等或接近的平板沖裁件，料厚t越小，直線度與平面度越差。0.1mm≤t＜1mm的薄料沖裁件尤為明顯，而料厚t＞3mm的中厚板差別不顯著，t＞4.75mm的厚板沖裁件則差別甚微。

（3）沖裁模結構影響沖裁件的直線度與平面度。相同沖裁件，用無卸料裝置敞開式沖裁模沖制，直線度與平面度最差；用固定卸料結構沖模沖裁，其直線度和平面度很差。通常情況下，這兩種結構沖模沖制的成品沖裁件，大多都要通過校平工序，提高其直線度和平面度，再轉序加工或入庫備用。而用具有彈壓卸料板結構和彈壓卸料與彈壓反頂出件結構沖裁模沖制的沖裁件，其直線度和平面度都好和很好。

具有彈壓卸料板的沖裁模都是在壓平材料后沖裁；具有彈壓卸料板及彈壓反頂出件結構的沖模，則是在上下相向夾緊板料后沖裁，并在落料后隨凸模回程，彈壓卸料緩緩卸載的同時，逐步從凹模洞口反向頂出工件。故這兩種結構的沖模，沖制的平板沖裁件直線度和平面度分別為好及很好。特別是后一種，薄料、大尺寸沖裁件效果最佳，優先推薦采用。

（4）沖裁模刃口類型對平板沖裁件的直線度、平面度的影響是決定性的。上述各點都指普通常用的平刃口沖裁。一旦采用斜刃口、波浪形刃口，沖裁件一般都要產生較大的翹起、扭曲，不經校平無法使用。

除上述影響平板沖裁件直線度與平面度因素外，還有沖模壓料力的大小、材料厚度的“同板差”及表面質量等影響因素，尤其壓料力的大小影響較大，但可以隨時調整，故不是不可變的決定性因素。

實例3、4

薄料、大尺寸平板沖裁件，平面度、直線度要求較高的平板沖裁件以及立體成形件展開毛坯，采用彈壓卸料板、直壁凹模刃口，落料件從凹模中反向頂出，模上出件結構的單工序導柱模架沖裁模，便可獲得具有良好直線度與平面度的平板落料件。

對于尺寸較大的模具工作零件以及刃口形狀小而復雜的凹模與凸模，為了節省模具鋼或方便制造與修理，經常采用鑲拼結構。圖3-8所示凹模即采用了鑲拼結構。

圖3-9所示沖裁件料厚t=2mm，采用彈壓卸料板及彈頂模上出件結構沖裁模，主要考慮以下幾點：

1）沖裁件材料為2A02鋁板，較軟。沖裁件有兩個支臂長×寬為10mm×13.7mm，并有4個深3.5mm、寬2.4mm的凹口，而沖裁件的長×寬=49.4mm×36mm，面積較大，沖裁過程中易變形。

2）沖裁件尺寸精度要求較高，開口16^+0.24₀mm、4個小凹口2.4^+0.12₀mm，整體寬36⁰_-0.62mm。沖裁材料軟，沖裁件剛度差，不壓料沖裁和彈頂出件，易變形，難以保證尺寸精度。

3）采用直壁凹模刃口、彈頂模上出件，可以確保沖裁件具有良好的直線度和平面度，沖裁工件不會變形。

圖3-8 中間導柱模架彈壓卸料彈頂出件的落料模

1—下模座 2—凹模座 3、5、18—銷釘 4—凹模拼塊 6—頂桿 7—頂板 8、22—導柱 9、21—導套 10—卸料板 11—擋銷 12—卸料螺釘 13—凸模 14—凸模固定板 15—墊板 16—上模座 17—模柄 19、20—螺釘

有導向的單工序沖裁模通常在以下場合使用：

1）沖裁件尺寸精度較高，一般高于IT12，可達到IT10，甚至更高一些。

2）沖裁件料厚t一般不限，但目前可以達到的工藝水平如下：

①薄料、超薄料沖裁t為0.05～＜0.5mm，t_min≤0.01mm。

②厚料、超厚料沖裁t＞4.75～16mm，t_max≤25mm，沖孔t_max≥35mm。

③較常用的沖裁料厚t≤3mm，更多的料厚t為0.5～2mm。

3）適用沖壓零件的生產性質為成批、大批大量及常年大量生產。

4）對沖裁件沖切面質量、毛刺及平面度有一定要求。

5）對沖裁件尺寸的限制如下：

①使用標準模架，推薦最大沖裁件凹模尺寸：L_max×B_max≤630mm×500mm。

②沖制最小圓孔直徑，d_min=（0.5～0.6）t，推薦d_min≥t。

③最大沖裁料厚t_max=12～16mm，推薦t_max≤10mm，t>10mm時采用熱沖裁。

圖3-9 中間導柱模架彈壓卸料彈頂出件的落料模

1—下模座 2—頂桿 3—小凹口沖孔凸模固定板 4、20—導柱 5、12、15—銷釘 6—凹模 7、18—導套 8—卸料板 9—擋料銷 10—凸模固定板 11—凸模 13、16、23—螺釘 14—模柄 17—上墊板 19—上模座 21—頂板 22—凸模 24—下墊板

④確定壓力機最大許用沖裁料厚t_max。

許用最大沖裁料厚t_max，取決于沖壓設備的類型及其公稱壓力，對于通用、普通標準的機械壓力機，其許用最大沖裁料厚t_max（mm），推薦按下述公式計算：

單次行程，間斷沖裁時：

連續行程，不間斷（連閘開機）沖裁時：

式（3-1）、式（3-2）中，F_公稱為具有標準行程的普通標準機械壓力機的公稱壓力（kN）。

6）精沖小孔、高精度群孔、深孔及超深孔沖制：沖孔直徑d為0.4～<3mm小孔；沖孔直徑d為0.3t～＜t深孔。

7）光潔沖裁沖切面光潔平直，表面粗糙度Ra≤0.8μm。

8）拉深件用高精度與高質量的垂直切邊模、水平切邊模及剖切模（推薦的），拉深件直徑d≤250mm；異形拉深件尺寸：長×寬=L×B=250mm×200mm。