1.1　沖裁模具的設計從哪開始

在沖裁模具設計中有個非常重要的零件與產品相同或相似,這個零件叫作凸模、凹模,所以要先設計出凸模、凹模。但僅僅有凸模、凹模不行,還需要有定位零件、卸料與出件零件、導向零件、支承與固定零件等等,才能確保模具保質保量地加工出所需的產品。所以模具的設計從凸模、凹模刃口尺寸的計算開始。

1.1.1　沖裁模具凸、凹模刃口尺寸的計算

(1)沖裁件的質量

沖裁變形過程經過彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段。最后沖裁件由凸模和凹模相互擠壓,使落料件擠進凹模、沖孔件擠在凸模上,最后產生裂紋分離開,如圖1?1所示。

沖裁件的質量包括沖裁件的斷面狀況[如圖1?2(a)所示]、尺寸精度和形狀誤差的要求。尺寸精度和形狀誤差基本與機械加工零件一樣,但其斷面如圖1?2(b)所示,不如機械加工零件那樣有棱有角、表面可以做到光潔。而且沖裁件由于沖裁變形過程形成的斷面明顯呈現出四個特征區,即圓角、光亮帶、斷裂帶和毛刺。

(2)影響沖裁件斷面特征的因素

① 板料的性能對斷面質量的影響　塑性好的板料,沖裁時由于裂紋出現得較遲,板料被剪切擠壓的深度較大,因而光亮帶所占比例大,斷裂帶較小,但圓角、毛刺也較大;而塑性差的板料,斷裂傾向嚴重,裂紋出現得較早,使得光亮帶所占比例小,斷裂帶較大,但圓角和毛刺都較小。

② 沖裁間隙對斷面質量的影響

a.當間隙合理時,如圖1?3(a)所示,凸模刃口處的裂紋相對凹模刃口處的裂紋重合,光亮帶較大,斷裂帶較小,且圓角、毛刺也較小,斷面質量理想,如圖1?3(b)所示。

b.當間隙過小時,如圖1?4(a)所示,凸模刃口處的裂紋相對凹模刃口處的裂紋向外錯開,上、下裂紋不重合,板料在上、下裂紋相距最近的地方將發生第二次剪裂,上裂紋表面壓入凹模時受到凹模壁的壓擠產生第二光亮帶或斷續的小光亮塊,斷面質量不理想,如圖1?4(b)所示。而且第二光亮帶隱藏裂紋,如圖1?4(c)所示,使用一段時間第二光亮帶脫落后會與圖1?5(b)相似。

c.當間隙過大時,如圖1?5(a)所示,凸模刃口處的裂紋相對凹模刃口處的裂紋向內錯開,上、下裂紋不重合,塑性變形階段較早結束,致使斷面光亮帶減小,斷裂帶增大,且圓角、毛刺也較大,斷面質量不理想,如圖1?5(b)所示。

d.間隙不均勻時,實際使用中,因安裝調整等原因使得凸模與凹模間隙不均勻,沖裁件斷面狀況如圖1?6所示,光亮帶不均勻。

(3)沖裁模具凸模、凹模合理間隙的選擇

沖裁間隙是影響沖裁件斷面質量的主要因素,沖裁間隙還影響著模具壽命、沖裁力(包括卸料力、頂件力、推件力)、沖裁件的尺寸精度,因此沖裁間隙是沖裁模具設計中一個非常重要的工藝參數。

① 凸模與凹模之間的間隙　凸模與凹模間每側的間隙稱為單面間隙,用Z/2表示;兩側間隙之和稱為雙面間隙,用Z表示?。

沖裁間隙的數值等于凸、凹模刃口尺寸的差值,如圖1?7所示,即

Z=D_d-d_p(1?1)

式中　D_d——凹模刃口尺寸;

　　d_p——凸模刃口尺寸。

② 間隙對沖裁力的影響　如圖1?8所示,間隙很小時,因板料的擠壓和摩擦作用增強,沖裁力必然較大。

③ 間隙對模具壽命的影響　在沖裁過程中,板料對模具作用力主要集中在凸、凹模刃口部分。如果間隙小,垂直沖裁力和側向擠壓力將增大(見圖1?8),摩擦力也增大,所以小間隙將使凸、凹模刃口磨損加劇。小間隙因落料件堵塞在凹模洞口的脹力較大,容易產生凹模脹裂。小間隙還易產生小凸模折斷等異常現象。

④ 沖裁間隙值的確定　沖裁間隙對沖裁件質量、沖壓力、模具壽命等都有很大的影響,但由于影響的規律各有不同。因此,并不存在一個絕對合理的間隙值,能同時滿足沖裁件斷面質量最佳、尺寸精度最高、沖模壽命最長、沖壓力最小等各方面的要求。在沖壓實際生產中,為了獲得合格的沖裁件?、較小的沖壓力和保證模具有一定的壽命,給間隙值規定一個范圍,這個間隙值范圍就稱為合理間隙,這個范圍的最小值稱為最小合理間隙(Z_min),最大值稱為最大合理間隙(Z_max)。考慮到沖模在使用過程中會逐漸磨損,間隙會增大,故在設計和制造新模具時,應采用最小合理間隙。

目前沒有一個完全準確的間隙,既能保證沖裁件斷面理想,又能使沖裁力小、模具壽命高來供設計者選擇,因此合理間隙只能選擇一個范圍。

(4)確定合理間隙的方法

① 理論確定法　理論確定法的主要依據是保證凸、凹模刃口處產生的上?、下裂紋相互重合,以便獲得良好的斷面質量。圖1?9所示為沖裁過程中開始產生裂紋的瞬時狀態,根據圖中的幾何關系,可得合理間隙Z的計算公式為:

Z=2t(1-h₀/t)tanβ(1?2)

式中　t——板料厚度;

　　h₀——產生裂紋時凸模擠入材料的深度;

　　h₀/t——產生裂紋時凸模擠入材料的相對深度;

　　β——剪裂紋與垂線間的夾角。

由式(1?2)可以看出,合理間隙與板料厚度t、相對擠入深度h₀/t及裂紋角β有關,而h₀/t與β又與板料性質有關,見表1?1。

理論計算法在生產中使用不方便,主要用來分析間隙與上述幾個因素之間的關系。因此,實際生產中廣泛采用查表法來確定間隙值。

② 查表法　按材料的性能和厚度來選擇沖裁間隙。尺寸精度和斷面質量要求較高的沖裁件選擇表1?2,要求不高的沖裁件選擇表1?3。

　

(5)凸、凹模刃口尺寸計算的原則

在沖裁變形過程中,凸模將分離的板料推入凹模洞口,如圖1?10所示,落料件和沖孔件的區別在于所需要的產品形狀,落料件如圖1?10(a)的光面是因凹模刃口擠切材料產生的,而沖孔件如圖1?10(b)的光面是凸模刃口擠切材料產生的。在沖裁件尺寸的測量和使用中,都是以光面的尺寸為基準。

所以,在計算刃口尺寸時,應按落料和沖孔兩種情況分別考慮,其原則如下:

① 落料時　因落料件光面尺寸與凹模刃口尺寸相等或基本一致,應先確定凹模刃口尺寸,落料凸模的基本尺寸則是在凹模基本尺寸上減去最小合理間隙?。

② 沖孔時　因孔的光面尺寸與凸模刃口尺寸相等或基本一致,應先確定凸模刃口尺寸,沖孔凹模的基本尺寸則是在凸模基本尺寸上加上最小合理間隙。

③ 凸、凹模刃口的制造公差　應根據沖裁件的尺寸公差和凸、凹模加工方法確定,既要保證沖裁間隙要求和沖出合格零件,又要便于模具加工。

(6)凸模、凹模刃口尺寸的計算

① 經驗確定法　如圖1?11所示圓墊,材料為10鋼,厚度t=2mm。對凸凹模刃口尺寸(見圖1?12)如何確定進行分析。

a.圓墊屬于落料件,應先確定凹模刃口尺寸D_d,沖裁件合格尺寸范圍29.8~30mm。10鋼含碳量w_c=0.10%,屬于軟鋼,查表1?2得,Z_min=0.12mm,Z_max=0.16mm。凸模與凹模刃口的制造公差之和=Z_max-Z_min=0.16-0.12=0.04mm。凸模相對容易加工,凸模的制造公差為0.016mm,凹模刃口的制造公差為0.024mm。

b.取沖裁件最大尺寸,則凹模刃口尺寸D_d為30mm,剛開始沖裁時,得到的沖裁件也符合要求,但是凹模刃口與沖裁件有摩擦,沖裁一段時間,凹模刃口尺寸D_d由于磨損而變大,再生產的沖裁件就不合格了。

c.取沖裁件最小尺寸,則凹模刃口尺寸D_d為29.8mm,凹模刃口尺寸D磨損量有0.2mm,可滿足使用要求,但距公稱尺寸30mm,沖出的件顯得有些小了。

d.取沖裁件平均尺寸,則凹模刃口尺寸D_d為29.9mm,凹模刃口尺寸D_d磨損量有0.1mm,可滿足使用要求,凹模刃口尺寸D_d的制造公差上偏差為+0.024mm,下偏差為0mm,如果凹模刃口尺寸D_d加工成上偏差為29.924mm,生產的沖裁件也是合格的,磨損量也有0.076mm。滿足生產要求。

落料凸模刃口D_p=29.9-0.12=29.78mm,制造公差上偏差為0mm,下偏差為-0.016mm。

由于圖1?11所示圓形沖裁件比較簡單,用以上經驗分析可以確定凸凹模刃口尺寸,但如果沖裁件比較復雜,還要考慮凹模刃口尺寸沖裁過程的磨損、加工過程中的制造公差,凸凹模之間的合理間隙,以及沖裁件的制造公差,因此總結出了以下兩種凸凹模刃口尺寸計算方法和計算公式。

② 凸模、凹模刃口尺寸的計算法

a.凸、凹模分別加工時的計算方法。凸、凹模分別加工是指凸模與凹模分別按各自圖樣上標注的尺寸及公差進行加工,沖裁間隙由凸、凹模刃口尺寸及公差保證。這種方法要求凸模和凹模的刃口尺寸都要計算出來并標注公差。

設落料件外形尺寸為,沖孔件內孔尺寸為,根據刃口尺寸計算原則,可得如下。

落料。應先確定凹模刃口尺寸D_d,落料凸模刃口尺寸D_p則是在凹模刃口尺寸D_d上減去最小合理間隙。

D_d=(D_max-xΔ(1?3)

D_p=(D_d-Z_min
　　=(D_max-xΔ-Z_min(1?4)

沖孔。應先確定凸模刃口尺寸d_p,沖孔凹模刃口尺寸d_d則是在凸模基本尺寸上加上最小合理間隙。

d_p=(d_min+xΔ(1?5)

d_d=(d_p+Z_min
　　=(d_min+xΔ+Z_min(1?6)

式中　D_d,D_p——落料凹、凸模刃口尺寸,mm;

　　d_p,d_d——沖孔凸、凹模刃口尺寸,mm;

　　D_max——落料件的最大極限尺寸,mm;

　　d_min——沖孔件孔的最小極限尺寸,mm;

　　Δ——沖裁件的制造公差(若沖裁件為自由尺寸,可按IT12~IT14級精度處理),mm;

　　Z_min——最小合理間隙,mm;

　　δ_p,δ_d——凸、凹模制造公差mm,按“入體”原則標注,即凸模為軸類按單向負偏差標注,凹模為孔類按單向正偏差標注;

　　x——磨損系數,x值在0.5~1之間,它與沖裁件精度有關,可查表1?4或按下列關系選取:

沖裁件精度為IT10以上時,x=1;

沖裁件精度為IT11~IT13時,x=0.75;

沖裁件精度為IT14以下時,x=0.5。

根據上述計算公式,可以將沖裁件與凸、凹模刃口尺寸及公差的分布狀態用圖1?13表示。從圖中還可以看出,無論是沖孔還是落料,為了保證間隙值,凸、凹模的制造公差相加之和必須滿足下列條件:

δ_p+δ_d≤Z_max-Z_min(1?7)

可以取δ_p=0.4(Z_max-Z_min),δ_d=0.6(Z_max-Z_min),也可以各分配50%,即δ_p=0.5(Z_max-Z_min),δ_d=0.5(Z_max-Z_min)。

當在同一工步沖出沖裁件上兩個以上孔時,因凹模磨損后孔距尺寸不變,故凹模型孔的中心距可按(1?8)式確定:

L_d=(L_min+0.5Δ)±Δ/8(1?8)

式中　L_d——凹模型孔中心距,mm;

　　L_min——沖裁件孔心距的最小極限尺寸,mm;

　　Δ——沖裁件孔心距公差,mm 。

當沖件上有位置公差要求的孔時,凹模上型孔的位置公差一般可取沖裁件位置公差的1/3~1/5 。

b.凸、凹模配作加工時的計算方法。凸、凹模配作加工是指先按圖樣設計尺寸加工好凸模或凹模中的一件作為基準件(一般落料時以凹模為基準件,沖孔時以凸模為基準件),然后根據基準件的實際尺寸按間隙要求配作另一件。采用凸、凹模配作法加工時,只需計算基準件的刃口尺寸及公差,并詳細標注在設計圖樣上。而另一非基準件不需計算,且設計圖樣上只標注基本尺寸(與基準件基本尺寸對應一致),不注公差,但要在技術要求中注明:“凸(凹)模刃口尺寸按凹(凸)模實際刃口尺寸配作,保證雙面間隙值為Z_min~Z_max”。

根據沖裁件的結構形狀不同,刃口尺寸的計算方法如下:

落料。落料時以凹模為基準,配作凸模。設落料件的形狀與尺寸如圖1?14(a)所示,圖1?14(b)為落料凹模刃口的輪廓圖,圖中虛線表示凹模磨損后尺寸的變化情況。

從圖1?14(b)可看出,凹模磨損后刃口尺寸的變化有增大、減小和不變三種情況,故凹模刃口尺寸也應分三種情況進行計算:凹模磨損后變大的尺寸(如圖中A類尺寸),按一般落料凹模尺寸公式計算;凹模磨損后變小的尺寸(如圖中B類尺寸),因它在凹模上相當于沖孔凸模尺寸,故按一般沖孔凸模尺寸公式計算;凹模磨損后不變的尺寸(如圖中C類尺寸),可按凹模型孔中心距尺寸公式計算。具體計算公式見表1?5。

沖孔。沖孔時以凸模為基準,配作凹模。設沖件孔的形狀與尺寸如圖1?15(a)所示,圖1?15(b)為沖孔凸模刃口的輪廓圖,圖中虛線表示凸模磨損后尺寸的變化情況。

　　

從圖1?15(b)中看出,沖孔凸模刃口尺寸的計算同樣要考慮三種不同的磨損情況:凸模磨損后變大的尺寸(如圖中a類尺寸),因它在凸模上相當于落料凹模尺寸,故按一般落料凹模尺寸公式計算;凸模磨損后變小的尺寸(如圖中b類尺寸),按一般沖孔凸模尺寸公式計算;凸模磨損后不變的尺寸?(如圖中c類尺寸)仍按凹模型孔中心距尺寸公式計算。具體計算公式見表1?6。

　　

1.1.2　沖裁模具的設計基準的選擇

(1)模具凸模、凹模刃口尺寸計算方法的選用舉例

例如:圓墊如圖1?11所示,計算模具凸模、凹模刃口尺寸。

① 用分開加工法計算模具凸模、凹模刃口尺寸。

圓墊屬于落料件,凹模磨損后變大的尺寸,則由式(1?3)得:

D_d=(D_max-xΔ

D_p=(D_d-Z_min

查表1?3得,x=0.5。

由式(1?7)得,δ_p=0.5(Z_max-Z_min),δ_d=0.5(Z_max-Z_min)。

將已知和查表的數據代入公式,即得

D_d=(30-0.5×0.2=29.mm

D_p=(29.9-0.12=29.7mm

與經驗確定法的結果基本一致。

② 用配作加工法計算模具凸模、凹模刃口尺寸。

圓墊屬于落料件,凹模磨損后變大的尺寸,則表1?4得:

A_d=(A_max-xΔ

查表1?3得,x=0.75。

將已知和查表的數據代入公式,即得

A_d=(30-0.5×0.2=29.

落料凸模刃口尺寸按凹模實際刃口尺寸配作,保證雙面間隙值0.12~0.16mm。

③ 凸凹模刃口尺寸計算方法比較分析。

a.根據沖裁件的最大最小尺寸來確定凸凹模刃口尺寸和制造公差,可行而且簡單,但是涉及到沖裁件的安裝、配合部位的尺寸,需要和沖裁件的設計者協商確定。

b.分別加工法計算中,本來沖裁件精度不高,其制造公差Δ在0.2mm以上,但卻要求凸或凹模的制造公差在0.02mm以內,并且用凸、凹模的制造公差保證凸、凹模的沖裁間隙,即δ_d+δ_p≤Z_max-Z_min。如果凸模或凹模的制造公差稍大些,就會使凸、凹模的沖裁間隙或大于最大合理間隙Z_max或小于最小合理間隙Z_min。優點是互換性好,便于成批制造,適用于圓形、矩形等簡單形狀的沖裁件。

c.配作加工法中的凸模或凹模的制造公差為0.05mm比分別加工法的0.02mm放大了很多。配作加工是先加工一個件,通過測量已加工好件的尺寸再配另一個件,沖裁間隙由配作保證,工藝比較簡單,制造相對容易。缺點是互換性不好,適用于沖裁薄板件(因其Z_max-Z_min很小)和復雜形狀件的沖模加工。

由于機床的加工精度越來越高,分別加工法要求凸、凹模的制造公差較小也不成問題,在實際生產中采用哪種方法還要看具體實際情況。

(2)模具的設計基準的選擇

如圖1?16所示,沖裁模具設計基準選擇在凸模、凹模刃口尺寸確定后,以凸模、凹模刃口尺寸為設計基準。往上是凸模的安裝和固定,以及凸模上卸料、上模與壓力機滑塊的安裝等結構設計;往下是凹模的安裝和固定、下模與壓力機工作臺的安裝等結構設計;往左、往右是導柱和導套、固定螺栓、卸料螺栓、銷釘的結構設計。