1.2　怎樣選擇模具結構

1.2.1　排樣設計

排樣是指沖裁件在條料、帶料或板料上的布置方法。排樣設計是決定著模具結構的一個很重要的因素,也影響著材料利用率、沖裁件質量、生產效率、模具壽命等。因此在模具設計之前都要在圖紙或CAD圖上進行排樣。

(1)材料利用率

沖裁件的實際面積與所用板料面積的百分比稱為材料利用率,它是衡量材料合理利用的一項重要經(jīng)濟指標。

一個進距內的材料利用率η為(見圖1?17):

η=A/Bs(1?9)

式中　A——一個進距內沖裁件的實際面積,mm²;

　　B——條料寬度,mm;

　　s——進距(沖裁時條料在模具上每次送進的距離,其值為兩個對應沖件間對應點的間距),mm。

(2)搭邊與條料寬度的確定

① 搭邊　搭邊是指排樣時沖件之間以及沖件與條料邊緣之間留下的工藝廢料。搭邊雖然是廢料,但在沖裁過程中作用很大:

a.補償定位誤差和送料誤差,保證沖裁出合格的零件。

b.增加條料剛度,方便條料送進,提高生產效率。

c.避免沖裁時條料邊緣的毛刺被拉入模具間隙,提高模具壽命。

② 搭邊值選擇　搭邊值過大時,材料利用率低;搭邊值過小時,達不到在沖裁工藝中的作用。在實際確定搭邊值時,主要考慮以下因素:

a.材料的機械性能。軟材料、脆材料的搭邊值取大一些,硬材料的搭邊值可取小一些。

b.沖裁件的形狀與尺寸。沖件的形狀復雜或尺寸較大時,搭邊值取大些。

c.材料的厚度。厚材料的搭邊值要取大一些。

d.送料及擋料方式。用手工送料,且有側壓裝置的搭邊值可以小一些,用側刃定距可比用擋料銷定距的搭邊值小一些。

e.卸料方式。彈性卸料比剛性卸料的搭邊值要小一些。

搭邊值一般由經(jīng)驗確定,表1?7為搭邊值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表之一,供設計時參考。

③ 條料寬度與導料板間距　條料的寬度要保證沖裁時沖件周邊有足夠的搭邊值,導料板間距應使條料能在沖裁時順利地在導料板之間送進,并與條料之間有一定的間隙。因此條料寬度與導料板間距和沖模的送料定位方式有關,應根據(jù)不同結構分別進行計算。

a.用導料板導向且有側壓裝置時見圖1?18(a)。在側壓裝置作用下緊靠導料板的一側送進的,計算公式:

條料寬度=(D_max+2a(1?10)

導料板間距離B₀=B+z=D_max+2a+z(1?11)

式中　D_max——條料寬度方向沖件的最大尺寸;

　　a——側搭邊值,可參考表1?7 ;

　　Δ——條料寬度的單向(負向)偏差,見表1?8;

　　z——導料板與最寬條料之間的間隙,其值見表1?9。

此種情況也適應于用導料銷導向的沖模,這時條料是由人工緊靠導料銷一側送進的。

b.用導料板導向且無側壓裝置時見圖1?18(b)。無側壓裝置時,應考慮在送料過程中因條料在導料板之間擺動而使側面搭邊值減小的情況,為了補償側面搭邊的減小,條料寬度應增加一個條料可能的擺動量(其值為條料與導料板之間的間隙z),計算公式:

條料寬度=(D_max+2a+z(1?12)

導料板間距離B₀=B+z =D_max+2a+2z(1?13)

c.用側刃定距時見圖1?18(c)。當條料用側刃定距時,條料寬度必須增加側刃切去的部分,計算公式:

條料寬度=(D_max+2a +nb₁(1?14)

導料板間距離B'=B+z=D_max+2a+nb₁+z(1?15)

B'₁=D_max+2a+y(1?16)

式中　D_max——條料寬度方向沖件的最大尺寸;

　　A——側搭邊值;

　　b₁——側刃沖切的料邊寬度,見表1?10;

　　n——側刃數(shù);

　　z——沖切前的條料與導料板間的間隙,見表1?9;

　　y——沖切后的條料與導料板間的間隙,見表1?10。

(3)排樣圖

排樣圖是排樣設計最終的表達形式,通常應繪制在沖壓工藝規(guī)程的相應卡片上和沖裁模總裝圖的右上角。排樣圖的內容應反映出排樣方法、沖裁件的沖裁方式、用側刃定距時側刃的形狀與位置、材料利用率等。

繪制排樣圖時應注意以下幾點:

① 排樣圖上應標注條料寬度、條料長度L、板料厚度t、端距l、進距s、沖件間搭邊a₁和側搭邊a值、側刃定距時側刃的位置及截面尺寸等,如圖1?19所示。

② 用剖切線表示出沖裁工位上的工序件形狀(也即凸模或凹模的截面形狀),以便能從排樣圖上看出是單工序沖裁見圖1?19(a)還是復合沖裁見圖1?19(b)或級進沖裁見圖1? 19(c)。

③ 采用斜排時,應注明傾斜角度的大小。必要時,還可用雙點畫線畫出送料時定位元件的位置。對有纖維方向要求的排樣圖,應用箭頭表示條料的紋向。

1.2.2　壓力中心的計算

(1)沖壓力的計算

在沖裁過程中,沖壓力是指沖裁力、卸料力、推件力和頂件力的總稱。沖壓力是選擇壓力機、設計沖裁模和校核模具強度的重要依據(jù)。

① 沖裁力　沖裁力是沖裁時凸模沖穿板料所需的壓力。影響沖裁力的主要因素是材料的力學性能、厚度、沖裁件輪廓周長及沖裁間隙、刃口鋒利程度與表面粗糙度等。綜合考慮上述影響因素,平刃口模具的沖裁力可按下式計算:

F=KLtτ_b(1?17)

式中　F——沖裁力,N;

　　L——沖裁件周邊長度,mm;

　　T——材料厚度,mm;

　　τ_b——材料抗剪強度,MPa;

　　K——考慮模具間隙的不均勻、刃口的磨損、材料力學性能與厚度的波動等因素引入的修正系數(shù),一般取K=1.3。

對于同一種材料,其抗拉強度與抗剪強度的關系為σ_b≈1.3τ_b,因此沖裁力也可按式(1?18)計算:

F=Ltσ_b(1?18)

② 卸料力、推件力與頂件力的計算　當沖裁結束時,從板料上沖裁下的沖件或廢料會堵塞在凹模孔口內,而沖裁剩下的板料則會緊箍在凸模上,沖件或廢料取出的力很大,無法依靠人工完成,需要依靠模具將箍在凸模上和堵在凹模內的沖件或廢料卸下或推出。卸料力、推件力與頂件力如圖1?20所示。

a.從凸模上卸下箍著的沖件或廢料所需要的力稱為卸料力,用F_X表示;

b.將堵在凹模內的沖件或廢料順著沖裁方向推出所需要的力稱為推件力,用F_T表示;

c.逆著沖裁方向將沖件或廢料從凹模內頂出所需要的力稱為頂件力,用F_D表示。

影響卸料力、推件力與頂件力的因素較多,主要有材料的力學性能與厚度、沖件形狀與尺寸、沖模間隙與凹模孔口結構、排樣的搭邊大小及潤滑情況等。在實際計算時,常用下列經(jīng)驗公式:

F_X=K_XF(1?19)

F_T=nK_TF(1?20)

F_D=K_DF(1?21)

式中　K_X、K_T、K_D——分別為卸料力系數(shù)、推件力系數(shù)和頂件力系數(shù),其值見表1?11;

　　F——沖裁力,N;

　　n——同時堵在凹模孔內的沖件(或廢料)數(shù),n=h/t(h為凹模孔口的直刃壁高度,t為材料厚度,當n有小數(shù)時,小數(shù)部分按1個沖件或廢料數(shù)計算)。

③ 壓力機標稱壓力的確定　對于沖裁工序,壓力機的標稱壓力應大于或等于沖裁時總沖壓力的1.1~1.3倍,即

P≥(1.1~1.3)F_∑(1?22)

式中　P——壓力機的標稱壓力;

　　F_∑——沖裁時的總沖壓力。

沖裁時,總沖壓力為沖裁力和與沖裁力同時發(fā)生的卸料力、推件力或頂件力之和。模具結構不同,總沖壓力所包含的力的成分有所不同,具體可分以下情況計算:

采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖模時

F_∑=F+F_X+F_T(1?23)

采用彈性卸料裝置和上出料方式的沖模時

F_∑=F+F_X+F_D(1?24)

采用剛性卸料裝置和下出料方式的沖模時

F_∑=F+F_T(1?25)

(2)壓力中心的計算

為了保證沖壓模具正常平穩(wěn)地工作,一般要求沖裁模的壓力中心與壓力機滑塊中心重合,否則沖裁過程中,壓力機滑塊和沖模將會承受偏心載荷,使滑塊導軌和沖模導向部分產生不正常磨損,合理間隙得不到保證,刃口迅速變鈍,從而降低沖件質量和模具壽命甚至損壞模具。

對于簡單沖裁件采用單工序模具和復合模,一般容易保證沖裁模的壓力中心與壓力機滑塊中心重合,不必計算壓力中心。但對于復雜形狀件和級進模具,在設計模具結構時,應計算出沖裁時的壓力中心,并使壓力中心與壓力機滑塊中心重軸心線重合。復雜形狀件和多凸模沖裁時的壓力中心計算坐標見圖1?21和圖1?22。

　　設圖形輪廓各線段(包括直線段和圓弧段)的沖裁力為F₁,F₂,F₃,…,F_n,各線段壓力中心至坐標軸的距離分別為x₁,x₂,x₃,…,x_n和y₁,y₂,y₃,…,y_n,則壓力中心坐標計算公式為:

x₀==(1?26)

y₀==(1?27)

由于線段的沖裁力與線段的長度成正比,所以可以用各線段的長度L₁,L₂,L₃,…,L_n代替各線段的沖裁力F₁,F₂,F₃,…,F_n,這時壓力中心坐標的計算公式為:

x₀==(1?28)

y₀==(1?29)

式中　F——單一圖形輪廓沖壓力;

　　L——單一圖形輪廓周長;

　　x_n——單一圖形的壓力中心到X坐標軸的距離;

　　y_n——單一圖形的壓力中心到Y坐標軸的距離。

1.2.3　沖裁模的典型結構

(1)單工序模

單工序沖裁模又稱簡單沖裁模,是指在壓力機的一次行程內只完成一種沖裁工序的模具,主要包括落料模、沖孔模、切斷模、切口模等。

① 剛性卸料板落料模　剛性卸料板落料模卸料原理是當凸模1進入凹模4,將板料3切斷,如圖1?23(a)所示。由于板料3緊緊包裹在凸模1上,當凸模1抬起,板料3會跟隨凸模1往上走,當板料3碰到剛性卸料板2時被卸下,如圖1?23(b)所示。

② 彈性卸料板落料模　彈性卸料板落料模如圖1?24(a)所示。該落料模采用了由卸料板15、卸料彈簧14及卸料螺釘10構成的彈性卸料裝置。卸料原理如圖1?24(b)所示,上模抬起,卸料螺釘10在卸料彈簧14作用下,移動5mm,卸料板15將凸模上的廢料卸下。該卸料裝置沖件的變形小,且尺寸精度和平面度較高。這種結構廣泛用于沖裁材料厚度較小,且有平面度要求的金屬件和易于分層的非金屬件。

(2)復合模

復合模是指在壓力機的一次行程中,在模具的同一個工位上,同時完成兩道或兩道以上不同沖裁工序的沖模。復合模在結構上的主要特征是有一個或者幾個具有雙重作用的工作零件——凸凹模,凸凹模往往是外形為凸模、內孔為凹模,沖裁時外面落料、里面沖孔同時進行,也可與彎曲、拉深工序組合,如外面拉深、里面沖孔等等。

圖1?25所示為落料沖孔復合模工作部分的結構原理圖,其中凸凹模5兼起落料凸模和沖孔凹模的作用,它與落料凹模3配合完成落料工序,與沖孔凸模1配合完成沖孔工序。在壓力機的一次行程內,在沖模的同一工位上,凸凹模既完成了落料又完成了沖孔的雙重任務。沖裁結束后,沖件卡在落料凹模內腔由推件塊2推出,條料箍在凸凹模上由卸料板4卸下,沖孔廢料卡在凸凹模內由沖孔凸模逐次推下。

根據(jù)凸凹模在模具中的裝配位置不同,凸凹模裝在上模的稱為正裝式復合模,凸凹模裝下模的稱為倒裝式復合模。

(3)級進模

級進模(又稱連續(xù)模)是指在壓力機的一次行程中,依次在同一模具的不同工位上同時完成多道工序的沖裁模。在級進模上,根據(jù)沖件的實際需要,將各工序沿送料方向按一定順序安排在模具的各工位上,通過級進沖壓便可獲得所需沖件。

圖1?26所示為橢圓形中間帶圓孔沖裁件,采用沖孔落料級進模。圖1?26(a)所示采用簡單擋料銷和導料銷對條料進行定位,其工作原理是沿條料送進方向的兩個工位上安排了沖孔凸模16和落料凸模4,沖孔和落料凹模型孔均開設在凹模18上。條料沿導料銷17從右往左送進時,第一步條料用擋料銷3定位,由沖孔凸模16和落料凸模4在第一工位和第二工位同時沖出圓形和橢圓形孔,第二步用橢圓形孔在擋料銷3定位,同時導正銷20導正,在第二工位沖出一個完整的沖件。這樣連續(xù)沖壓,在壓力機的一次行程中可在沖模兩個工位上分別進行沖孔和落料兩種不同的沖壓工序,且每次沖壓均可得到一個沖件。

采用擋料銷和料銷對條料定位的缺點是需要在第一工位和第二工位同時沖出圓形和橢圓形孔,從而使第二工位的沖裁件為廢料。因此可采用圖1?26(b)所示擋料銷和導料板,再加上始用擋料銷對條料進行定位,其工作原理是先用手壓住始用擋料銷,使始用擋料銷伸出導料板擋住條料,

沖出第一工位圓形,然后松開手后在彈簧作用下始用擋料銷縮進導料板內不起擋料作用,條料繼續(xù)往前由擋料銷3定位,在第二工位沖出橢圓形孔,保證第一個沖裁件為合格件,減少浪費,提高材料的利用率。

級進模不但可以完成沖裁工序,還可完成彎曲、拉深、脹形、翻邊、擠壓成形等,甚至可完成攻螺紋等工序。一般第一工位(沖定位工藝孔)和最后工位(零件分離)為沖裁工序,中間為其他沖壓工序,是一種多工序高效率沖模。

由于級進模在沖壓時,沖件是依次在幾個不同工位上逐步成形的,很重要的一點是不同工位容易產生誤差問題,因此要保證沖件的尺寸及內外形相對位置精度,模具結構上必須解決條料或帶料的準確送進與定距問題。根據(jù)級進模定位零件的特征,級進模有以下三種典型結構:

① 用擋料銷和導正銷、始用擋料銷定位的級進模　圖1?27所示,用固定擋料銷23和導正銷22、始用擋料銷26定位的沖孔落料級進模,上、下模通過導套5、導柱6導向,落料凸模4、沖孔凸模Ⅰ14、沖孔凸模Ⅱ18之間的中心距等于送料距離s(稱為進距或步距)。

為了保證首件沖裁時的正確定距,采用了始用擋料銷26。工作時,先用手按住始用擋料銷對條料進行初始定位,在第一工位沖孔凸模Ⅰ14在條料上沖出大孔(便于使用擋料銷定位),然后松開始用擋料銷,將條料在第一工位沖出大孔送至固定擋料銷23進行定位,第二工位沖孔凸模Ⅱ18在條料上沖出兩個小孔(同時第一工位沖出大孔)。進入到第三工位,上模下行時兩個活動導正銷21 和導正銷22先行導入條料上已沖出的中間大孔和兩個小孔進行精確定位,接而進行落料(同時第一工位沖出大孔、第二工位沖出兩個小孔)。以后各次沖裁時都由固定擋料銷23控制進距作粗定位,然后由兩個活動導正銷21 和導正銷22進行精確定位,每次行程即可沖下一個沖件并沖出三個內孔。

② 側刃定距的級進模　圖1?28所示為單側刃定距的沖孔落料級進模。側刃實際上就是一個凸模,在壓力機每次沖壓行程中,第一工位沿條料邊緣切下一塊長度等于步距22mm的邊料,通過的距離即等于步距22mm,實現(xiàn)“切一刀走一步”的側刃定距。第二工位沖孔,第三工位落料。與圖1?25所示模具結構比較,側刃定距優(yōu)點是定位準確,同步性好。缺點材料利用率相對降低。

采用側刃定距,一般適用于板料厚度較薄(一般為t<0.3mm)或材料較軟的板料沖裁,如果采用導正銷定位時,如圖1?29所示,導正銷有可能將導正工藝孔的邊緣壓豁,使條料失去導正精度。

③ 用導正銷和送料器的級進模　圖1?27所示沖裁件還可以用導正銷和送料器的級進模結構,如圖1?30所示。所不同的是排樣設計,第一工位先沖出兩個小孔,第二工位用這兩個小孔導正沖出大孔。用自動送料器25將條料送進模具,送料器25每次送料等于送料距離s,在第一工位沖孔凸模Ⅰ15在條料上沖出兩個小孔,在第二工位用兩個活動導正銷23 插入兩個小孔,導正后沖孔凸模Ⅱ19在條料上沖出大孔(同時第一工位沖孔沖出兩個小孔),進入到第三工位時,導正銷24先行導入條料上已沖出的中間大孔進行精確定位并落料(同時第一工位沖出兩個小孔、第二工位沖出大孔)。以后各次沖裁時每次行程即可沖下一個沖件并沖出三個內孔,而且廢料由切斷凸模5切斷,可實現(xiàn)連續(xù)高速沖壓。