1.3　怎樣選擇模具零件結構設計

1.3.1　工作零件設計

(1)凸模

凸模的基本結構均由是安裝部分、工作部分組成,對于細小凸模增加過渡部分增加強度,如圖1?31所示。

① 圓形凸模　刃口為圓形凸模的結構及固定如圖1?32所示。

　② 非圓形凸模　如圖1?33所示,刃口為非圓形凸模,為防止轉動,增設防止轉動螺栓、圓柱銷釘、平鍵等。

③ 沖小孔凸模　沖小孔是指孔徑d小于被沖板料的厚度或直徑d<1mm的圓孔和面積A<1mm²的孔。由于沖小孔的凸模強度和剛度差,容易彎曲和折斷,所以必須采取措施提高凸模的強度和剛度,如圖1?34所示,利用卸料板做導向或增加導向護套,為了保證卸料板具有導向作用,可采用剛性卸料板。采用彈性卸料板時需要單獨增設導向裝置。

(2)凹模

① 凹模的外形結構與固定方法　如圖1?35所示,刃口為圓形可采用圖1?35(a)、(b)、(c)固定結構,刃口為非圓形可采用圖1?35(c)、(d)防止轉動固定結構。圖1?35(d)的A向視圖如圖1?36所示,采用螺栓、圓柱銷、平鍵防止凹模轉動。

② 凹模刃口的結構形式　沖裁凹模刃口形式有直筒形和錐形兩種。表1?12列出了沖裁凹模刃口的形式,可供設計選用時參考。

　　③ 凹模輪廓尺寸的確定　凹模輪廓尺寸包括凹模板的平面尺寸L×B(長×寬)及厚度尺寸H。從凹模刃口至凹模外邊緣的最短距離稱為凹模的壁厚c。對于簡單對稱形狀刃口的凹模,由于壓力中心即為刃口對稱中心,所以凹模的平面尺寸即可沿刃口型孔向四周擴大一個凹模壁厚來確定,如圖1?37(a)所示,即

L=l+2c　　B=b+2c(1?30)

式中　l——沿凹模長度方向刃口型孔的最大距離,mm;

　　b——沿凹模寬度方向刃口型孔的最大距離,mm;

　　c——凹模壁厚,mm,主要考慮布置螺孔與銷孔的需要,同時也要保證凹模的強度和剛度,計算時可參考表1?13選取。

對于多型孔凹模,如圖1?37(b)所示,設壓力中心O沿矩形l×b的寬度方向對稱,而沿長度方向不對稱,則為了使壓力中心與凹模板中心重合,凹模平面尺寸應按式(1?31)計算:

L=l'+2c　　B=b+2c(1?31)

式中　l'——沿凹模長度方向壓力中心至最遠刃口間距的2倍,mm。

凹模板的厚度主要是從螺釘旋入深度和凹模剛度的需要考慮的,一般應不小于8mm。隨著凹模板平面尺寸的增大,其厚度也應相應增大。

整體式凹模板的厚度可按式(1?32)估算:

H=K₁K₂(1?32)

式中　F——沖裁力,N;

　　K₁——凹模材料修正系數,合金工具鋼取K₁=1,碳素工具鋼取K₁=1.3;

　　K₂——凹模刃口周邊長度修正系數,可參考表1?14選取。

以上算得的凹模輪廓尺寸L×B×H,當設計標準模具或雖然設計非標準模具,但凹模板毛坯需要外購時,應將計算尺寸L×B×H按沖模國家標準中凹模板的系列尺寸進行修正,取接近的較大規格的尺寸。

1.3.2　定位零件設計

(1)擋料銷

擋料銷的作用是來擋住條料搭邊或沖件輪廓以限定條料送進的距離。根據擋料銷的工作特點及作用分為固定擋料銷、活動擋料銷和始用擋料銷。

① 固定擋料銷　如圖1?38(a)所示,可根據搭邊的大小選擇固定擋料銷,如果距離凹模刃口距離e過近,可加工成圖1?38(b)所示結構。

② 活動擋料銷　如圖1?39所示。

③ 始用擋料銷　如圖1?40所示,始用擋料銷在條料開始送進時,用手壓住始用擋料銷,使始用擋料銷伸出導料板擋住條料起定位作用。然后松開手,在彈簧作用下始用擋料銷縮進導料板內不起擋料作用,始用擋料銷一般用于條料以導料板導向的級進模(見圖1?26),采用始用擋料銷的目的是為了提高材料的利用率。

(2)導料銷、導料板

導料銷與擋料銷結構一樣,作用是保證條料沿正確的方向送進。導料銷一般設兩個,并位于條料的同一側。導料板的作用與導料銷相同,其結構有兩種,如圖1?41所示。

(3)導正銷

使用導正銷一般是前一個工位在板料上沖一個定位工藝孔(或產品上的孔),接著下一個工位就是利用導正銷導正(見圖1?42),保證沖件在不同工位上沖出的內形與外形之間的相對位置公差要求。

導正銷結構形式如圖1?42所示,一般分為銳角如圖1?43(a)、R形如圖1?43(b)和錐形如圖1?43(c)。

導正銷的頭部由圓錐形的導入部分和圓柱形的導正部分組成,故導正部分的直徑可按式(1?33)計算:

d=d_p-a(1?33)

式中　d——導正銷導正部分直徑,mm;

　　d_p——導正孔的沖孔凸模直徑,mm;

　　a——導正銷直徑與沖孔凸模直徑的差值,mm,可參考表1?15選取。

導正部分的直徑公差可按h6~h9選取。導正部分的高度一般取h=(0.5~1)t,或按表1?16選取。

由于導正銷常與擋料銷配合使用,擋料銷只起粗定位作用,所以擋料銷的位置應能保證導正銷在導正過程中條料有被前推或后拉少許的可能。擋料銷與導正銷的位置關系如圖1?44所示。

按圖1?44(a)方式定位時,擋料銷與導正銷的中心距為:

s₁=s-D_p/2+D/2+0.1(1?34)

按圖1?44(b)方式定位時,擋料銷與導正銷的中心距為:

s'₁=s+D_p/2-D/2-0.1(1?35)

式中　s₁、s'₁——擋料銷與導正銷的中心距,mm;

　　s——送料進距,mm;

　　D_p——落料凸模直徑,mm;

　　D——擋料銷頭部直徑,mm。

(4)側壓裝置

如圖1?45所示。在一副模具中,側壓裝置的數量和設置位置視實際需要而定。但對于板料厚度較薄(一般為t<0.3mm)或材料較軟的板料,容易造成條料擠壓變形,宜采用輥軸自動送料裝置。

(5)導向頂料銷

兩側頂起頂料銷如圖1?46所示,當卸料板隨著上模抬起,彈簧帶動導向頂料銷將條料或帶料的邊緣頂起,向前送進。導向頂料銷具有頂料和導向作用。

導向頂料銷尺寸設計如圖1?47所示,其中:

h₁=0.5d(1?36)

H₁=h₁+0.5(1?37)

H₂=t+1.5(1?38)

式中　h₁——導向頂料銷頭部高度,mm;

　　d——導向頂料銷直徑,mm;

　　H₁——卸料板沉孔深度,mm;

　　H₂——導向頂料銷槽寬,mm;

　　t——條料或帶料厚度,mm。

中間頂起頂料銷如圖1?48所示,用于條料或帶料中間的彈起。

1.3.3　卸料與出件裝置設計

卸料與出件裝置的作用是當沖模完成一次沖壓之后,把沖件或廢料從模具工作零件上卸下來,以便沖壓工作繼續進行。通常,把沖件或廢料從凸模上卸下稱為卸料,把沖件或廢料從凹模中卸下稱為出件。常用的彈性卸料裝置的結構形式如圖1?49所示。

彈性卸料板的平面外形尺寸等于或稍大于凹模板尺寸,厚度取凹模厚度的0.6~0.8倍。在級進模中,特別小的沖孔凸模與卸料板的雙邊間隙可取0.3~0.5 mm。當卸料板對凸模起導向作用時,卸料板與凸模間按H7/h6配合。此外,為便于可靠卸料,在模具開啟狀態時,卸料板工作平面應高出凸模刃口端面0.3~0.5mm。

卸料螺釘一般采用標準的階梯形螺釘,其數量按卸料板形狀與大小確定,卸料板為圓形時常用3~4個,為矩形時一般用4~6個。卸料螺釘的直徑根據模具大小可選8~12mm,各卸料螺釘的長度應一致,以保證裝配后卸料板水平和均勻卸料。

彈性卸料裝置可裝于上模或下模,依靠彈簧或橡皮的彈力來卸料,卸料力不太大,但沖壓時可兼起壓料作用,故多用于沖裁料薄及平面度要求較高的沖件。彈簧或橡膠選擇如下:

(1)彈簧

模具卸料常用的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧,彈簧絲截面有圓形和矩形,矩形截面圓柱螺旋壓縮彈簧與圓形截面螺旋壓縮彈簧相比,其特性曲線更接近于直線,即彈簧的剛度更接近固定的常數,方向和定位性好。彈簧的選用包括如下內容:

① 選擇彈簧壓力:

F預≥(1?39)

式中　F預——彈簧的預壓力,N;

　　F卸——卸料力,N;

　　n——彈簧根數。

② 選擇彈簧壓縮量:

h總≥h預+ h工作+ h修磨(1?40)

式中　h總——彈簧總的壓縮量,mm;

　　h預——彈簧的預壓縮量,mm;

　　h工作——卸料板的工作行程,mm,對于沖裁模取板料厚度+2mm;

　　h修磨——模具的修磨量或調整量,mm,一般取4~6mm。

(2)橡膠

橡膠作為卸料裝置中的彈性元件,具有簡單、經濟等特點,被大量使用在沖壓模具中。橡膠允許承受的負荷比彈簧大,且安裝方便。

橡膠產生的壓力F由式(1?41)得出:

F=A×p(1?41)

式中　A——橡膠的承受面積,mm²;

　　p——與橡膠壓縮量有關的單位壓力,MPa,可查表1?17。

為了保證橡膠的正常使用,不至于過早失去彈性,最大壓縮量h總不能超過其自由高度h自由的35%~45%,預壓縮量h預一般為橡膠自由高度h自由的10%~15%。最大壓縮量h總為橡膠的工作行程h工作與預壓縮量h預之和,則橡膠的工作行程h工作為:

h工作=h總-h預=(25%~30%)h自由(1?42)

式中　h總——橡膠的最大壓縮量,mm;

　　h預——橡膠的預壓縮量,mm;

　　h工作——卸料板的工作行程,mm,對于沖裁模取板料厚度+1mm(凸模進入凹模)+1mm(上模抬起凸模在卸料板內)。

考慮到模具的修磨量或調整量(h修磨=4~6mm),所以橡膠的自由高度h自由為:

h自由=+h修磨=(3.5~4.0)h工作+h修磨(1?43)

為了橡膠具有一定的彈性和穩定性,圓形橡膠的高度h與直徑D之比須滿足式(1?44):

0.5≤h/D≤1.5(1?44)

如果超過1.5,應將橡膠分段,每段之間墊上鋼墊圈,并使每段的h/D值仍在上述范圍內。

非標準形狀橡膠的大小憑經驗根據模具卸料的空間合理布置,周圍留有足夠的空間,允許橡膠壓縮時斷面尺寸的脹大。往往在模具裝配和試模后,增減橡膠數量、改進橡膠形狀。

選用橡膠時的步驟:

① 根據工作行程h工作計算橡膠的自由高度h自由;

② 根據自由高度h自由計算橡膠預壓縮后的裝配高度h裝配:

h裝配=h自由-h預(1?45)

③ 根據模具卸料的空間確定橡膠的斷面面積。

(3)出件裝置

出件裝置的作用是從凹模內卸下沖件或廢料。為了便于學習,把裝在上模內的出件裝置稱為推件裝置,裝在下模內的稱為頂件裝置。

① 推件裝置　推件裝置有剛性推件裝置和彈性推件裝置兩種。圖1?50所示為剛性推件裝置。

圖1?51所示為彈性推件裝置。

② 頂件裝置　頂件裝置一般是彈性的,其基本零件是頂件塊、頂桿和彈頂器,如圖1?52所示。彈頂器可做成通用的,其彈性元件可以是彈簧或橡膠。

1.3.4　模架及其零件設計

(1)模架

模架是上、下模座與導向零件的組合體,如圖1?53所示,有對角導柱模架、后側導柱模架、中間導柱模架、四導柱模架等,可根據模具結構進行選擇,也可以自行設計。

(2)導向零件

① 滑動式導柱導套結構(見圖1?54)　加工、裝配方便,應用最廣泛,但導向精度不如滾動式。導柱、導套材料可選用T8、T10、Cr12、Cr12MoV等材料,或采用20鋼表面滲碳,熱處理硬度55~60HRC。

② 滾動式導柱導套結構

a.滾珠式(見圖1?55)。通過滾珠與導套實現有微量過盈的無間隙配合(一般過盈量為0.01~0.02mm),導向精度高,使用壽命長,但結構較復雜,制造成本高,主要用于精密沖裁模、硬質合金沖裁模、高速沖模及薄材料的沖裁模具。滾動導柱、導套材料可選用GCr15鋼,熱處理硬度56~62HRC。

b.滾針式(見圖1?56)。用于極薄金屬與樹脂材料的高精度沖裁模具,如引線框架、印刷電路板、軟板等沖裁模具。

1.3.5　支承與固定零件設計

(1)模柄

如圖1?57(a)所示,模柄安裝在上模座上,其作用是把上模固定在壓力機滑塊上,同時使模具中心通過滑塊的壓力中心。一般在小型模具上都是通過模柄與壓力機滑塊相連接的。為了適應不同壓力機上滑塊模柄孔尺寸的需要,設計模柄套如圖1?57(b)所示。

對于大中型沖壓模具的固定,如圖1?58所示。由于模具重量大,采用模柄形式難以承受模具上模的重量,需要采用螺栓直接固定或加墊塊、壓板將模具的上下模分別固定在壓力機滑塊和工作臺(或墊板上)。

(2)凸模(凹模)固定板與墊板

如圖1?59所示,凸模(凹模)固定板與墊板外形尺寸一致,厚度可取凹模厚度的60%~80%。固定板與凸模或凹模為H7/n6或H7/m6配合。

墊板的作用是承受并擴散凸模或凹模傳遞的壓力,以防止模座被擠壓損傷。墊板材料一般為45鋼,熱處理硬度40~45HRC,厚度可取3~20mm。