模块二 冲裁工艺与冲裁模

课题一 冲裁变形过程分析

【知识目标】

1.了解冲裁的变形机理，熟悉冲裁件断面的基本组成。

2.熟悉冲裁间隙与冲裁件断面质量、冲裁件尺寸精度、冲裁工艺力、冲裁模寿命相互间的关系。

【技能目标】

1.针对冲裁件结构能够合理选择冲裁间隙。

2.具有合理设计冲裁模结构尺寸的能力。

【知识学习】

冲裁是利用模具使板料产生分离的一种冲压工序。它包括落料、冲孔、切断、修边等多种分离工序。但一般来说，冲裁主要是指落料和冲孔工序。在冲压工艺中，冲裁的用途最为广泛，它既可以直接冲出所需形状的成品工件，又可以为其他成形工序如拉深、弯曲、成形等制备毛坯。

一、冲裁变形过程

冲裁变形过程大致可分为以下3个阶段，如图2-1所示。

1.弹性变形阶段

如图2-1（a）所示，当凸模接触板料并下压时，在凸、凹模压力作用下，板料开始产生弹性压缩、弯曲和拉伸等复杂变形。这时，凸模稍微挤入板料，板料底面相应部分材料也稍微挤入凹模洞口内。此时，凸模下面的板料略有拱弯（锅底形），凹模上的板料略有上翘。间隙越大，拱弯和上翘越严重。在这一阶段，若板料内部的应力没有超过弹性极限，当凸模卸载后，板料立即恢复原状。随着凸模的下压，刃口附近板料所受的应力逐渐增大，直至达到弹性极限，弹性变形阶段结束。

2.塑性变形阶段

当凸模继续下压，板料内的应力达到屈服极限时，便进入塑性变形阶段，如图2-1（b）所示。随着凸模的不断下压，材料的塑性变形程度增加，变形区材料硬化加剧，变形抗力不断上升，冲裁力也相应增大，直到凸模和凹模的刃口附近应力达到抗拉强度时，塑性变形阶段结束。

3.断裂分离阶段

当板料内的应力达到抗拉强度后，凸模再向下压入，则在板料上凸、凹模刃口接触的部位先后产生微裂纹，如图2-1（c）所示。随着凸模继续下压，已产生的微裂纹沿着最大剪应力方向不断地向板料内部扩展。直到上下裂纹相遇重合，板料就被剪断分离，如图2-1（d）所示。剪断使断面上形成一个粗糙的区域，当凸模再下行，凸模将冲落部分全部挤入凹模洞口，冲裁过程就此结束。

二、冲裁件断面特征

1.冲裁件断面的组成

由于冲裁过程中板料变形和剪断分离的特点，冲裁件的剪切断面具有明显的区域性特征，正常的断面特征如图2-2所示，它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺4个特征区组成。

（1）圆角带。圆角带是冲裁过程中刃口压入材料时，刃口附近的材料被牵连拉入模具而变形的结果。这是由塑性弯曲、拉深造成的，塑性好的材料其圆角带较宽。

（2）光亮带。该区域发生在塑性剪切变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。光亮带是剪切断面上精度最高、粗糙度值最小的部分，通常占整个断面的1/2～1/3。塑性好的材料，其光亮带所占的比例也大。

（3）断裂带。该区域是在断裂分离阶段形成的。由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下不断扩展，从而形成一个撕裂面。断裂带表面粗糙，带有斜度。塑性差的材料撕裂倾向严重，断裂带所占比例大。

（4）毛刺（图2-2中无显示）。毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工的板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，微裂纹的起点不是发生在凸模、凹模的端面，而是在模具侧面距刃口很近的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料被撕裂而产生高于板面的毛刺。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。

2.影响冲裁件断面质量的因素

在4个特征区中，光亮带剪切面的质量最佳。各区域部分在整个断面上所占的比例，随材料的性能、厚度、冲裁模具间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。

（1）材料性能对断面质量的影响。对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较晚，因而材料被剪切的深度较大，所得到的断面光亮带所占比例大，圆角带较宽，断裂带较窄。而塑性差的材料，当剪切开始不久，材料便被拉裂，使断面光亮带所占比例小，圆角带较窄，有斜度的粗糙断裂带所占的比例大。

（2）冲裁模具间隙对断面质量的影响。冲裁间隙值的大小，影响上、下裂纹的会合，也影响变形应力的性质和大小。当间隙过小时，上、下裂纹延伸时互不重合，如图2-3（a）所示。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带（夹层）。小间隙还会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，断面光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度、翘曲、拱弯等缺陷都有所减小，制件质量较好。

当间隙过大时，上、下裂纹延伸时仍然互不重合，如图2-3（c）所示。剪切过程中的拉应力成分增大，材料的弯曲和拉伸变形也增大，容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，断面光亮带变窄，圆角带、断裂带增宽，毛刺增多，拱弯、翘曲现象严重，并且拉裂产生的斜度增大，有时断面会出现两个斜度，冲裁件质量下降。

当间隙合适时，上、下裂纹延伸后能汇合成一条线，如图2-3（b）所示。尽管断面也有斜度，但零件比较平直，圆角、毛刺、斜度均不大，有较好的综合断面质量。

当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现一部分间隙过大，另一部分间隙过小的情况，冲裁间隙不均匀，也会影响到冲裁件的断面质量。因此，要求模具制造和安装时必须保证间隙均匀。

（3）模具刃口状态对断面质量的影响。刃口状态对冲裁过程中的应力状态有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，弯曲与挤压作用突出，冲裁件的圆角和光亮带增大，但同时也使冲裁件的毛刺增大。凸模钝，落料件上毛刺增大；凹模钝，冲孔件上毛刺增大。

三、冲裁件尺寸精度和表面粗糙度

（1）金属冲裁件的内、外形的经济精度不高于IT11级，如表2-1所示。一般落料精度最好低于IT10级，冲孔精度最好低于IT9级。一般冲裁件剪切面的近似表面粗糙度值如表2-2所示。

表2-1 金属冲裁件内、外形可达到的经济精度 单位：mm

表2-2 一般冲裁件剪切面表面粗糙度

（2）非金属冲裁件的内外形的经济精度为IT14、IT15级。

（3）冲裁尺寸标注应符合冲压工艺要求。例如，图2-4所示的冲裁件，其中图2-4（a）的尺寸标注方法就不合理，因为两孔中心距会随模具的磨损而增大。如改为图2-4（b）的标注方式，则两孔中心距S2与模具磨损无关。

课题二 冲裁模刃口尺寸及冲裁件的结构工艺性

【知识目标】

1.熟悉冲裁间隙对冲裁过程的影响。

2.掌握冲裁模刃口尺寸计算的基本方法。

【技能目标】

1.会计算冲裁件的凸凹模刃口尺寸。

2.熟练设计给定冲裁件的结构。

【知识学习】

一、冲裁间隙

冲裁间隙是指冲裁模具中凸模与凹模刃口之间的间隙。凸模与凹模之间单侧的间隙称为单面间隙，用Z/2表示；两侧间隙之和称为双面间隙，用Z表示，如图2-5所示。

从上面的分析可知，凸模和凹模之间的间隙，对冲裁件断面的质量有极其重要的影响。此外，冲裁间隙还影响模具的寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，冲裁间隙是冲裁模具设计中一个非常重要的工艺参数。

1.间隙对冲裁件尺寸精度的影响

冲裁件的尺寸精度，是指冲裁件的实际尺寸与设计的理想尺寸之间的差值。差值越小，则精度越高。总的差值包括两个方面：一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。

（1）冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。主要是指制件从凹模推出（落料件）或从凸模上卸下（冲孔件）时，因材料所受的挤压、拉伸变形等产生回弹而造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这个偏差值的因素有冲裁间隙、材料性质、工件的形状与尺寸等，其中主要因素是冲裁间隙。

冲裁间隙过大时，材料所受拉深作用增大。冲裁结束后，因材料的弹性恢复，使冲裁件尺寸向实体方向收缩，从而使落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔尺寸（孔径）大于凸模尺寸（直径）。

冲裁间隙过小时，材料受模具挤压的作用增大。冲裁结束后，因材料的弹性恢复，使落料件尺寸增大，冲孔尺寸（孔径）减小。尺寸变化量的大小与材料性质、厚度等因素有关。软钢的弹性变形量较小，冲裁后其弹性恢复也相应较小，硬钢的弹性恢复量就比较大。

（2）模具本身的制造偏差。上述因素的影响，是在一定的模具制造精度前提下讨论的。若模具刃口制造精度低，则冲裁件的制造精度也就无法保证。所以，凸、凹模刃口的制造公差一定要按工件尺寸的精度要求来决定。

2.间隙对模具寿命的影响

模具寿命受各种因素的综合影响，冲裁间隙是主要影响因素之一。在冲裁过程中，凸模与冲孔件孔的内侧面，凹模与落料件的外侧面之间均有摩擦。间隙越小，摩擦越严重。所以过小的冲裁间隙对模具寿命极为不利。

较大的冲裁间隙可使模具与材料之间的摩擦减小，在一定程度上还可以减小间隙分布不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。

3.冲裁间隙对冲裁力的影响

随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不十分显著。试验结果表明，当单面间隙介于材料厚度的5%～20%范围内时，冲裁力的降低不超过5%～10%。因此，在正常情况下，冲裁间隙对冲裁力的影响不是很大。

冲裁间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸下零件和从凹模中推出零件都比较省力。当单边间隙达到厚度的15%～25%时，卸料力几乎为零。但间隙太大，引起毛刺增加，反而又使卸料力和推件力迅速增加。

二、间隙值的确定

由以上分析可知，冲裁间隙对冲裁件断面质量、冲裁件精度、冲裁力以及模具寿命都有很大影响，但影响的规律各不相同。因此，并不存在一个绝对合理的间隙值，能同时满足冲裁件断面质量最佳、尺寸精度最高、模具寿命最长、冲裁力最小等各方面的要求。在实际生产中，通常选择一个合适的间隙范围。只要模具间隙在这个范围之内，就可以满足使用要求。这个范围的最小值称为最小合理间隙（Zmin），最大值称为最大合理间隙（Zmax）。考虑到模具使用中的磨损，设计和制造新模具时要选择最小合理间隙。确定合理间隙值的方法有两种：理论确定法和经验确定法。

1.理论确定法

理论确定法的主要依据是保证上、下裂纹重合，且正好相交于一条直线上，以获得良好的断面质量。图2-6所示为冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态，根据图中的几何关系可求得间隙Z值如下：

Z=2（t-h0）tanβ=2t（1-h0/t）tanβ （2-1）

式中，Z为双面间隙值；t为板料厚度；h0为产生裂纹时凸模压入材料的深度；h0/t为产生裂纹时凸模压入材料的相对深度；β为剪裂纹与垂线间的夹角。

从上式可以看出，合理间隙值Z与材料厚度t、相对压入深度h0/t、剪裂纹方向（角度）β等有关。而h0/t和β又与材料的性质有关，因此影响间隙值的主要因素是材料的性质和材料厚度。不同材料的h0/t与β值如表2-3所示。

表2-3 不同材料的h0/t与β值

理论确定法根据材料的性质、板料厚度等因素来确定间隙数值，反映了这些因素对模具间隙的影响。但该方法在实际生产中应用不很方便，所以生产中广泛使用表格及经验数据来确定间隙值。

2.经验确定法

根据近年来的研究与实践，对于尺寸精度、断面垂直度要求较高的制件，应选用较小间隙值；对于尺寸精度、断面垂直度要求不太高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可以选用较大的间隙值。选用时可参阅有关行业标准，如汽车、拖拉机行业标准，电气、仪表行业标准等。

此外，还可采用下面的经验公式计算合理间隙值：

Z=mt （2-2）

式中，m为系数。

系数m与材料性质和板料厚度t有关，通常给出一个范围，用t的百分比表示。系数m的选用参见表2-4。

表2-4 冲裁模合理双面间隙值Z

注：1.冲裁件断面质量要求较高时，可将表中数值减小1/3。

2.圆柱形型孔凹模取表中偏大的数值，锥形型孔凹模取表中偏小的数值。

3.小孔冲裁时，间隙数值还可将表中数值适当减小。

三、凸模与凹模刃口尺寸计算

凸模与凹模刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的重要因素。凸、凹模的合理间隙值也要靠刃口尺寸及其公差来保证。因此，在设计冲裁模具时，正确计算与确定凸模与凹模的刃口尺寸及其公差是十分重要的。

1.刃口尺寸计算原则。

根据冲裁生产的特点，计算和确定凸、凹模刃口尺寸及其公差时，应遵循以下原则：

（1）根据冲孔和落料的特点。落料件的尺寸决定于凹模尺寸，故落料模应以凹模为设计基准，先确定凹模的刃口尺寸，再按间隙值确定凸模的刃口尺寸。冲孔时孔径的尺寸决定于凸模尺寸，所以冲孔模应以凸模为设计基准，先确定凸模的刃口尺寸，再按间隙值确定凹模的刃口尺寸。

（2）考虑凸模与凹模的磨损。凸、凹模在冲裁过程中必然会出现磨损，凸模刃口尺寸磨损使冲孔尺寸减小，凹模刃口尺寸磨损使落料尺寸增大。为了保证冲裁件的尺寸精度，提高模具寿命，设计落料模时，凹模刃口的基本尺寸应取落料件尺寸公差范围内的较小尺寸。设计冲孔模时，凸模刃口的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸。这样就能保证凸、凹模磨损到一定程度后仍能冲裁出合格的工件。不论落料还是冲孔，凸、凹模间隙都应选取合理间隙范围内的最小值。

（3）把握好刃口制造精度与工件精度的关系。凸、凹模刃口尺寸精度的选择，应以能保证工件的精度要求为前提，保证合理的凸、凹模间隙值，从而保证模具的使用寿命。模具刃口制造精度与冲裁件精度的对应关系如表2-5所示。一般情况下，也可按工件公差的1/3～1/4选取。对于圆形凸、凹模，由于制造容易，精度易保证，制造公差可按IT6、IT7级选取。

表2-5 模具刃口制造精度与冲裁件精度的对应关系

2.刃口尺寸计算方法

根据凸、凹模的加工工艺方法的不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同。刃口尺寸的计算方法分为凸模与凹模分别单独加工和凸模与凹模配合加工。

（1）凸模与凹模分别单独加工。这种加工方法，适用于圆形或矩形等规则形状刃口的制造。加工模具时，凸模和凹模分别按图样加工至尺寸，并分别在图样上标注凸模和凹模的刃口尺寸和制造公差。为了保证间隙值，应满足下列关系式：

Tp＋Td≤Zmax-Zmin （2-3）

或取

Tp=0.4（Zmax-Zmin） （2-4）

Td=0.6（Zmax-Zmin） （2-5）

落料与冲孔时，凸、凹模刃口尺寸、公差与冲裁件尺寸及其公差的关系如图2-7所示。图中各符号的含义如下：Dd为落料凹模刃口的基本尺寸；Dp为落料凸模刃口的基本尺寸；dd为冲孔凹模刃口的基本尺寸；dp为冲孔凸模刃口的基本尺寸；Dmax为落料件的最大极限尺寸；dmin为冲孔孔径的最小极限尺寸；Δ为冲裁件公差；Zmin为最小双面合理间隙；Zmax为最大双面合理间隙（图中没有标出）；Td为凹模刃口制造公差；Tp为凸模刃口制造公差；K为系数。

为了避免多数冲裁件尺寸都偏向极限尺寸，应使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸。K值在0.5～1.0之间，与冲裁件的精度等级有关，使用时可参考表2-6数据进行选取。

表2-6 系数K的取值

下面分别讨论冲孔、落料、孔心距这三种情况下的凸、凹模刃口尺寸计算。

①冲孔。根据凸、凹模刃口尺寸的计算原则，冲孔时应首先确定凸模的刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再按最小合理间隙值Zmin增大凹模尺寸。凸模制造偏差取负值，凹模制造偏差取正值。设工件孔的尺寸为，则冲孔凸、凹模刃口尺寸的计算公式为：

凸模刃口尺寸

凹模刃口尺寸

②落料。根据凸、凹模刃口尺寸的计算原则，落料时应首先确定凹模的刃口尺寸，使凹模基本尺寸接近或等于落料件的最小极限尺寸，再按最小合理间隙值Zmin减小凸模尺寸。凹模制造偏差取正值，凸模制造偏差取负值。设落料件的尺寸为，则落料凹、凸模刃口尺寸的计算公式为：

凹模刃口尺寸

凸模刃口尺寸

③孔心距。当工件上需要冲制多个孔时，孔心距的尺寸精度由凹模孔心距保证。由于凸、凹模的刃口尺寸磨损不影响孔心距的变化，故凹模孔心距的基本尺寸取在工件孔心距公差带的中点上，并按双向对称偏差标注，可用下式计算：

式中，Ld为凹模孔心距的尺寸，公差取工件公差的1/4，即；Lmin为工件孔心距的最小极限尺寸；Δ为工件孔心距公差。

（2）凸模与凹模配合加工。为了保证凸、凹模之间一定的合理间隙，必须满足关系式Tp＋Td≤Zmax-Zmin，这对于Zmax与Zmin差值很小时，将使凸、凹模刃口尺寸公差值更小，给凸、凹模的制造带来困难。这种情况下必须采用配合加工。配合加工就是先按设计尺寸制造一个基准件，然后根据基准件的实际尺寸，按要求的间隙加工另外一个零件。显然，落料时应以凹模为基准件，根据凹模的实际尺寸，按最小合理间隙配置凸模。冲孔时应以凸模为基准件配置凹模。因此，采用配合加工时，只需在作为基准件模具的工作图上标注尺寸和制造公差，另一个配做的模具工作图上，只需标注有关的基本尺寸，并注明配做应留的间隙值。这种加工方法容易保证很小的间隙值。制造时可以放大基准件的公差，Tp与Td不再受间隙值的限制，工艺比较简单，制造容易，目前在工厂中得到广泛应用。

对于形状复杂、尺寸较多的冲裁件，应根据凸、凹模磨损后尺寸的变化规律进行具体分析，分别加以计算。

①冲孔。图2-8（a）为工件孔的尺寸图，图2-8（b）为冲孔凸模尺寸图。加工冲孔模具时，应以凸模为基准件，配做凹模。从图2-8中所示的凸模可以看出，由于凸模的磨损而引起的工件尺寸变化可分3种情况，所以凸模刃口尺寸也应分3种情况进行计算。

●凸模磨损后尺寸减小。图中属于这一类的尺寸有A1p、A2p、A3p、A4p，应按冲孔凸模尺寸计算公式（2-6）进行计算。即

●凸模磨损后尺寸增大。图中属于这一类的尺寸有B1p、B2p、B3p，它们在冲孔凸模上相当于落料凹模尺寸，故应按落料凹模尺寸计算公式（2-8）进行计算。即

●凸模磨损后尺寸没有变化。图中属于这一类的尺寸有C1p、C2p、C3p、C4p，根据工件尺寸的标注形式，又可分为3种类型计算刃口尺寸。

第一种，工件尺寸为正偏差标注，如，可按下式计算，即

第二种，工件尺寸为负偏差标注，如，可按下式计算，即

第三种，工件尺寸为对称偏差标注，如，可按下式计算，即

式中，Ap、Bp、Cp分别为凸模刃口尺寸；A、B、C分别为工件孔的基本尺寸。

冲孔凹模的刃口尺寸应根据凸模的实际尺寸及最小合理间隙值Zmin配做，并需在图样上的技术要求处注明：“凹模尺寸按凸模实际尺寸配做，保证双面间隙值Zmin～Zmax”。除了注明上述文字外，还应注明相应的图号。

②落料。落料模应以凹模为基准件，配做凸模。凹模刃口尺寸计算情况与冲孔相似，可参照上面的有关计算公式自行分析。但必须在配做的凸模图样上的技术要求处注明：“凸模尺寸按凹模实际尺寸配做，保证双面间隙值Zmin～Zmax”。除了注明上述文字外，还应注明相应的图号。

下面介绍一种工厂中实用的落料件模具刃口尺寸及公差的计算方法（以凹模为基准件）。

●凹模磨损后会增大的尺寸。此类尺寸（示例可参见下文中图2-11中的a、b、c），计算公式为：

●凹模磨损后会减小的尺寸。此类尺寸（示例可参见下文中图2-11中的d），计算公式为：

●凹模磨损后尺寸不发生变化。此类尺寸（示例可参见下文中的图2-11中的e），计算公式为：

Cj=（Cmin＋0.5Δ）±0.125Δ （2-18）

【技能训练】

1.如图2-9所示工件，材料为Q235钢，板料厚度t=2mm，由冲孔和落料两道工序冲制而成。试分别确定凸、凹模的刃口尺寸及其公差。

解：从表2-4可查出间隙范围为（9%～12%）t，则Zmin=0.18mm，Zmax=0.24mm，Zmax-Zmin=0.06mm。

从表2-6查出尺寸φ6mm的K=0.75，尺寸36mm的K=1.0。

φ6mm孔为IT10级精度，因尺寸较小，查表2-5凸、凹模的制造精度都取IT7级，则

Tp=Td=0.012mm， Tp＋Td＜Zmax-Zmin

尺寸36为IT10级精度，公差值Δ=0.10mm。落料凸、凹模的制造公差按Δ的1/4选取，则Tp=Td=Δ/4=0.025mm，Tp＋Td＜Zmax-Zmin，则冲孔工序的凸、凹模尺寸：

落料工序的凹、凸模尺寸：

凹模孔心距尺寸：

2.如图2-10所示零件，材料为Q235钢，板料厚度t=0.6mm，由冲孔和落料两道工序冲制而成。试分别确定凸、凹模的刃口尺寸及其公差。

解：由图2-10可知，该零件属于无特殊要求的一般冲孔、落料件。尺寸φ36mm由落料获得，孔2-φ6mm、孔心距尺寸18mm由冲孔同时获得。材料属于软钢，查表2-4可得，间隙范围为（7%～10%）t，则Zmin=0.04mm（0.042mm近似为0.04mm），Zmax=0.06mm，Zmax-Zmin=0.02mm。

从表2-6查出尺寸φ6mm的K=0.75，尺寸φ36mm的K=0.5。

由式（2-4）和式（2-5）可得：

Tp=0.4×（Zmax-Zmin）=0.008mm

Td=0.6×（Zmax-Zmin）=0.012mm

故满足：Tp＋Td≤Zmax-Zmin=0.02mm。

则冲孔工序的凸、凹模尺寸：

落料工序的凹、凸模尺寸：

凹模孔心距尺寸：

3.零件如图2-11所示。，厚度t=1mm，材料为Q215钢。试计算冲裁件的凸、凹模刃口尺寸及制造公差。

解：从零件图很容易知道，该冲裁件属于落料件。应把凹模作为设计和制造的基准零件。设计时，只需计算落料凹模刃口尺寸及制造公差。凸模刃口尺寸及公差，可在凹模实际尺寸的基础上，按间隙配做。

从表2-4中可以查出间隙范围为（7%～10%）t，则Zmin=0.07mm，Zmax=0.10mm，Zmax-Zmin=0.03mm。

查表2-6可得，尺寸80mm，选K=0.5；尺寸15mm，选K=1；其余尺寸均选K=0.75。

落料凹模的实际尺寸计算如下：

落料凸模的基本尺寸与凹模相同，分别是79.79mm、39.75mm、34.75mm、22.07mm、14.94mm，不必标注公差，但要注明以0.07～0.10mm的双面间隙与落料凹模配做。落料凸、凹模尺寸如图2-12所示。

四、冲裁件的结构工艺性

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。良好的冲裁工艺性能使材料消耗少、工序数量少、模具结构简单且使用寿命长、产品质量稳定。

（1）冲裁件的形状设计应尽量简单、对称，同时应减少排样废料，如图2-13所示。

（2）冲裁件的外形或内孔应避免尖角，各直线或曲线的连接处，应有适当的圆角转接，转接圆角半径r的最小值如表2-7所示。

表2-7 冲裁件转接圆角半径rmin（材料厚度t） 单位：mm

（3）冲裁件的凸起和凹槽宽度不应小于板料厚度t的两倍，即a＞2t，如图2-14（a）所示。冲裁件上孔与孔、孔与边缘的距离b、b1不应过小，一般b≥1.5t，b1≥t，如图2-14（b）、（c）所示。

（4）为防止冲裁时凸模折断或弯曲，冲孔时，孔径不能太小。冲孔最小直径与孔的形状及材料厚度有关，一般冲孔模和带保护套可冲压的最小孔径分别如表2-8、表2-9所示。

表2-8 一般冲孔模可冲压的最小孔径（材料厚度t） 单位：mm

表2-9 带保护套可冲压的最小孔径（材料厚度t） 单位：mm

课题三 冲裁力及排样

【知识目标】

1.熟练计算冲裁力。

2.熟悉排样设计的原则；了解常见排样方式的分类。

【技能目标】

能够合理地进行冲裁件的排样。

【知识学习】

一、冲裁力的计算

冲裁力是选择冲压设备、校核模具强度的重要依据。

平刃口冲裁模的冲裁力可按下式计算：

F=kLtτb （2-19）

式中，F为冲裁力（N）；k为系数；L为冲裁件周边长度（mm）；t为板料厚度（mm）；τb为材料抗剪强度（MPa）。

系数k的取值应考虑到实际生产中各种因素对冲裁力的影响，如模具刃口磨损钝化，凸、凹模间隙不均匀，板料力学性能和厚度波动等因素。根据经验，一般取k=1.3。

材料抗剪强度τb的数值，取决于材料的种类和状态，可在有关手册中查取。为便于计算，可取材料抗剪强度τb等于该材料强度极限σb的80%，即取τb=0.8σb，σb=1.3τb。

为了使计算简便，也可按下式估算冲裁力：

F=Ltσb （2-20）

其他刃口形状冲裁力的计算公式可参阅有关设计手册。

二、影响冲裁力的因素

在设计冲裁模具和确定冲裁工艺参数时，应考虑如何降低冲裁力。较小的冲裁力可以选择较小吨位的冲压设备。如果所需冲裁力受到现有设备吨位的限制，就必须采取措施降低冲裁力。要采取措施降低冲裁力，首先需要了解影响冲裁力的因素。

1.冲裁间隙对冲裁力的影响

冲裁间隙对冲裁力的大小有很大影响。一般来讲，间隙增大可以降低冲裁力，间隙减小则使冲裁力增加。当采用合理的冲裁间隙时，上下裂纹重合，最大剪切力减小。所以在保证冲裁件质量的前提下，为降低冲裁力，减少模具的磨损，一般倾向于取大一些的冲裁间隙。

2.温度对冲裁力的影响

当材料的抗拉强度很高，或材料厚度较大时，可以对材料加热冲裁。金属材料加热后，其抗剪强度显著降低。温度越高，抗剪强度越小，所需冲裁力也越小。这种方法只适用于厚板冲裁或精度要求不高的工件冲裁。

3.阶梯凸模冲裁

在多凸模冲裁中，可将凸模作阶梯布置（即将凸模端面制成不同高度），如图2-15所示。

从图中可以看出，冲裁时，各凸模冲裁力的最大值不同时出现，以降低总的冲裁力。采用阶梯凸模时应注意以下问题。

（1）阶梯凸模的分布要尽量对称，以减小压力中心的偏移。

（2）在几个凸模直径相差较大、彼此距离较近的情况下，应先冲大孔，后冲小孔。

（3）凸模间的高度差h取决于板料厚度t。实际应用中为了方便设计，一般按经验选取：t≤3mm，h=t；t＞3mm，h=0.5t。

4.斜刃口模具冲裁

斜刃口模具将模具刃口做成与水平面倾斜成一定角度，如图2-16所示。冲裁时其刃口不是全部同时切入材料的，而是如同剪板机一样沿斜刃口方向逐步分离材料。这就等于减小了剪切断面积，因而能降低冲裁力。由于凸凹模为斜刃口，冲裁时必将加大工件的弯曲。为了得到平整的工件，落料时，将凸模做成平刃口，凹模做成斜刃口。冲孔时，将凸模做成斜刃口，凹模做成平刃口。设计斜刃口时，应力求将斜刃对称布置，以避免冲裁时模具承受侧向力而发生偏移。

斜刃口的冲裁力可用下列简化公式计算：

Fx=KF （2-21）

式中，Fx为斜刃口的冲裁力（N）；F为平刃口的冲裁力（N）；K为减力系数，按表2-10选取。

表2-10 斜刃减力系数K值与倾角

斜刃口模具虽然能够显著地降低冲裁力，但增大了模具制造与修模的困难，刃口也易磨损，故仅用于大型工件及厚板冲裁。大型工件的斜刃口冲模一般把斜刃布置成多个波峰的形式。

三、冲裁过程其他工艺力的计算

在设计冲裁模具时，还需计算的工艺力主要有卸料力、推件力和顶件力。影响卸料力、推件力、顶件力因素较多。实际上准确地计算这些力是十分复杂、非常困难的。为便于选择冲压设备，一般可用经验公式估算。

1.卸料力

从凸模上将工件或废料取下来所需的力，称为卸料力，计算公式为：

F1=K1F （2-22）

2.推件力

从凹模内将工件或废料顺着冲裁方向推出的力，称为推件力，计算公式为：

F2=nK2F （2-23）

3.顶件力

从凹模内将工件或废料逆着冲裁方向顶出的力，称为顶件力，计算公式为：

F3=K3F （2-24）

在式（2-22）～式（2-24）中，F为冲裁力（N）；F1、F2、F3分别为卸料力、推件力、顶件力（N）；n为同时梗塞在凹模内的工件（或废料）数，n=h/t；h为凹模型口高度（mm）；K1、K2、K3分别为卸料力、推件力、顶件力系数，可从表2-11中查得。

表2-11 卸料力、推件力、顶件力系数

采用弹性卸料装置和上出料方式时，总冲裁力为：

FZ=F＋F1＋F3 （2-25）

采用刚性卸料装置和下出料方式时，总冲裁力为：

FZ=F＋F2 （2-26）

采用弹性卸料装置和下出料方式时，总冲裁力为：

FZ=F＋F1＋F2 （2-27）

四、冲压件的排样设计

1.排样设计原则

一般冲裁件的排样应遵循如下原则。

（1）提高材料的利用率。冲裁件生产批量大，生产效率高，材料费用一般会占总成本的60%以上，所以材料利用率是衡量排样经济性的一项重要指标。在不影响零件性能的前提下，应合理设计零件外形及排样，提高材料利用率。

（2）改善操作性。冲裁件排样应使工人操作方便、安全、劳动强度低，一般说来，在冲裁生产时应尽量减少条料的翻动次数，在材料利用率相同或相近时，应选用条料宽度及进距小的排样方式。

（3）使模具结构简单合理、使用寿命长。

（4）保证冲裁件质量。

2.排样的分类及常见方式

按照材料的利用程度，排样可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种，如图2-17所示。废料是指冲裁中除零件以外的其他板料，包括工艺废料和结构废料。

（1）有废料排样。有废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均有工艺废料，冲裁是沿冲裁件的封闭轮廓进行的，如图2-17（a）所示。

（2）少废料排样。少废料排样是指只在冲裁件之间或只在冲裁件与条料侧边之间留有搭边。

（3）无废料排样。无废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均无搭边存在，冲压件实际上是直接由切断条料获得的，如图2-17（c）所示。材料利用率可高达85%～90%。

常见的排样方式详见表2-12。

表2-12 常见的排样方式

3.搭边

冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间留下的工艺余料称为搭边。搭边的作用是避免因送料误差发生零件缺角、缺边或尺寸超差，使凸、凹模刃口受力均衡，提高模具使用寿命及冲裁件断面质量，此外利用搭边还可以实现模具的自动送料。

搭边值通常由经验确定，表2-13中列出了低碳钢冲裁时，常用的最小搭边值。

表2-13 最小工艺搭边值 单位：mm

4.送料进距

模具每冲裁一次，条料在模具上前进的距离称为送料进距。当单个进距内只冲裁一个零件时，送料进距的大小等于条料上两个零件对应点之间的距离，如图2-17（a）所示。

A=D+a1 （2-28）

式中，A为送料进距（mm）；D为平行于送料方向的冲裁件宽度（mm）；a1为冲裁件之间的搭边值（mm）。

5.条料宽度

冲裁前为保证送料顺利，通常需要按要求将板料裁剪为适当宽度的条料。条料在模具上送进时，一般都有导料装置，有时还要使用侧压装置。

当条料在无侧压装置的导料板之间送料时，条料宽度按下式计算：

当条料在有侧压装置或要求手动保持条料紧贴单侧导料板送料时，条料宽度B按下式计算：

式中，B为条料宽度（mm）；L为冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸（mm）；a为冲裁件与条料侧边之间的搭边（mm）；Δ为条料下料时的下偏差值，如表2-14所示；b0为条料与导料板之间的间隙，如表2-15所示。

表2-14 条料下料下偏差值表 单位：mm

表2-15 条料与导料板间的间隙 单位：mm

6.材料利用率

材料利用率是冲压工艺中一个非常重要的经济技术指标。其计算可用一个进距内冲裁件的实际面积与毛坯面积的百分比表示：

式中，S1为一个进距内冲裁件实际面积（mm2）；S0为一个进距内所需毛坯面积（mm2）；A为送料进距（mm）；B为条料宽度（mm）。

五、排样图

排样图是排样设计的最终表达形式，是编制冲裁工艺与设计冲裁模具的重要工艺文件。一张完整的冲裁模具装配图，应在其右上角画出冲裁件图形及排样图。排样图上，应注明条料宽度及偏差、送料步距及搭边值，如图2-18所示。对纤维方向有要求时，还应用箭头标明。

课题四 冲裁模具典型结构及冲裁模设计

【知识目标】

1.熟悉冲裁模的典型结构，了解简单模、复合模、级进模的结构特点及应用。

2.了解冲裁模零部件的分类及功能。

3.掌握冷冲模模架选用原则。

【技能目标】

1.依据冲裁件结构特点选用模具结构。

2.会设计模具成形零件的结构。

3.熟练选用标准模架。

【知识学习】

模具的结构和性能，对冲裁的生产率、冲裁件的精度、冲裁生产的成本等都具有决定性作用。所以，研究和掌握模具的基本类型、结构零部件的设计与制造是十分重要的。

一、冲裁模具的分类

冲裁模的结构形式很多，按不同的特征可以有不同的分类方法：

（1）按工序性质可分为落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。

（2）按工序组合方式可分为单工序模、复合模和级进模。

（3）按上、下模的导向方式可分为无导向模和导向模。无导向模的形式主要是敞开模；导向模主要有导板模、导柱模等。

（4）按凸、凹模所用的材料不同可分为硬质合金冲裁模、钢皮冲裁模、锌基合金冲裁模、聚氨酯冲裁模等。

（5）按自动化程度可分为手工操作模、半自动模和自动模。

二、冲裁模典型结构

1.单工序冲裁模

单工序冲裁模又称简单冲裁模。这种冲裁模工作时，压力机每一次行程只完成单一的冲裁工序。单工序冲裁模主要包括无导向单工序落料模、导板式简单冲裁模、导柱式简单冲裁模等几种。

（1）无导向单工序落料模。图2-19所示为无导向单工序落料模。模具的上模为活动部分，由带模柄上模座1和凸模2组成，通过模柄安装在压力机滑块上。下模由固定卸料板3、两个导料板4、定位板7、凹模5和下模座6组成。下模座安装在压力机的垫板上。导料板对条料送进起导向作用，定位板用来限制条料的送进距离。该冲裁模具在工作时，条料沿导料板送至定位板后，上模在压力机滑块带动下，使凸模进入凹模孔实现冲裁。分离后的冲裁件，积存在凹模洞口中被凸模依次推出。箍在凸模上的废料被固定卸料板刮下。如此循环，完成冲裁工作。

该模具有一定的通用性。通过更换凸模和凹模，调整导料板、定位板、卸料板的位置，可以冲裁不同的工件。另外，改变定位零件和卸料零件的结构，还可用来进行冲孔，即成为冲孔模。

无导向单工序落料模的特点是结构简单、制造容易、尺寸小、重量轻。无导向落料模的上模运动靠压力机的滑块导向，模具使用时，安装及调整间隙麻烦，且凸、凹模间隙的均匀性由滑块的导向精度决定，不容易调整，工作过程中很容易产生刃口啃切现象。因此，该冲裁件精度差、模具使用寿命短、生产率低，操作不安全。无导向单工序落料模仅适用于精度要求不高、形状简单、批量小或试制的冲裁件生产。

图2-20所示的无导向单工序冲裁模，在一些生产条件较差的小企业还经常见到。这种模具又被称为敞开式冲裁模，或开式冲裁模，该模具没有正规的卸料机构，将橡胶套在凸模上即可卸料。

（2）导板式简单冲裁模。图2-21所示为导板式简单冲裁模。模具没有导柱、导套，但却具备导向功能。上模由带有模柄的上模座8、垫板10、凸模固定板11和凸模6组成。下模由下模座1、凹模14、导料板13、挡料销5和起导向作用的导向卸料板3（又称导板）组成。

导板模的特点是上、下模两部分依靠凸模与导板的小间隙配合导向。在冲裁过程中，凸模始终与导板保持配合接触，以保证模具导向精度。因此，在冲裁过程中，压力机的行程不能大于导板厚度（工厂使用较多的是行程较小并且可调的偏心式冲床）。导板同时起卸料板的作用。导板与凸模的配合间隙必须小于凸、凹模间隙，通常取H7/h6间隙配合。

导板模比无导向模的导向精度高，调整安装容易。但因为导板的厚度直接影响到压力机的行程，故导板较厚。导板内型孔表面粗糙度数值通常为Ra=0.8μm，并要求淬火，因此导板应选用较好的材料制作。因为导板模结构的特殊性，制造比较麻烦，所以它的应用受到一定的限制。一般适用于形状简单、尺寸不大的冲裁件。

（3）导柱式简单冲裁模。图2-22所示为导柱式简单冲裁模。该模具是利用导柱14和导套13实现上、下模精确导向定位。凸、凹模在进行冲裁之前，导柱已经进入导套，从而保证在冲裁过程中，凸模和凹模之间的间隙均匀一致。上、下模座和导柱、导套装配组成一个整体部件，称为模架。

这种模具的结构特点是，导柱与下模座孔为H7/r6（或R7/h6）的过盈配合；导套与上模座孔也为H7/r6的过盈配合。其主要目的是防止工作时，导柱从下模座孔中被拔出和导套从上模座孔中脱落下来。为了使导向准确和运动灵活，导柱与导套的配合一般采用H7/h6的间隙配合。冲模工作时，条料靠导料板15和固定挡料销5实现正确定位，以保证冲裁时条料上的搭边值均匀一致。这副冲模采用了刚性卸料板6进行卸料，冲出的工件在凹模孔洞中，由凸模逐个从凹模内孔直壁处压下，实现自动漏料。

刚性卸料板适用于冲裁板料厚度在0.5mm以上的条料，图2-23所示为几种刚性卸料板。其中图2-23（a）、（b）所示是封闭式刚性卸料板；图2-23（c）所示是悬臂式刚性卸料板，适用于窄而长的毛坯；图2-23（d）所示是钩形刚性卸料板。刚性卸料板用螺钉和销钉固定在下模上，能承受较大的卸料力，其卸料安全可靠，但操作不便，生产效率不高。刚性卸料板与凸模之间的单边间隙一般取0.1～0.5mm。刚性卸料板的厚度取决于卸料力的大小及卸料尺寸，生产中一般取5～12mm。

导柱式冲模的缺点是，冲模外形轮廓尺寸较大，结构也较为复杂，制造成本高，适合大批量生产。

（4）侧孔冲裁模（冲侧孔模）和小孔冲模。冲孔模的结构与一般落料模相似。但冲孔模有自己的特点，特别是冲小孔模具，必须考虑凸模的强度和刚度，以及快速更换凸模所采用的模具结构。

在已成形零件侧壁上冲孔时，要设计凸模水平运动方向的转换机构。

图2-24是在成形零件的侧壁上冲孔的模具结构图。图2-24（a）采用的是悬臂式凹模结构，可用于圆筒形零件的侧壁冲孔、冲槽等。毛坯套入凹模体3，由定位环6控制轴向位置。此种结构可在侧壁上完成多个孔的冲制。在冲多个孔时，模具结构上要求考虑分度定位机构。

图2-24（b）采用了斜楔机构。冲孔时，依靠固定在上模的斜楔8来推动滑块11，使凸模12作水平方向移动，完成筒形件或U形件的侧壁冲孔、冲槽、切口等工序。

斜楔的返回行程运动，借助于橡胶或弹簧的推动来完成。斜楔的工作角度α以40°～50°为宜。40°斜楔滑块机构的机械效率最高，45°时滑块的移动距离与斜楔的行程相等。需较大冲裁力的冲孔件，α可采用35°，以增大水平推力。此种结构凸模常采用对称布置，最适宜侧壁有对称孔的冲裁件。

图2-25所示是小孔冲模的模具结构图。实际生产中，该模具能冲制多种带小孔的工件，工件之一如图中右上角所示。工件板厚t=4mm，最小孔径为2.03mm（约0.5t）。

在模具结构上，采用了缩短凸模长度的方法，以防止凸模在冲裁过程中产生弯曲变形而折断。这种结构的模具，制造比较容易，凸模寿命也较长。

工作时，安装于上模中的冲击块5冲击凸模进行冲裁。小凸模由小压板7进行导向，小压板7依靠两个小导柱6进行导向。当上模下行时，大压板8与小压板7先后压紧工件。小凸模2、3、4的上端，露出小压板7的上平面，上模连同安装于其内的压缩弹簧继续下行，冲击块5冲击小凸模2、3、4对工件进行冲孔。卸件工作由大压板8完成。厚料冲小孔的模具，其凹模洞口漏料必须畅通，防止废料堵塞，损坏凸模。冲裁件在凹模上由定位板9与1定位，并由后侧压板10使冲裁件紧贴定位面。

2.复合冲裁模

复合冲裁模是在压力机的一次行程中，在同一工位上完成两道或两道以上的冲裁工序的模具。复合冲裁模结构紧凑，冲出的制件精度较高，生产率高，适合大批量生产。特别是制件的内孔与外形的同心度容易保证。但模具结构复杂，制造较困难。

根据落料凹模安装的位置，复合冲裁模可分为正装与倒装两种形式。

（1）正装复合冲裁模。正装复合冲裁模的凸凹模7安装在上模，落料凹模2安装在下模部分，如图2-26所示。

当压力机滑块带动上模向下运动时，几乎在同一时间内完成冲孔和落料工作。冲裁工作完成后，条料箍在凸凹模7上，由卸料螺钉、橡胶和弹性卸料板6组成的弹性卸料装置卸料。冲孔废料卡在凸凹模7的模孔内，由推件杆8将废料推出凸凹模。工件卡在落料凹模2的洞口内，由推件块4将工件从落料凹模洞口内推出。对于有气垫的冲床，可省去下面的弹性推件装置。

正装复合冲裁模在工作时，制件及外部的余料，均处于压紧状态下而被分离，所以制件外形平整，尺寸精度高，适合于薄料冲裁，以及工件平直度要求较高或冲制时材料容易变形的冲裁。但其冲制的工件和废料，最终都落在下模的上表面上，因此，必须及时清除后，才能进行下一次的冲裁。这就给操作带来不便，也不安全。特别是对多孔工件的冲裁，不宜采用这种结构。

（2）倒装复合冲裁模。倒装复合冲裁模的落料凹模11安装在模具的上模，凸凹模14安装在模具的下模（下模座上），如图2-27所示。

图2-27所示为一副典型的倒装复合冲裁模。冲裁时，弹性卸料板12先压住条料起校平作用。压力机滑块带动上模继续向下运动，落料凹模将弹性卸料板压下，使凸凹模进入落料凹模之中，同时，冲孔凸模也进入凸凹模之中，同时完成冲孔与落料工作。当上模回程时，弹性卸料板在橡胶作用下，将条料从凸凹模上卸下。推杆1受到冲床的打料横杆的推动，通过推板3、推杆4与推件板9将制件从落料凹模内自上而下推出。冲孔废料则直接从凸凹模孔中漏到压力机工作台面的下边，在凸凹模孔中有积料现象，有张破凸凹模的可能。

（3）复合冲裁模的特点和设计注意事项。

①复合模中必定有一个或几个凸凹模，凸凹模是复合模的核心零件。当采用复合模冲裁时，其复合工序之间不存在再定位误差，所以冲裁得到的制件精度，比单工序模具冲裁的精度要高。一般冲裁件的精度可达到IT10～IT11级，特别是同轴度易保证。

②复合模往往受冲裁件形状等因素所限，凸凹模的强度较弱，所以它适合薄料冲裁，材料过厚时不宜采用复合模。

③复合模结构比较复杂，所以其闭合高度往往偏高，在设计时尤其要引起注意。

④复合模的成本偏高，制造周期偏长，一般适合较大批量的冲裁件生产。

⑤设计复合模时要确保凸凹模的自身强度，尤其要注意凸凹模的最小壁厚。倒装复合模凸凹模最小壁厚数值可参考表2-16。

表2-16 倒装复合模凸凹模最小壁厚 单位：mm

注：当设计凸凹模结构，其壁厚等于或接近最小值时，可以在有效刃口以下部位适当加大尺寸，以增强凸凹模的强度。

⑥复合模的推件装置结构形式种类很多，在设计时应注意打料杆、推杆、推件块等零件要有足够的活动量，而且相关推件装置的活动量应协调一致。

⑦复合模中的模柄结构应保证模柄装入模座后配合良好，有足够的稳定性。

3.级进冲裁模

级进冲裁模又称为连续模、跳步模。这种冲裁模是按照一定的冲裁次序，在压力机滑块的一次行程中，在冲模的不同工位上完成两种以上的冲裁工序。

在级进模冲裁中，不同的冲裁工序分别按一定的次序排列，坯料按送料步距移动，在等距离的不同工位上完成不同的冲裁工序。经逐个工位冲裁后，便得到一个完整的制件或半成品，如图2-28所示。

采用级进模冲裁生产率高、操作安全、易于实现自动化，可容易地实现高速冲裁，模具寿命长。对于大批量、厚度较薄的中小型冲裁件，特别适合采用精密多工位级进模进行生产。与简单模和复合模相比，级进模的凸模数量多、结构复杂，平面几何尺寸较大，模具制造与装配难度大，精度要求高，步距控制精确，对模具材料及热处理要求高。

（1）固定挡料销和导正销定位的级进模。图2-29所示是冲制垫圈的冲孔、落料级进模。其工作零件包括冲孔凸模3、落料凸模4、凹模7。定位零件包括导料板5（与导板为一体）、挡料销8和始用挡料销10、导正销6。始用挡料销10限定条料的初始位置，进行冲孔。始用挡料销在弹簧作用下复位后，条料再送进一个步距，以固定挡料销粗定位，落料时以装在落料凸模端面上的导正销进行精定位，保证零件上的孔与外圆的相对位置精度。落料的同时，在冲孔工位上冲出孔，这样连续进行冲裁，直至条料或带料部分冲完为止。采用这种级进模，当冲裁件的形状不适合用导正销定位时，可在条料上的废料部分冲出工艺孔，利用装在凸模固定板上的导正销进行导正。

级进模一般都有导向装置，该模具是用导料板5给凸模导向，并以导板进行卸料。为了便于操作和提高生产率，可采用自动挡料定位或自动送料装置加定位零件进行定位。

（2）侧刃定距的级进模。图2-30所示是双侧刃定距的冲孔落料级进模。它以侧刃16代替了始用挡料销，侧刃和导料板控制条料送进距离，侧刃又是具有特殊功用的凸模，其作用是在压力机每次冲裁行程中，沿条料边缘切下一块长度等于步距的边料。由于沿送料方向上，在侧刃前后两导料板间距不同，前宽后窄形成一个凸肩，所以条料上只有切去料边的部分才能通过，通过的距离即等于送料步距。

为了减少料尾损耗，尤其工位较多的级进模，可采用两个侧刃前后对角排列，该模具采用的就是这样的结构。此外，由于该模具冲裁的板料较薄（0.3mm），又是侧刃定距，所以需要采用弹性卸料代替刚性卸料装置。

三、冲裁模具零部件的结构设计

1.冲裁模零件分类

冲裁模具的设计，应根据冲裁件的结构特点、精度等级、尺寸和形状、材料种类和厚度及生产批量和经济性等因素综合考虑。冲裁模具的结构形式和复杂程度虽然各不相同，但组成模具的各种零件有很多共性。

按照零件在模具中的作用，冲裁模具的零件可分为工艺性零件和结构性零件两大类。

（1）工艺性零件。工艺性零件主要包括成形零件、定位零件、压料和卸料零件、推件零件等。

①成形零件主要有凸模、凹模、凸凹模等。

②定位零件主要有定位销、定位板、挡料销、导正销、侧刃等。

③压料和卸料推杆零件主要有卸料板、压边圈、顶件板、推件板等。

（2）结构性零件。结构性零件主要包括导向零件、固定零件、其他紧固零件等。

①导向零件主要有导板、导柱和导套等。

②固定零件主要有模座、模柄、凸凹模固定板、垫板等。

③其他紧固零件主要包括内六角螺钉、圆柱销等。

对冲压模具我国已制定了国家标准，包括模架、典型组合部件、零部件技术条件等。设计时可参照标准选用标准零部件，这对简化模具设计和制造、提高模具寿命、降低成本、缩短制造周期，都有十分重要的意义。

2.冲裁模具主要零部件的设计

（1）凸模设计。介绍凸模的结构形式、固定方式等知识。

①凸模的结构形式。冲裁中、小型零件所使用的凸模，一般按整体式进行设计和制造。常见的圆形截面凸模的结构形式如图2-31所示。为增强凸模的强度和刚度，避免应力集中，凸模做成圆滑过渡的阶梯形，直径最大的一个阶梯（或称台肩）用来保证凸模在卸料时不被拉出。其中图2-31（a）所示的小圆形凸模适用于直径较小的圆孔。为改善其强度，在中间增加过渡阶梯。图2-31（b）所示的凸模适用于直径稍大的圆孔。其与凸模固定板相配合的阶梯部分向下延长，以增大其强度。图2-31（c）所示的凸模适用于较大直径的圆孔。因直径较大，可不在中间部分增加过渡阶梯。冲裁大圆孔或落料用的凸模，常采用图2-31（d）所示的结构形式。其固定方式将在下面的段落中详细讲述。

图2-31（e）所示的结构形式采用了护套，适用于冲制孔径与料厚相近的小孔。

对于具有复杂截面形状的凸模，一般设计成直通式结构，如图2-32所示。这类凸模的加工常采用成形磨削和线切割加工工艺。

②凸模固定方式。凸模采用固定板固定时，必须保证凸模工作可靠和良好的稳定性，还需要考虑凸模在安装及更换和修理时拆装方便。生产中常用的固定方式有机械固定、浇注固定、拼块固定等。常见的凸模固定方式如表2-17所示。

表2-17 常见的凸模固定方式

续表

③凸模长度计算。凸模的长度一般根据结构上的需要确定，如图2-33所示。计算凸模长度时，应考虑固定板、卸料板的厚度、刃磨余量，以及模具在闭合状态下，卸料板及固定板之间应留有的安全距离。凸模长度L的计算公式为：

L=h1＋h2＋h3＋a （2-32）

式中，h1为固定板的厚度（mm）；h2为固定卸料板的厚度（mm）；h3为导尺厚度（mm）；a为附加长度，附加长度包括凸模的修磨量、凸模进入凹模的深度、凸模固定板与卸料板的安全距离等，一般可取10～20mm。

（2）凹模设计。涉及凹模类型、外型尺寸的确定等因素。

①凹模类型。按凹模刃口（孔口）形式，常见的凹模类型有以下3种，如图2-34所示。

●圆柱形孔口，如图2-34（a）所示。这种结构刃口的强度较高，刃磨后工作部分的尺寸不变，主要用于冲制材料较厚、形状较复杂的制件。圆柱部分高度h及锥部α的推荐取值范围如下：

t＜0.5mm， h=3～5mm

t=0.5～5mm， h=5～10mm

t=5～10mm， h=10～15mm

孔口下方设计成锥部，是为了漏料方便。其斜角α值可取为3°～5°。

●锥形孔口，如图2-34（b）所示。这种结构的刃口刃磨后，工作部分的尺寸会变大，主要用于冲制精度较低、形状较简单的制件。锥部α的推荐取值范围如下：

t＜1mm， α=0.5°

t=1～3mm， α=1°

t=3～5mm， α=1.5°

●具有过渡的圆柱形孔口，如图2-34（c）所示。该结构具有圆柱形孔口的特点，且制造方便，是生产中常用的一种结构形式。其h值可参照圆柱形孔口的h确定。

②凹模外形尺寸的确定。凹模外形结构有圆形、矩形等，设计时可查阅模具设计手册。下面简单介绍矩形凹模外形尺寸（见图2-35）的确定。

凹模厚度H（不小于8mm）可参照下式确定：

H=Kb1 （2-33）

式中，K为系数，可从表2-18中查出；b1为垂直于送料方向的凹模孔口最大距离。

表2-18 凹模厚度系数K

凹模长度L可按下式计算：

L=L1＋2l1 （2-34）

式中，L1为平行于送料方向的凹模孔口间最大距离；l1为凹模孔口侧壁至凹模外缘的距离，如表2-19所示。

表2-19 凹模孔口侧壁至凹模外缘的距离 单位：mm

凹模宽度B（mm）：

B=b1＋（2.5～4.0）H （2-35）

根据计算的凹模尺寸，查国标JB/T 7643.1—1994，选取凹模标准尺寸。

图2-36所示的非标准凹模，可按经验公式计算：

凹模厚度H=Kb（＞15mm）

凹模壁厚c=（1.5～2）H（小型凹模）

或 c=（2～3）H（大型凹模）

式中，b为冲裁件最大外形尺寸（mm）；K为系数，其值可查表2-20。

表2-20 系数K值

（3）凸凹模的设计。凸凹模的内外缘均为冲裁刃口，内外缘之间的壁厚决定于冲裁件的尺寸。从强度考虑，壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚与冲模结构有关，对于正装复合模，凸凹模孔内不会积存废料，涨力较小，最小壁厚可以小一些；对于倒装式复合冲裁模，因为孔内积存废料，所以最小壁厚可适当大一些。

大、中型凸凹模多采用整体式结构，如图2-37所示。可以直接用销钉、螺钉固定在支撑零件（上、下模座）上。中小型凹模，多采用组合结构，如图2-26、图2-27所示，借助固定板与支承零件连接。

3.定位零件的设计

常见的定位零件有挡料销、定位板、导正销和定距侧刃等。

（1）挡料销。挡料销的作用是确定条料或带料在送料时的距离，生产中常用的有自动挡料销、固定挡料销、活动挡料销以及始用挡料销等。

①自动挡料销。当采用这种挡料销时，无须将料抬起或后拉，只要在冲裁后将料往前推，便能自动挡料，所以在冲裁时能连续送料，如图2-38所示。

②固定挡料销。图2-39所示为一种常用的固定挡料销。这种挡料销结构简单，一般装在凹模上，适用于带固定卸料板和弹性卸料板的冲裁模。其中图2-39（a）为圆头形式，结构对称。图2-39（b）为钩形挡料销，由于形状不对称，挡料销固定孔可以远离冲裁刃口，有利于提高凹模强度，延长凹模的寿命。

③活动挡料销。图2-40所示为活动挡料销。这种结构的挡料销能自由活动，其中图2-40（a）、（b）常用于带有活动下卸料板的敞开式冲裁模。图2-40（c）又称回带式活动挡料销，靠销子的后端面挡料，送料较固定挡料销方便，不必将条料在挡料销上套进套出，但定位时需将条料前后移动，因此生产率较低。

④始用挡料销。始用挡料销又称临时挡料销，一般用在级进模上。当开始冲裁时，可确定条料的准确位置，使用时将条料向里压紧，如图2-41所示。

（2）定位板与定位钉。定位板、定位钉一般用于对单个毛坯的定位，主要形式如图2-42所示。其中图2-42（a）、（b）、（c）、（d）用于制件外轮廓定位，图2-42（e）、（f）用于制件内孔定位。

（3）导正销。导正销多用于级进模中，在冲裁时与其他定位零件相配合，插入前工位已冲好的孔中进行精确定位。导正销装配在第二工位以后的凸模上，其形式如图2-43所示。

导正销的头部分直线与圆弧两部分，直线部分h不宜太大，一般取h=（0.2～1）t。导正销的尺寸D1与导正销孔之间应有一定的间隙。

（4）侧刃。侧刃也是用来控制条料送进距离的一种装置，但它在工作时，要切去条料侧边少量的材料，如图2-44所示。

（5）侧压机构。当条料沿导料板送进时两者之间存在间隙，侧压机构是为避免送料时，条料在导料板中间发生摆动而设置的装置，如图2-45所示。其中图2-45（a）采用弹簧片侧压，侧压力小，压力不能调整，适用于窄条料、薄料（料厚小于1mm）。图2-45（b）所示侧压板的侧压力较大，压力可调，适用于宽条、厚料。图2-45（c）所示侧压板的侧压力大且均匀，但其结构复杂，一般仅用于进口料或高精度的制件。图2-45（d）所示侧压装置能保证中心位置不变，不受条料宽度误差的影响，常用于无废料排样的冲裁件加工，但此结构较为复杂。

4.卸料、推（顶）件机构的设计

（1）卸料机构。卸料机构的作用是将条料、废料从凸模上卸下，分刚性（即固定卸料板）和弹性两种，如图2-46所示。其中图2-46（a）所示的弹性卸料板，是利用弹簧或橡胶的弹压力进行卸料的。除卸料外，还对毛坯有压料作用。卸料板型孔与凸模的单面间隙为0.05～0.1mm，适用于薄料冲裁。对于卸料力要求较大，卸料板与凹模间又要求有较大的空间位置时，可采用刚弹性相结合的卸料装置，如图2-46（b）所示。图2-46（c）所示的刚性卸料板固定在凹模上面，卸料力大，但无压料作用，多用于厚料冲裁模，凸模与卸料板之间有0.2～0.5mm的单面间隙。

图2-47所示为多工位级进模中卸料板的导向结构形式（该卸料板是级进模中使用较多的一种镶拼式弹性卸料板）。这种卸料机构有利于保证型孔精度、孔距精度、配合间隙等要求。

图2-48所示的也是一种级进模中采用的弹性卸料板。这种卸料板在结构上的特点是，它与固定板之间安装了小导柱、导套进行导向。

（2）推（顶）件机构。推件（顶件）机构的作用是将制件或废料从凹模型孔中推（顶）出的装置。图2-49所示的是一种刚性推件装置，推件力靠压力机的横梁作用。冲裁结束，当上模随压力机滑块一起上升时，装在模柄孔内的打料杆4在横梁的阻挡下掉落，并通过打料板5、打料销钉2，压下推件器1，推件器将制件从凹模中推出。

5.导向及支撑固定零件的设计

（1）导柱和导套。对于生产批量大、模具寿命长、工件精度要求高的冲裁，一般采用导柱、导套来保证上、下模的精确导向。常见的结构形式有滑动和滚动两种。

图2-50所示的滑动导柱、导套，形状均为圆柱形，加工方便，装配容易，是模具行业应用最广的导向装置。图2-51所示为滑动导柱和导套的零件结构形式（零件图）。

图2-52所示为滚动导柱、导套的结构形式。滚动导柱和导套是一种无间隙、精度高、寿命长的导向装置。它适用于高速冲裁、精密冲裁以及硬质合金模具的冲裁生产。

（2）上、下模座。模座分带导柱和不带导柱两种，根据生产规模和产品要求确定是否采用带导柱的模座。带导柱标准模座的常用形式及导柱的常用形式及导柱的排列方式如图2-53所示。

图2-53（a）所示为后侧导柱模座，L=63～400mm。两个导柱装在后侧，可以三面送料，操作方便，但冲裁时容易偏裁而使模具歪斜。因此，它适用于中等精度、尺寸较小的冲裁件。图2-53（b）为对角导柱模座，L=63～500mm。两个导柱装在对角线上，便于纵向和横向送料。它适用于一般精度的冲裁件或级进模。图2-53（c）为中间导柱模座，L=63～630mm。两个导柱装在模架中间，便于纵向送料。它适用于较精密的冲裁件。图2-53（d）为四导柱模座，L=160～630mm。四导柱模架的导向性能最好，适用于精度要求高的冲裁件。图2-53（e）为后侧导柱窄形模座，适用于中等尺寸的冲裁件。图2-53（f）为三导柱模座，一般用于大型冲裁件的生产。

（3）模柄。模柄的作用是将模具的上模座固定在冲床的滑块上。常用的模柄形式如图2-54所示。其中图2-54（a）为带螺纹的旋入式模柄，多用于小型模具。图2-54（b）为带台阶的压入式模柄，它与模座孔的配合为H7/n6，可以保证较高的同轴度和垂直度，适用于各种中小型模具。图2-54（c）是铆接式模柄，精度和垂直度较差，可用于小型模具。图2-54（d）为带凸缘的模柄，与上模座连接后为防止松动，可用螺钉、销钉再进一步紧固，适用于较大的模具。图2-54（e）为浮动式模柄。图2-54（f）为整体式模柄，适用于矩形凸模。图2-54（g）为整体式模柄，适用于圆形凸模。图2-54（h）所示的模柄用于大型工件的冲裁。

练习与思考

1.冲裁件断面由哪几部分组成？试分析冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响。

2.冲裁间隙对模具使用寿命、冲裁工艺有哪些影响？

3.如图2-55所示冲裁模，材料为Q235A，板厚为2mm，试确定冲裁凸、凹模的刃口尺寸及公差。

4.什么是排样？常见的排样方法有哪几种？

5.什么是搭边？简述搭边的作用有哪些？

6.试分析简单模、复合模、级进模的特点及其应用。

7.试分析正装、倒装落料冲孔复合模的优缺点及应用。

8.试分析弹性卸料、刚性卸料装置的特点及应用。