卡圈零件冲压工艺及模具设计方案Word格式文档下载.docx
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模具结构简单，但需要两道工序，两套模具才能完成零件的加工，生产效率低，难以满足零件大批量生产的要求。
且两道工序中的定位误差，将导致孔中心距尺寸精度难以保证。
2
复合模生产
落料-冲孔复合
同一副模具完成两道不同的工序，大大减小了模具规模，提高生产效率，也能提高压力机等设备的使用效率，操作简单、方便，适合大批量的生产，能可靠地保证孔中心距尺寸精度。
3
级进模生产
冲孔-落料连续
同一副模具不同工位完成两道工序，生产效率高，模具成本要高，两工位之间的定位一要求非常高，否则无法保证孔中心距尺寸精度
经过比较，复合模生产最为恰当，既能保证精度，成本又低，效率高。
如果采用正装结构，落料废料均落在凹模表面，将导致清除困难而降低生产效率，增大劳动强度。
因此复合模采用倒装结构。
为保证制件较高的位置公差要求，上下模之间采用后侧导柱，条料采用手动送料，进入模具内依靠导料销保证送进导向，定位销保证定距精度。
冲裁完成后，冲孔完成后，冲孔废料由漏料孔从下模出，制件则由上模刚性顶件装置顶出，落在下模表面；
落料废料则由安装于下模弹性卸料装置从凸凹模上剥落。
2.3冲裁间隙的确定
冲裁间隙是指冲裁凸模和凹模刃口部分尺寸之差，其值可正、可负，在一般的普通冲裁中均为正值。
凸凹模每侧间隙称为单边间隙，两侧间隙之和称为双边间隙。
若无特殊说明，冲裁间隙指双边间隙。
单边用间隙用C表示，双边用Z表示。
圆形冲裁模双边间隙为Z=D凹-D凸
式中D凹——冲裁模凹模直径尺寸（mm）
D凸——冲裁模凹模直径尺寸（mm）
2.3.1间隙的影响
冲裁间隙除了对冲裁件的质量起着决定性的作用以外，对模具寿命也有较大的影响。
间隙过小会使模具寿命降低，同时，小间隙还使模具制造的难度加大。
因此，冲裁间隙是保证合理冲裁过程的最主要的工艺的工艺参数。
影响合理冲裁间隙值的主要因素是板料厚度和材料性质。
板料愈厚，间隙数值也愈打。
反之板料愈薄，则间隙应愈小。
材料塑性愈好，间隙数值也应愈小。
而塑性差的硬材料，间隙数值就应大一些。
2.3.2合理冲裁间隙值的确定
冲裁间隙对冲裁件质量、模具寿命、冲裁力等都有很大的影响，但影响规律各不相同，不可能存在一个间隙值同时满足各项要求。
通常选择一个合适的间隙范围，在这个范围内能得到质量令人满意的冲裁件，并且满足冲裁力较小、模具有较高的使用寿命的要求。
我们称这个合适的间隙范围为合理间隙，它是一个范围值，其上限为最大合理间隙Zmax，下限为最小合理间隙Zmin。
实际生产中，间隙值的选择主要考虑冲裁断面的质量和模具寿命这两个方面。
根据工件和生产上的具体要求可按如下原则选取间隙值。
1）工件的断面质量无严格要求时，选取较大的间隙值。
2）工件的断面质量及制造精度较高时，选取较小的间隙值。
3）在设计计算冲模刃口尺寸时，考虑模具在使用过程中的因磨损而导致隙值增大，应当按Zmin来计算。
确定间隙值的方法有理论计算法、经验确定法。
因为计算法在使用中不方便，实际生产中常用经验表或经验公式确定，其中经验数表法应用最广。
冲裁间隙经验数据表很多，在一般的冲压手册和模具设计资料上都可以查阅，应当注意的是有的数值相差比较大，在选择时应结合实际需要综合考虑。
计算间隙值的经验公式为
Z=mt
（2-1）
式中，t—材料厚度
m—系数，与材料厚度、性质有关，不同的行业也有差异
查表2-1选得间隙值为Zmin=0.246、Zmax=0.360（mm）。
表２-1冲裁模刃口始用间隙
材料名称
08F、10、35、09Mn、Q235
16Mn
40、50
65Mn
厚度t
初始间隙Z
Zmin
Zmax
<
0.5
间隙很小或无间隙
1.0
0.100
0.140
0.100
1.5
0.132
0.240
0.170
0.230
2.0
0.246
0.360
0.260
0.380
0.380
2.5
0.500
0.280
0.540
为了使模具能在较长时间内冲制出合格的零件，提高模具的利用率，一般设计模具时取Zmin作为初始间隙。
2.4工件排样
在冲压生产中，节约和减小废料具有非常重要的意义。
据统计，零件的材料费用占制造成本的60%和80%，冲裁件在板料、条料或布料上的布置方式，称为冲裁件的排样法，简称排样。
在模具的设计中，排样的设计是一项极为重要的、技术性很强的设计工作。
排样合理与否，直接影响到材料利用率、制件质量、生产率与成本以及模具使用寿命等，所以排样工作的好坏是左右冲裁经济效益的重要因素之一。
2.4.1材料的利用率
排样的目的是为了合理利用原材料。
衡量排样经济性、合理性的指标是材料的利用率。
所谓材料利用率是指冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比。
材料利用率的计算公式如下：
一个进距的材料利用率η的计算如下：
η=（ｎA/Bh）×
100%（2-2）
式中A——冲裁件面积（包括内形结构废料），（mm2）；
n——一个进距内冲裁件数目。
b——条料宽度，（mm）。
h——进距,（mm）
一张板料上总的材料利用率η总的计算如下：
η总=（ＮA/LB）×
100%（2-3）
式中N——冲裁件总数目；
A——板料宽度
L——板料长，（mm）；
B——条料宽度
由公式可知，η总，η值越大，材料废料越少，材料利用率就越高。
冲裁件所产生的废料分两种，一是工件的各种内孔产生的废料，它取决于工件的形状，一般不能改变，称设计废料；
二是由于工件之间的搭边及工件与条料侧面的搭边、板料的料头、料尾而长产生的废料，它取决于冲压方式与排样方式，称为工艺废料。
提高材料利用率最主要的途径是合理排样使工艺废料尽量减少小，另外在满足工件使用要求的前提下，适当改善工件的结构形状也可以提高材料的利用率。
2.4.2排样方法
常用的冲裁件排样方法分为三类。
（1）有废料排样
（2）少废料排样
（3）无废料排样
少、无废料排样的缺点是工件质量较差，模具寿命不高。
但这两类排样可以节省材料，还具有简化模具结构、降低冲裁里和提高生产率等优点。
并且，工件必须具备一定的形状特征才能采用少、无废料排样。
对于形状复杂的工件，经常采用试排法。
上述采用的三类排样方法，按工件的外形特征有可分为直排、斜排、直对排、混合排、多行排及裁搭边等多种形式。
为满足尺寸精度的要求，设计的卡圈零件采用直排法。
2.4.3搭边
排样中相邻两制件之间的余料或制件与条料边缘间的余料称为搭边。
其作用是补偿定位误差和保持有一定的强度和刚度，防止由于条料的宽度误差、送进步距误差、送料歪斜等原因而冲裁出残缺的废品，保证冲出合格的工件，便于送料。
搭边值要合理确定。
搭边值过大，材料利用率低。
搭边值小，材料利用率虽高。
但过小的时就不能发挥搭边的作用，在冲裁过程中会被拉断，造成拉断，造成送料困难，使工件产生毛刺，有时还会被拉入凸模和凹模间隙，损坏模具刃口，降低模具寿命。
搭边值过小，会使作用在凸模侧面上的法向应力沿着落料毛坯周长的分布不均匀，引起模具刃口的损失。
为避免这一现象，搭边的最小宽度约为毛坯的厚度，使之大于塑变区的宽度。
搭边值的大小与下列因数有关：
1）材料的力学性能。
硬材料可小，软材料、脆性材料的搭边值要大一些
2）工件的形状与尺寸。
尺寸大或有突尖的复杂形状时，搭边值要取得大一些。
3）材料厚度。
厚材料的搭边值应取得大一些。
4）送料方式及挡料方式。
用手工送料、有侧压板导向的搭边值可以小一些。
搭边值一般由经验确定
由卡圈零件图和排样图2-2可得知：
因为经过卡圈毛坯经落料冲孔后，还须进行弯曲工序才能得到最后支承板零件，故在进行复合模的排样时，必须先进行弯曲展开计算。
卡圈弯曲展开长度为：
L=39×
2+180°
л（30+0.5×
2）/180°
=174mm
冲裁件面积：
A=174×
130mm2=22620mm2
条料宽度：
b=174+3×
2mm=180mm
进距：
h=130+2.5mm=132.5mm
一个进距的材料利用率：
η=（nA/bh）×
100%=22620×
1mm2/（132.5mm×
180mm）×
100%=94.8%
图2-2排样图
2.5冲压工艺力计算
冲裁力是设计模具、选择压力机的重要参数。
计算冲压力的目的是为了合理地选择冲压设备和设计模具。
选用冲压设备的标称压力必须大于所计算的冲裁力，所设计的模具必须能传递和承受所计算的冲裁力，以适应冲裁的要求。
冲裁力包括冲裁力、卸料力、推件力、顶件力的计算。
2.5.1冲裁力计算
使板料发生分离的力。
直接影响冲裁的主要因数有抗剪强度、材料厚度和冲裁轮廓周长。
同时，冲裁间隙、冲裁速度、润滑情况等都对冲裁力有影响。
冲裁力的大小主要与材料性质、厚度、冲裁件周长、模具间隙大小及刃口锋利程度有关。
一般对于普通平刃口的冲裁，其冲裁力F可按下式计算：
F=K·
L·
t·
τ（2-4）
式中F——冲裁力,N；
K——系数。
考虑到模具刃口的磨损，模具间隙的波动，材料力学性能的变化及材料厚度偏差因素，一般取K=1.3
L——冲裁件的冲裁长度,mm；
t——板料厚度，mm；
τ——材料的抗剪强度,Mpa；
有时也可用材料的抗拉强度进行计算：
F=L·
σb（2-5）
式中σb——为材料的抗拉强度，Mpa
在落料冲孔复合模中，冲裁力包含落料力和冲孔力。
由卡圈零件图可得:
落料力：
L=2×
（130+80+30л）mm=608mm
t=2mm
σb=450MPa
F落=L·
σb=608×
10-3×
2×
450×
106=547.2KN
冲孔力：
L1=4×
л×
11=138.2mm
σb——为材料的抗拉强度，Mpa
t=2mm
F孔=L·
σb=138.2×
106N
=124.4KN
1）降低冲裁力的计方法
在冲裁高强度材料或厚度大、周边长的工件时，所需的冲裁力往往超过现有冲床的吨位，为了充分利用设备，研究如何降低冲裁立是一个很重要的问题。
由上面的计算公式，应该从减少工件同时受力的周边长度和降低材料机械性能等方面考虑，一般采用如下几种降低冲裁力的方法。
（1）斜刃口冲裁法
平刃口冲裁时，整个刃口平面同时接触板料，而斜刃口模具冲裁时，由于刃口是倾斜的，冲裁时刃口不是同时切入，而是逐步冲切材料，这样就减小了冲切断面积，从而降低冲裁力。
（2）加热冲裁法
材料在加热状态下剪切强度大大降低，从上面计算公式可知能够减低冲裁力。
但材料加热后会产生氧化皮，还会产生变形，故此法只适用于厚板或工件表面质量及精度要求不高的工件。
（3）阶梯布置凸模冲裁法
在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同高度，呈阶梯布置。
这样可使各个凸模冲裁力的峰值不同时出现，从而减低了总的冲裁力，凸模间的高度差按材料厚度确定。
采用阶梯布置凸模时，应尽可能对称布置，同时应把小凸模做得短一些，大凸模做得长一些，这样可以避免小凸模由于材料流动的侧压力而产生倾斜或折断的现象。
2.5.2卸料力、推件力和顶件力的计算力
冲裁后，冲下的工件（或废料）因弹性恢复而扩张，会梗在凹模洞口内或冲
出的孔会因弹性收缩会紧箍在凸模上。
而冲裁下来的工件径向会扩张，并因要力图恢复弹性，所以会卡在凹模孔内，为了使冲裁过程连续，操作方便，就需把套在凸模上的材料卸下，把卡在凹模孔内的冲件或废料推出。
卸料力：
从凸模上卸下紧箍着的材料所需的力
推件力：
把落料件从凹模洞口顺着冲裁方向推出去的力
顶件力：
逆着冲裁方向将工件从凹模内顶出来的力
影响这些力的因素很多，主要是材料的力学性能和厚度、模具间隙、凸凹表面粗糙度、工件形状和尺寸及润滑条件等。
并且这些因素的影响规律也很复杂，要精确计算这些力是很困难的，所以实际应用中都采用下列经验公式。
F卸=K卸·
F落
F推=n·
K推·
F孔
F顶=K顶·
F落（2-6）
式中：
K卸——为卸料力系数,其值见表2-2；
K推——为推件力系数
K顶——顶件力系数
n——同时卡在凹模内的零件数（对圆柱形洞口，n=H/t,且H为洞口高，t为板料厚度。
对圆锥形孔口，不会有工件卡在其中，所以不计算推件力）
表2-2推件力、顶件力、卸料力系数
料厚/（mm）
K卸
K推
K卸
钢
≤0.1
>
0.1~0.5
0.5~2.5
2.5~6.5
0.065~0.075
0.045~0.055
0.04~0.05
0.03~0.04
0.1
0.063
0.055
0.045
0.14
0.08
0.06
0.05
2.5.3总冲压力的计算
冲压工艺力是选择压力机吨位的主要依据。
选择压力机时，以上的力是否都考虑进去，要根据模具的结构形式具体形式。
采用刚性卸料和自然漏料方式：
F总=F落＋F孔＋F推
采用刚性打件、弹性卸料的倒装结构方式：
F总=F落＋F孔＋F卸
采用弹性卸料和弹性顶件方式：
F总=F落＋F孔＋F卸+F顶
采用弹性卸料和自然漏料方式：
F总=F落＋F孔＋F卸＋F推
卡圈复合模结构采用弹性卸料和自然漏料方式：
F落=（0.04×
547.2）KN=21.9KN
F孔=（4×
0.055×
124.4）=27.4KN
（n=h／t=8mm／2mm=4个）
=（547.2＋124.2＋21.9＋27.4）KN=720.7KN
选择压力机时，压力机的公称压力必须大于F总
2.6模具压力中心计算
冲模对工件施加的冲压力合力的中心称为模具的冲压压力中心。
要使冲压模具正常工作，模具的压力中心必须通过模柄曲线和压力机的滑块中心线重合。
否则在冲压时将产生弯矩，使冲压设备的滑块和模具发生歪斜，引起凸、凹模间隙不均匀，刃口迅速变钝，并使冲压设备和模具的导向机构产生不均匀磨损。
所以在设计模具时，要使模具的压力中心通过模柄的轴线，从而保证模具的压力中心和冲床滑快中心重合。
冲裁件的压力中心与冲裁件的中心不同，压力中心是冲裁合力的中心，与冲裁力大小和作用位置有关。
而重心则取决于工件形状和质量分布，只有当工件具有中心对称形状时，压力中心才和中心重合。
对称形状的工件，其压力中心O位于轮廓图形的几何中心。
图2-3为卡圈冲压工件图，很明显压力中心与工件的几何中心O重合
图2-3卡圈冲压工件图
2.7凸、凹模刃口尺寸计算
在冲裁工作中，凸模、凹模刃口部分尺寸及制造公差将直接影响冲裁件的尺寸精度，同时合理的间隙值也是靠凸模，凹模刃口尺寸来实现和保证的，因此，正确确定冲裁模刃口部分尺寸及制造公差是模具设计中的一项关键性工作。
2.7.1.凸、凹模刃口尺寸公差计算的原则
实践证明，落料件的尺寸接近于其凹模刃口尺寸，而冲孔尺寸接近于其凸模刃口尺寸。
所以，落料时取凹模作为设计的基准件；
冲孔时取凸模作为设计的基准件。
计算凸模和凹模尺寸时应遵循的原则如下：
1）落料模先确定凹模刃口尺寸，其标称尺寸应取接近于或等于制件的最小极限尺寸，以保证凹模磨损到一定的尺寸范围直内，也能冲出合格制件，凸模刃口的标称尺寸比凹模小一个最小合理间隙。
2）冲孔模时先确定凸模刃口尺寸。
凸模刃口的基本尺寸取接近或等于孔的最大极限尺寸，以保证凸模磨损在一定范围内也可使用。
而凹模的基本尺寸则按凸模刃口的基本尺寸加上一个最小间隙值。
3）选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，既要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。
一般冲模精度较工件精度高2～3级。
工件尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差。
所谓“入体”原则是指标注工件尺寸公差时应向材料实体方向单向标注，即：
落料件正公差为零，只标注负公差，只标注负公差；
冲孔件负公差为零，只标注正公差。
2.7.2．凸、凹模刃口尺寸计算的方法
因工件形状比较简单，而且是大批量生产，宜采用凸模与凹模分开加工
根据材料厚度，如表2-1，查手册可得：
Zmax=0.36mm
Zmin=0.246mm
Zmax-Zmin=0.116mm
——凸模、凹模制造公差
——工件公差
图2-4冲孔、落料时各部分尺寸公差的分配位置
1）对冲孔尺寸φ
的凸、凹模偏差查手册，如表2-2，得：
表2-3规则形状冲裁时凸模、凹模的制造公差
基本尺寸
凸模公差δ凸
凹模公差δ凹
≤18
0.020
＞18～30
0.025
＞30～80
0.030
δ凸=-0.020mm
δ凹=+0.020mm
∣δ凸∣+∣δ凹∣=0.04<
Zmax–Zmin
表2-4因数x
材料厚度
t/mm
非圆形x值
圆形x值
0.75
工件公差Δ/mm
＜0.16
0.17～0.35
≥0.36
≥0.16
1～2
＜0.20
0.21～0.41
≥0.42
≥0.20
2～4
＜0.24
0.25～0.49
≥0.50
≥0.24
＞4
＜0.30
0.21～0.59
≥0.60
≥0.30
查表2-3得，磨损系数
X=1
根据公式：
d凸=（d+xΔ）
式中d凸——冲孔凸模的刃口尺寸，[d凸]为mm；
d——冲孔件孔径的最小极限尺寸，[d]为mm；
x——模具磨损系数；
Δ——零件公差，[Δ]为mm；
δ凸——凸模制造公差，[δ凸]为mm。
凸模尺寸为
d凸=（d+xΔ）
=（11+1×
0.07）
=11.07
d凹=（d+xΔ+Zmin）
式中d凹——冲孔凹模的刃口尺寸，[d凹]为mm；
x——模具磨损系数；
Δ——零件公差，[Δ]为mm；
Zmin——最小初始双边间隙，Zmin为mm
δ凹——凹模制造公差，[δ凹]为mm。
凹模尺寸为
d凹=（d+xΔ+Zmin）
0.07+0.246）
=11.316
修整为
d凹=11.3
∣δ凸∣+∣δ凹∣=0.04<
Zmax-Zmin合格
（2）凹模上孔中心距Ld
Ld=（Lmin+0.5Δ）±
Δ/8
Lmin——孔距最小极限尺寸
Δ——零件公差，[Δ]为mm；
对孔中心距L1=90±
0.07
Ld1=（89.93+0.5×
0.14）±
0.14/8
=90±
0.0175
Ld1=90±
0.018
对孔中心距L1=144±
Ld2=（144.92+0.5×
0.16）±
=144±
Ld1=144±
（3）对落料尺寸174
的凸、凹模偏差查手册，如表2-3，得：
δ凸=-0.030mm
δ凹=+0.040mm
∣δ凸∣+∣δ凹∣=0.07<
查表2-4得，磨损系数
D凸=（D-xΔ-Zmin）
式中D凸——落料凸模的刃口尺寸，[D凸]为mm；
D——落料件边的最大极限尺寸，[D]为mm；
Zmin——最小初始双边间隙，Zmin为mm；
δ凸——凸模制造公差，[δ凸]为mm。
=（174-1×
0.16-0.246）
=173.594
D凸=173.6
D凹=（D-xΔ）
式中D凹——落料凹模的刃口尺寸，[D凹]为mm；
Δ——零件公差
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