1.2　怎样选择模具结构

1.2.1　排样设计

排样是指冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。排样设计是决定着模具结构的一个很重要的因素,也影响着材料利用率、冲裁件质量、生产效率、模具寿命等。因此在模具设计之前都要在图纸或CAD图上进行排样。

(1)材料利用率

冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比称为材料利用率,它是衡量材料合理利用的一项重要经济指标。

一个进距内的材料利用率η为(见图1⁃17):

η=A/Bs(1⁃9)

式中　A——一个进距内冲裁件的实际面积,mm²;

　　B——条料宽度,mm;

　　s——进距(冲裁时条料在模具上每次送进的距离,其值为两个对应冲件间对应点的间距),mm。

(2)搭边与条料宽度的确定

① 搭边　搭边是指排样时冲件之间以及冲件与条料边缘之间留下的工艺废料。搭边虽然是废料,但在冲裁过程中作用很大:

a.补偿定位误差和送料误差,保证冲裁出合格的零件。

b.增加条料刚度,方便条料送进,提高生产效率。

c.避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙,提高模具寿命。

② 搭边值选择　搭边值过大时,材料利用率低;搭边值过小时,达不到在冲裁工艺中的作用。在实际确定搭边值时,主要考虑以下因素:

a.材料的机械性能。软材料、脆材料的搭边值取大一些,硬材料的搭边值可取小一些。

b.冲裁件的形状与尺寸。冲件的形状复杂或尺寸较大时,搭边值取大些。

c.材料的厚度。厚材料的搭边值要取大一些。

d.送料及挡料方式。用手工送料,且有侧压装置的搭边值可以小一些,用侧刃定距可比用挡料销定距的搭边值小一些。

e.卸料方式。弹性卸料比刚性卸料的搭边值要小一些。

搭边值一般由经验确定,表1⁃7为搭边值的经验数据表之一,供设计时参考。

③ 条料宽度与导料板间距　条料的宽度要保证冲裁时冲件周边有足够的搭边值,导料板间距应使条料能在冲裁时顺利地在导料板之间送进,并与条料之间有一定的间隙。因此条料宽度与导料板间距和冲模的送料定位方式有关,应根据不同结构分别进行计算。

a.用导料板导向且有侧压装置时见图1⁃18(a)。在侧压装置作用下紧靠导料板的一侧送进的,计算公式:

条料宽度=(D_max+2a(1⁃10)

导料板间距离B₀=B+z=D_max+2a+z(1⁃11)

式中　D_max——条料宽度方向冲件的最大尺寸;

　　a——侧搭边值,可参考表1⁃7 ;

　　Δ——条料宽度的单向(负向)偏差,见表1⁃8;

　　z——导料板与最宽条料之间的间隙,其值见表1⁃9。

此种情况也适应于用导料销导向的冲模,这时条料是由人工紧靠导料销一侧送进的。

b.用导料板导向且无侧压装置时见图1⁃18(b)。无侧压装置时,应考虑在送料过程中因条料在导料板之间摆动而使侧面搭边值减小的情况,为了补偿侧面搭边的减小,条料宽度应增加一个条料可能的摆动量(其值为条料与导料板之间的间隙z),计算公式:

条料宽度=(D_max+2a+z(1⁃12)

导料板间距离B₀=B+z =D_max+2a+2z(1⁃13)

c.用侧刃定距时见图1⁃18(c)。当条料用侧刃定距时,条料宽度必须增加侧刃切去的部分,计算公式:

条料宽度=(D_max+2a +nb₁(1⁃14)

导料板间距离B'=B+z=D_max+2a+nb₁+z(1⁃15)

B'₁=D_max+2a+y(1⁃16)

式中　D_max——条料宽度方向冲件的最大尺寸;

　　A——侧搭边值;

　　b₁——侧刃冲切的料边宽度,见表1⁃10;

　　n——侧刃数;

　　z——冲切前的条料与导料板间的间隙,见表1⁃9;

　　y——冲切后的条料与导料板间的间隙,见表1⁃10。

(3)排样图

排样图是排样设计最终的表达形式,通常应绘制在冲压工艺规程的相应卡片上和冲裁模总装图的右上角。排样图的内容应反映出排样方法、冲裁件的冲裁方式、用侧刃定距时侧刃的形状与位置、材料利用率等。

绘制排样图时应注意以下几点:

① 排样图上应标注条料宽度、条料长度L、板料厚度t、端距l、进距s、冲件间搭边a₁和侧搭边a值、侧刃定距时侧刃的位置及截面尺寸等,如图1⁃19所示。

② 用剖切线表示出冲裁工位上的工序件形状(也即凸模或凹模的截面形状),以便能从排样图上看出是单工序冲裁见图1⁃19(a)还是复合冲裁见图1⁃19(b)或级进冲裁见图1⁃ 19(c)。

③ 采用斜排时,应注明倾斜角度的大小。必要时,还可用双点画线画出送料时定位元件的位置。对有纤维方向要求的排样图,应用箭头表示条料的纹向。

1.2.2　压力中心的计算

(1)冲压力的计算

在冲裁过程中,冲压力是指冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的总称。冲压力是选择压力机、设计冲裁模和校核模具强度的重要依据。

① 冲裁力　冲裁力是冲裁时凸模冲穿板料所需的压力。影响冲裁力的主要因素是材料的力学性能、厚度、冲裁件轮廓周长及冲裁间隙、刃口锋利程度与表面粗糙度等。综合考虑上述影响因素,平刃口模具的冲裁力可按下式计算:

F=KLtτ_b(1⁃17)

式中　F——冲裁力,N;

　　L——冲裁件周边长度,mm;

　　T——材料厚度,mm;

　　τ_b——材料抗剪强度,MPa;

　　K——考虑模具间隙的不均匀、刃口的磨损、材料力学性能与厚度的波动等因素引入的修正系数,一般取K=1.3。

对于同一种材料,其抗拉强度与抗剪强度的关系为σ_b≈1.3τ_b,因此冲裁力也可按式(1⁃18)计算:

F=Ltσ_b(1⁃18)

② 卸料力、推件力与顶件力的计算　当冲裁结束时,从板料上冲裁下的冲件或废料会堵塞在凹模孔口内,而冲裁剩下的板料则会紧箍在凸模上,冲件或废料取出的力很大,无法依靠人工完成,需要依靠模具将箍在凸模上和堵在凹模内的冲件或废料卸下或推出。卸料力、推件力与顶件力如图1⁃20所示。

a.从凸模上卸下箍着的冲件或废料所需要的力称为卸料力,用F_X表示;

b.将堵在凹模内的冲件或废料顺着冲裁方向推出所需要的力称为推件力,用F_T表示;

c.逆着冲裁方向将冲件或废料从凹模内顶出所需要的力称为顶件力,用F_D表示。

影响卸料力、推件力与顶件力的因素较多,主要有材料的力学性能与厚度、冲件形状与尺寸、冲模间隙与凹模孔口结构、排样的搭边大小及润滑情况等。在实际计算时,常用下列经验公式:

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——分别为卸料力系数、推件力系数和顶件力系数,其值见表1⁃11;

　　F——冲裁力,N;

　　n——同时堵在凹模孔内的冲件(或废料)数,n=h/t(h为凹模孔口的直刃壁高度,t为材料厚度,当n有小数时,小数部分按1个冲件或废料数计算)。

③ 压力机标称压力的确定　对于冲裁工序,压力机的标称压力应大于或等于冲裁时总冲压力的1.1~1.3倍,即

P≥(1.1~1.3)F_∑(1⁃22)

式中　P——压力机的标称压力;

　　F_∑——冲裁时的总冲压力。

冲裁时,总冲压力为冲裁力和与冲裁力同时发生的卸料力、推件力或顶件力之和。模具结构不同,总冲压力所包含的力的成分有所不同,具体可分以下情况计算:

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲模时

F_∑=F+F_X+F_T(1⁃23)

采用弹性卸料装置和上出料方式的冲模时

F_∑=F+F_X+F_D(1⁃24)

采用刚性卸料装置和下出料方式的冲模时

F_∑=F+F_T(1⁃25)

(2)压力中心的计算

为了保证冲压模具正常平稳地工作,一般要求冲裁模的压力中心与压力机滑块中心重合,否则冲裁过程中,压力机滑块和冲模将会承受偏心载荷,使滑块导轨和冲模导向部分产生不正常磨损,合理间隙得不到保证,刃口迅速变钝,从而降低冲件质量和模具寿命甚至损坏模具。

对于简单冲裁件采用单工序模具和复合模,一般容易保证冲裁模的压力中心与压力机滑块中心重合,不必计算压力中心。但对于复杂形状件和级进模具,在设计模具结构时,应计算出冲裁时的压力中心,并使压力中心与压力机滑块中心重轴心线重合。复杂形状件和多凸模冲裁时的压力中心计算坐标见图1⁃21和图1⁃22。

　　设图形轮廓各线段(包括直线段和圆弧段)的冲裁力为F₁,F₂,F₃,…,F_n,各线段压力中心至坐标轴的距离分别为x₁,x₂,x₃,…,x_n和y₁,y₂,y₃,…,y_n,则压力中心坐标计算公式为:

x₀==(1⁃26)

y₀==(1⁃27)

由于线段的冲裁力与线段的长度成正比,所以可以用各线段的长度L₁,L₂,L₃,…,L_n代替各线段的冲裁力F₁,F₂,F₃,…,F_n,这时压力中心坐标的计算公式为:

x₀==(1⁃28)

y₀==(1⁃29)

式中　F——单一图形轮廓冲压力;

　　L——单一图形轮廓周长;

　　x_n——单一图形的压力中心到X坐标轴的距离;

　　y_n——单一图形的压力中心到Y坐标轴的距离。

1.2.3　冲裁模的典型结构

(1)单工序模

单工序冲裁模又称简单冲裁模,是指在压力机的一次行程内只完成一种冲裁工序的模具,主要包括落料模、冲孔模、切断模、切口模等。

① 刚性卸料板落料模　刚性卸料板落料模卸料原理是当凸模1进入凹模4,将板料3切断,如图1⁃23(a)所示。由于板料3紧紧包裹在凸模1上,当凸模1抬起,板料3会跟随凸模1往上走,当板料3碰到刚性卸料板2时被卸下,如图1⁃23(b)所示。

② 弹性卸料板落料模　弹性卸料板落料模如图1⁃24(a)所示。该落料模采用了由卸料板15、卸料弹簧14及卸料螺钉10构成的弹性卸料装置。卸料原理如图1⁃24(b)所示,上模抬起,卸料螺钉10在卸料弹簧14作用下,移动5mm,卸料板15将凸模上的废料卸下。该卸料装置冲件的变形小,且尺寸精度和平面度较高。这种结构广泛用于冲裁材料厚度较小,且有平面度要求的金属件和易于分层的非金属件。

(2)复合模

复合模是指在压力机的一次行程中,在模具的同一个工位上,同时完成两道或两道以上不同冲裁工序的冲模。复合模在结构上的主要特征是有一个或者几个具有双重作用的工作零件——凸凹模,凸凹模往往是外形为凸模、内孔为凹模,冲裁时外面落料、里面冲孔同时进行,也可与弯曲、拉深工序组合,如外面拉深、里面冲孔等等。

图1⁃25所示为落料冲孔复合模工作部分的结构原理图,其中凸凹模5兼起落料凸模和冲孔凹模的作用,它与落料凹模3配合完成落料工序,与冲孔凸模1配合完成冲孔工序。在压力机的一次行程内,在冲模的同一工位上,凸凹模既完成了落料又完成了冲孔的双重任务。冲裁结束后,冲件卡在落料凹模内腔由推件块2推出,条料箍在凸凹模上由卸料板4卸下,冲孔废料卡在凸凹模内由冲孔凸模逐次推下。

根据凸凹模在模具中的装配位置不同,凸凹模装在上模的称为正装式复合模,凸凹模装下模的称为倒装式复合模。

(3)级进模

级进模(又称连续模)是指在压力机的一次行程中,依次在同一模具的不同工位上同时完成多道工序的冲裁模。在级进模上,根据冲件的实际需要,将各工序沿送料方向按一定顺序安排在模具的各工位上,通过级进冲压便可获得所需冲件。

图1⁃26所示为椭圆形中间带圆孔冲裁件,采用冲孔落料级进模。图1⁃26(a)所示采用简单挡料销和导料销对条料进行定位,其工作原理是沿条料送进方向的两个工位上安排了冲孔凸模16和落料凸模4,冲孔和落料凹模型孔均开设在凹模18上。条料沿导料销17从右往左送进时,第一步条料用挡料销3定位,由冲孔凸模16和落料凸模4在第一工位和第二工位同时冲出圆形和椭圆形孔,第二步用椭圆形孔在挡料销3定位,同时导正销20导正,在第二工位冲出一个完整的冲件。这样连续冲压,在压力机的一次行程中可在冲模两个工位上分别进行冲孔和落料两种不同的冲压工序,且每次冲压均可得到一个冲件。

采用挡料销和料销对条料定位的缺点是需要在第一工位和第二工位同时冲出圆形和椭圆形孔,从而使第二工位的冲裁件为废料。因此可采用图1⁃26(b)所示挡料销和导料板,再加上始用挡料销对条料进行定位,其工作原理是先用手压住始用挡料销,使始用挡料销伸出导料板挡住条料,

冲出第一工位圆形,然后松开手后在弹簧作用下始用挡料销缩进导料板内不起挡料作用,条料继续往前由挡料销3定位,在第二工位冲出椭圆形孔,保证第一个冲裁件为合格件,减少浪费,提高材料的利用率。

级进模不但可以完成冲裁工序,还可完成弯曲、拉深、胀形、翻边、挤压成形等,甚至可完成攻螺纹等工序。一般第一工位(冲定位工艺孔)和最后工位(零件分离)为冲裁工序,中间为其他冲压工序,是一种多工序高效率冲模。

由于级进模在冲压时,冲件是依次在几个不同工位上逐步成形的,很重要的一点是不同工位容易产生误差问题,因此要保证冲件的尺寸及内外形相对位置精度,模具结构上必须解决条料或带料的准确送进与定距问题。根据级进模定位零件的特征,级进模有以下三种典型结构:

① 用挡料销和导正销、始用挡料销定位的级进模　图1⁃27所示,用固定挡料销23和导正销22、始用挡料销26定位的冲孔落料级进模,上、下模通过导套5、导柱6导向,落料凸模4、冲孔凸模Ⅰ14、冲孔凸模Ⅱ18之间的中心距等于送料距离s(称为进距或步距)。

为了保证首件冲裁时的正确定距,采用了始用挡料销26。工作时,先用手按住始用挡料销对条料进行初始定位,在第一工位冲孔凸模Ⅰ14在条料上冲出大孔(便于使用挡料销定位),然后松开始用挡料销,将条料在第一工位冲出大孔送至固定挡料销23进行定位,第二工位冲孔凸模Ⅱ18在条料上冲出两个小孔(同时第一工位冲出大孔)。进入到第三工位,上模下行时两个活动导正销21 和导正销22先行导入条料上已冲出的中间大孔和两个小孔进行精确定位,接而进行落料(同时第一工位冲出大孔、第二工位冲出两个小孔)。以后各次冲裁时都由固定挡料销23控制进距作粗定位,然后由两个活动导正销21 和导正销22进行精确定位,每次行程即可冲下一个冲件并冲出三个内孔。

② 侧刃定距的级进模　图1⁃28所示为单侧刃定距的冲孔落料级进模。侧刃实际上就是一个凸模,在压力机每次冲压行程中,第一工位沿条料边缘切下一块长度等于步距22mm的边料,通过的距离即等于步距22mm,实现“切一刀走一步”的侧刃定距。第二工位冲孔,第三工位落料。与图1⁃25所示模具结构比较,侧刃定距优点是定位准确,同步性好。缺点材料利用率相对降低。

采用侧刃定距,一般适用于板料厚度较薄(一般为t<0.3mm)或材料较软的板料冲裁,如果采用导正销定位时,如图1⁃29所示,导正销有可能将导正工艺孔的边缘压豁,使条料失去导正精度。

③ 用导正销和送料器的级进模　图1⁃27所示冲裁件还可以用导正销和送料器的级进模结构,如图1⁃30所示。所不同的是排样设计,第一工位先冲出两个小孔,第二工位用这两个小孔导正冲出大孔。用自动送料器25将条料送进模具,送料器25每次送料等于送料距离s,在第一工位冲孔凸模Ⅰ15在条料上冲出两个小孔,在第二工位用两个活动导正销23 插入两个小孔,导正后冲孔凸模Ⅱ19在条料上冲出大孔(同时第一工位冲孔冲出两个小孔),进入到第三工位时,导正销24先行导入条料上已冲出的中间大孔进行精确定位并落料(同时第一工位冲出两个小孔、第二工位冲出大孔)。以后各次冲裁时每次行程即可冲下一个冲件并冲出三个内孔,而且废料由切断凸模5切断,可实现连续高速冲压。