五金冲压连续模具设计讲义.pptx
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1、五金冲压连续模具設計講義講師:金牛SEKOU2024/4/2目錄沖孔模設計復合模設計成形模設計結束語2024/4/22沖孔模結構沖裁是利用模具使板料產生分離的沖壓工序主要包括落料與沖孔。從板料沖下所需形狀的零件(或毛坯)的工藝稱落料在工件上沖出所需形狀的孔的工藝稱沖孔。用于沖裁加工工藝的模具稱為沖孔模。利用它可以沖出零件或是為彎曲拉深成形等后續工步准備坯料。定義2024/4/23沖孔模結構定義廢料工件落料沖孔工件廢料2024/4/24沖孔模結構變形特點整個沖裁過程可分為三個階段彈性變形階段塑性變形階段和剪裂階段。彈性變形階段由于凸模所施加的壓力材料產生彈性彎曲并略有擠入凹模刃口,如下圖。202
2、4/4/2版權所有不得復制5沖孔模結構變形特點塑性變形階段材料受力已超過彈性限度這時凸模擠入材料同時材料也擠入凹模由于材料反抗凸模及凹模的擠入產生彎矩M。2024/4/2版權所有不得復制6沖孔模結構變形特點剪裂階段靠近凹模刃口邊的材料所受應力先達到材料的抗剪強度凹模刃邊材料發生裂紋此時凸模刃邊材料尚處于塑性狀態凸模繼續擠入材料(圖a)。接著凸模刃邊的材料也產生了裂紋當凸模與凹模單面間隙z/2合適時從凸模和凹模分別出現的剪裂紋擴展重合而使沖裁件與材料分離(圖b)。分離后凸模繼續移動將沖裁件推入凹模(圖c)。2024/4/2版權所有不得復制7沖孔模結構變形特點abc2024/4/28沖孔模結構沖裁
3、力曲線右圖所示為沖Q235樣品時的沖裁力曲線。其中AB段為彈性變形區域即第一階段BC為塑性變形并開始發生裂紋即第二階段C點沖裁力最大以后剪變位繼續增加壓力下降至D點材料完全破壞。由D至E點沖頭繼續下行用以克服摩擦力和將沖下部分向凹模推進即第三階段。2024/4/29沖孔模結構沖裁斷面M毛面G光面R塌角沖裁所得的表面如右圖所示在沖出孔的上部有些微圓角稱塌角接著是由剪切形成的光亮光面最后是撕裂形成的毛面。而在廢料上也有類似的三部分只是分布位置的上下次序相反。2024/4/2版權所有不得復制10沖孔模結構沖裁斷面與間隙I型間隙很大R很大a很大拉毛很大II型間隙較大R較大a正常拉毛正常III型間隙適中
4、R減小a正常拉毛正常IV型間隙較小R減小a正常拉毛及正常V型間隙很小R很小a很小拉毛及擠毛增大2024/4/2版權所有不得復制11沖孔模結構沖裁斷面與間隙上頁圖顯示了不同間隙下的沖裁斷面變化情況間隙從I型斷面到V型斷面逐步減小。III型斷面的間隙適中。這種斷面分光面和毛面兩部分并帶有塌角R和毛刺。毛刺由拉應力產生稱拉毛。毛面部分有斜度a。II型斷面的塌角R較III型有所增加斜度a基本不變拉毛仍正常。間隙如再擴大(I型斷面)則塌角R及斜度a顯著增加拉毛也增大伴隨工件變形。2024/4/2版權所有不得復制12沖孔模結構沖裁斷面與間隙IV型斷面的塌角R較III型減少但斜度與III型相差無几。由于間隙
5、的縮小在毛面中間出現光點毛刺中等除拉毛外并有壓縮應力產生的擠毛。V型斷面的塌角R極小几乎沒有斜度有兩層相互間隔的光面和毛面毛刺(拉毛和擠毛)有所增加擠毛高度和模具刃口的鋒利程度有關刃口越鋒利擠毛高度越小。2024/4/2版權所有不得復制13沖孔模結構沖裁斷面與間隙斷面分類I型II型III型IV型V型毛面斜度a1416 811 711 611-塌角高度R 10%20%t8%10%t6%8%t4%7%t2%5%t光面高度G10%20%t 15%25%t25%40%t35%55%t 50%70%t 毛面高度M70%80%t60%75%t50%60%t35%55%t 25%45%t 毛刺大拉毛工件變形
6、正常拉毛正常拉毛中等拉毛及擠毛大拉毛及擠毛間隙z/217%21%t11.5%12.5%t8%10%t5%7%t1%2%t2024/4/2版權所有不得復制14沖孔模結構沖裁斷面與間隙上頁表為低碳鋼沖裁斷面與沖裁間隙的關系。R與G的和約等于材料斷裂前凸模進入材料的深度。對于I型斷面工件或廢料上的光面可能窄而不規則甚至無光面。IV型光面帶光點。V型光面有兩層中間夾有毛面。IV毛面帶粗糙面。V型毛面分兩層中間夾有光面。擠毛高度與模具刃口鋒利程度有關。2024/4/2版權所有不得復制15沖孔模結構間隙與沖裁力間隙越小沖裁力越大而增大沖裁間隙則可以減小沖裁力。當間隙合理時上下裂紋重合最大剪切力較小。而間隙
7、過小時材料所受力矩和拉應力減小壓應力增大材料不易產生撕裂上下裂紋不重合又產生二次剪切使沖裁力增大。間隙較大時材料所受力矩和拉應力增大材料易于剪裂分離故最大沖裁力有所減小。2024/4/2版權所有不得復制16沖孔模結構間隙與精度沖件精度是指沖件實際尺寸與基本尺寸間的差值差值越小精度越高。當間隙較大時材料受拉伸作用變大沖裁完畢后因材料的彈性恢復沖件尺寸向實體方向收縮即落料件尺寸小于凹模尺寸沖孔件的孔徑大于凸模尺寸。而間隙較小時材料的彈性恢復使落料件的尺寸增大而沖孔的孔徑變小。沖件的尺寸變化量大小還與材料性能厚度軋制方向沖件形狀等因素有關。模具制造精度及刃口狀態也會影響沖件質量。2024/4/2版權
8、所有不得復制17沖孔模結構間隙與模具壽命在沖裁過程中模具刃口處所受的壓力非常大使模具刃口與材料接觸面間出現局部附著現象產生附著磨損。其磨損量與接觸壓力相對滑動距離成正比與材料 的屈服強度成反比是模具磨損的主要形式。當間隙較小時接觸壓力會增大摩擦距離增長摩擦發熱嚴重導致模具加劇磨損使模具與材料間產生粘結現象還會引起刃口的壓縮疲勞破壞使之崩刃。而間隙較大時材料彎曲拉伸相對增加模具刃口端面的正壓力增大容易產生崩刃或塑性變形使磨損加劇。2024/4/2版權所有不得復制18沖孔模結構間隙與模具壽命間隙過大或過小都會降低模具壽命。因此間隙合適或適當增大模具間隙何使凸凹模與材料間的摩擦減小并減緩間隙不均勻的
9、不利因素從而提高模具壽命。凹模端面磨損比凸模大原因是凹模端面材料滑動較為自由而凸模下的材料沿板面方向的滑動則受到了限制。凸模側面的磨損最大則是因為凸模側面受到卸料作用的長距離摩擦而加劇了磨損。為了提高模具壽命可采用較大間隙用小間隙就必須提高模具硬度和制造精度對沖模刃口充分潤滑以減少磨損。2024/4/2版權所有不得復制19沖孔模結構間隙確定生產中通常是用一個適當的范圍作為合理間隙最大值稱最大合理間隙最小值稱最小合理間隙。考慮到磨損會使間隙變大故設計和制造模具時通常用最小合理間隙。理論確定法 主要依據是保証裂紋重合以獲得良好的沖裁斷面。公式z=2(t-h0)tg=2t(1-h0/t)tg材料h0
10、/t(%)t4軟鋼757070656555504056 中硬鋼656060555548453545 硬鋼54474745443835254 2024/4/2版權所有不得復制20沖孔模結構間隙確定在以上計算公式中t板料厚度(mm)h0/t產生裂紋時凸模相對壓入深度裂紋與垂直方向的夾角。從公式可以看出間隙與板材厚度相對壓深度裂紋方向角有關。而h0和又和材料性質有關。由上頁表可知影響間隙值的主要因素是板材力學性能及其厚度板料越厚越硬或塑性越差h0/t值越小合理間隙值越大。材料越軟h0/t值越大合理間隙值越小。2024/4/2版權所有不得復制21沖孔模結構間隙確定查表法五類斷面常用單邊間隙見下表(z/
11、2t%)。材料I型斷面II型斷面III型斷面IV型斷面V型斷面低碳鋼最大2111.512.58105712高碳鋼最大251719141611132.55不鏽鋼最大2312.513.59113512鋁最大1781068240.51硬鋁最大2012.514910560.51黃銅(退火)最大2181068230.51黃銅(半硬)最大2491168350.51.5磷銅最大2512.513.510123.551.52.5純銅(軟)最大258957240.51純銅(半硬)最大25911683512鉛最大228106.57.5461.52.5鎂最大16573.54.51.52.50.512024/4/2版權
12、所有不得復制22沖孔模結構間隙方向落料時凹模尺寸做成工件要求尺寸凸模為凹模尺寸減去間隙值。沖孔時凸模尺寸做成工件要求尺寸凹模為凸模尺寸增加間隙值。由于凸凹模存在間隙因此落下的料或沖出的孔都是帶有錐度的其大端尺寸基本上等于凹模尺寸小端尺寸基本上等于凸模尺寸。落料以大端尺寸為公稱尺寸沖孔以小端尺寸為公稱尺寸。由于生產中的磨損在設計時取最小合理間隙。2024/4/2版權所有不得復制23沖孔模結構沖裁力沖裁力是指在沖裁中的最大剪切抗力。計算沖裁力是為了合理選擇壓力機和設計模具。平刃口模具的沖裁力計算公式如下F=Lt式中F沖裁力(N)L沖裁周長(mm)t材料厚度(mm)材料的抗剪強度(Mpa)。考慮到模
13、具刃口的磨損凸模與凹模間隙不均勻材料性能的波動和材料厚度偏差等因素實際所需沖裁力應增加30%即F沖=1.3F=1.3Lt=Ltb b材料的抗剪強度。2024/4/2版權所有不得復制24沖孔模結構沖裁力根據計算出的實際沖裁力我們可選擇沖床噸位沖床噸位應不小于實際沖裁力。在滿足實際沖裁力的同時還要兼顧本廠設備條件和沖壓生產線的實際排配情況來選擇沖壓設備。當沖裁力過大時可以用下述方法降低沖裁力A.將材料加熱沖裁但此時應注意用熱模鋼制造模具B.階梯沖裁凸模高度不同C.斜刃口沖裁。為了保証產品的平面度落料時凸模平刃口凹模斜刃口沖孔時凸模做斜刃口凹模做平。2024/4/2版權所有不得復制25沖孔模結構材料
14、的抗剪強度材料剪切強度(Kg/mm)材料剪切強度(Kg/mm)軟質硬質軟質硬質鉛23-鋼板40505560錫34-鋼板0.1%C2532鋁791316鋼板0.2%C3240杜拉鋁2238鋼板0.3%C3648鋅1220鋼板0.4%C4556銅18222530鋼板0.6%C5672黃銅22303540鋼板0.8%C7290軋延青銅32404060鋼板1.0%C80105白銅20364556矽鋼板4056軟鋼板3240不鏽鋼板5256深抽拉鐵板3035-鎳板25-2024/4/2版權所有不得復制26沖孔模結構降低沖裁力階梯沖用于落料的斜刃2024/4/2版權所有不得復制27沖孔模結構降低沖裁力沖孔
15、斜刃切舌斜刃2024/4/2版權所有不得復制28沖孔模結構在階梯沖的設計中圖示中的T值對于薄料取沖裁板厚對于厚材T值則可取料厚的一半。斜刃沖裁不僅可以降低沖裁力還可使工件的斷面光潔度有所改善另外還可以降低沖裁中的噪聲改善沖壓加工的工作環境。但斜刃沖裁也有其缺陷那就是沖下的廢料變形較為嚴重不利于對廢料進行再利用。降低沖裁力2024/4/2版權所有不得復制29沖孔模結構卸料力推料力和頂料力卸料力Px是將箍在凸模上的板料卸下時所需要的力推料力Pt是將落料件順著沖裁凹模洞口推出時所需的力頂件力Pd是將落料件逆著沖裁方向頂出凹模刃口時所需的力。2024/4/2版權所有不得復制30沖孔模結構經驗公式如下:
16、PX=Kx*P(N)PT=nKt*P(N)PD=Kd*P(N)式中,KxKtKd-分別為卸料力推件力和頂件力系數P-沖裁力n-同時卡在凹模洞口內的落料件數n=H/tH為凹模刃壁垂直部分高度t為料厚。當采用錐形洞口時因無落料件卡在洞口內故可不計推件力。卸料力推料力和頂料力2024/4/2版權所有不得復制31沖孔模結構沖裁時,被沖剪的胚料(Blank)留於下模孔內,有強力固著於內壁的性質,如果下模剖面的入口與出口加工成同一尺寸,則由前述理由,胚料停止於下模孔內,對下一次的沖剪作業造成不利影響,如此廢料積留於下模而沖頭所要壓力逐漸升高,再者從下模本身考慮,胚料固著,強制壓下,下模的摩損較嚴重。刃口斜
17、度有利於廢料的落下。刃口斜度可以減輕沖頭的負荷。刃口斜度有利於減少沖頭與下模的摩損提高模具的使作壽命。刃口斜度2024/4/2版權所有不得復制32沖孔模結構刃口斜度有如下圖所示兩種形式A圖留有一段直段圖B則表示從刃口就直接做斜度。圖A主要用于薄材留有直段在凹模磨損后研磨凹模其刃口尺寸不變圖B所示在研磨后尺寸變化甚小而沖裁時下模磨損較慢且可以減小推料力減輕沖子負荷。刃口斜度2024/4/2版權所有不得復制33沖孔模結構圖A所示由于其有直段下模側壁磨損相對來說較為嚴重如果產品上所沖的孔較小時由于沖子負荷較大沖子較易折斷如果設計這種刃口時建議小沖子做成快換結構下模也建議做入子。圖B所示由于其沒有直段
18、相對來說廢料與下模刃口間基本沒有固著在沖床快速沖壓時由于沖頭磁性真空負壓油膜等因素的影響易產生跳料-即廢料上行至模面。如果設計為這種刃口時建議沖子做成子母沖或是在沖子上加工吹氣孔或者改進沖子形狀(如沖嘴部做成錐形)。刃口斜度2024/4/2版權所有不得復制34沖孔模結構在沖壓生產中沖裁件在板條料的布置方法稱排樣排樣是否合理直接影響到材料的經濟利用。在沖壓生產中毛坯材料費用占60%以上排樣的目的就是在于合理利用材料。評價排樣的經濟性合理性的指標就是材料利用率。條料的材料利用率=nS/bL*100%其中n條料上沖件總數S沖件面積b條料寬度L條料總長。板料的材料利用率=nS/bL*100%各符號含義
19、同上。排樣2024/4/2版權所有不得復制35沖孔模結構在沖壓中所產生的廢料有工藝廢料和結構廢料兩種要提高材料利用率就必須減少廢料面積。排樣中相鄰沖件間的余料或沖件與料條邊緣間的余料稱為搭邊。搭邊用以防止送料發生偏差時沖出殘缺的產品。搭邊不可太小過小的搭邊剛性不足有隨凸模進入凹模的趨勢 容易使刃口受損。排樣分為有搭邊排樣和無搭邊排樣兩種。對于有完整和合圖形且沖裁精度不太高的沖件可用無搭邊排樣。排樣2024/4/2版權所有不得復制36沖孔模結構最小工藝搭邊值材料厚度t圓件或R2t的圓角矩形件邊長L50矩形件邊長L50或R2t工件間沿邊工件間沿邊工件間沿邊0.25以下1.82.02.22.52.8
20、3.00.250.51.21.51.82.02.22.50.50.81.01.21.51.81.82.00.81.20.81.01.21.51.51.81.21.61.01.21.51.81.82.01.62.01.21.51.82.02.02.22.02.51.51.82.02.22.22.52.53.01.82.22.22.52.52.83.03.52.22.52.52.82.83.23.54.02.52.82.53.23.23.54.05.03.03.53.54.04.04.52024/4/2版權所有不得復制37沖孔模結構上頁表列搭邊值適用于低碳鋼對于其他材料應乘以以下系數 中等硬度的鋼
21、 0.9 軟黃銅純銅 1.2 硬鋼 0.8 鋁 1.31.4 硬黃銅 11.1 非金屬 1.52 硬鋁 11.2有側刃的搭邊可乘系數0.75。以上所說的搭邊值為最小工藝搭邊在設計排樣時應予以適當加大。搭邊2024/4/2版權所有不得復制38沖孔模結構常用的排樣類型有單行直排單行斜排多行直排對頭直排對頭斜排。少無廢料排樣沖裁的特點節省原材料模具結構簡單模具成本降低一沖程可沖多個產品提高了勞動生產率減輕了壓機負荷但條料或卷料的寬度公差直接影響工件精度在條料的所謂匯合點(即三個或多個工件相交的一點)上可能出現較大的毛刺整個產品外形上毛邊方向不一致。排樣類型2024/4/2版權所有不得復制39沖孔模結
22、構沖件的工藝性是指沖件對沖壓工藝的適應性。沖件工藝性對沖裁件質量材料經濟利用生產率模具制造及使用壽命等都有很大的影響。因此設計中應盡可能提高其工藝性。沖件的工藝性主要由以下兩個方面的因素決定沖裁件的形狀及尺寸沖件的精度與粗糙度。沖件的工藝性2024/4/2版權所有不得復制40沖孔模結構沖件形狀應盡量設計成簡單對稱的形狀或是和合圖形這樣可以減少排樣廢料。沖件的外形和內孔盡量避免尖銳的角在各直線或曲線連接處應有適當的圓角。最小圓角半徑見下表。沖件的工藝性形狀和尺寸工序線段夾角黃銅純銅鋁軟鋼合金鋼落料900.18t0.25t0.35t900.35t0.50t0.70t沖孔900.20t0.30t0.
23、45t900.40t0.60t0.90t2024/4/2版權所有不得復制41沖孔模結構沖件上凸出懸臂和凹槽寬度不宜過小硬鋼為1.52.0t黃銅軟鋼為1.01.2t 純銅鋁為0.80.9t當t1mm時按t=1mm計算。在彎曲件或拉深件上沖孔時其孔壁與工件直壁之間應保持一定距離若距離太小沖孔時會使沖頭受水平推力而折斷。沖件的工藝性形狀和尺寸2024/4/2版權所有不得復制42沖孔模結構沖孔時孔徑不宜過小。其最小孔徑與孔的形狀材料的力學性能材料的厚度等因素有關。無導向凸模沖孔的最小尺寸見表1用凸模護套精密導向沖孔的最小尺寸見表2。沖件的工藝性形狀和尺寸材料圓孔d正方形孔邊長a腰形孔寬a矩形孔寬a硬鋼
24、d1.3ta1.2ta0.9ta1.0t軟鋼及黃銅d1.0ta0.9ta0.7ta0.8t鋁鋅d0.8ta0.7ta0.5ta0.6t材料圓形孔(d)方形孔(a)硬鋼0.5t0.4t軟鋼及黃銅0.35t0.3t鋁鋅0.3t0.28t表2 表1 2024/4/2版權所有不得復制43沖孔模結構沖件的孔與孔間孔與邊緣間的距離不應過小否則會影響模具強度和沖件精度。一般情況下宜取此間距大于或等于兩倍料厚并不得小于34mm必要時則可取11.5倍的料厚當料厚小于1mm時取11.5mm但模具壽命則有所下降。腰鼓形沖件允許圓弧半徑R應大于料寬的一半即能采用少廢料排樣如R等于料寬的一半就不能采用少廢料排樣因料的正
25、偏差會導致台肩產生。沖件的工藝性形狀和尺寸2024/4/2版權所有不得復制44沖孔模結構留有余量的沖件可以通過整修提高外形或內形的粗糙度和精度。外形整修過程如下圖所示會形成環狀切屑。整修2024/4/2版權所有不得復制45沖孔模結構影響整修余量的因素整修凹模尺寸的制造公差和允許磨損值整修凸模尺寸的制造公差和允許磨損值回彈的變化落料毛坯在模具中定位誤差。整修雙向余量見下表表中最小余量用于簡單形狀最大余量用于復雜或帶尖角的形狀多次整修的末次整修用表中最小值。外形整修整修余量材料厚度 t黃銅軟鋼中等硬鋼硬鋼最小最大最小最大最小最大1.50.100.150.150.200.150.251.530.15
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