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1、冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 第二章第二章 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 1.1 1.1 冲裁变形的过程冲裁变形的过程 1.2 1.2 冲裁间隙冲裁间隙 1.3 1.3 凸、凹模刃口尺寸及公差凸、凹模刃口尺寸及公差 1.4 1.4 冲裁力的计算冲裁力的计算 1.5 1.5 工件的排样与搭边工件的排样与搭边 1.6 1.6 冲裁工艺的设计冲裁工艺的设计 1.7 1.7 冲裁模的结构与设计冲裁模的结构与设计 1.8 1.8 冲裁模设计中应注意的安全问题冲裁模设计中应注意的安全问题 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.1 2.1 冲裁变形的过程冲裁变形的过程 2.1.1 2.1
2、.1 冲裁冲裁 冲裁是利用冲裁模使板料产生分离的冲压工序。从广义上说，冲裁是分离工序的总称，包括落料、冲孔、切口、修边、剖切等多种工序。冲裁可以直接冲出成品零件，也可以为其它工序制备毛坯。从板料上冲下所需形状的零件（或毛坯）叫落料，在工件或板料上冲出所需形状的孔（冲去的为废料）叫冲孔。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 1凸模固定板；2凸模；3卸料板；4板料；5凹模 图2-1 冲裁工作示意图 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 冲裁时的工作过程如图2-1。凸模2通过压力机的滑块带动上下往复运动，凹模5固定不动，板料4放置在凹模5面上。当凸模2上下运动时，由于凸凹模刃口的作用，使板料受剪分离
3、，冲下零件或废料从凹模孔漏下；当凸模向上运动时，由于卸料板3的作用，将紧箍在凸模上的材料卸下。凸模和凹模之间存在有一定间隙（间隙的选取，将在第二节详细介绍）。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.1.2 2.1.2 冲裁的变形过程冲裁的变形过程 常用金属板材的冲裁变形过程如图2-2所示，模具间隙正常情况下，大致分为三个阶段。a)弹性变形阶段；b)塑性变形阶段；c)断裂分离阶段 图2-2 冲裁变形过程 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计（1）弹性变形阶段 凸模接触板料后，开始压缩材料，变形区内产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形。此时凸模微量挤入材料，材料的另一侧也略为挤入凹模刃口，如图2-2(
4、a)。随着凸模的继续压入，变形区的材料达到弹性极限。这时凸模下的材料略有弯曲，而凹模上的材料略有向上翘曲。间隙越大这种现象越明显。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计（2）塑性变形阶段 当凸模继续压入，压力增加，变形区内的材料进入塑性变形阶段，如图2-2(b)。这时，凸模将部分材料挤入凹模刃口内，材料产生塑剪变形，形成光亮的剪切断面。由于塑性变形的发生，参与变形的材料加工硬化加剧，致使冲裁力增大，当刃口附近的材料由于拉应力的作用而出现裂纹时，冲裁力达到最大值。这时也标志着塑性变形阶段结束。（3）断裂分离阶段 凸模再继续下行，塑性变形阶段已经形成的裂纹逐步扩大并向材料内延伸，当材料上下面的裂纹相
5、遇重合时，材料便被剪断分离，如图2-2(c)。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.1.3 2.1.3 冲裁件的质量冲裁件的质量 2.1.3.1 影响冲裁件尺寸精度的因素 (1)冲裁模的制造精度 冲裁模的制造精度对冲裁件尺寸精度有直接的影响，冲裁模精度越高，冲裁件的精度越高。表2-1为冲模有合理间隙、刃口锋利时，冲模制造精度与制件尺寸的精度关系。表2-1 冲模制造精度与冲裁件尺寸精度之间的关系 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 (2)工件材料的力学性能 冲裁过程中，材料发生一定的弹性变形，冲裁结束会发生“回弹”现象，使工件尺寸与凹模尺寸不相符，若是冲孔的尺寸与凸模不符，影响了工件尺寸精
6、度。故材料的力学性能决定了该材料在冲裁过程中的弹性变形量。材料越软，弹性变形量越小，回弹也越小，冲裁件的尺寸精度越高。反之，冲裁件尺寸精度越低。(3)工件的相对厚度 工件相对厚度对冲裁件尺寸精度也有影响。相对厚度（t-材料厚度，D-冲裁件直径）越大，弹性变形量越小，冲裁件的尺寸精度越高。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 (4)冲裁间隙 凸、凹模间隙对冲裁件的精度影响亦较大。落料时，如间隙过大，材料除受剪切外，还伴随有拉伸弹性变形，冲裁后，工件的变形也就越大，同时也影响模具寿命；如果间隙过小，材料除受剪切外，还产生压缩弹性变形，由于“回弹”，工件变形亦越大，冲裁间隙过小还会增大冲裁力。冲裁工
7、艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 当冲裁间隙选取过大或过小时，将导致板料上、下两方裂纹不能重合于一线，如图2-3。间隙过小，凸模刃口附近的裂纹比正常间隙时向外错开一段距离。这样上、下两裂纹间的材料随着冲裁过程的进行将被第二次剪切，并在断面上形成第二光亮带，如图2-4（a），这时毛刺也增大。间隙过大时，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向里错开一段距离，材料受到较大拉伸，光亮带小，毛刺、塌角、斜度也都增大，如图2-4(c)。此外，间隙过大或过小时均使冲裁件尺寸与冲模刃口尺寸的偏差增大。(5)冲裁件的尺寸形状 冲裁件尺寸越小，形状越简单，其制件尺寸精度越高。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 图2-
8、3 间隙对剪切裂纹重合的影响 图2-4 间隙对冲裁断面的影响 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.1.3.2 冲裁件的断面质量 如果冲模间隙选取合理，冲裁时，板料在上、下刃口处所产生的裂纹就能重合，冲下的工件虽有一定锥度，但比较光滑。2.1.3.3 冲裁件的毛刺 冲裁件的毛刺凸模或凹模磨损后变钝，其刃口处形成圆角。冲裁时工件的边缘就会出现毛刺，如图2-4(c)，从而影响工件的质量。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.2 冲裁间隙冲裁间隙 冲裁凸模和凹模工作时的配合间隙，称为冲裁间隙。它对冲裁件的质量、冲裁力和模具寿命等都有很大影响，在长期的研究中发现影响的规律各不相同。因此，并不存
9、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、寿命最长、冲裁力最小等各方面要求。在实际生产中，间隙的选用主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个主要因素，它与生产成本和产品质量密切相关。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.2.1 2.2.1 合理间隙合理间隙 冲裁间隙对冲裁件质量、模具寿命、卸料力等都有很大影响。但影响规律不同，不可能存在一个间隙同时满足工件质量、模具寿命和冲裁力的要求。实际生产中，间隙的选择考虑冲裁断面的质量和模具寿命这两个主要方面，同时考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损，而选择一个合适的间隙范围，只要在这个范围内就可加工出良好的冲裁件。这个范围的
10、最小值称为最小合理间隙，用表示；最大值称为最大合理间隙，用表示。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，因此实际设计与制造模具时常采用最小合理间隙。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 在模具设计时合理间隙的值一般通过查表来确定。一般冲压手册中均可查到，使用时注意各种资料、手册推荐的合理间隙值不尽一致，有的相差较大。这是因为各行业对冲压件的断面质量和尺寸精度要求不同所致。设计时一定要注意零件的用途、技术要求等。表2-2为汽车、拖拉机制造业常用的合理间隙值。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-2 冲裁模合理间隙值 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-3 非金属材料冲裁模初始双面间
11、隙 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.2.2 2.2.2 合理间隙的选择原则合理间隙的选择原则 生产实践证明，冲裁间隙取小值时，冲裁件的断面质量较好。间隙过小会增大冲裁力和退料力，降低模具使用寿命。因此，在选择冲裁间隙时，应综合考虑各方面因素：(1)当冲裁件断面质量要求不高时，在合理的间隙范围内，应尽量取较大的间隙，从而有利于延长模具寿命，降低冲裁力、推件力、卸料力。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 (2)当冲裁件质量要求高时，在合理间隙范围内，应尽量取较小值，这样尽管模具寿命有所降低，但保证了零件的冲裁质量。在设计冲模时，一般取Zmin作为初始间隙，主要是考虑模具工作一段时间之后
12、，要进行刃磨。修磨后会使间隙增大，使Zmin向Zmax过渡。所以，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，降低生产成本，一般设计模具时取Zmin作为初始间隙。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.3 2.3 凸、凹模刃口尺寸及公差凸、凹模刃口尺寸及公差 模具刃口尺寸及公差是影响冲裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理间隙也要靠模具刃口尺寸及公差来保证。因此，正确确定冲裁模凸模及凹模刃口的尺寸与公差，是冲模设计的重要内容。2.3.1 2.3.1 冲裁模刃口尺寸计算的原则冲裁模刃口尺寸计算的原则 因落料件的尺寸等于凹模尺寸，而冲孔件尺寸等于凸模尺寸，因此，计算模具刃口尺寸时，应
13、按落料和冲孔两种情况分别处理。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （1）设计落料模时，由于落料件尺寸等于凹模刃口公称尺寸，故应先确定凹模尺寸，间隙取在凸模上；考虑到冲裁中模具的磨损，凹模尺寸越磨损越大，因此，凹模刃口的基本尺寸应取工件尺寸公差范围的较小尺寸，以保证磨损到一定程度时，仍能冲制出合格的零件；凸凹模之间的间隙取最小合理间隙值，以便保证模具磨损到一定程度时，间隙仍然在合理间隙范围内。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （2）设计冲孔模时，因工件孔的尺寸等于凸模刃口公称尺寸，故应先确定凸模尺寸，间隙取在凹模上，考虑冲裁过程中模具的磨损，凸模刃口尺寸越磨越小，因此，凸模刃口的基本尺寸应
14、取工件尺寸公差范围的较大尺寸，以保证凸模磨损到一定程度时，仍可使用；凸、凹模之间的间隙取最小合理间隙值。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （3）凸模和凹模的制造公差，主要与冲裁件的精度和形状有关。一般比冲裁件的精度高23级，如果对刃口精度要求过高，势必增加模具制造成本和难度，生产周期长；如果对刃口精度要求过低，冲制的零件不合格。其零件精度与模具制造精度的关系如表2-1。如零件仅为名义尺寸，即未标注公差，对非圆形件按国家标准非配合尺寸的公差数值IT14处理，而冲模制造公差可按IT11级选取；对于圆形件，一般可按IT6IT7精度制造模具。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 当凸模与凹模分开加
15、工时，其公差应保证有如下关系：式中 、分别为凸、凹模制造公差，mm；、最大、最小合理间隙值，mm。（2-1）maxminpdZZpdmaxZminZ冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.3.2 2.3.2 冲裁模凸模、凹模刃口尺寸计算冲裁模凸模、凹模刃口尺寸计算 由于凸模和凹模的加工方法不同，设计时计算方法不尽相同，其刃口尺寸计算应分别进行计算。2.3.2.1 凸模与凹模分开加工 用这种方法加工凸、凹模时，要分别标注凸模和凹模的刃口尺寸及制造公差，一般适用于比较规则形状的冲裁件，如圆形或矩形冲裁件。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计（1）冲孔 设工件孔的尺寸为 ,根据冲裁模刃口尺寸计算原
16、则，冲孔应先确定凸模刃口尺寸，间隙取在凹模上。其计算公式为：()ppdd(冲孔凸模刃口尺寸)minmin()()dddpddZdZ(冲孔凹模刃口尺寸)（2-2）（2-3）各部分的公差带，如图2-5(b)。d冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计（2）落料 设落料件的尺寸为D-,根据冲裁模刃口尺寸计算原则，落料应先确定凹模刃口尺寸，间隙取在凸模上。其计算公式如下：()ddDD minmin()()pppdDDZDZ(落料凹模刃口尺寸)(落料凸模刃口尺寸)（2-4）（2-5）各部分的公差带，如图2-5(a)。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 各部分的公差带，如图2-5(a)。、分别为冲孔凸模和凹
17、模尺寸，mm；、分别为落料凸模和凹模尺寸，mm；工件的制造公差，mm；D、d分别为落料件的基本尺寸和工件孔的基本尺寸，mm；最小合理间隙（双面），mm；、分别为凸模和凹模的制造公差，mm。可查表2-5。磨损系数，与制造精度有关，可从表2-4中选取。pdddpDdDminZpd冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-4 磨损系数 (a)落料 (b)冲孔 图2-5 冲孔及落料时各部分公差带分配位置 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-5 规则形状（圆形、矩形）冲裁模凸、凹模制造公差 mm 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 例题：加工一批垫圈，材料为Q235A钢，分别计算落料和冲孔的
18、凸、凹模刃口部分尺寸。垫圈零件尺寸如图2-6所示。解：落料的凸模、凹模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：凸模刃口尺寸：查表2-2、表2-3、表2-4得 ()ddDD min()ppdDDZmaxmin0.64,0.46,0.02,0.03pdZZ图2-6 垫圈 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 能满足 的条件。将已查得的数据代入计算式，即得 0.03,0.5.p0.020.03 0.64-0.46maxminpdZZ0.030.03()(800.5 0.74)79.63mmddDD min0.03()(79.63 0.46)mmppDDDZ冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 冲孔的凸、凹模刃口尺寸
19、：凸模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：查表22、表23、表24得 ()ppdd minmin()()dddpddZdZ maxmin0.64,0.46,0.02,0.03,pdZZ0.03,0.5.p冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 能满足 的条件。将已查得的数据代入计算式，即得 0.020.03 0.64-0.46,maxminpdZZ0.020.02()(400.5 0.52)40.26mmppdd 0.030.03min()(40.260.4640.72mmddpddZ冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.3.2.2 凸模与凹模配合加工 凸模与凹模配合加工一般工厂的做法是：先根据冲裁件尺
20、寸和公差加工凸、凹模中的一件（落料时先加工凹模，冲孔时先加工凸模），再以该件为基准件配加工另一件，使他们之间保证图纸规定的合理间隙。这样，在基准件上标注尺寸和制造公差，而配作的另一件上只标注公称尺寸，在技术要求中注明配作，保证双面间隙即可。采用此法，凸、凹模的制造公差不再受限制，一般按经验选取，常取工件公差的四分之一。这种方法的优点是容易保证凸、凹模之间的间隙，同时又可放大模具的制造公差，降低模具制造成本，因此在许多工厂得到广泛应用。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 随着CAD/CAE/CAM技术在模具设计制造中的广泛应用，有实力的模具制造企业，充分运用现代设计手段和制造方法，再复杂的凸、
21、凹模也可分别进行加工，完全可以保证精度要求，生产周期也可大大缩短。在设计基准件尺寸时，必须对冲裁件的有关尺寸进行具体分析，根据冲裁件结构尺寸的不同类型，区别对待。具体计算方法为：冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(1)落料 图2-7(a)为冲裁件图，图2-7(b)为冲制该零件的凹模图。落料时应以凹模为基准来配作凸模，并按凹模磨损后尺寸变大、变小、不变的规律分三种情形进行计算。第一种：凹模磨损后变大的尺寸，如图2-7(b)中 、，这些尺寸按一般落料模尺寸计算公式进行计算。即 1dA2dA3dA4dA()ddAA（2-6）冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 a)冲裁件图；b）凹模 图2-7 落
22、料时的冲裁件与凹模 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 第二种：凹模磨损后变小的尺寸，如图2-7(b)中 、，按一般冲孔凸模尺寸计算公式进行计算。即 第三种：凹模磨损后没有变化的尺寸，如图2-7(b)中 ，可分为三种情形：当冲裁件尺寸标注为 时：1dB2dB()ppBB dCC(0.5)2ddCC（2-7）（2-8）冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 冲裁件孔尺寸标注为 时：冲裁件孔尺寸标注为 时：式（2-11）式（2-15）各式中，其符号含义如下：凹模尺寸，mm；CC(0.5)2ppCc 2PpCC（2-14）（2-15）,pppA B C冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 A、B、C
23、相对应的冲裁件基本尺寸，mm；冲裁件的公差，mm；冲裁件偏差，对称偏差时 =/4，mm；凹模制造偏差，mm。当标注形式为 或 时，根据经验 一般取/4。按上述方法设计制造出凸模，凹模按其尺寸配作，保证最小间隙(在凹模零件图技术要求中注明即可)。pppp冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.4 2.4 冲裁力的计算冲裁力的计算 冲裁力是指冲裁时，板料对凸模的最大抵抗力。是选用冲压设备和校核模具强度的重要依据。2.4.1 2.4.1 冲裁力的计算公式冲裁力的计算公式 冲裁力的大小主要与材料的力学性能、厚度和工件将要实施冲裁的周边长度有关。采用平刃冲裁时，其冲裁力可按下式计算：式中 P冲裁力，N
24、；0PKLt冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 k系数，一般取k=1.3；L冲裁件的冲裁长度，m；T板料厚度，m；材料抗剪强度，MPa。见表1-7、表1-8和表1-9；如冲裁件为加热状态，则选用表2-6。有时也可用材料的抗拉强度进行计算：（2-17）式中 b为材料的抗拉强度，MPa。见表1-7、表1-8。0bPLt冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.4.2 2.4.2 降低冲裁力的措施降低冲裁力的措施 冲裁高强度材料或厚料和外形尺寸大的工件时，需要的冲裁力较大。超过了所选设备的公称压力，就必须设法降低冲裁力。2.4.2.1 加热冲裁 材料在加热状态下剪切强度大大下降，因而可以降低冲裁力
25、。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尺寸精度要求不高的工件。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-6 钢在加热状态的抗剪强度/MPa 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.4.2.2 阶梯布置凸模冲裁 在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同长度，呈阶梯布置如图2-9，可使各个凸模冲裁力的最大值不同时出现。从而降低了总的冲裁力。凸模间的高度差按材料厚度确定：t3mm,h=t；t3mm,h=0.5t 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。冲裁工艺及模具
26、设计冲裁工艺及模具设计 2.4.2.3 斜刃口冲裁 平刃口冲裁时，整个刃口平面同时接触板料，而斜刃口冲裁时，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，这样相当于减小了冲切断面积。因而能降低冲裁力 采用斜刃口冲裁时，为了获得平整的工件，落料时凸模应做成平刃口，把斜刃做在凹模上，如图2-10(a)、(b)、(c)。冲孔时应把凹模做成平刃口，把斜刃做在凸模上，如图2-10(d)、(e)、（f）。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 图2-9 斜刃冲模与阶梯凸模 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 斜刃冲裁的其他形式 设计斜刃时，应注意使斜刃对称布置，否则，会产生侧向力使凸模偏斜，
27、损坏刃口。斜刃倾角 和斜刃高度H可按表2-7选取。图2-10 斜刃冲裁的其他形式 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 实际设计时可按下式计算：式中 斜刃冲裁力，N；斜刃冲裁系数，见表2-7；P平刃冲裁力，N。表2-7 斜刃参数 SSPK PSPP冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.4.3 2.4.3 卸料力、推件力和顶件力卸料力、推件力和顶件力 冲裁结束后，由于材料的弹性变形及摩擦的存在，将使带孔部分的板料紧箍在凸模上，而冲落部分的材料紧卡在凹模里。为了继续下一步的冲裁工作，必须将箍在凸模上的板料卸下，将卡在凹模里的材料推出，所以，从凸模上卸下紧箍着的板料这个过程叫卸料，所需的力叫卸料
28、力，用 表示；顺着冲裁方向将卡在凹模内孔的板料推出叫推件，所需力叫推件力，用 表示；将卡在凹模中的板料逆着冲裁方向顶出时叫顶件，所需力叫顶件力，用 表示。Q卸Q推Q顶冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 卸料力、推件力和顶件力是从压力机、卸料装置或顶料器获得的，在计算设备吨位或设计冲裁模的卸料装置及顶件装置时，都需要对其卸料力、推件力和顶件力一一进行计算。图2-11 卸料力、推件力和顶件力 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 推件力 （2-18）顶件力 （2-19）卸料力 （2-20）式中 n同时卡在凹模中的零件数；P冲裁力，N；K1、K2、K3推件力、顶件力、卸料力系数，见表2-8。1Qn
29、 KP推2QKP顶3QKP卸冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-8 推件力、顶件力、卸料力系数 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 在选择压力机吨位时，总的冲裁力计算，不能将 几个力简单相加，而要根据所设计模具的具体结构和采用的卸料与出件方式决定，计算总冲裁力时区别对待。,P Q推,QQ顶卸 采用弹性卸料和上出件方式时，总冲裁力为：采用弹性卸料和下出件方式时，总冲裁力为：采用刚性卸料和下出件方式时，总冲裁力为：PPQQ总顶卸PPQQ总卸推PPQ总推冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.5 2.5 工件的排样与搭边工件的排样与搭边 2.5.1 2.5.1 排样排样 冲裁件在板料或调
30、料上的布置方式，称为冲裁件的排样，简称排样，排样的目的在于减少材料的消耗，降低零件成本，提高生产率，延长模具寿命。2.5.1.1 材料的利用率 对冲裁件来说，一般材料占零件总成本60%以上，可见材料利用率是一个重要的经济指标。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，是具体衡量排样合理性的指标。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 (1)冲裁单个零件时，可用以下公式计算：（2-21）式中 材料利用率；冲裁件的实际面积，mm2；F冲裁该工件所需板料面积，mm2；000100FF0F冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 (2)采用条料冲裁多个零件的材料利用率，可按下式计算：式中 材
31、料利用率；单只冲裁件的实际面积，mm2；n该条料上所能冲制出的冲裁件个数；L条料（带料或板料）的长度,mm；B条料（带料或板料）的宽度,mm。值越大，说明废料越少，材料利用率越高。000100FnLB0F冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.5.1.2常见的排样方式 (1)有废料排样 如图2-12(a)所示，沿工件外形冲裁，工件周边都留有搭边，可利用搭边补偿误差，因而能保证冲裁件的精度和质量，冲裁模的寿命也较高，缺点是材料利用率低，零件成本高。(2)少废料排样 如图2-12(b)所示，沿工件部分外形冲裁，仅在局部留有搭边和余料。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 a)有废料排样；b)少废
32、料排样；c)无废料排样 图2-12 三类排样方式 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 采用少、无废料排样，可使材料利用率提高到7595%，对节省材料有极其重大的意义。同时，因冲裁周边减小，可降低冲裁力并简化冲模结构。但少无废料冲裁也存在一些缺点，由于条料自身的公差和条料导向与定位所产生误差的影响，冲裁件所能达到的精度和质量都较差，同时模具的寿命也低，冲裁件的断面质量差。无论是有废料、少废料和无废料排样中，其排样型式一般分为直排、斜排、直对排、斜对排、混合排和多行排等，如表2-9。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-9 排样方式（一）有废料 少、无废料 直排 斜排 直对排 冲裁工艺及模
33、具设计冲裁工艺及模具设计 有废料 少、无废料 斜对排 混合排 多行排 冲裁搭边 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.5.2 搭边搭边 排样时，工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边。搭边的作用主要是补偿定位误差，保证冲出合格的零件。搭边还可以保证条料有一定刚度，利于送料。搭边值需要合理确定。搭边值过大，则材料利用率降低，增加零件成本，浪费材料。搭边值过小，在冲裁中会将材料拉断，使零件产生毛刺，严重时会将拉断的材料挤入凸模与凹模间隙之中，损坏模具刃口。降低模具寿命。搭边值的大小与下列因素有关：冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(1)材料的力学性能 硬材料的搭边值可小一些。软材料、
34、脆性材料的搭边值要大一些。(2)零件的形状与尺寸 冲裁件的尺寸大小或有尖凸的复杂形状，搭边值要取大一些。(3)材料厚度 材料越厚所取的搭边值相应大些。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-10 搭边值 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(4)送料方式与挡料方式 若为手工送料，在有侧压板导向的情况下，搭边值可以小些。表2-10与表2-11为一些工厂常用的搭边值，供设计模具时参考。表2-11 搭边值 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.5.3条料的宽度和导尺间距离的计算条料的宽度和导尺间距离的计算 冲压工艺中常常在设计模具和编排的工艺中，对选用冲制零件的条料有一定宽度要求，不同的送料
35、方式，条料宽度和偏差要求也不相同，若采用导尺方式送料应分别考虑如下两方面因素，从而确定导尺宽度。(1)有侧压 条料宽度；导尺间距离：(2)BDa2ADaZ冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(2)无侧压 条料宽度：导尺间距离：式中 D垂直于送料方向冲裁件的最大轮廓尺寸，mm；a条料宽度方向的最小搭边值，mm；见表2-10。条料宽度的单向偏差，mm；见表2-12。Z导尺与条料宽度间的送料最小间隙，mm。见表2-13。(2)BDaZ22ADaZ冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 图2-13 有侧压装置冲裁 图2-14 无侧压装置冲裁 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 表2-12 条料宽度偏差
36、 mm 表2-13 导尺与条料间的送料最小间隙Z 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.5.4 2.5.4 冲裁排样实例冲裁排样实例 冲裁如图2-16所示的零件，采用的板料规格为200010 004mm，试计算采用何种排样和下料最为合理。对于题中所给板料其裁样方式有三种：纵裁；横裁；套裁三种，见图2-15。解：根据零件形状分析，排样方案为直排、单行对排、多行 对排三种,图2-17、图2-18、图2-19所示。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 a纵裁 b横裁 c套裁 图2-15 板料裁样图 冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 图2-16 零件图 图2-17 排样图（直排）冲裁工艺及模具
37、设计冲裁工艺及模具设计 2-18 排样图（单行对排）图2-19 排样图（多行对排）冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 据表2-11查得搭边值 0.8t=3.2mm；查表2-12得条料宽度公差=3.0mm.计算冲裁件毛坯面积：方案一：图2-17所示。条料宽度 2144 45(12044 10)20102F2=120+2 3.2+3130(mm)bDa冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 进料距 h=D+a =45+3.2=48.2(mm)一个进料距内的材料利用率 1 3457100%100%55%130 48.2nFbh横裁：可裁条料数量 （条）1200015130Anb冲裁工艺及模具设计冲裁
38、工艺及模具设计 每条可冲零件数量 210003.22048.2Banh 可冲制零件总数 n总=n1n2=1520=300（件）该方案的材料利用率（件）300 3457100%100%51.8%2000 1000n FAB总总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 纵裁：可裁条料数量 （条）每条可冲零件数量 （件）可冲制零件总数 n总=n1n2=741=287（件）该方案的材料利用率 110007130Bnb220003.24148.2Aanh287 3457100%100%49.6%2000 1000n FAB总总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 方案二：如图2-18所示。条料宽度：b=13
39、0mm 进料距 （mm）横裁：可裁条料数量 （条）每条可冲零件数量 （件）可冲制零件总数 n总=1527=405（件）该方案横裁的材料利用率 45203.235.722h 1200015130n 210003.22735.7n405 3457100%70%2000 1000总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 纵裁：可裁条料数量 （条）每条可冲零件数量 （件）可冲制零件总数 n总=755=385（件）该方案横裁的材料利用率 110007130n 220003.25535.7n385 3457100%66.5%2000 1000总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 方案三：如图2-19所示。
40、条料宽度：（mm）进料距 （mm）横裁条数 （条）每条可冲零件数量 （件）可冲制零件总数 n总=1141=451（件）该方案横裁的材料利用率 120 3 3.244 3 177b 453.224.122h 1200011177n 210003.24124.1n451 3457100%77.95%2000 1000总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 纵裁：纵裁条数 （条）每条可冲零件数量 （件）可冲制零件总数 n总=582=410（件）该方案横裁的材料利用率 从以上计算看出：三种排样方式其材料利用率差别较大，方案三的横裁多行对排为最佳。110005177n 220003.28224.1n41
41、0 3457100%70.8%2000 1000总冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6 2.6 冲裁工艺的设计冲裁工艺的设计 2.6.1 2.6.1 冲裁工艺设计在冲压加工中的作用冲裁工艺设计在冲压加工中的作用 冲裁工艺设计是冲压生产准备的基础，也是企业组织生产的依据，冲压生产工艺的先进性、合理性以及生产成本的经济性，在一定程度上反映了工厂的生产技术水平。而冲裁设计作为冲压设计中其他工序设计的基础，在冲压生产中占有重要地位。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 实践证明，合理的工艺方案和合理的模具结构，不仅可以为稳定产品质量、降低冲压成本提供技术保证，而且也可以为现代生产的组织与管理创
42、造有利的条件。合理的工艺方案对降低生产成本，提高产品质量，提高企业经济效益有举足轻重的作用。不合理的工艺有时还易造成设备、人身事故、产品缺陷等。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6.2 2.6.2 冲裁工艺设计的基本内容冲裁工艺设计的基本内容 冲裁工艺设计包括工艺设计与模具设计两方面的内容。冲裁工艺设计，是针对给定的产品图纸，根据其生产批量的大小、冲压设备的类型规格、模具制造能力以及工人技术水平等具体生产条件，从对产品图的冲压工艺性分析入手，经过必要的工艺计算，制定出合理的工艺方案，最后编写出冲裁工艺卡的全过程。冲裁工艺方案的确定，其中包括工序性质、数量的确定，工序顺序的安排，工序组合
43、方式及工序定位方式的确定等内容。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 因此冲裁工艺设计实质上就是冲裁工艺的制定，在一个生产企业能表达工艺制定内容的文件就是冲裁工艺规程。冲裁模具设计，则是依据所制定的冲裁工艺规程，仔细考虑毛坯的定位、出件、废料排除诸问题以及模具的制造维修方便、操作安全可靠等因素后，设计构思出与冲压设备相适应的模具总体结构，然后绘制出模具总装图和所有非标准零件图的整个设计、绘图过程。模具设计的实质就是完全实现工艺设计的内容。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 在冲裁工艺设计中，尽管工艺设计和模具设计各自的工作性质不同，但两者之间却存在着相互渗透、相互补充、相互依存的关系。在进行
44、工艺设计过程中，既要考虑模具结构和模具制造的可行性，又要考虑冲压设备、原材料供应状况等生产的局限性。只有这样才能制定出技术上先进可行、成本上经济合理的最佳工艺规程。而在模具设计的过程中，必须熟悉有关的工艺设计技术，才能清楚了解工艺设计者的设计意图，从而绘制出合理的模具结构、完成工艺规程规定的模具设计任务。由此可见，冲裁工艺设计者必须同时具备工艺设计和模具设计两方面的知识和经验技能。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6.3 2.6.3 冲裁工艺设计与模具设计的基本要求冲裁工艺设计与模具设计的基本要求 冲裁的工艺设计和模具设计作为冲裁生产的技术堆备工作。2.6.3.1 冲裁工艺设计的基本要
45、求 （1）材料利用率要高。（2）考虑工厂的具体生产条件，制定出的工艺方案要技术上先进可行，经济上合理。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （3）工序组合方式和工序编排顺序要符合冲压变形规律，能保证冲制出合格的工件。（4）工序数量尽可能少，生产效率尽可能高；但也不能光追求工序少、效率高，而忽视生产成本。（5）制定的工艺规程要便于生产的组织与管理，最佳的生产流程，同时便于物流管理（一般在进行冲压工艺设计时，对生产流程中的周转专用器具一并考虑和设计）。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6.3.2模具设计的基本要求 （1）模具应保证冲制出的零件符合图纸的形状、尺寸及精度要求，以及与相关零件的
46、装配关系与装配要求，把握需要保证的关键尺寸。（2）模具结构选择时注意工序的先后顺序，确定方案和结构，应尽可能简单，制造维修方便，成本低。（3）模具使用寿命长，能满足冲压工艺规程规定生产批量的要求。（4）模具操作方便、安全可靠，工人劳动强度与工人技术水平相适应。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6.3.3 冲裁工艺设计的一般程序（参考）（1）分析冲裁件的技术要求，查阅冲裁工艺设计必须的原始资料。（2）分析零件的冲裁工艺与相关零件的装配关系与装配要求，在此过程中设计人员必须全方位了解工厂各车间的设备状况，人员技术等级，模具加工设备等诸方面因素。（3）进行必要的工艺计算、分析、比较，在多个工
47、艺方案中筛选出一个合理方案。（4）确定模具结构形式。（5）选择冲压设备。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （6）编写冲压工艺过程卡片。（7）绘制模具装配图，并拆绘零件图。（8）校核模具图纸。（9）编制冲模关键零件的加工工艺及相关说明，尤其是需要特种加工的关键零件，甚至个别还有特殊夹具要求或加工程序。以上程序只是提供参考，每个工厂的做法不尽相同。有的工作可以同时进行，有的可以前后颠倒。有的工厂对有的步骤省略不做。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.6.3.4 在进行冲裁工艺设计时下列问题不容忽视，它与生产成本密切相关：（1）产品零件的质量和尺寸精度要求。（2）产品零件设计的结构、形状等
48、对冲裁工艺的适应性（工厂企业在确定最终产品零件图都要由工艺人员根据本单位设备状况，模具加工能力等进行零件结构工艺性审核，以便降低生产成本和工艺成本）。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 （3）生产纲领。（4）零件所需原材料性能、规格及当前市场供应状况。（5）企业的设备条件及最大生产能力与生产纲领相符与否。（6）模具加工条件与工人技术水平。（7）加工工艺的可行性与安全生产，需不需要配备专用工位器具。（8）工厂企业管理水平。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 2.7 2.7 冲裁模的结构与设计冲裁模的结构与设计 2.7.1 2.7.1 冲裁模的基本构造冲裁模的基本构造 任何一副冲裁模都是由各种
49、不同的零件组成的，根据其复杂程度不同，可以由几个零件组成，也可以由若干零件组成，复杂的模具甚至有成百上千个零件组成。但无论它们的复杂程度如何，一般来说冲模的零件根据其作用都可以分成以下五种类型的零件。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(1)工作零件 工作部件的作用是使被加工材料变形、分离，从而加工成工件，如凸模、凹模、凸凹模等。(2)定位零件 定位零件的作用是控制条料的送进方向和送料进距。确保条料在冲模中的正确位置，定位零件有挡料销、导正销、导尺、定位销、定位板、侧压板和侧刃等。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(3)压料、卸料与顶料零件 压料、卸料与顶料零件包括冲裁模的卸料板、顶件器、废
50、料切刀等。该类零件的作用是保证冲裁完毕后，将工件或废料从模具中排出，以便顺利实施下次冲裁。(4)导向零件 导向零件的作用是保证上模对下模相对运动有精确的导向，使凸模与凹模之间保持均匀的间隙。如导柱、导套、导板、导筒等均属于这类零件。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计(5)固定零件 固定零件包括上模板、下模板、模柄、凸模和凹模的固定板、垫板、限位器、弹性元件、螺钉、销钉等。这类零件的作用是使前四类零件联结和固定在一起，构成下、下模两部分，并使冲模能方便地安装在压力机上。冲裁工艺及模具设计冲裁工艺及模具设计 当然，一般冲模都具备上述五类零件。但也有例外，在新产品试制或小批量生产时，为了缩短试制周