1、沖壓模具設(shè)計與制造基礎(chǔ)沖壓模具設(shè)計與制造基礎(chǔ)第一章沖壓模具設(shè)計與制造基礎(chǔ) 沖壓-是在室溫下，利用安裝在壓力機上的模具對材 料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件 的一種壓力加工方法。沖壓模具-在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加 工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模 具（俗稱冷沖模）。在沖壓零件的生產(chǎn)中，合理的沖壓成形工藝、先進的模 具、高效的沖壓設(shè)備是必不可少的三要素，如圖1.1 .1所示.沖壓工藝分類 沖壓加工因制件的形狀、 尺寸和精度的不 同，所采用的工序也不同。根據(jù)材料的變形特點可將冷沖壓工序分為分離工序和成 形工序兩類。分離工序一一是指坯料在沖壓力作

2、用下，變形部分的應(yīng) 力達到強度極限 b b以后，使坯料發(fā)生斷裂而產(chǎn)生分離。分離工序主要有剪裁和沖裁等。成形工序一一是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應(yīng)力達到屈服極限但未達到強度極限bU使坯料產(chǎn)生塑性變形，成為具有一定形狀、尺寸與精度制件的加工工序。成形工序主要有彎曲、拉深、翻邊、旋壓等。有關(guān)沖壓工序的詳細分類與特征，見表1.1.1和表1 .1.2沖壓模具分類 沖壓模具是沖壓生產(chǎn)必不可少的工藝裝備，是技術(shù)密集型產(chǎn)品。沖壓件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等，與模具設(shè)計和 制造有直接關(guān)系。模具設(shè)計與制造技術(shù)水平的高低，是衡量一個國家產(chǎn)品制 造水平高低的重要標志之一，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì) 量、效益

3、和新產(chǎn)品的開發(fā)能力。沖壓模具的形式很多，一般可按以下幾個主要特征分類：1 .根據(jù)工藝性質(zhì)分類(1 )沖裁模 沿封閉或敞開的輪廓線使材料產(chǎn)生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模、剖切模等。(2)彎曲模 使板料毛坯或其他坯料沿著直線 (彎曲線) 產(chǎn)生彎曲變形，從而獲得一定角度和形狀的工件的模具。(3)拉深模 是把板料毛坯制成開口空心件，或使空心 件進一步改變形狀和尺寸的模具。(4)成形模 是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形 狀直接復(fù)制成形，而材料本身僅產(chǎn)生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴口模、起伏成形模、翻邊模、整形 模等。2 .根據(jù)工序組合程度分類(1 )單工序模 在壓

4、力機的一次行程中，只完成一道沖壓工序的模具。(2)復(fù)合模 只有一個工位，在壓力機的一次行程中，在同一工位上同時完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具3）級進模（也稱連續(xù)模）在毛坯的送進方向上，具有兩個或更多的工位，在壓力機的一次行程中，在不同的工位 上逐次完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。壓力機類型的選擇 （1）中、小型沖壓件 選用開式機械壓 力機；（2）大、中型沖壓件 選用雙柱閉式機械壓力機；（3）導(dǎo)板模或要求導(dǎo)套不離開導(dǎo)柱的模具，選用偏心壓力機；形 模等。（4）大量生產(chǎn)的沖壓件 選用高速壓力機或多工位自動壓 力機；（5）校平、整形和溫熱擠壓工序 選用摩擦壓力機；（6） 薄板沖裁、精密沖裁 選用剛

5、度高的精密壓力機；（7）大型、形狀復(fù)雜的拉深件 選用雙動或三動壓力機；（8）小批量生產(chǎn)中的大型厚板件的成形工序，多采用液壓壓力機。2.壓力機規(guī)格的選擇 （1）公稱壓力 壓力機滑塊下滑過 程中的沖擊力就是壓力機的壓力。壓力的大小隨滑塊下滑的位置不同，也就是隨曲柄旋轉(zhuǎn)的 角度不同而不同，如圖1.2.4中曲線I所示。壓力機的公稱壓力-我國規(guī)定滑塊下滑到距下極點莫一 特定的距離Sp?（此距離稱為公稱壓力行程，隨壓力機不同 此距離也不同，如 JC23-40規(guī)定為 7mm,JA31-400規(guī)定為 13mm, 一般約為（0.050.07?）滑塊行程）或曲柄旋轉(zhuǎn)到 距下極點莫一特定角度a （此角度稱為公稱壓力

6、角，隨壓力機不同公稱壓力角也不相同）時，所產(chǎn)生的沖擊力稱為壓力 機的公稱壓力。公稱壓力的大小，表示壓力機本身能夠承受沖擊的大小。壓力機的強度和剛性就是按公稱壓力進行設(shè)計的。壓力機的公稱壓力與實際所需沖壓力的關(guān)系-沖壓工序中沖壓力的大小也是隨凸模（或壓力機滑塊）的行程而變化的。在圖1.2.4中曲線2、3分別表示沖裁、拉深的實際沖壓力 曲線。從圖中可以看由兩種實際沖壓力曲線不同步，與壓力機許 用壓力曲線也不同步。在沖壓過程中，凸模在任何位置所需的沖壓力應(yīng)小于壓力機在該位置所發(fā)生的沖壓力。圖中，最大拉深力雖然小于壓力機的最大公稱壓力，但大 于曲柄旋轉(zhuǎn)到最大拉深力位置時壓力機所發(fā)生的沖壓力，也 就是拉

7、深沖壓力曲線不在壓力機許用壓力曲線范圍內(nèi)。故應(yīng)選用比圖中曲線 1所示壓力更大噸位的壓力機。因此為保證沖壓力足夠，一般沖裁、彎曲時壓力機的噸位應(yīng)比計算的沖壓力大 30%左右。拉深時壓力機噸位應(yīng)比計算由的拉深力大60%100%。（7 ）電動機功率的選擇 必須保證壓力機的電動機功率大 于沖壓時所需要的功率。常用壓力機的技術(shù)參數(shù)可查閱有關(guān)手冊。模具安裝在壓力機上安裝與調(diào)整模具，是一件很重要的 工作，它將直接影響制件質(zhì)量和安全生產(chǎn)。因此，安裝和調(diào)整沖模不但要熟悉壓力機和模具的結(jié)構(gòu)性 能，而且要嚴格執(zhí)行安全操作制度。模具安裝的一般注意事項-檢查壓力機上的打料裝置， 將其暫時調(diào)整到最高位置，以免在調(diào)整壓力機

8、閉合高度時被 折彎；檢查模具閉合高度與壓力機閉合高度之間的關(guān)系是否 合理；檢查下模頂桿和上模打料桿是否符合壓力機的除料裝 置的要求（大型壓力機則應(yīng)檢查氣墊裝置）；模具安裝前應(yīng)將上下模板和滑塊底面的油污揩拭干凈，并檢查有無遺物， 防止影響正確安裝和發(fā)生意外事故。模具安裝的一般順序（指帶有導(dǎo)柱導(dǎo)向的模具）：根據(jù)沖模的閉合高度調(diào)整壓力機滑塊的高度，使滑塊在 下止點時其底平面與工作臺面之間的距離大于沖模的閉合 高度。先將滑塊升到上止點，沖模放在壓力機工作臺面規(guī)定 位置，再將滑塊停在下止點，然后調(diào)節(jié)滑塊的高度，使其底 平面與沖模座上平面接觸。帶有模柄的沖模，應(yīng)使模柄進入模柄孔，并通過滑塊上的 壓塊和螺釘

9、將模柄固定住。對于無模柄的大型沖模，一般用螺釘?shù)葘⑸夏Ｗo固在壓力機滑塊上，并將下模座初步固定在壓力機臺面上（不擰緊螺釘）。將壓力機滑塊上調(diào) 35mm,開動壓力機，空行程 1 2次，將滑塊停于下止點，固定住下模座。進行試沖，并逐步調(diào)整滑塊到所需的高度。如上模有頂桿，則應(yīng)將壓力機上的卸料螺栓調(diào)整到需要的 高度。沖壓材料與沖裁性能沖壓成形是金屬塑性成形加工方法之一，是建立在金屬塑性變形理論基礎(chǔ)上的材料成形工程 技術(shù)。要掌握冷沖壓成形加工技術(shù)，就必須具有金屬塑性變形理論的基礎(chǔ)知識。在金屬材料中，原子之間作用著相當大的力，足以抵抗 重力的作用，所以在沒有其它外力作用的條件下，金屬物體 將保持自有的形狀

10、和尺寸。彈性變形一-當物體受到外力作用之后，它的形狀和尺寸 將發(fā)生變化即變形，變形的實質(zhì)就是原子間的距離產(chǎn)生變化。假如作用于物體的外力去除后，由外力引起的變形隨之消 失，物體能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱 為彈性變形。塑性變形一-如果作用于物體的外力去除后， 物體并不能完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形。塑性變形和彈性變形都是在變形體不破壞的條件下進行的（即連續(xù)性不破壞）通常用塑性表示材料塑性變形能力。塑性-指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破 壞其完整性能力。金屬的塑性不是固定不變的，影響它的因素很多，除了金 屬本身的晶格類型、化學成分和金相組織等內(nèi)在因素

11、之外， 其外部因素 一一變形方式（機械因素即應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)變狀 態(tài)）、變形條件（物理因素即變形溫度與變形速度）的影響 也很大。影響金屬塑性的主要因素如表1.3.1所示。衡量金屬塑性高低的參數(shù)稱為塑性指標（延伸率6、斷面收縮率少）。塑性指標-一是以材料開始破壞時的塑性變形量來表示， 它可借助于各種實驗方法測定。目前應(yīng)用比較廣泛的是拉伸試驗，對應(yīng)于拉伸試驗的塑性 指標，用延伸率 6和斷面收縮率 ”表示。6和少的數(shù)值由下式確定：需要指由，各種試驗方法都是相對于特定的受力狀況和變形條件的，由此所測定的塑性指標， 僅具有相對的比較意義。變形力一-塑性變形時，使金屬產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。變形抗力-一金屬

12、抵抗變形的力稱為變形抗力，它反映材料產(chǎn)生塑性變形的難易程度，一般用金屬材料產(chǎn)生塑性變形 的單位變形力表示其大小。金屬受外力作用產(chǎn)生塑性變形后不僅形狀和尺寸發(fā)生變 化，而且其內(nèi)部的組織和性能也將發(fā)生變化。一般會產(chǎn)生加工硬化或應(yīng)變剛現(xiàn)象，即金屬的機械性能， 隨著變形程度的增加，強度和硬度逐漸增加，而塑性和韌性 逐漸降低；晶粒會沿變形方向伸長排列形成纖維組織使材料 產(chǎn)生各向異性；由于變形不均，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力， 變形后作為殘余應(yīng)力保留在材料內(nèi)部。彈性模量是材料的剛度指標。彈性模量愈大，在成形過程中抗壓失穩(wěn)能力愈強，？卸載后彈性恢復(fù)愈小，有利于提高零件的尺寸精度。(4)硬化指數(shù)n硬化指數(shù)n表示材

13、料在冷塑性變形中材 料硬化的強度。n值越大的材料，硬化效應(yīng)就大，這對于伸長類變形來說 是有利的。因此n值增大，則變形過程中材料局部變形程度的增加會 使該處變形抗力增大，？這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，從而制止了局部集中變形的進一 步發(fā)展，具有擴展變形區(qū)、？使變形均勻化和增大極限變形程度的作用。可以證明，材料的硬化指數(shù) n,其值為細頸點應(yīng)變 7？所 以硬化指數(shù)n愈高，材料均勻變形的能力愈強。沖壓加工所用板料，都是經(jīng)過軋制的材料。因纖維組織的影響，其縱向與橫向上性能有明顯差異，在不同方向上r值也不相同，因此通常取其平均值。模具材料的選用，不僅關(guān)系到模具的使用壽命，而且也 直

14、接影響到模具的制造成本，因此是模具設(shè)計中的一項重要 工作。在沖壓過程中，模具承受沖擊負荷且連續(xù)工作 ，使凸、凹模 受到強大壓力和劇烈磨擦，工作條件極其惡劣。因此選擇模具材料應(yīng)遵循如下原則：(1)根據(jù)模具種類及其工作條件， 選用材料要滿足使用要求， 應(yīng)具有較高的強度、硬度、耐磨性、耐沖擊、耐疲勞性等；(2)根據(jù)沖壓材料和沖壓件生產(chǎn)批量選用材料；(3)滿足加工要求，應(yīng)具有良好的加工工藝性能，便于切削加工，淬透性好、熱處理變形小；(4)滿足經(jīng)濟性要求。模具材料的種類很多，應(yīng)用也極為廣泛。沖壓模具所用材料主要有碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄鋼、硬 質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及鋅基合金、低熔點合金、環(huán)氧樹 脂、聚氨

15、酯橡膠等。沖壓模具中凸、凹模等工作零件所用的材料主要是模具鋼，常用的模具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼、 高速工具鋼、基體鋼、硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金等（可參見 GB/T699 1999、GB/T1298 1986、GB/T1299 2000、 JB/T5826 1991、JB/T5825 1981、JB/T5827 1991 等）。一表1.4.3是常用冷作模具鋼國內(nèi)、外牌號對照 模具工 作零件的常用材料及熱處理要求見表1.4.4模具一般零件的常用材料及熱處理要求見表1.4.5模具零件加工常見熱處理方法有退火、調(diào)質(zhì)、淬火、回火、滲碳、氮化等，見表 1.4.6 凸模和凹模加工過程中熱處理工序

16、安排，見表 1.4.7常用機 械加工方法在模具零件加工中的應(yīng)用如表1.5.1所示。常用機械加工方法可能達到的尺寸精度和表面粗糙度如表 1.5.2表 1.5.3 所7Ko（三）模具零件的電加工1.電火花加工 電火花加工是在一定的介質(zhì)中，通過工具電極和工件電極之間脈沖放電的電 腐蝕作用，對工件進行加工的一種工藝方法，它是不斷放電 蝕除金屬的過程。其加工原理、特點及應(yīng)用如表1.5.7所示。電火花加工質(zhì)量主要受電極制造精度、脈沖放電參數(shù)（電規(guī)準）、放電間隙、電極損耗的影響，其中電極的設(shè)計與制 造是關(guān)鍵。（1）電極材料常用電極材料的種類和性能見表1.5.8所示。選擇時應(yīng)根據(jù)加工對象、工藝方法和加工設(shè)備條

17、件等因素 綜合考慮，對大中型腔可采用石墨材料電極；中小型腔、窄 槽等可采用純銅電極。(2)電極設(shè)計與制造電極必須根據(jù)模具結(jié)構(gòu)和精度要求, 考慮電極損耗和放電間隙等因素進行設(shè)計。電極結(jié)構(gòu)可分為整體式電極、組合式電極和鑲拼電極三 種，應(yīng)根據(jù)電極大小與復(fù)雜程度、電極的結(jié)構(gòu)工藝性等因素 進行選擇。通常電極精度至少應(yīng)達到 IT7、Ra1.6以解電極加工主要采用切削加工，必要時可再采用電加工。 盡管電火花加工有許多優(yōu)點，但仍有一定的局限性：需要制作成形電極；只能用于加工金屬等導(dǎo)電材料； 加工速度一般較慢，為了提高加工速度，一般要事先用機械 加工方法對零件進行預(yù)加工；存在電極損耗，影響加工精 度；最小角部半

18、徑有限制，一般電火花加工加工能得到的 最小角部半徑等于放電間隙。2.電火花線切割加工 電火花線切割加工和電火花成形 加工的原理是一樣的，都是基于工具電極和工件之間脈沖放 電時的腐蝕現(xiàn)象使金屬熔化或氣化，從而實現(xiàn)對各種形狀金 屬零件的加工。不過在線切割加工時，是用連續(xù)移動的電極絲作為工具電 極代替電火花加工中的成形電極，具加工原理、特點及應(yīng)用如表1.5.11所示 電火花線切割加工的工藝過程如表1.5.12所示。需要特別指由，電火花線切割加工時要注意工件內(nèi)部殘 余應(yīng)力對加工的影響，防止變形。對熱處理后的毛坯進行電火花線切割加工時，由于大面積 去除金屬和切斷加工，會使材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的相對平衡受 到破壞從而產(chǎn)生變形，破壞了加工精度。在線切割過程中，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，工件可能會突然開 裂。為減少這些情況，應(yīng)選擇鍛造性能好，淬透性好，熱處理 變形小的材料，如以線切割為主要加工工藝的冷沖模，應(yīng)盡 量選用CrWMn、Cr12MoV、GCr15等合金鋼制造凸、凹模， 并嚴格熱處理規(guī)范；另一方面，也要合理安排電火花線切割 工藝，如選擇合理