项目二 冲裁工艺及模具设计

冲裁是利用冲裁模使材料发生分离的冲压工序，是冲压的基本工序之一，主要包括落料、冲孔、切口、切断、切边、剖切等，其中应用最多的是落料和冲孔。冲裁应用极为广泛，它既可以直接冲出所需要的零件，又可以为其他冲压工序制作毛坯。本项目通过具体冲裁件的模具设计，让学生掌握冲裁工艺及冲压模具结构、冲裁模设计的一般原则和方法，为学习其他冲压模具的设计打好基础。

知识目标

➢ 冲裁的基本知识

➢ 冲裁间隙的确定

➢ 冲裁模具的结构

➢ 冲裁件的工艺性分析

➢ 冲裁模具工作零件刃口尺寸的计算

➢ 冲裁件的工艺计算

➢ 冲裁模具工作零件和结构零件的设计

➢ 冲裁模具标准件的选用

➢ 冲裁模具设计的一般步骤

技能目标

➢ 掌握冲裁模具的结构和工作原理

➢ 能根据冲裁件的技术要求合理选取冲裁间隙

➢ 能根据冲裁件的技术要求确定模具工作零件刃口部分的尺寸

➢ 能在条料上对冲裁件进行合理的排样

➢ 能对模具的工作零件和结构零件进行合理的设计

➢ 能合理选用模具标准件

➢ 掌握冲裁模的设计方法

任务一 落料模

任务说明

落料是指沿封闭轮廓线使板料产生断裂分离，落下部分为制件的一种冲压加工工艺，如图2-1所示。落料模是落料工序必需的工艺装备。落料件在工艺方面有哪些要求？如何根据落料件来设计落料模具？我们将通过图2-2所示的矩形垫片的落料模具设计来解答这一问题。已知该落料件材料为Q235，料厚t =1.2mm，中等批量生产，采用落料成形。

基础知识

知识链接1——冲裁的基本知识

一、冲裁的概念

冲裁是指利用安装在冲压设备上的模具对被加工的材料施加一定的压力，使部分材料或工序件与另一部分材料、工（序）件或废料产生分离，从而获得所需形状、尺寸的冲压零件的一种压力加工方法。冲裁是冲压加工方法中的基本工序，它主要包括落料、冲孔、切断、切边、切口、剖切等。

其工作过程如图2-3所示。凸模1 与凹模3具有与冲裁件轮廓相同的锋利刃口，且相互之间保持均匀合适的间隙。冲裁时，板料2置于凹模上方，当凸模随压力机滑块向下运动时，便迅速冲穿板料进入凹模，使冲裁件与板料分离而完成冲裁工作。

二、冲裁的变形过程

冲裁是在瞬间完成的，为了便于研究，我们可将图2-3所示的整个冲裁工作过程分为3个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。各个阶段的具体变形特点见表2-1。

三、冲裁件断面的组成

从上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是非常复杂的。冲裁变形区为凸、凹模刃口连线的周围部分材料，其变形性质以塑性剪切变形为主，还伴随着拉伸、弯曲和横向挤压等变形，所以冲裁件及废料的平面常有翘曲现象。

在正常的冲裁条件下，由凸模刃口开始的剪裂纹与由凹模刃口开始的剪裂纹是重合的。通过对一般冲裁零件断面进行分析，可以发现这样的规律：零件的断面与零件的平面并非完全垂直，而是带有一定的锥度；除光亮带外，其余均粗糙无光泽，并有毛刺和塌角，如图2-4所示。它具有明显的四个特征区。

（1）圆角带（又称塌角带）。圆角带是由于板料受弯曲、拉伸作用而形成的，出现在板料不与凸模或凹模相接触的一面，在刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形。冲孔工序中，圆角位于孔断面的小端；落料工序中，圆角位于工件断面的大端。其大小与材料的塑性和模具间隙有关。材料的塑性越好，凸、凹模之间的间隙越大，形成的圆角也就越大。

（2）光亮带。光亮带紧挨着圆角，产生于塑性变形阶段，断面较光洁平整且垂直于端面，是质量最好的一段。它是由于凸模切入板料，板料被挤入凹模而产生塑性变形所形成的。普通冲裁中光亮带高度约占整个断面的1/2～1/3。材料的塑性越好，凸、凹模之间的间隙越小，光亮带的高度越高。

（3）断裂带 断裂带紧挨着光亮带，是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙无光泽，且带有4°～6°（图中的β角）的斜度。在冲孔工序中，断裂带位于孔断面的大端；在落料工序中，断裂带位于零件断面的小端。凸模和凹模的间隙越大，则断裂带的高度越大，且斜度也增大。

（4）毛刺。毛刺紧挨着断裂带的边缘，是由于裂纹的产生不是正对着凸模和凹模的刃口，而是靠近刃口的侧面而形成的。由于凸模和凹模间隙的存在，毛刺不可避免。此外，间隙不正常、刃口不锋利，还会使毛刺尺寸加大。

四、冲裁间隙

1.冲裁间隙的概念

冲裁间隙是指冲裁模具的凹模刃口尺寸DA与凸模刃口尺寸dT之差值，如图2-5所示，即

式中，Z为冲裁双面间隙（mm）；DA为凹模刃口尺寸（mm）；dT为凸模刃口尺寸（mm）。

Z表示双面间隙，单面间隙用Z/2表示，所谓单面间隙是指凹模与凸模每一侧的间隙，两侧间隙之和为双面间隙。如无特殊说明，冲裁间隙指的是双面间隙。Z 值可以为正值，也可以为负值，但在普通冲裁中均为正值。

冲裁间隙是冲裁的一个重要工艺参数，它的大小对冲裁件的尺寸精度、断面质量、模具寿命、冲压力等都有很大的影响。

2.冲裁间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命的影响

1）冲裁间隙对冲裁件质量的影响

冲裁间隙是影响冲裁件质量的主要因素之一，冲裁件质量主要包括冲裁件断面质量和冲裁件尺寸精度。

（1）冲裁间隙对冲裁件精度的影响。冲裁间隙对冲裁件精度有较大的影响。当间隙适当时，在冲裁过程中，板料主要是被剪切分离的，冲裁后的回弹很小，冲裁件相对于凸模和凹模的尺寸偏差也较小。

如果间隙过大，板料在冲裁过程中除受剪切外还会产生较大的拉伸与弯曲变形。冲裁后由于回弹作用，将使冲裁件的尺寸向实体方向收缩。对于落料件，其尺寸将会小于凹模尺寸；对于冲孔件，其尺寸将会大于凸模尺寸。如果间隙过小，则板料在冲裁过程中除受剪切外还会产生较大的挤压作用。在冲裁后同样由于回弹作用，将使冲裁件的尺寸向实体的反方向胀大。对于落料件，其尺寸将会大于凹模尺寸；对于冲孔件，其尺寸将会小于凸模尺寸。

（2）冲裁间隙对断面质量的影响。冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响如图2-6所示。当间隙过小时，如图2-6（a）所示，上、下裂纹不重合，两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带。该光亮带中部有残留的断裂带（夹层）。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度、翘曲、拱弯等弊病都有所降低，冲裁件质量好。但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。当间隙过大，如图2-6（c）所示，上、下裂纹仍不重合。因变形区拉应力成分增大，材料弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形过早结束。所以，光亮带变窄，断裂带、圆角带增宽，毛刺和斜度较大，拱弯、翘曲现象显著，冲裁件质量下降，并且拉裂产生的斜度增大，断面出现两个斜度，断面质量也是不理想的。

当间隙合适时，如图2-6（b）所示，上、下裂纹能汇合成一条线。尽管断面有斜度，但零件比较平直，圆角、毛刺、斜度均不大，有较好的综合断面质量。当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况，这对冲裁件断面质量也是有影响的，因此，要求模具制造和装配时必须保持间隙均匀。

2）冲裁间隙对冲裁力的影响

由冲裁时板料的受力分析可以知道，随着冲裁间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。但冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5%～20%时，冲裁力的降低不超过5%～10%。间隙的变化对卸料力、推件力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料和从凹模里推出零件都省力，当单边间隙为材料厚度的15%～25%时，卸料力几乎为零；但随着间隙继续增大，由于毛刺的增大，又将引起卸料力、推件力迅速增大。

3）冲裁间隙对模具寿命的影响

模具寿命受各种因素的综合影响，其中冲裁间隙是影响模具寿命各种因素中最主要的因素之一。一般来说，间隙越小，模具所受的压应力就越大，磨损也越严重，模具寿命就越短。而间隙太大时，板料的弯曲拉伸相应增大，磨损又变严重。为提高模具寿命，一般需采用较大间隙。若冲裁件精度要求不高，则采用合理大间隙，使Z/t（t 为材料厚度）达到15%～25%，模具寿命可提高3～5倍。

从上面的分析可以看出，间隙的大小对冲裁工艺的影响往往是相互矛盾的。如要使冲裁件获得较高的断面质量，就应选取较小的间隙，但这样又会降低模具寿命。因此，并不存在满足所有要求的最佳间隙值，只能说有条件地选择一个较为合理的间隙值。在实际冲压生产中，主要根据冲裁件断面质量、冲裁件精度、模具寿命这三个因素，给出间隙一个范围值。只要间隙在这个范围内，就能得到质量合格的冲裁件和较长的模具寿命。这个间隙范围就称为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙（Zmin），最大值称为最大合理间隙（Zmax）。

3.冲裁间隙值的确定

1）确定冲裁间隙值的原则

具体选择冲裁间隙值时，应根据零件在生产中的具体要求，按以下原则确定。

（1）当冲裁件尺寸精度要求不高，或对断面质量无特殊要求时，一般采用较大的间隙值，这样既可以提高模具的使用寿命和减小冲裁力，又可以获得较大的经济效益。

（2）当冲裁件尺寸精度要求较高，或对断面质量有较高要求时，应尽量选择较小的间隙值。

（3）在确定冲裁模刃口尺寸时，由于模具在使用过程中的磨损，会使刃口间隙增大，应按最小间隙值来计算刃口尺寸。

2）冲裁间隙值的确定方法

目前确定冲裁合理间隙值的方法有理论计算法、经验公式法和查表法，其中运用最多的是经验公式法和查表法。

（1）理论计算法。用理论计算法来确定合理间隙值，是根据从凸、凹模刃口处产生的裂纹重合的原则来计算的。

图2-7所示为冲裁过程中刚开始产生裂纹的瞬间状态，根据图中的几何关系可求得合理间隙Z为：

式中，Z为冲裁双面间隙（mm）；t为材料厚度（mm）；h0 为产生裂纹时凸模挤入材料的深度（mm）；h0/t为产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度；β为剪裂纹与垂线间的夹角。

式中的h0/t和β值见表2-2，由于剪裂纹方向角β变化不大，由式（2-2）可知合理间隙值Z主要取决于材料的厚度 t 和相对挤入深度 h0/t，而 h0/t 不仅与材料塑性有关，而且还受料厚的综合影响。总的结论是料厚越厚，塑性越低的硬脆材料所需间隙值Z就越大；料厚越薄，塑性越好的材料所需间隙值Z就越小。

（2）经验公式法。冲裁间隙值的确定也可以采用下列经验公式来确定：

式中，Z为冲裁双面间隙（mm）；m为与材料厚度有关的系数，具体见表2-3；t为材料厚度（mm）。

（3）查表法。查表法是实际生产中设计模具时普遍采用的方法之一。表2-4所示为冲裁间隙分类及双面间隙值的经验数据。表中Ⅰ类适用于断面质量和尺寸精度均要求较高的冲压件，但使用此间隙时，冲压力较大，模具寿命较低；Ⅱ类适用于一般精度和断面质量的冲压件，以及需要进一步塑性变形的坯料；Ⅲ类适用于精度和断面质量要求不高的制件，模具寿命较高。

由于各类间隙值之间没有绝对的界限，因此，还必须根据冲压件尺寸与形状、模具材料和加工方法、冲压方法，以及速度等因素适当调整间隙值。例如：

● 在相同条件下，非圆形比圆形间隙大，冲孔比落料间隙大。

● 直壁凹模比锥形凹模间隙大。

● 高速冲压时，模具易发热，间隙应增大，当行程次数超过200次/min时，间隙值应增大10%左右。

● 冷冲比热冲间隙大。

● 冲裁热轧硅钢板比冷轧硅钢板间隙大。

● 用电火花加工的凹模比用磨削加工的凹模小0.5%～2%。

在冲压设计资料上，常用的间隙表还有以下两种：对汽车、拖拉机等行业，其冲压件尺寸公差较大，可采用较大间隙值，见表2-5；对电子、电器、仪表等行业，对冲压件断面质量和尺寸精度要求较高，可选用较小间隙值，见表2-6。

对于精度低于IT14级，断面又无特殊要求的制件，还可以采用大间隙，见表2-7，以利于提高模具寿命。

知识总结与运用

冲裁是冲压的基本工序之一，属分离工序，它的整个变形分为三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。冲裁断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分组成，断面不平整，带有斜度。间隙是冲裁的重要工艺参数，它的大小对冲裁件的尺寸精度、断面质量、冲裁力、模具寿命都有很大影响。间隙大小的确定方法有三种，即理论计算法、经验公式法和查表法，在实际生产中，主要运用经验公式法和查表法来确定冲裁间隙。图2-8所示垫片的材料为Q235，料厚t=2.0mm，尺寸精度要求不高，均为未注公差尺寸，中批量生产，可按IT14级选取，因而可按表2-5选取其冲裁模的双面初始间隙Zmin=0.246mm，Zmax=0.360mm。

知识链接2——冲压模具及组成冲压模具零件的分类

一、冲压模具的分类

冲压模具是冲压生产所必需的工艺装备，由于冲压件的品种和样式都很多，所以冲压模具的类型也很多。为了便于研究，将冲压模具按不同的特征进行分类，常用的分类方法如图2-9所示。

二、组成冲压模具零件的分类

组成冲压模具的全部零件按其功能可分为两大类，即工艺零件和结构零件。

1.工艺零件

工艺零件直接参与完成冲压工艺过程并和坯料直接发生作用，包括工作零件（直接对毛坯进行加工的成形零件）、定位零件（用以确定加工中毛坯正确位置的零件）、压料、卸料及出件零件。

2.结构零件

结构零件不直接参与完成冲压工艺过程，也不和坯料直接发生作用，只对模具完成冲压工艺过程起保证作用或对模具的功能起完善作用，包括导向零件（保证上、下模之间的相对正确位置），支撑零件（用以承装模具零件或将模具安装固定到压力机上），紧固及其他零件等。冲压模具零件的分类如图2-10所示。

知识总结与运用

冲压模具是冲压工艺的三要素之一，其种类随着冲压产品的不同而不同，选用哪种结构的模具要根据具体冲压件的特点和技术要求，只有当模具的结构确定以后，才能确定组成模具的零件。

知识链接3——落料模具的结构及工作原理

一、刚性卸料落料模

刚性卸料落料模如图2-11所示。

1.模具结构

模具结构的组成如图2-12所示。

2.工作原理

图2-11所示的模具处于闭合状态，工作时，压力机的滑块带动模柄13、上模座12等上模零件下行，条料沿着卸料板5的一侧送进，挡料销6控制条料送进的距离，随后滑块带动上模下行，开始冲裁。冲裁完成后，包紧在凸模上的条料在凸模上行时由卸料板5挂下，冲裁件则由凸模从凹模和下模座孔中推出。

3.模具的特点

模具采用刚性卸料板5卸料，结构简单，卸料力大，卸料安全可靠；同时卸料板5还兼作条料送料时的导料板，在材料送进时起导料的作用。采用回拉式挡料销6对送进的条料定距，送进时需将条料往后拉，以保证定距准确。采用后侧导柱导套导向，导向准确、安全。

该模具不宜冲制薄料，否则，会因卸料时条料变形而影响送料。操作空间较小，操作不太方便，生产效率不高。冲裁件由凸模从凹模洞口中推出，因而冲裁件表面不平整，尺寸精度不高。

二、弹性卸料落料模

弹性卸料落料模如图2-13所示。

1.模具结构

模具结构的组成如图2-14所示。

2.工作原理

模具开始工作时，压力机的滑块带动模柄13、上模座9等上模零件下行，条料沿导料销4由前往后送进，挡料销6控制条料送进的距离，在冲裁开始前，卸料板5在橡胶7的作用下先将条料压平，接着凸模15与凹模3开始对条料进行冲裁。冲裁完成后，箍在凸模上的条料由卸料板5卸下，冲裁件则由凸模从凹模和下模座孔中推出。

3.模具特点

该模具采用弹性卸料，操作空间大，操作方便，生产效率高。在冲裁过程中，弹性卸料板先接触条料，对条料有预压作用，冲裁后，也可以使条料平稳卸料。但模具结构较刚性卸料复杂，由于受弹簧、橡胶等弹性零件的限制，卸料力较小，卸料的安全性与可靠性不如刚性卸料，常用于较薄材料（t≤1.5mm）的冲裁。

三、弹性卸料带下顶料的落料模

弹性卸料带下顶料的落料模如图2-15所示。

1.模具结构

模具结构的组成如图2-16所示。

2.工作原理

工作时，条料沿着导料销15送进，由挡料销17控制送进的距离，随后滑块带动上模下行，开始冲裁前，卸料板11在卸料弹簧的作用下，将条料压紧，然后进行冲裁。冲裁完成后，包紧在凸模上的条料由卸料板卸下，冲裁件则由顶件器13在顶杆16的作用下从凹模12中顶出。

3.模具特点

冲裁时，先由卸料板11和凹模12将条料压平，在整个冲裁过程中，冲裁件一直处于凸模10与顶件器13压紧状态，因而冲裁后的零件表面平整，尺寸精度高。但模具结构复杂，每次条料送进前，需将冲裁件推离凹模，因而生产效率比冲裁件直接从凹模孔中漏下要低。

四、简易落料模

简易落料模如图2-17所示。工作零件是凹模2、凸模5。支撑零件是下模座1、模柄6。凸模5通过固定板4用螺钉、销钉固定在整体式模柄6上，凹模直接用螺钉、销钉固定在下模座1上，卸料由卸料橡胶3完成。无导向、定位零件。模具结构简单，适合冲裁边角料，也可以通过增加可调定位装置在制件上冲孔。因无导向装置，模具寿命低，产品精度不高。

知识总结与运用

模具的结构与产品质量、批量、生产效率及安全操作都有很大关系。它要根据产品的具体要求、工厂的实际情况等多种因素来确定。如图2-18所示的方垫片，材料选用黄铜，如果材料厚度 t =0.2mm，且要求表面平整，则应选用类似图2-11所示的弹性卸料带下顶料落料模；如果材料厚度t=2.0mm，且表面质量要求一般，则可选用类似图2-13所示的刚性卸料落料模或图2-13所示的弹性卸料落料模。

知识链接4——冲裁件的工艺性

一、冲裁件工艺性的概念

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，即冲裁加工的难易程度。冲裁件工艺性分析主要包括冲裁件的结构工艺性、冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度及冲裁材料的工艺性分析三个方面。

对冲裁件工艺性分析的目的是对于冲裁工艺性不好的冲裁件应与产品设计人员进行协商，使其在满足产品使用要求的前提下改进产品设计，以提高冲裁件工艺性。若与产品设计人员协商后不能改进产品设计的，则应在工艺上采取相应措施。

二、冲裁件的结构工艺性

（1）冲裁件的形状应尽可能设计成简单对称的，并能满足材料合理排样要求，尽可能减少废料的产生，如图2-19所示。

（2）冲裁件的内、外形转角处宜有适当的圆弧过渡，如图2-20所示，以便于模具加工，减少热处理开裂，避免冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。只有在采用少废料、无废料排样或镶拼模具结构时不要圆角。表2-8给出了冲裁件最小圆角半径。

（3）冲裁件上凸出的悬臂和凹槽部分的宽度不宜太小，并应避免悬臂和凹槽过长。否则会降低模具的寿命和产品质量。如图2-21所示。冲裁件材料为高碳钢或合金钢等硬材料时，b≥2t；冲裁件材料为黄铜、纯铜、铝、软钢时，b≥1.5t，t为材料厚度，当t<1mm时按1mm考虑。悬臂和窄槽的长度l最大为5b。

（4）冲裁件端部有圆弧，如图2-22所示。当采用有搭边落料成形时，应取 R=B/2，如图2-22（a）所示；当采用无搭边的冲裁——切断成形时，应取R>B/2，如图2-22（c）所示；如果R<B/2，如图2-22（b）所示，对模具的寿命是很不利的。

（5）冲孔时，由于受到凸模强度的限制，孔的尺寸不宜过小，其数值与孔的形状、材料的机械性能、材料的厚度有关。冲裁模冲孔的最小孔径一般应大于材料厚度，冲孔时孔的最小尺寸见表2-9。

（6）冲裁件上孔与孔之间、孔与边缘之间的距离b不宜过小，以免影响凸凹模强度和冲裁件质量。一般要求b≥2t（t为材料厚度），并不得小于3～4mm，如图2-23所示。必要时可取b=(1～1.5)t，（t<1mm时，按1mm计算），但模具寿命将会降低，模具结构的复杂程度增加。

（7）在拉深或弯曲件上冲孔时，其孔壁与工件直壁之间的最小距离如图2-24所示。如距离过小，孔边进入工件的圆角部分，冲孔时凸模将受到水平推力而容易折断。

三、冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度

（1）冲裁件的尺寸精度。冲裁件的尺寸精度一般可分为精密级和经济级两类。精密级是冲压工艺技术上所允许的精度，而经济级是可以用较经济手段达到的精度。冲裁件的经济精度一般不高于IT11级，最高可达IT10～IT8级，冲孔件比落料件的精度约高一级。按行业标准，对冲压件图样上未注公差的尺寸：汽车、拖拉机等运输行业按IT14级选取公差；对电气、仪表行业按IT12级选取公差。冲裁件的内外形尺寸公差、孔的中心距公差见表2-10和表2-11。

（2）冲裁件的表面质量。冲裁件的表面质量主要指的是冲裁件的断面质量及毛刺。冲裁件的断面粗糙度一般为Ra 12.5～50μm，最高可达6.3µm，具体数值见表2-12。允许的毛刺高度一般为0.01～0.05mm，具体数值见表2-13。

四、冲裁件材料的工艺性

材料的品种与厚度一般取决于制件的使用要求，但应尽量采用国家标准规定的材料，同时尽可能采取“廉价代贵重、薄料代厚料、黑色代有色”等降低成本的措施。

五、冲裁件的尺寸标注

冲裁件的结构尺寸标注基准应尽可能与冲裁时的定位基准相重合，以免造成基准不重合误差。图2-25所示的冲裁件需要在垂直的面上冲制圆孔。图2-25（a）的标注是两孔分别以左、右两端面为基准，冲裁工艺以左端面定位冲制两孔，由于毛坯误差，尺寸c受到尺寸a的影响可能难以保证；采取图2-25（b）的标注方式，排除了尺寸a的误差对尺寸c的影响，容易保证b、c尺寸的精度要求。

知识总结与运用

冲压件的工艺性分析是冲压模具设计的基础环节，对冲压工序的安排、模具的结构等都起着决定性的作用，它包括冲压件的结构工艺性、冲压件的尺寸精度和表面粗糙度、冲压件材料三个方面的内容分析。良好的冲裁工艺性是指在满足冲裁件使用要求的前提下，能以最简单、最经济的方式加工出来。图2-26所示零件材料为Q235，料厚t =1.5mm，从前面所学的知识可知，该零件5mm×5mm的孔四转角处没有圆角，孔壁离边缘距离1.5mm<3～4mm，造成模具制作困难，热处理容易变形、开裂，模具寿命短，产品质量难以保证；R1.5mm的槽长度过大，将导致模具的相应部位悬臂容易断裂，因此该零件的工艺性不好，应同产品设计人员协商改善或从冲压工艺上通过增加工序的方法解决。

知识链接5——冲裁排样

一、排样

1.排样的概念

排样是指冲裁件在条料或带料上的布置方式。

排样是模具结构设计的依据之一，其内容主要包括冲裁件在条料或带料上的布置方法、搭边值的确定、计算条料宽度和送料步距、核算材料利用率、画出排样图。

排样是否合理将直接影响材料的经济利用率、模具的结构与寿命、冲裁的生产效率、冲裁件的精度、冲压操作的方便与安全等。

2.排样方式

冲裁排样有以下两种分类方法。

1）根据材料经济利用的程度。

排样可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种，如图2-27所示。

（1）有废料排样，如图2-27（a）所示。冲裁时沿着冲裁件的封闭轮廓进行，在冲裁件与冲裁件之间及冲裁件与条料侧边之间均有工艺余料（搭边）。因留有搭边，所以冲裁件质量较高，冲裁时模具受力均匀，模具寿命长。

（2）少废料排样，如图2-27（b）所示。只在冲裁件之间或冲裁件与条料侧边之间留有余料，沿冲裁件的部分外形轮廓进行冲裁或切断，冲裁材料利用率较高，模具结构较简单。

（3）无废料排样，冲裁件与冲裁件之间，以及冲裁件与条料侧边之间没有工艺余料，制件直接由切断条料获得。如图2-27（c）所示的是进距为两倍制件宽度的一模两件的无废料排样。

采用少、无废料排样法，材料利用率高，不仅有利于一模获得多个冲压件，而且可以简化模具结构，降低冲裁力，但是条料本身的宽度公差及条料导向与定位所产生的误差会直接影响冲裁件尺寸而使冲裁件的尺寸精度降低。同时，往往因模具单面受力而加快磨损，降低模具寿命，影响冲裁件的断面质量，因此排样时要全面考虑。

2）按冲裁件在材料上的布置方式

排样可分为直排法、斜排法、对排法、混合排法、多排法和冲裁搭边法等多种形式。

冲裁件在材料上的排样方式见表2-14。

3.排样的原则

（1）能有效提高材料的利用率。

（2）操作要安全、方便，尽可能降低操作人员的劳动强度。

（3）排样时，对于弯曲件的落料，为保证冲压件的质量，应考虑板料的纤维方向。

（4）在排样过程中，应考虑如何使模具结构简单，模具寿命长等因素。

二、搭边

1.搭边的概念

搭边是排样时冲裁件与冲裁件之间及冲裁件与条料或带料侧边之间留下的工艺废料。搭边的作用如下。

（1）补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格的冲裁件。

（2）增加条料刚性，方便条料送进，提高生产效率。

（3）使凸、凹模刃口受力均匀，同时可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙，从而提高模具寿命。

2.搭边值的确定

1）影响搭边值的因素

搭边值的大小一定要合理，搭边过大会造成材料浪费；搭边过小则起不到搭边的作用。搭边值的大小主要与下列因素有关。

（1）材料的力学性能。硬材料的搭边值可小一些，软材料、脆材料的搭边值应大一些。

（2）冲裁件的形状与尺寸。冲裁件的形状复杂或冲裁件的尺寸大时，搭边值应大一些，反之可小一些。

（3）材料厚度。厚材料的搭边值应大一些。

（4）送料及挡料方式。用手工送料或有侧压装置时，搭边值可以小一些；用侧刃定距比用挡料销定距的搭边值要小一些。

（5）卸料方式。弹性卸料比刚性卸料的搭边值要小一些。

2）搭边值的确定

因影响搭边值的因素比较多，目前一般采用查表法或经验法来确定搭边值的大小。

（1）查表法。表2-15所示为低碳钢的搭边值。

（2）经验法。对于其他材料应按下列系数将表2-15中的数据进行适当修正。

中碳钢0.9

高碳钢0.8

硬黄铜1～1.1

硬铝1～1.2

软黄铜、紫铜1.2

铝1.3～1.4

非金属（皮革、纸、纤维板等）1.5～2

3.送料步距和条料宽度的计算

在确定了排样方式和搭边值之后，尚需计算送料步距和条料宽度，这样才能画出排样图。

1）送料步距S

条料在模具上每次送进的距离称为送料步距，简称步距或进距。一个步距可以冲出一个零件，也可以冲出几个零件。送料步距的大小应为条料上两个对应冲裁件对应点之间的距离，如图2-27（a）所示，每次只冲一个零件的步距S的计算公式为：

式中，D为平行于送料方向的冲裁件宽度（mm）；a1为冲裁件之间的搭边值（mm）。

2）条料宽度B

条料宽度与模具的结构有关。确定的具体原则是：最小条料宽度要保证冲裁时冲裁件周边有足够的搭边值；最大条料宽度能在冲裁时顺利地在导料板之间送进条料，并有一定间隙。根据冲裁模有无侧压装置，条料宽度尺寸的计算方法如下：

（1）有侧压装置时，条料的宽度与导料板宽度的确定。如图2-28（a）所示为有侧压装置的模具，在这种情况下条料是在侧压装置作用下紧靠导料板的一侧送进的，故应按下式计算：

式中，Dmax为工件垂直于送进方向的最大距离（mm）；a 为侧搭边值（mm），Δ为条料宽度单向（负向）公差（mm），见表2-16和表2-17；Z为条料与导料板之间的间隙（mm），见表2-18。此种情况也适用于用导料销导料的冲裁模，这时条料是由人工紧靠导料销的一侧送进的。

（2）无侧压装置时，条料宽度与导料板宽度的确定。如图2-28（b）所示为无侧压装置的模具，此时应考虑条料因在送料过程中在导料板之间摆动而使侧面搭边值减小的情况，为了补偿侧面搭边值的减小，条料宽度应增加一个条料可能摆动的量（其值为条料与导料板之间的间隙Z），故应按下式计算：

（3）采用侧刃定距时，条料宽度与导料板宽度的确定。如图2-28（c）所示，采用侧刃定距时，条料宽度必须增加侧刃切除的部分。按下式计算：

式中，Dmax为工件垂直于送进方向的最大距离（mm）；a 为侧搭边值（mm）；Δ为条料宽度单向（负向）公差（mm）；Z 为冲切前条料与导料板之间的间隙（mm）；n 为侧刃数；b1为侧刃冲切的条料宽度（mm）；y为冲切后条料宽度与导料板之间的间隙，b1、y值见表2-19。

三、材料利用率

冲裁件的实际面积占所用板料面积的百分比称为材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济指标。在冲裁件的生产成本中，材料费用占60%以上，因此必须提高材料的利用率，才能有效降低冲压件的生产成本。

1.材料利用率的计算

一个步距内的材料利用率（见图2-29）可表示为：

式中，η为材料利用率；A 为一个冲裁件的实际面积（mm2）；S 为送料步距（mm）；B 为条料宽度（mm）。

若考虑料头、料尾和边角余料的损耗，则一张板（或带料、条料）上总的材料利用率为：

式中，η总为一张板（或带料、条料）上总的材料利用率；A为一个冲裁件的实际面积（mm2)；L为板料长度（mm）；W为板料宽度（mm）；n为一张板（或带料、条料）上能冲裁的产品个数，如图2-30所示。

η总比一个步距内的材料利用率η要低，其原因是条料和带料有料头和料尾的损耗，此外用板料剪成条料还有料边的损耗。

2.提高材料利用率的方法

由图2-29可知，冲裁废料可分为两类：一类是由冲裁件的形状特点所产生的结构废料；另一类是由于冲裁件之间，以及冲裁件与条料侧边之间的搭边，以及料头、料尾和边角余料所产生的工艺废料。要提高材料的利用率，主要应从减少工艺废料着手。减少工艺废料的主要措施有：设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的剪板法（减少料头、料尾及边余料），利用料头、料尾和边角余料冲裁一些材料性能和料厚均相同的小件。

对一定形状的冲裁件，结构废料是不可避免的，但充分利用结构废料是可能的。当两个冲裁件的材料和厚度相同时，较小尺寸的冲裁件可以在较大冲裁件的废料中冲裁出来。这样，就使结构废料得到了充分利用。另外，在满足冲裁件使用要求的前提下，当取得冲裁件设计单位同意后，可通过改变冲裁件的结构形状来提高材料的利用率，如图2-31所示。

四、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卡片上和冲裁模总装图的右上角。排样图的内容包括排样方式、冲件的冲裁方式、用侧刃定距时侧刃的形状与位置、材料利用率等。

在排样图上应标注条料宽度B、条料长度L、板料厚度t、端距l、步距S、工件间搭边a1和侧搭边a、侧刃定距时侧刃的位置及断面尺寸等。如图2-32所示。在排样图上用剖面线表示出冲裁工位上工序零件的形状（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2-32（a））还是级进冲裁（见图2-32（b））或复合冲裁（见图2-32（c））。此外，采用斜排时，还应注明倾斜角度的大小。必要时，还可以用双点画线画出送料时定位元件的位置。如果对于纤维方向有要求的排样图，还应用箭头标识。

知识总结与运用

排样是冲压模具设计的基础，它决定了凹模刃口在凹模面上的摆放方式，合理的排样将有利于提高材料的利用率和产品质量，优化模具结构，便于安全操作，提高生产效率。如图2-33所示的连接片，材料为20钢，料厚t=1.2mm，中批量生产。在排样方式上采用有废料的直排比较合适，搭边值查表2-15可知，工件间搭边 a1=1.5mm，侧面搭边 a=1.8mm。因此步距S=15+1.5=16.5mm，条料宽度B=45+1.8×2=48.6mm，条料剪板时的公差查表2-17可得Δ=0.5mm。所以，一个步距内的材料利用率由式（2-12）可知

排样图如图2-34所示。

知识链接6——冲压力的计算与压力中心的确定

一、冲压力的计算

冲压力包括冲裁力、卸料力、推件力和顶件力。冲压力是选择压力机、设计冲裁模具和校核模具强度的重要依据。

1.冲裁力的计算

冲裁力是指在冲裁过程中，使材料沿断面轮廓分离所需的力。在冲裁过程中，冲裁力是随凸模进入材料的深度（凸模行程）而变化的。图2-35所示为Q235钢板冲裁时冲裁力的变化曲线。图中的OA段是冲裁的弹性变形阶段，AB段是塑性变形阶段，B点是冲裁力的最大值，材料在该点开始剪裂，BC段为断裂阶段，CD 段的压力主要用于克服摩擦力并将材料由凹模内推出。通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值。

冲裁力的大小主要与材料的力学性能、厚度及冲裁件分离的轮廓长度有关。用普通平刃模具冲裁时，冲裁力F冲一般按下式计算：

式中，F冲为冲裁力（N）；L为冲裁件周长（mm）；t为材料厚度（mm）；τ为材料抗剪强度（MPa）；K 为系数，是考虑模具的磨损、模具间隙的不均匀、材料力学性能的变化及材料厚度偏差等因素而增加的安全系数，一般取K =1.3。

一般情况下，σb≈1.3τ，为计算方便，也可按下式计算冲裁力：

式中，σb为材料的抗拉强度（MPa）。

2.卸料力、推件力、顶料力的计算

板料冲裁后，由于材料的弹性回复（包括径向弹性回复和弹性翘曲的回复）及摩擦的存在，将使冲落部分的材料卡在凹模内，而余下部分的材料紧箍在凸模上，为保证冲裁的连续进行，必须将它们从凸（凹）模上取下（出）。

卸料力是指从凸模上取下包着的材料所需要的力；推件力是指将卡在凹模里的料顺着冲裁方向从凹模内推出所需的力；顶件力是指逆着冲裁方向将卡在凹模内的材料从凹模内顶出所需的力，如图2-36所示。

这些力是由压力机和模具卸料装置或顶料装置提供和传递的，所以在选择设备的公称压力和设计模具时，应分别予以考虑。影响这些力的因素较多，主要有材料的力学性能、材料厚度、模具间隙、凹模刃口的形式、搭边的大小、润滑情况、冲裁件的形状及尺寸等，所以要准确计算是很困难的，生产中常用下列经验公式进行计算：

式中，F冲为冲裁力（N）；F卸、F推、F顶分别为卸料力、推件力、顶料力（N）；K卸为卸料力系数，取0.02～0.06；K推为推件力系数，取0.03～0.07；K顶为顶件力系数，取0.04～0.08；n 为卡在凹模刃口内的制件数，n=h/t（h 为凹模刃口直壁部分的高度；t 为材料厚度）。式（2-16）～式（2-18）中的各系数与板料的性能和厚度有关，具体见表2-20。

3.降低冲裁力的方法

为实现小设备冲裁大工件，或使冲裁过程平稳以减小压力机的振动，常用下列方式来降低冲裁力。

（1）阶梯凸模冲裁。所谓阶梯凸模冲裁是指在多凸模的冲裁中，将凸模设计成不同长度，使工作端面呈阶梯式布置的冲裁，如图2-37所示。这样，各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现，从而达到降低冲裁力的目的。在凸模直径相差较大，间距很小的情况下，为避免小凸模由于承受材料流动的侧压力而产生折断或倾斜现象，采用阶梯布置时，应将小凸模做短一些，凸模间的高度差H与板料厚度t有关，当t<3mm时，H=t；当t>3mm时，H=0.5t。

阶梯凸模冲裁的冲裁力一般只按产生最大冲裁力的那个阶梯进行计算。

（2）斜刃冲裁。采用平刃冲裁时，沿整个刃口周边同时冲切材料，所以冲裁力较大。如果将凸模（或凹模）刃口做成斜刃，则冲裁时整个刃口不同时切入冲裁件周边，而是逐步将材料切离，因而能显著降低冲裁力。

斜刃的形式有多种，如图2-38所示。斜刃配置的原则是：必须保证工件平整，只允许废料发生弯曲变形。因此，落料时，凸模应为平刃，将凹模做成斜刃，如图2-38（a）和图2-38（b）所示。冲孔时，凹模应为平刃，凸模为斜刃，如图2-38（c）、图2-38（d）和图2-38（e）所示。斜刃还应当对称布置，以免冲裁时模具承受单向侧压力而发生偏移，啃伤刃口，向一边斜的刃口，只能用于切舌或切开，如图2-38（f）所示，当斜刃模具用于大型件冲裁时，一般把斜刃做成波峰的形式。

斜刃主要参数的设计：斜刃角ϕ和斜刃高度H与板料厚度有关，一般可按表2-21选取，平刃部分的宽度取0.5～3mm。

斜刃冲裁力可用下列简化公式计算：

式中，F斜为斜刃冲裁力（N）；K斜为降低冲裁力系数，与斜刃高度H有关，当H=t时，K斜=0.4～0.6，当H=2t时，K斜=0.2～0.4。

斜刃冲裁虽有降低冲裁力使冲裁过程平稳的优点，但模具制造复杂，刃口易磨损，修模困难，冲裁件不够平整，且不宜冲裁外形复杂的零件，因此在一般情况下尽量不用，只用于大型件或厚板的冲裁。

值得注意的是，采用阶梯冲裁和斜刃冲裁虽然可以降低冲裁力，但所需的冲裁功并没有减少，原因是在冲裁力降低的同时，冲裁行程却增加了。

（3）加热冲裁。材料加热后，可大大降低材料的抗剪强度，从而使冲裁力降低。此时，冲裁力按平刃冲裁力公式计算，但材料抗剪强度τ在冲裁温度时的数值只有常温下的1/3，甚至更小。表2-22所示为钢在加热状态时的抗剪强度。

采用加热冲裁时，应注意材料在加热时的氧化、脱碳及冲裁件冷却变形的问题。在设计模具时，模具工作零件的材料应选用热冲模具材料，受热部分不能放置橡胶等，刃口尺寸应考虑冲裁件的冷缩，应适当减小模具间隙。

加热冲裁的劳动条件差，一般只适合于厚板或表面质量及精度要求不高的零件。

二、压力机公称压力的确定

冲裁时，压力机的公称压力必须大于或等于冲压力F总，即F机≥F总。冲裁时的冲压力F总由冲裁力、卸料力、推件力和顶料力组成。这些力在选择压力机时是否需要考虑进去，应根据不同的模具结构分别对待。

三、模具压力中心的确定

冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。

1.确定压力中心的作用

（1）使冲裁压力中心与压力机滑块中心相重合，避免冲床滑块产生倾斜，减小滑块与导轨之间的不均匀磨损。

（2）使冲裁压力中心尽可能通过模具中心并与压力机滑块中心重合，以免使模具产生偏心载荷而倾斜，从而保证模具在工作时间隙的稳定性，防止压力机和模具导向部分，以及模具的凸、凹模刃口的磨损，提高冲裁件的质量和模具寿命。

（3）对于多型孔模具来说，有利于合理布置凹模型孔的位置。因此，在设计模具时应正确计算冲裁时的压力中心，并使压力中心与模柄的轴线重合。在实际生产中，可能出现冲模压力中心在冲压过程中发生变化的情况，或者由于冲裁件的形状特殊，从模具结构考虑不宜于使压力中心与模柄中心线重合的情况，这时应注意使压力中心的偏移不致超出所选用压力机允许的范围。

2.压力中心的确定

确定压力中心的方法有解析法、作图法、悬挂法和CAD确定法。

1）解析法

（1）单凸模冲裁时的压力中心

冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中点；冲裁形状简单或对称的冲裁件时，其压力中心位于冲裁件轮廓图形的几何中心，如图2-39所示。

冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置如图2-40所示。其计算公式为：

式中，l为弧长；其余符号见图示。

（2）复杂形状件的压力中心

对于形状复杂的冲裁件，可先将组成零件形状的轮廓线划分为若干简单的直线段和圆弧段，分别计算其冲裁力，并计算出它们的合力。然后选定直角坐标系，并算出各线段的压力中心至x轴和y轴的距离。最终根据“合力对某轴之力矩等于各分力对同轴的力矩之和”的力学原则，即可求出压力中心的坐标。

如图2-41所示，设图形轮廓各线段（包括直线段和圆弧段）的冲裁力分别为F1，F2，F3，…，Fn，各线段压力中心至坐标轴的距离分别为 x1，x2，x3，…，xn和 y1，y2，y3，…，yn，则压力中心坐标的计算公式为：

由于线段冲裁力的大小与线段的长度成正比，因此可以用各线段的长度L1，L2，L3，…，Ln代替式（2-24）和式（2-25）中的各线段的冲裁力 F1，F2，F3，…，Fn，故压力中心坐标的计算公式又可表示为：

（3）多凸模冲裁时的压力中心

多凸模冲裁时压力中心的计算原理与单凸模冲裁时压力中心的计算原理基本相同，如图2-42所示。其具体计算步骤如下：

① 建立直角坐标系xOy。

② 按前述单凸模冲裁时压力中心的计算方法计算出各单一图形的压力中心到坐标轴的距离x1，x2，x3，…，xn和y1，y2，y3，…，yn。

③ 计算各单一图形轮廓的周长L1，L2，L3，…，Ln。

④ 将计算数据分别代入式（2-26）和式（2-27），即可求得压力中心坐标（x0，y0）。

2）作图法

作图法与解析法一样，既可求复杂形状零件冲裁时的压力中心，也可求多凸模冲裁时的压力中心。此法在实际中用得很少。

3）悬挂法

在生产中，常用一些简便的方法确定复杂形状冲裁件的压力中心，悬挂法即是其中一种。具体做法是：用匀质细金属丝沿冲件轮廓弯制成模型件，然后用细线将模型件悬挂起来，并从吊点作垂直线，再取其另一点，以同样的方式作另一垂直线，两垂直线的交点即为压力中心。该方法简单，但精度不高。

4）CAD确定法

AutoCAD是一种通用绘图软件，不是专门的模具设计软件，因此不能直接用来确定模具的压力中心，但这种软件却具有查询封闭区域质心的功能。通过下面的分析和图形转换，使计算机的这一功能得到扩展，间接地应用于确定模具的压力中心。

如图2-43（a）所示为凸模刃口轮廓，CAD确定压力中心的方法如下：

（1）在CAD中按尺寸比例绘制刃口轮廓。

（2）用Pedit命令将该刃口轮廓编辑成多义线，再将该多义线向两边偏移微小距离，形成如图2-43（b）所示的封闭环，两条封闭环线距离可定为0.2mm，间距越小，确定出来的压力中心越精确。

（3）运用一定的编辑方法围绕冲裁边形成一个狭窄封闭区域，用Region命令编辑成面域。

（4）用AutoCAD的Massprop命令求出面域质心，此质心接近压力中心。

利用计算机确定多凸模压力中心的原理与单凸模相同，计算机查询方法也类似，读者可自行尝试。

用计算机确定模具的压力中心准确、高效，可以大大提高模具设计速度与质量，这是传统的计算方法所无法实现的。计算机确定模具压力中心的方法已在实际工作中得到了应用，在模具设计中发挥着重要作用。

知识总结与运用

冲压力的计算和压力中心的确定是冲压模具设计中的力学计算部分，冲压力的计算是选择冲压设备公称压力和校核模具强度和刚度的主要依据，它包括冲裁力、卸料力、推件力和顶件力的计算，不管采用何种模具结构，冲裁力必须是有的，而其他的力则要根据具体的模具结构而定。压力中心则牵涉到模具的受力点与设备的施力中心是否重合，否则将产生偏心力矩，导致模具和设备的过早磨损和损坏。图2-44所示的支架，材料为Q235，料厚t=2.0mm，中批量生产。由图可知，冲裁件尺寸精度和表面质量要求不高，结合前述，该零件可采用类似图2-11所示的刚性卸料落料模生产，其有关力的计算如下：

（1）冲裁力

由式（2-14）可知：F冲=K L tτ=1.3×117.8×2.0×350=107216N=107.2kN（查附录A得τ=350MPa）

（2）推件力

由式（2-17）可知：F推=nK推F冲=× 0.05 ×107216=16082N=16kN（取凹模刃口的直壁高度h=6mm，查表2-20得K 推=0.05）

（3）冲压力

由式（2-22）可知：F总=F冲+F推=107.2+16=123.2kN

（4）设备的选择

由F机≥F总可知：F机≥F总=123.2kN，取F机 =160kN，故选择设备的型号为J23—16。

（5）压力中心

由该冲压件的结构特点可知，该零件为对称冲压件，因此，其压力中心就是其几何中心。

知识链接7——工作零件设计

一、工作零件刃口尺寸的确定

落料模的工作零件就是指落料凹模与落料凸模，因此工作零件刃口尺寸的确定就是确定落料凹模与落料凸模工作部分的尺寸。

1.工作零件刃口尺寸确定的原则

从冲裁的变形过程及冲裁件的断面组成的分析我们知道，冲裁件的断面不垂直，带有一定的斜度，仅短短的一段光亮带是圆柱体。而在冲裁件的测量和使用中，都是以光亮带的尺寸为基准的；此外，冲裁时，凸、凹模将与冲裁件或废料发生摩擦，凸模越磨越小，凹模越磨越大，从而导致凸、凹模间隙越来越大，因此确定凸、凹模刃口尺寸及公差必须遵守以下原则。

（1）落料时，应以凹模为设计基准，即落料件的外形尺寸等于凹模的内径尺寸，然后按间隙值确定凸模尺寸；冲孔时，应以凸模为设计基准，即冲孔件的内径尺寸等于凸模的外形尺寸，然后按间隙值确定凹模尺寸。

（2）凸、凹模刃口尺寸的确定应考虑磨损规律，凸模刃口尺寸的磨损使冲孔件尺寸减小，凹模刃口尺寸的磨损使落料件尺寸变大。为了提高模具的使用寿命，保证冲裁件的尺寸精度要求，设计落料凹模时，凹模刃口的基本尺寸（设计尺寸）应趋向于工件的最小极限尺寸；设计冲孔凸模时，凸模刃口部分的基本尺寸应趋向于工件孔的最大极限尺寸。

（3）凸、凹模之间应保证合理的间隙值。对于落料件，凹模是设计基准，间隙应由减小凸模尺寸来获得；对于冲孔件，凸模是设计基准，间隙应由增大凹模尺寸来取得。由于间隙在模具磨损后会增大，所以在设计凸、凹模时均取最小合理间隙 Zmin。这样可以保证模具具有一定的寿命。

（4）凸、凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸公差相适应。一般凸模和凹模的精度比工件要高2～3级，考虑到凹模比凸模加工稍难，凹模比凸模精度低一级。

（5）凸、凹模刃口尺寸的确定还与它们的加工制造方法有关。目前，为了保证凸、凹模之间的合理间隙，凸、凹模的加工方法有分开加工和配合加工两种方法。

2.凸、凹模刃口尺寸的计算方法

（1）凸、凹模分开加工时刃口尺寸的计算。凸、凹模分开加工就是分别规定凸模和凹模的尺寸和公差，分别进行制造，以凸模与凹模的尺寸及制造公差来保证间隙要求。这种加工方法必须将模具的制造公差控制在间隙的变动范围内，从而导致模具制造难度加大，目前主要用于冲裁件形状简单、间隙较大、精度较低的模具。但分开加工的凸、凹模具有互换性，制造周期短，便于成批制造。采用分开加工时，必须满足下列条件：

式中，Zmax为最大冲裁间隙（mm）；Zmin为最小冲裁间隙（mm）；δT、δA分别为凸模、凹模的制造公差（mm），凸模公差取下偏差（相当于基准轴的公差带位置），凹模取上偏差（相当于基准孔的公差带位置），一般可按零件公差的1/3～1/4 来选取；对于形状简单的冲裁件（如圆形、方形件等），由于制造简单，精度易于保证，制造公差可以按IT8～IT6级选取，也可按表2-23选取。

如果凸、凹模的制造公差不满足上式，当稍不满足时，可适当调整，以满足上述条件，这时可取δT≤0.4(Zmax-Zmin)、δA≤0.6(Zmax-Zmin)，如果相差太大，则应采用配合加工法。

冲裁时，凸、凹模刃口与工件尺寸及公差的分布如图2-45所示，凸、凹模刃口尺寸的计算公式按计算原则可以推出。

落料时：

冲孔时：

式中，DA、DT分别为落料凹模和凸模刃口尺寸（mm）；dT、dA分别为冲孔凸模和凹模刃口尺寸（mm）；Dmax为落料件的最大极限尺寸（mm）；dmin为冲孔件的最小极限尺寸（mm）；Δ为冲裁件的制造公差（mm）；Zmin为最小初始双面间隙（mm）；δT、δA分别为凸模、凹模的制造公差（mm），可查表2-23或取δT≤0.4(Zmax-Zmin)、δA≤0.6(Zmax-Zmin)；x为磨损系数，与工件精度有关，其值可查表2-24，也可按冲裁件的公差等级选取。当冲裁件公差在IT10以上时，x=1.0；当冲裁件公差在IT13～IT11之间时，x=0.75；当冲裁件公差在IT14以下时，x=0.5。

【例题1】冲制如图2-46所示的垫圈，材料为Q235，料厚t=1.0mm，采用分开加工，计算冲裁凸模和凹模的刃口尺寸。

解：外圆形φ30 mm属于落料，内圆形mm属于冲孔，外形φ30 mm尺寸为未注公差尺寸，按IT14级确定其公差。查其公差值为0.52mm，因为是外形尺寸，故按基轴制标注为mm。

计算过程如下：

① 落料mm

查表2-5，得：Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm；查表2-23，得：凸、凹模的制造公差δT=0.02mm，δA=0.025mm；查表2-24，得：x=0.5。

校核条件：

|δT|+|δA|=0.020+0.025=0.045；Zmax-Zmin=0.140-0.100=0.040

上述计算说明不满足|δT|+|δA|≤Zmax-Zmin的条件，但因为相差不大，故可调整如下：

δT=0.4（Zmax-Zmin）=0.4×0.040=0.016mm

δA=0.6（Zmax-Zmin）=0.6×0.040=0.024mm

将已知数据代入公式，得：

② 冲孔mm

查表2-5 得：Zmin=0.100mm，Zmax=0.140mm；查表2-23，得：凸、凹模的制造公差δT=0.02mm，δA=0.020mm；查表2-24，得：x=0.5。

校核条件：

|δT|+|δA|=0.020+0.020=0.040；Zmax-Zmin=0.140-0.100=0.040

上述计算说明满足|δT|+|δA|≤Zmax-Zmin的条件。

将已知数据代入公式，得：

（2）凸、凹模配合加工时刃口尺寸的计算。配合加工就是用凸模与凹模相互单配的方法来保证模具间隙。其方法是先按设计尺寸制造一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件刃口的实际尺寸按所需的间隙配作另外一件。这样就只需计算基准件的刃口尺寸及公差，而另一件只需在图样上注明按基准件配作加工并给出间隙值就可以了。这种方法不仅容易保证模具间隙，而且制造加工也比较容易，广泛应用于目前工厂的实际制作。它特别适用于各种复杂形状凸、凹模刃口尺寸的计算。

配合加工的计算以图2-47（a）所示的工件为例，计算方法如下：

该冲裁件属于落料件，故以凹模为基准来配作凸模。图2-47（b）为冲裁该工件所用落料凹模的刃口轮廓图，图中虚线表示凹模刃口磨损后尺寸的变化情况。从图中可以看出，凹模磨损后刃口尺寸有增大、减小和不变3种情况，所以凹模刃口尺寸也分3种情况来进行计算。

（1）凹模磨损后尺寸增大的是：A1、A2、A3。

按一般落料凹模计算公式：

（2）凹模磨损后尺寸变小的是：B1、B2。

按一般冲孔凸模计算公式：

（3）凹模磨损后尺寸不变的是：C1、C2

其计算公式为：

式中，AA、BA、CA为相应的凹模刃口尺寸（mm）；Amax为工件的最大极限尺寸（mm）；Bmin为工件的最小极限尺寸（mm）；CZ为工件的平均尺寸（mm）；Δ为工件的公差（mm）；δA为凹模的制造偏差（mm），通常取δA=1/3～1/4Δ。

计算出来的落料凹模尺寸及公差标注在凹模图样上，而落料凸模刃口部分的尺寸则不需要计算，只要在凸模图样上注明基本尺寸并在技术要求中注明“凸模刃口尺寸按凹模刃口实际尺寸配作，保证双面最小间隙Zmin～Zmax。”即可。

冲孔时应以凸模为基准来配作凹模，其计算方法同样根据以上磨损分类情况来分析计算。

【例题2】冲制如图2-48（a）所示的零件，其材料为08钢，料厚为2mm，模具采用配合加工，计算凸、凹模刃口尺寸及公差。

解：考虑到零件形状比较复杂，宜采用配合加工法加工凸、凹模。因该零件为落料件，故以凹模为基准来配作凸模，凹模磨损后的尺寸变化有3种情况，如图2-48（b）所示。

① 凹模磨损后尺寸变大的是：、A2A(40)。

40为未注公差尺寸，按IT14级确定其公差，查公差值表可以确定其公差值为0.62mm，因40为外形尺寸，按基轴制标注为。

凹模刃口尺寸的计算公式为：

对于尺寸，查表2-24可知：x=0.75；对于尺寸40，查表2-24可知：x=0.5，取δA=Δ/4。

将已知数据代入公式，可得：

尺寸：

尺寸：

② 凹模磨损后尺寸变小的是：BA(22±0.14)

凹模刃口的计算公式为：

查表2-24可知：x=0.75，取δA=Δ/4

将已知数据代入公式，得：

尺寸22±0.14：

③ 凹模磨损后尺寸不变的是：

凹模刃口的计算公式为：

将已知数据代入公式，得：

CA =CZ±Δ/8

尺寸： CA =(15.3+14.9)/2 ± 0.4/8=(15.1 ± 0.05)mm

由表2-5，得 Zmin=0.246mm，Zmax=0.360mm

凸模刃口尺寸按凹模实际刃口尺寸配作，在凸模图样的技术要求中应注明“凸模刃口部分尺寸应按凹模刃口实际尺寸配作，保证双面间隙值为0.246～0.360mm”。

目前工厂广泛使用的电火花线切割加工，其实质是配作加工。

二、落料凸模设计

落料凸模设计主要包括凸模刃口部分的尺寸计算、凸模的结构形式和固定方式、凸模长度的确定、凸模材料及热处理方面的内容。

1.凸模的结构形式及固定

凸模（又称冲头）的结构形式主要取决于冲裁件的形状和尺寸、模具结构、加工及装配工艺等实际条件，所以在实际生产中使用的凸模种类很多。按照凸模的截面形状可将其分为圆形凸模和非圆形凸模；按照凸模刃口形状可将其分为平刃凸模和斜刃凸模；根据凸模结构可将其分为整体式、镶拼式、阶梯式、直通式和带护套式凸模等。凸模本身按其部位作用的不同又可分为工作部分（即刃口）和固定部分。

1）圆形凸模

国家标准GB2863.1～3—1981规定了这类凸模的标准结构与尺寸规格，圆形凸模包括以下三种形式，如图2-49所示。

图2-49（a）所示为较大直径的凸模，适用于冲φ8～φ30mm的中型圆孔。图2-49（b）所示为冲φ1～φ15mm的较小直径的凸模，适用于冲裁力和卸料力较大的场合。图2-49（c）所示为冲φ1～φ8mm的快换式小凸模，维修更换方便。圆形凸模一般采用阶梯式结构，与凸模固定板采用H7/m6、H7/n6的过渡配合；最大直径部分的作用是形成台肩，以便固定，保证工作时凸模不被拔出。具体尺寸参照表2-25。

2）非圆形（异形）凸模

在大多数情况下，凸模工作部分的截面为非圆形，按其工作部分和固定部分是否相同可分为两种，即直通式凸模和阶梯式凸模。

（1）直通式凸模。直通式凸模是指凸模的工作部分和固定部分的形状和尺寸完全相同的凸模。这种凸模大多采用线切割加工或成形铣、磨加工。为避免卸料时卸料力将凸模从模具中拔出，直通式凸模与固定板的连接方式如图2-50所示。

其中图2-50（a）采用铆接式固定，适合于截面形状复杂的小截面凸模。这种凸模工作部分应进行淬火，其淬火长度约为总长的1/3，铆接部分处于软状态，铆接前对凸模可采用局部淬火或整体淬火后局部退火的办法。图2-50（b）采用横销式固定，就是在凸模的尾部加工一横孔后穿入一横销，在固定板的背面（与垫板接触的面）铣出一横销避空台阶，将装有横销的凸模装入固定板型孔后，将凸模尾部与固定板一起磨平，该固定方式会削弱凸模的强度，适合于卸料力不大的场合。图2-50（c）是对图2-50（b）的改良形式，加工时事先在凸模的对称直边上加工出两条凸筋，装配时将凸筋大部分磨掉，只在端部留下3～5mm的凸台，同时在固定板安装孔的相应部位铣出凸台的避空槽，装配后与固定板一起磨平端面，该固定方式可有效提高凸模强度，但所能承受的卸料力也不是很大，值得一提的是，凸筋的位置应位于便于磨削的平面。图2-50（d）采用低熔点合金浇注，图2-50（e）采用环氧树脂黏结，这两种方法的优点是当多孔冲裁时，可以简化凸模固定板的加工工艺，便于在装配时保证各凸模与凹模的间隙均匀。图2-50（f）和图2-50（g）的两种固定方式适合于快换式凸模，在固定板的一侧用螺钉将凸模顶紧，所能承受的力较小。图2-50（h）、图2-50（i）和图2-50（j）的固定方式适合于比较大的直通式凸模，其中图2-50（h）直接采用螺钉和销钉将凸模固定在模座上，图2-50（i）采用固定板固定、螺钉拉紧的方法，避免凸模从固定板中拔出，图2-50（j）则直接在模座上加工出一定位槽对凸模进行定位。此外，还可以采用热胀冷缩的原理，事先将固定板安装孔加工成比凸模安装部分的尺寸单边小0.2～0.5mm，然后将其加热使其胀大，将凸模放入后让固定板冷却，最后将凸模固定。

（2）阶梯式凸模。如果凸模的工作部分尺寸较小，为提高凸模的强度和刚度，往往将凸模做成阶梯形。为加工和装配的方便，常将异形凸模的固定部分做成圆形或矩形，这时凸模固定板上的型孔为标准尺寸孔，加工容易。工作部分可采用车削、磨削或仿形刨削加工，最后由钳工进行精修，加工比较复杂，如图2-51所示，其中图2-51（a）采用台肩固定，图2-51（b）采用铆接固定。这两种固定方法应用比较广泛，需注意的是，工作部分截面只要是非圆形的，而固定部分为圆形的，都一定要在固定端配合处加防转销（骑缝销）防止凸模在工作时转动。用铆接法固定时，铆接部分的硬度比工作部分的要低。

（3）大、中型凸模。如图2-52所示，大、中型冲裁凸模可分为整体式和镶拼式两种。

图2-52（a）所示的凸模属于大、中型整体式凸模，与模座直接采用螺钉、销钉固定。图2-52（b）所示的凸模属于镶拼式凸模，这样既可以节省模具钢材，又便于锻造、热处理和机加工，因此大型凸模多采用这种结构形式。

2.凸模长度的确定

凸模长度的确定主要根据模具结构、操作安全、修磨和装配等因素来确定，如图2-53所示。

当采用固定卸料板和导料板时，如图2-53（a）所示，其凸模长度为：

当采用弹性卸料板时，如图2-53（b）所示，其凸模长度为：

式中，h1为凸模固定板厚度（mm）；h2为卸料板厚度（mm）；h3为导料板厚度（mm）；t 材料厚度（mm）；h为附加长度（mm），包括凸模的修磨量、凸模进入凹模的深度0.5～1mm、凸模固定板与卸料板之间的安全距离等，一般为15～20mm。

3.凸模材料及其他要求

1）冲压模具材料的要求

从模具加工、使用及维修的角度来看，冲压模具材料应满足下列要求：

（1）具有足够的强度、硬度、耐磨性。

（2）具有良好的耐冲击性、耐疲劳性。

（3）具有良好的淬透性、易切削性。

（4）价格低廉、采购方便。

2）常用的冲压模具钢

按照用途的不同，模具钢可以分为三种：冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢。常用的冲压模具钢包括碳素结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等。

（1）国产冲压模具钢

国产冲压模具钢主要包括普通碳素结构钢Q235，优质碳素结构钢45、55，高级碳素工具钢T8、T8A、T10、T10A，合金工具钢Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等。

① Cr12 Cr12属于高碳高铬型钢，具有较好的淬透性、良好的耐磨性。由于含碳量最高可达2.3%，钢硬而脆，耐冲击性较差，几乎不能承受较大的冲击载荷，易脆裂，并且容易形成不均匀的共晶碳化物。

② Cr12MoV Cr12MoV属于高碳高铬型钢。与Cr12相比，Cr12MoV的淬透性更好，当截面为300～400mm时可以完全淬透，在300～400℃时仍可保持良好的硬度和耐磨性，韧性更好，淬火时体积变化很小。通常用于制造断面较大、形状复杂、承受较大冲击载荷的工模具。

③ Cr12Mo1V1 Cr12Mo1V1属于高碳高铬型钢，是我国1985年从美国引进的D2钢（美国AISI），命名为Cr12Mo1V1，以与Cr12MoV区别。与Cr12MoV相比，Cr12Mo1V1的钼、钒含量较高，钢的组织和晶粒度进一步细化，钢的淬透性、强度和韧性得以提高，综合性能更好。Cr12Mo1V1的用途与Cr12MoV相同，用于要求更高的模具零件。

（2）进口冲压模具钢

进口冲压模具钢主要产自日本，包括普通碳素结构钢SS400（JIS）、SS41，优质碳素结构钢S45C、S55C，高级碳素工具钢YK30（大同）、YCS3（日立），合金工具钢SKD11（JIS)、SLD（日立)、DC11（大同）、DC53（大同）等。

① YK30、YCS3 YK30、YCS3属于高级碳素工具钢、真空脱气精炼钢，质量稳定，淬透性良好，使用YK30、YCS3制造的工模具经久耐用。

② SKD11、SLD、DC11 SKD11、SLD、DC11属于高碳高铬型钢，化学成分介于Cr12MoV和Cr12Mo1V1之间，具有良好的淬透性，经过热处理之后，硬度高，耐磨性、韧性、抗高温疲劳性、尺寸稳定性等性能良好。

③ DC53 DC53与SKD11相比，DC53经过热处理之后的硬度更高，韧性、切削性能更好，经过高温回火之后的残余应力很小。使用DC53制造的工模具很少出现裂纹、变形和崩裂，寿命较长。

3）凸模材料及技术要求

模具刃口要有较高的耐磨性，并能承受冲裁时的冲裁力，所以应有较高的硬度与适当的韧性。形状简单的凸模常选用T8A、T10A、Gr15 等材料制造。形状复杂，淬火变形量大，特别是用线切割方法加工时，应选用合金工具钢（如Cr12、Cr12MoV、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV等）材料制造。其热处理硬度为58～62HRC。工作表面的粗糙度一般为 Ra=0.8～0.4μm，配合表面的粗糙度为Ra=1.6～0.8μm。此外，凸模的结构除满足其使用要求外，还应符合加工工艺要求。

三、凹模设计

凹模的设计包括凹模刃口尺寸的计算、凹模刃口的截面形式、凹模外形尺寸及螺、销钉在凹模上的位置确定等方面的内容。

1.凹模刃口的结构形式

凹模刃口的结构形式如图2-54所示。

（1）直壁式。如图2-54（a）、图2-54（b）、图2-54（c）所示，其孔壁垂直于顶面，刃口尺寸不会因修磨刃口而增大，故冲裁件精度高，刃口强度也较好。但直壁式刃口冲裁时磨损大，洞口磨损后会形成倒锥，因此每次的修磨量大，模具总寿命短；此外，冲裁时，工件易在孔内积聚，严重时会导致凹模胀裂。图2-54（a）适用于冲裁件形状简单、材料较薄的复合模；图2-54（b）适用于精密冲裁模；图2-54（c）适用于冲裁件或废料向冲压方向推出的冲裁模。

（2）斜壁式。如图2-54（e）、图2-54（f）、图2-54（g）所示。其特点与直壁式相反，在一般工件或废料向下落的模具中应用广泛。图2-54（e）适用于冲件材料和凹模厚度较薄且冲裁件形状简单或精度要求不高的冲裁模；图2-54（f）适用于冲件为任何形状的各种板厚的冲裁模；图2-54（g）适用于冲件形状简单材料较薄的冲裁模。以上两种凹模洞口的主要参数见表2-26。

（3）凸台式。如图2-54（d）所示。其淬火硬度为35～40HRC，是一种低硬度的凹模刃口。可用锤打斜面的方法来调整冲裁间隙，直到冲出合格的冲裁件为止，故这种形式又称为铆刀口凹模，主要用于冲裁板料厚度为0.3mm以下的小间隙、无间隙模具。

2.凹模外形结构及其固定方法

凹模的外形一般为圆形和矩形两种。其固定方式如图2-55所示。图2-55（a）、图2-55（b）所示为标准的两种圆形凹模及其固定方法。这两种圆形凹模尺寸都不大，直接装在凹模固定板中，主要用于冲孔，具体形式和尺寸见表2-27和表2-28。图2-55（c）所示是采用螺钉和销钉直接固定在模座上的凹模，这种凹模板已经有标准，它与标准固定板、垫板和模座配合使用。图2-55（d）所示为快换式冲孔凹模的固定方法。凹模采用螺钉和销钉固定时，要保证螺钉（或沉孔）间、螺孔与销孔，以及螺、销孔与凹模刃口的距离不能太近，否则会影响凹模刃口部分的强度。

3.凹模外形尺寸的确定

对凹模外形尺寸确定的原则是：凹模的外形尺寸应保证凹模具有足够的强度和刚度，凹模的厚度还应考虑到修磨量，凹模的外形尺寸一般是根据冲裁材料的厚度和冲裁件的最大外形尺寸来确定的。具体确定方法如下。

（1）查表法。凹模厚度H和壁厚C跟冲件材料厚度t和冲裁件的最大外形尺寸b有关。其数据可查表2-29。

（2）按经验公式计算。凹模厚度H和壁厚c可按下列经验公式进行计算。

式中，b 为冲裁件的最大外形尺寸（mm）；K 为与冲件厚度有关的系数，板料越厚，凹模厚度也应相应增加，具体数值见表2-30。

（3）理论计算法。凹模的厚度及壁厚可根据凹模的受力情况及冲件的形状和轮廓尺寸进行理论计算。

凹模厚度H：

式中，P为冲裁力（N）；K1为冲裁轮廓长度修正系数，见表2-31；K2为凹模材料修正系数，当凹模材料为合金工具钢时，取K2=1.0，当凹模材料为碳素工具钢时，取K2=1.3。

凹模壁厚C为

以上计算出来的凹模外形尺寸值应与凹模标准值相靠，取标准的上限值作为外形最终尺寸。

（4）凹模刃口与边缘、刃口与刃口之间的距离。对于多型孔凹模而言，凹模刃口与边缘、刃口与刃口之间都必须保证有足够的距离，具体见表2-32。

4.凹模上螺孔、销孔的设计

对于整体式凹模一般采用螺钉和销钉直接固定在模座上，螺钉、销钉在冲压模具中主要起紧固和定位作用，设计时主要是确定它的规格和在凹模上的位置，螺钉、销钉的种类繁多，应根据实际情况选用。螺钉最好选用内六角螺钉，它紧固牢靠，螺钉头部不外露，模具外形美观。选用时，应根据冲压力的大小、凹模厚度等确定。

（1）凹模上螺孔、销孔的位置。从凹模外缘到螺孔的标准尺寸A按下式进行计算：

式中，d为螺纹的公称直径（mm）。

凹模上螺孔、销孔之间及至刃口壁部的最小允许尺寸见表2-33。

（2）凹模上螺孔间的距离。凹模上螺孔间距离见表2-34。

（3）凹模上常用的螺钉规格。凹模上常用的螺钉规格与凹模厚度有关，具体见表2-35。

凹模上所使用的销钉一般为圆柱销，其尺寸规格与所用螺钉相当，同一组合中一般为两个。销钉在模具中的配合深度不易太浅，一般不小于其直径的2倍，也不易太深。凹模上所用螺钉的数量一般为3个以上，螺钉旋入的深度不能太浅，否则紧固不牢靠；也不能太深，否则拆装工作量大。

5.凹模的主要技术要求

凹模材料及热处理通常与凸模一样。凹模型孔的轴线应与凹模顶面保持垂直，凹模的顶面与底面应保持平行。凹模的顶面和型孔的表面应光滑，表面粗糙度一般为Ra=0.8～0.4μm。底面与销孔的表面粗糙度为Ra=1.6～0.8μm。

6.凸、凹模的镶拼结构

1）镶拼结构的特点及应用

当制件形状复杂、尺寸很大或很小、精度要求高时，工作零件一般采用镶拼结构。镶拼结构比整体式制造容易，热处理不易开裂，更换维修方便，可节省模具钢。但镶拼式结构装配麻烦，零件数量多，对镶拼零件的加工精度要求也高。因此，采用镶拼结构必须选择好适当的镶拼形式才能取得良好的效果。

2）镶拼结构的形式

镶拼结构的形式如图2-56所示。

（1）平面式。把各拼块用螺钉和销钉定位固定到固定板或模座的平面上。平面式一般用于大型模具或多孔冲模，如图2-56（a）所示。

（2）嵌入式。将各拼块嵌入固定板凹槽内，再用螺钉固定。这种结构适用于冲制薄料和小件，如图2-56（b）所示。

（3）套筒式。把凹模或凸模按不同的直径分割成几个同心圆套筒，分别加工后相互套合而成，如图2-56（c）所示。

（4）压入式。将凹模中难以加工或悬臂很长、受力危险的部分分割出来，做成凹模的镶块，采用过盈配合压入凹模本体或固定板内固定，并在凹模下面增加淬硬的垫板，防止镶块压溃模座，如图2-56（d）所示。

3）镶拼原则及方法

力求改善加工工艺，减少钳工工作量，提高模具加工精度，便于装配调整与维修，满足冲压工艺要求，如图2-57所示。其中图2-57（a）、图2-57（b）、图2-57（d）、图2-57（g）中是将形状复杂的内形面加工变为外形面加工；使分块后的各块形状、尺寸相同，如图2-57（d）所示；应该沿转角、尖角分割，并尽量使拼块角度大于90°，如图2-57（j）所示；比较薄弱的或容易磨损的部位单独分块，便于更换，如图2-57（a）所示；拼合面应距圆弧与直线的相交处4～7mm，如图2-57（a）所示。拼块之间应能通过磨削或增减垫片的方法，调整间隙或中心距公差，如图2-57（h）、图2-57（i）所示；拼块的接缝不能相切于组成工作孔的圆弧，而应在圆弧的中间，如图2-57（f）所示；拼块之间应尽量以凸凹槽相嵌，以防止在冲压过程中发生相对移动，如图2-57（k）所示。

知识总结与运用

落料模工作零件设计主要是指凸模和凹模的设计，它包括工作零件刃口尺寸的计算、工作零件的结构设计、固定方式的确定、材料的选择与热处理等方面的内容。工作零件设计得是否合理，不但直接影响产品的质量，而且还影响到模具的寿命和零件的加工，因而是模具设计的重要环节。结合前面的知识，对图2-44所示落料件的模具工作零件的设计如下：

（1）工作零件刃口尺寸计算

由工作零件刃口计算的原则可知，成形该零件的模具为落料模，因而在计算刃口尺寸时应以凹模为基准，采用配作加工。图中所注尺寸均为未注公差尺寸，由前述可知，其公差按IT14级选取。查公差表可得48、14、R14所对应的公差分别为0.62mm、0.43mm、0.43mm。凹模刃口尺寸计算见表2-36。

按表2-5选取其双边初始间隙Zmin=0.246mm，Zmax=0.360mm。凸模刃口尺寸按凹模实际的刃口尺寸配作，保证两者的双边间隙值为0.246～0.360mm。

（2）凹模设计

该零件为异形件，凹模刃口采用线切割加工，工作部分加工成直壁，漏料部分加工成斜面。查表2-25可知，凹模直壁部分的高度取h=6mm，斜度取β≈1°～1.5°。外形为矩形，查表2-26得，凹模壁厚C=36mm，厚度H=25mm。采用4个M8的内六角螺钉和2个φ8mm的销钉连接固定。材料选用Cr12，热处理HRC58～62。凹模结构如图2-58所示。

（3）凸模设计

凸模刃口尺寸按凹模刃口的实际尺寸配作，保证两者的双边间隙为0.246～0.360mm。凸模采用线切割加工，外形设计为直通式，采用固定板固定、螺钉拉紧的固定方式。由前述可知，模具采用刚性卸料下出件的结构，所以凸模长度为 L，由式（2-36）得L=h1+h2+h3+h=20+10+5+20=55mm（其中取h1=20mm，h2=10mm，h3=5mm，h=20），凸模结构如图2-59所示。

知识链接8——其他零件的设计

一、定位零件的设计

落料模的定位零件主要有导料销、导料板、侧压板、挡料销，其作用是用来保证条料或带料在送进时具有正确的送进方向和送进距离。条料在模具中的送进必须有两个方向上的限位：一是条料送进方向的控制，保证条料沿正确的方向送进，称为送进导向；二是条料每次送进距离的限制，控制条料每次送进的距离（步距），称为送进定距。

1）送料方向的控制

属于送料方向控制的定位零件有导料销、导料板、侧压板等。

（1）导料销。导料销是对条料或带料的侧向进行导向，以免送偏的定位零件。导料销在模具上一般设计两个，并位于条料的同侧，从右向左送料时，导料销位于模具的后侧；从前向后送料时，导料销位于模具的左侧。其结构形式有固定式和活动式两种。导料销可设在凹模面上（固定式），如图2-60所示；也可设在弹压卸料板上（活动式），如图2-61所示；还可设在固定板或下模座平面上（导料螺钉），如图2-62所示。导料销多用在首次的单工序模和复合模中。固定式和活动式导料销可选用标准结构。

（2）导料板。导料板的结构如图2-63所示。

导料板一般设在条料的两侧，其结构有两种：一种是标准结构，如图2-63（a）所示，它与卸料板分开制造；另一种是与卸料板做成整体的结构，如图2-63（b）所示。同导料销一样，一般多用于首次的单工序模和复合模中。

导料板的长度L一般应等于凹模的长度。如果凹模带有托料板，则导料板的长度应等于凹模长度与托料板长度L0之和，如图2-63（b）所示。

导料板的宽度B取决于其内侧间的距离，为使条料顺利通过，两导料板间距离应等于条料宽度加上一间隙值（见送料步距和条料宽度的计算）。导料板的宽度还应考虑固定其螺、销钉的安装位置。

如果只在条料一侧设置导料板，其位置同导料销相同。

导料板的厚度可以根据冲件材料的厚度、导料板的长度及送进方式查表2-37确定。

（3）托料板。托料板的作用是扩大冲压材料的受承托部分，以便于送料，如图2-64所示。

一般来说，手工送料的托料板长度L0（见图2-63（b））要大于自动送料。如果冲压材料宽度不超过50mm，自动送料一般不需要托料板。托料板的尺寸见表2-38。

（4）侧压装置。如果条料公差很大或搭边太小时，应在导料板一侧加侧压板，送料时，条料被侧压板压向导料板的一侧，以便和凹模保持一定的位置关系，从而冲出合格的制件。侧压装置的形式如图2-65所示。其中，弹片式和弹片压板式的侧压力较小，适用于料厚在1mm以下的薄料冲裁，一般设计2～3个，如图2-65（a）、图2-65（b）所示；弹簧压块式的侧压力大，可用于冲裁厚料，如图2-65（c）所示；弹簧压板式的侧压力大且均匀，使用可靠，一般装于进料口，常用于侧刃定距的连续模中，如图2-65（d）所示。

值得注意的是，当料厚小于0.3mm时，不能采用侧压装置，另外备有辊轴自动送料装置的模具也不宜设置侧压装置。

2）送料步距的控制

属于送料步距控制的零件有固定挡料销、活动挡料销、始用挡料销、回拉式挡料装置，以及可调式挡料装置、侧刃、导正销等。

（1）固定挡料销。固定挡料销有圆形和钩形两种，如图2-66所示。其中图2-66（a）为圆柱头挡料销，其结构简单，制造方便，广泛应用于各种冲裁模具中，一般装在凹模上，但销孔要尽量远离凹模刃口，以免削弱凹模强度；图2-66（b）为钩形挡料销，销孔的位置离凹模刃口较远，有利于提高凹模强度，但因这种挡料销形状不对称，需要加设防转装置，以防其在工作时发生转动。采用固定挡料销的模具在条料送进时，操作人员需要抬起条料向前推进，把挡料销套进下一个孔内，向前推进时抵住搭边来定位。目前固定挡料销已标准化，具体尺寸参照表2-39。

（2）活动挡料销。活动挡料销如图2-67所示，经常用在倒装模具中，装在卸料板上，可以伸缩，当模具闭合后，不允许挡料销的顶端高出板料。图2-67（a）为利用压缩弹簧上下活动；图2-67所（b）为利用扭转弹簧上下活动。目前该种挡料销已标准化，具体尺寸参照表2-40和表2-41。

（3）始用挡料销。用于连续模的条料首次送进定位，始用挡料销的使用如图2-68所示。使用时往里压，完成条料第一次定位后，在弹簧的作用下挡料销自动退出。

（4）回带式挡料装置。如图2-69所示，该装置已标准化。需要送料、定位两个动作，先送后拉，这种装置常安装在刚性卸料板上，条料送进时迫使挡料销上升，然后挡料销借弹簧片的压力插入废料孔中，条料必须回拉使废料孔边靠住挡料销定位。这种挡料装置特别适用于狭窄零件的冲裁，但在废料搭边强度差的情况下，不宜采用这种挡料装置。挡料销和弹簧片的尺寸参照表2-42和表2-43。

（5）可调挡料装置。一般用在通用的模具上，如图2-70所示。通过调整挡料销的位置，可获得不同尺寸要求的冲裁件。

二、卸料装置的设计

卸料装置是指从凸模上卸下工件或废料的装置，有刚性卸料、弹性卸料和废料切刀几种形式。

1.刚性卸料装置

刚性卸料装置采用固定卸料板结构，如图2-71所示。其中图2-71（a）是与导料板为一体的整体式卸料板；图2-71（b）是与导料板分开的组合式卸料板，这种卸料机构在冲压模具中应用最广泛；图2-71（c）是用于窄长零件的冲孔或切口卸料的悬臂式卸料板；图2-71（d）是在冲底孔时用来卸空心件或弯曲件的拱形卸料板。

刚性卸料板用螺钉和销钉固定在下模上，结构简单，能承受较大的卸料力，可用于较厚板材冲压件的卸料。当卸料板只起卸料作用时，卸料板与凸模之间的间隙值随材料厚度的增加而增大，单边间隙取（0.2～0.5）t。当固定卸料板还要对凸模起导向作用时，卸料板与凸模的配合间隙应小于冲裁间隙，这时要求凸模回程时不能完全脱离卸料板。刚性卸料板的厚度与卸料力及卸料尺寸的大小等有关，一般取5～15mm，一般其长、宽取和凹模相同的尺寸。这种卸料形式安全可靠，但操作不便，生产效率不高，同时，在冲裁时，不能对材料进行压平，产品的平直度较差。一般用于卸料力大，产品平直度要求不高的冲压件卸料。

2.弹性卸料装置

弹性卸料装置常用于1.5mm以下的薄料冲裁，具有卸料和压料的双重作用，因而冲裁件比较平整。弹性卸料装置一般由卸料板、弹性元件及卸料螺钉三部分组成。

1）弹性卸料装置的形式

弹性卸料装置的形式如图2-72所示。其中，图2-72（a）是最简单的形式，常用在简易冲裁模中；图2-72（b）用在用导料板导料的模具中；图2-72（c）用于倒装模中。弹性卸料板与凸模的单边间隙可查表2-44。弹性卸料板的厚度一般取5～15mm。值得注意的是，当模具在开启状态时，卸料板端面应露出模具工作零件刃口0.3～0.5mm，以便完全卸料。

采用弹性卸料装置卸料有敞开的操作空间，操作方便，生产效率高。在冲压过程中，弹性卸料板先接触毛坯，有预压作用，冲压后也可使冲压件平稳卸料。但由于受弹性元件的限制，其卸料力不大，卸料的可靠性和安全性不如刚性卸料，且结构复杂，一般用于卸料力不大且对工件平值度要求较高的薄料冲裁。

2）弹性卸料装置的卸料螺钉和弹性元件的设计

（1）卸料螺钉的设计。卸料螺钉为冲模标准件（GB2867—81），分为圆柱头和内六角头两种，其结构如图2-73所示。卸料螺钉沉孔深度（见图2-74）按下式计算：

式中，H为卸料板螺钉沉孔深度（mm）；h为螺钉头部高度（mm）；h1为模座厚度（mm）；h2为凸模高度（mm）；h3为刃口修磨量（mm）；h4为卸料板厚度（mm）；L为卸料螺钉长度（mm）。

（2）弹性元件的设计

冲压模广泛使用的弹性元件是弹簧和橡胶，主要用于卸料、压料和推件。

① 弹簧的选用。图2-75所示为冲压模常用弹簧的形式。图2-75（a）为圆形钢丝螺旋弹簧；图2-75（b）为方形钢丝螺旋弹簧；图2-75（c）为碟形弹簧。圆形钢丝螺旋弹簧制造方便，应用最广，其常用规格和尺寸可参照标准。

螺旋弹簧常用65Mn、65Si2Mn和50CrVA弹簧钢丝卷制而成，热处理硬度为45～50HRC。弹簧已形成标准，设计冲模时只需选用即可。下面以卸料弹簧的选用为例来介绍螺旋弹簧的选用方法。

为保证冲模的正常工作，弹簧最大允许压缩量[a]应满足：

式中，a0为弹簧压缩量（mm）；a为工艺行程（卸料、顶件行程）（mm），一般取料厚加1mm；a′为余量，主要考虑模具的刃磨量，一般取5～10mm。

a. 选用弹簧应满足的要求。

保证工艺要求的行程和卸料力，弹簧允许的最大压缩量应大于或等于工作中弹簧的总压缩量；弹簧允许的最大工作负荷应大于或等于工作中弹簧的总压力。

b. 卸料弹簧的选用步骤。

● 根据模具结构和卸料力F初步确定弹簧的根数n，并求出每根弹簧的卸料力F/n。

● 根据所需的预压力F0和必需的弹簧总压缩量a+a′，预选弹簧的直径D，弹簧的钢丝直径d及弹簧的圈数，再利用图2-76所示的弹簧特性曲线校核所选弹簧的性能，使之满足预压力和最大压缩量的要求。

【例题】冲压料厚 t=1mm的低碳钢垫圈，外径为80mm，内径为50mm，凸凹模的总刃磨量为10mm；如果卸料力为3600N，试选择卸料弹簧。

解：

根据冲压模具的结构和卸料力的大小，初选弹簧根数n=6，则每根弹簧上的卸料力为：

根据所需的预压力F0>600N和必需的弹簧总压缩量a+a′=1+1+10=12mm。参照弹簧的特性曲线[见图2-76（b）]和弹簧的规格，预选弹簧的直径D=40mm，弹簧钢丝的直径d=6mm，弹簧的自由长度L0=110mm，弹簧的序号为65。

检验所选弹簧的性能，由弹簧的特性曲线可知，对于序号为65 的弹簧，当预压力取F0=620N时，预压缩量a0=19mm，而最大许用压缩量[a]=34.5mm，实际所需工艺行程a=2mm，取余量a′=10mm，则a0+a+a′=31mm，有

② 橡胶的选用。橡胶可以承受较大负荷，且安装调试比较方便，是冲压模卸料、压边和顶件常用的弹性元件。

橡胶的选用和弹簧的选用方法相似，即根据已知卸料力和有关橡胶的形状、尺寸及其特性曲线等进行选择，选用的橡胶板，其工作压力和允许的压缩量同样应满足冲压的卸料力和总压缩量的要求，橡胶的选用步骤如下。

a. 计算橡胶板的工作压力。

橡胶板的工作压力与其形状、尺寸和压缩量有关，一般按下式计算：

式中，F为橡胶的工作压力（N）；A为橡胶板横截面积（mm2）；p为橡胶的单位压力（MPa），它与形状和压缩量有关。由图2-77确定。

b. 根据模具空间尺寸，确定橡胶板的形状、尺寸和硬度级别。

c. 确定橡胶压缩量和厚度。

橡胶板的压缩量不能太大，否则会影响其压力和寿命，模具安装时，橡胶板的预压缩量为厚度的10%～15%，因此，橡胶板在冲压模中允许的压缩量为：

式中，H自由为橡胶板厚度（mm）；hmax为橡胶最大压缩量（mm）；h0为橡胶板预压缩量（mm）；H为橡胶冲压时的允许压缩量（mm）。

d. 校核所选橡胶在冲压中能否正常工作。

● 橡胶的预压力要大于或等于卸料力，即

式中，F为卸料力（N）；F0为橡胶的预压力N（）。

● 橡胶冲压时的允许压缩量H要大于或等于模具工作时所需要的压缩量，即

式中，h′为卸料板工作行程（mm）；h′′为凸模总修磨量（mm）。

● 橡胶厚度与外径之比应在一定的范围内，即

式中，H自由为橡胶厚度（mm）；D为橡胶直径（mm）。

如果，则应将橡胶板分成若干块，每块之间用钢板隔开，但每块橡胶板的厚度仍满足式（2-51）的要求。

选用的橡胶必须满足上述要求才能正常工作，否则，应另选尺寸和硬度合适的橡胶。

3. 废料切刀

对于大、中型零件冲裁或成形切边时，卸料力大，往往采用废料切刀卸料，如图2-78所示。对于冲件形状简单的冲裁模，一般设两个废料切刀；对于冲件形状复杂的冲裁模可采用弹性卸料加废料切刀进行卸料。

图2-78（b）、图2-78（c）为国家标准中废料切刀的结构。图2-78（b）为圆形废料切刀，适用于小型模具和切薄板废料；图2-78（c）为方形废料切刀，适用于大型模具和切厚板废料。标准废料切刀的尺寸见表2-45和表2-46。

废料切刀的刃口长度应稍大于废料宽度，刃口要比凸模刃口低，其值 h≈（2.5～4）t，并不小于2mm。

三、凸模固定板与垫板的设计

1.凸模固定板

凸模固定板的作用在于将凸模或凸凹模连接、固定在模具的正确位置上，其平面轮廓尺寸可与凹模、卸料板外形尺寸相同，但还需考虑紧固螺钉和销钉的安装位置。固定板上凸模安装孔与凸模采用H7/m6或H7/n6过渡配合，装配后将凸模端面和固定板一起磨平。凸模固定板的外形有圆形和矩形两种，厚度一般取凹模厚度的0.6～0.8倍。固定板材料一般为Q235或45钢。一般不需要热处理，但需作表面防锈处理。

2.垫板

垫板的作用是直接承受和扩散凸模传递的压力，以降低模座所承受的单位压力，防止模座被局部压塌。在模具上是否需要加垫板，可按下式校核：

式中，p为凸模的头部端面对模座的单位压力（MPa）；FT为凸模承受的总压力（N）；A为凸模头部端面的支撑面积（mm2）。

如果凸模头部端面上的单位压力p大于表2-47模座材料的许用压应力时，则需加垫板，反之，则不需加垫板。垫板常用的材料为45钢、40Cr等，热处理硬度为42～48HRC。

四、紧固件的设计

在模具中常用的紧固件为螺钉和销钉，螺钉一般选用内六角沉头螺钉，销钉一般选用圆柱销。具体设计参照本任务凹模上螺孔和销孔的设计。螺钉和销钉已标准化，具体尺寸见表2-48、表2-49和表2-50。

知识总结与运用

在落料模中使用的原材料一般为条料或带料，因而在送料过程中需要保证条料或带料的送料方向和送进距离，而在模具上设计导料销（或导料板）和挡料销正是基于此目的。为保证落料的连续进行，落料后包在凸模上的材料要自动与凸模分离，因而需在模具上设计卸料装置。对于一些不能直接用螺钉和销钉在模具上固定的凸模或凹模还需设计固定板将其固定后再与模具固定，为防止模座压塌，有时还需增加垫板以分散作用在模座上的冲压力，保护模座。现就图2-44所示冲压件落料模的其他零件设计如下：

1）定位零件的设计

由前述可知，该零件的落料模采用刚性卸料，根据零件和模具的结构特点，采用导料板导料，用回带式挡料销挡料，定位零件的设计如下：

（1）导料板设计（参照图2-58凹模）。导料板采用标准结构，采用无侧压装置送料。查表2-15可知a=2.2mm；查表2-18可知Zmin=0.5mm；查表2-17可知Δ=0.6mm。由式（2-7）可知条料宽度：

由式（2-8）可知导料板间距离：

B0 =B+Z=Dmax+2a+2Z=52.9+0.5=53.4mm

导料板宽度为，厚度查表2-37可知为6mm。其结构如图2-79所示。

（2）挡料销的设计。

挡料销按表2-42选用：回带式挡料销：8×25 GB/T7649.7—94。

2）卸料零件的设计

查表2-15可知，工件间搭边a1=2.0mm，因该零件的模具采用刚性卸料，所以卸料板与导料板分开制作，卸料板的外形尺寸同凹模，取厚度H=12.5mm，材料选用45钢，其结构如图2-80所示。

3）凸模固定板设计

由前可知，凸模为直通式，由螺钉拉紧，防止卸料时被拔出，固定板与凸模采用H7/m6的过渡配合，其外形尺寸同凹模，厚度取20mm，如图2-81所示。

4）垫板设计

模座材料选用HT200，许用压应力[σbc]=90～140MPa，凸模端部的单位压力，故需加垫板。垫板材料为45钢，热处理HRC43～48，外形尺寸同凹模，厚度取10mm，如图2-82所示。

知识链接9——模架选择

一、模架的组成及技术要求

1.模架的组成

模架由上、下模座，模柄及导柱，导套组成。模架是整副模具的骨架，模具的全部零件都固定在它上面，并且承受冲裁时的全部载荷。模架的上模座通过模柄与压力机的滑块相连，下模座通过螺钉、压板固定在压力机的工作台上。上、下模通过安装在其上的导向装置来保持其位置精度，以引导凸模的运动，保持冲裁过程中间隙均匀。

2.模架的技术要求

目前组成模架的零件已标准化，标准中对模架的组成零件有如下技术要求：

（1）组成模架各零件的材料、尺寸、精度、表面粗糙度和热处理等均需符合各零件的标准要求及本技术条件的规定。

（2）装入模架的每对导柱和导套在装配前需经选择配合，其配合要求应符合表2-51的规定。

（3）装配成套的滑动导柱模架，按表2-52所示的技术指标分级，装配成套的滚动导柱模架，按表2-53所示的技术指标分级。任何一级模架必须同时符合A、B、C三项技术指标，不符合两表精度规定的模架，不予列入等级标准。

（4）装配后的模架，其上模座沿导柱上下移动应平稳和无卡滞现象。

（5）装配后的模架，其导柱固定端的端面应埋入下模座底面0.5～1mm。

（6）模架各零件工作表面不允许有影响使用的划痕、凹痕、浮锈、毛刺、飞边和微小砂眼和缩孔等缺陷。

（7）在保证使用质量的情况下，允许用新工艺方法（如环氧树脂、低熔点合金等）固定导套。

（8）成套模架一般不装配模柄。

（9）模柄的装配要求应符合下述规定：

① 压入式模柄与模座孔的配合为H7/m6。

② 除浮动模柄外，其他模柄装入模座后模柄的轴心线对上模座上平面的垂直度公差在全长范围内不超过0.05mm。

（10）上述规定以外的技术要求由供需双方协定。

二、模架的形式

标准模架中，应用最广的是用导柱、导套作为导向装置的模架。根据导柱、导套的数量和其在模架上的位置可分为四种，即对角导柱模架、后侧导柱模架、中间导柱模架、四导柱模架，如图2-83所示。

（1）对角导柱模架。如图2-83（a）所示，导柱相对于中心成对称布置，受力均匀，纵、横向均能送料，且两导柱间距较远，在导柱、导套间同样间隙的情况下，这种模架的导向精度较高。

（2）后侧导柱模架。如图2-83（b）、图2-83（c）所示。后侧导柱模架送料方便，可以纵、横向送料。但冲裁时如果有偏心载荷，则导柱、导套会单边磨损。它不能用于模柄与上模座浮动连接的模具。

（3）中间导柱模架。如图2-83（d）、图2-83（e）所示。两个导柱左、右对称分布，受力均衡，所以导柱、导套磨损均匀，但只能一个方向送料。

（4）四导柱模架。如图2-83（f）所示。其导向的精度与刚度都较好，用于大中型模具。

模架的规格可以直接由凹模的周界尺寸从冲压模具标准模架中选出。

三、导柱、导套

1.导柱、导套的作用

导柱、导套在模具中有如下作用：

（1）导向。

（2）定位。

（3）承受一定的侧向压力。

（4）方便模具在设备上的安装。

2.导柱、导套的结构形式

常用的导柱、导套的结构形式有滑动导柱、导套和滚动导柱、导套两种。

（1）滑动导柱、导套 滑动导柱、导套均为圆柱形，其加工方便，装配容易，是模具行业应用最广泛的导向装置。如图2-84所示，导柱的直径一般为16～60mm，长度L一般为90～320mm。其尺寸目前已标准化，按标准选用时，导柱的长度L应保证上模座在最低位置时（闭合状态），导柱上端与上模座顶面距离不小于10～15mm，而下模座底面与导柱底面的距离不小于0.5～1.0mm。导柱的下部与下模座导柱孔采用H7/r6的过盈配合。导套的长度必须保证在冲压前导柱进入导套10mm以上，导套的安装部分与上模座的导套安装孔也采用H7/r6的过盈配合。

导柱与导套之间采用间隙配合，根据冲压工序性质、冲压件的精度及材料厚度等的不同，其配合间隙也有所不同。例如，对于冲裁模，导柱和导套的配合可根据凸、凹模间隙选择。当凸、凹模间隙小于0.3mm时，采用H6/h5配合；当凹、凸模间隙大于0.3mm时，采用H7/h6配合。拉深厚度为4～8mm的金属板时，采用H7/f7配合。

滑动导柱、导套的材料常采用20钢，热处理方式为表面渗碳淬火，渗碳层深度为0.8～1.2mm，硬度为58～62HRC。滚动导柱、导套的材料采用Gr15，热处理：HRC58～62。

（2）滚动导柱、导套 滚动导柱、导套是一种无间隙、精度高、寿命长的精密导向装置，适用于高速冲模、精密冲裁模，以及硬质合金模具的冲压工作。如图2-85所示为常见的滚珠导柱、导套的结构形式，导套1与上模座2的导套孔采用过盈配合，导柱5与下模座6的导柱孔为过盈配合，滚珠3置于滚珠夹持圈4内，与导柱、导套接触，并有微量过盈。

一般情况下，滚珠与导柱、导套之间应保持0.01～0.02mm的过盈量。为保持均匀接触，滚珠尺寸应严格控制。滚珠直径一般为3～5mm。对于高精度模具，滚珠精度取IT5，一般精度的模具取IT6。滚珠为对称排列，分布均匀，与中心线倾角α 一般为5°～10°，使每个滚珠在上下运动时都有其各自的滚道而减少磨损。滚珠夹持圈的长度 L，在上模回程至上止点时，仍有2～3 圈滚珠与导柱、导套配合，起导向作用。导套长度约为L1=L+(5～10)mm。导柱、导套已标准化，设计时尽量选用标准的导柱、导套。

四、模柄

模柄的作用是将上模固定在压力机的滑块上，因此模柄的直径应与压力机滑块上的模柄孔径相适应，其长度不得大于压力机滑块内模柄孔的深度。模柄材料选用45钢或Q235。

常用的模柄形式如图2-86所示。图2-86（a）是模柄与上模座做成一体的形式，用于小型模具；图2-86（b）为压入式模柄，它与上模座成H7/h6的配合并加防转销防转，主要用于上模座较厚或上模较重的模具；图2-86（c）为旋入式模柄，通过螺纹与上模座连接，并加防转销钉，模具刃口要修磨时装拆方便，主要适用于有导柱、导套的中小型模具；图2-86（d）为带凸缘的模柄，用于较大的模具。图2-86（e）、图2-86（f）是常用的浮动模柄，因为有球面垫片，所以可以消除压力机导向误差对模具导向精度的影响，主要用于硬质合金等精密冲模。图2-86（e）用于大型模具，图2-86（f）用于小型模具。

五、标准模架的选用

冲压模具的模架有标准模架和非标（自制）模架，选用标准模架能节省制模时间，缩短模具制作周期，降低模具制造成本，因此在模具设计时，应优先选用标准模架，只有在特殊情况下，才采用非标（自制）模架，模架上、下模座的材料一般选用HT200、ZG310～570、Q235、45钢。

标准模架的选用应考虑凹模的周界尺寸、模具的闭合高度和模具的受力情况，选用方法如下。

1.形式的选择

模架的形式要根据冲压件的精度、批量及现场的设备状况等具体情况和各种形式模架的具体特点而定。

2.模座的外形尺寸

1）模座的长、宽尺寸

模座的长、宽尺寸应根据凹模的周界尺寸来确定，确定的原则如下。

（1）圆形凹模。此时模座的直径D比凹模的外径大30～70mm。

（2）矩形凹模。此时模座的长度尺寸L应比凹模的长度尺寸大40～70mm，宽度尺寸与凹模的宽度尺寸相同或稍大。

（3）下模座的长、宽尺寸每边应超出冲床工作台面孔40～50mm。采用模柄的上模座，因不用留出安装压板的凸台，其外形可相对小些。

2）模座的厚度

上、下模座的厚度可取凹模厚度的（1～1.5）倍，上模座厚度比下模座厚度稍薄。

3.模架的闭合高度

模架的闭合高度取决于安装在模架内模具零件的总体高度和冲压产品所需的行程，具体原则是：保证上模座在最低位置时（闭合状态），导柱上端与上模座顶面距离不小于10～15mm；冲压时，应保证在凸模进入凹模之前，导柱与导套的配合长度不小于10mm。

知识总结与运用

模架是整副模具的骨架，模具的全部零件都固定其上，并保证模具在设备上的安装和使用，其设计的好坏直接影响产品的质量、模具的寿命及设备的选择。模架由上、下模座和导柱、导套组成，目前已标准化。选择标准模架时，不但要考虑整套模具的强度和刚度，还要考虑模具零件的安装及整套模具在设备上的安装使用。现以图2-44所示零件为例来说明模架的具体选择方法。

（1）形式的选择

由前述可知，该冲裁件精度要求不高，为中批量生产，对模具和设备的精度要求一般，考虑到操作的方便和安全性，采用后侧导柱模架。

（2）模座的外形尺寸

因凹模的外形尺寸为120mm×90mm，所以取模座的尺寸 L×B=160mm×100mm。凹模厚度为25mm，取下模座厚度为40mm，上模座厚度为35mm。

（3）模架的闭合高度

模具的闭合高度为上模座、垫板、凹模、凸模、下模座的厚度之和，即模具的闭合高度为35+10+25+55+40=165mm，所以取模架的闭合高度H=160～190mm。模架的规格为：模架160×100×160～190 I GB/T 2851.3—90。

（4）导柱、导套的选用

与其相对应的标准导柱、导套为：导柱A 25h5×150 GB/T2861.1—90；导套A 25H6×85×33 GB/T2861.6—90。

（5）模柄选用

由前述可知，该冲裁件冲压采用的设备为J23—16，设备模柄孔的直径为φ40mm，深度为60mm，选用标准的压入式模柄，模柄的型号为：模柄A 40×95 GB/T2862.1—81.Q235。

知识链接10——冲裁模设计的一般步骤

一、冲裁模设计的内容

冲裁模设计的内容包括：冲裁件的工艺性分析；冲裁工艺方案的确定；选择模具的结构形式；进行必要的工艺计算；确定模具主要零部件的结构和尺寸；选择压力机的型号；绘制模具总装图和非标零件图。

二、冲裁模设计的步骤

1.冲裁件的工艺性分析

冲裁件的工艺性分析主要包括以下几方面：冲裁件的形状是否符合冲裁工艺的要求；冲裁件的尺寸精度及表面质量是否在冲裁工艺所能达到的范围内；冲裁件的材料是否满足冲裁工艺要求。设计模具时，首先要对冲裁件进行工艺分析，判断冲裁件进行冲裁加工的难易程度，对不适宜冲裁或较难由冲裁来完成加工的零件，通过与冲裁件设计者协商，改进冲裁件设计或从冲裁工艺上想办法解决。

2.冲裁工艺方案的确定

确定工艺方案就是确定冲压件的工艺路线，主要包括冲压工序数目及工序的顺序，确定工序的主要原则如下。

1）质量原则

用复合模冲出的工件精度高于连续模，而用连续模冲出的工件精度又高于单工序模。因此，对于精度要求较高的冲裁件宜用复合工序进行生产。

2）经济性原则

在保证质量的前提下，尽可能降低成本，提高经济效益。所以，对于批量大的冲裁件，应尽量采用高效率的多工序模，如果在试制或小批量生产时，应尽可能采用单工序模及各种形式的简易模。

3）安全性原则

安全是确定冲压工艺方案时需要考虑的一个重要因素，它包括人身安全、设备和模具安全。

3.选择模具的结构形式

冲裁工艺方案确定之后，模具的类型（单工序模、复合模、连续模等）即确定，接下来就可确定模具各部分的具体结构，包括毛坯的定位方式；确定卸料、压料、出件方式；模具的导向方式；模架的类型；主要零部件的定位与固定方式及其他方面的设计等。模具的总体设计如图2-87所示。

在进行模具结构设计时，还应考虑模具的维修、保养和吊装的方便，同时要在各个细小环节尽可能考虑操作者的安全。

4.进行必要的工艺计算

冲裁的工艺计算主要包括以下几个方面。

（1）排样设计，包括排样方式、搭边值的确定、送料步距与条料宽度及材料利用率的计算、画出排样图等。

（2）计算冲压力，包括冲裁力、卸料力、推件力、顶件力等，由此初步确定压力机的规格。

（3）计算模具压力中心。

（4）计算凸、凹模工作部分尺寸并确定其制造公差。

（5）弹性元件的选取与计算。

（6）必要时，对模具的主要零件进行强度和刚度的验算。

5.模具主要零部件的设计

模具主要零部件的设计就是确定工作零件、定位零件、卸料和出件零件、导向零件、连接及固定零件的结构形式和固定方法。在设计时，要考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。

6.压力机的选择

冲裁模的总体结构尺寸必须与所选压力机的结构相适应，即模具的总体平面尺寸应该与压力机的工作台或垫板尺寸和滑块下平面尺寸相适应；模具的闭合高度（模具在最低工作位置时，上模座的上平面与下模座的下平面之间的高度，见图2-87）必须与压力机的装模高度相适应。由于压力机的连杆可以调节，因此压力机的装模高度是可以调节的。当连杆调节到最短时，压力机的装模高度最大；当连杆调节到最长时，压力机的装模高度最小。模具的闭合高度应介于压力机的最大装模高度和最小装模高度之间，它们的关系为：

式中，Hmin、Hmax分别为压力机的最大装模高度和最小装模高度（mm）；H模具为模具的闭合高度（mm）。

如果模具的闭合高度H模具>Hmax，那么模具将安装不进去；如果模具的闭合高度H模具<Hmin，安装时则需要在模具底部加垫板。

模具的其他外形结构尺寸也必须和压力机相适应，如模具的外形轮廓平面尺寸与压力机的工作台尺寸和滑块底面尺寸；模具的模柄和滑块的模柄孔尺寸；模具下模座弹顶装置的平面尺寸和压力机工作台面孔的尺寸等必须相适应，模具才能正确安装与使用。

7.绘制模具总装图和非标零件图

在模具的总体结构和相应的零部件结构形式确定后，便可绘制模具总装图和零件图。总装图和零件图必须严格按照制图标准（GB1157～1160—1984和GB131—1983）绘制。考虑到模具图的特点，允许采用一些常用的习惯画法。

1）绘制模具总装图

模具总装图是拆绘模具零件图和装配模具的依据，应清楚表达各零件之间的装配关系及固定连接方式。模具总装图的一般布置情况如图2-88所示。

（1）主视图。主视图是模具总装图的主体部分，一般应画上、下模的剖视图（一般为阶梯剖），上、下模一般画成闭合状态。模具处于闭合状态时，可以直观地反映模具的工作原理，对确定模具零件的相关尺寸及选用压力机的装模高度都极为方便。主视图中应标注闭合高度尺寸。主视图中条料和工件剖切面最好涂黑，以使图面更加清晰。

（2）俯视图。俯视图一般仅反映模具下模的结构，即俯视图是将上模移除后得到的。

2）绘制模具零件图

模具零件图是模具加工的重要依据，应符合如下要求。

（1）视图要完整，且宜少勿多，以能将零件表达清晰为限。

（2）尺寸标注要齐全、合理，符合国家标准要求。

（3）设计基准的选择应尽可能考虑制造的要求。尺寸公差、形位公差、表面粗糙度选用要适当，既要满足模具加工的质量要求，又要考虑尽量降低制模成本。

（4）注明所用材料编号、热处理及其他技术要求。

模具总装图中的非标准零件，均需分别画出零件图。画零件图的工作顺序也是先画工作零件图，再依次画其他各部分的零件图。有些标准零件需要补充加工（如上、下标准模座上的螺孔、销孔等）时，也需画出零件图，但在此情况下，通常仅画出加工部位，而非加工部位的形状和尺寸则可省去不画，只需在图中注明标准件代号与规格即可。

知识总结与运用

冲裁模具的设计从冲裁件的工艺分析入手，通过工艺方案的选择、模具结构的确定，然后经过必要的工艺计算，确定模具零件的具体尺寸、形状和材料，选择合适的冲压设备，最后将这些结果全部体现在模具零件图和装备图上，从而完成整套模具的设计。它是一个系统工程，要综合考虑产品质量、批量、模具寿命、操作的方便与安全、模具零件的工艺性、企业生产的现状等因素。现以本任务实例2-2所示的矩形垫片为例，对这一设计步骤加以详细说明。

任务实施

图2-2所示的矩形垫片落料模设计如下。

一、冲裁件的工艺分析

图2-2所示矩形垫片结构简单、对称，零件转角处通过R2的圆弧过渡，图中所注尺寸全为未注公差尺寸，按IT14级选取，精度要求不高，材料为Q235，冲裁工艺性较好，经分析该冲裁件具有良好的冲裁工艺性。

二、冲裁工艺方案的确定

该冲裁件为简单的落料件，可采用落料一道工序完成。具体工艺方案如下：

方案一。采用一模一件的落料模进行生产。

方案二。采用一模多件的连续模进行生产。

方案一的模具结构简单，产品质量可靠，但生产效率不高；方案二的生产效率高，产品质量一般，但模具结构复杂，制造和维修较困难。根据产品的批量，采用方案一比较合适。

三、选择模具的结构形式

1.模具类型的选择

由前面分析可知，该零件采用落料成形，选用单工序的落料模。

2.定位方式的选择

因该模具落料时毛坯材料选用的是条料，控制条料的送进方向采用导料销，控制条料的送进距离（步距）采用挡料销。

3.卸料、出件方式的选择

冲裁件材料为Q235，料厚t=1.2mm，相对较薄，卸料力较小，采用弹性卸料；工件的表面平直度要求不高，可采用下出件方式，以便于操作和提高生产效率。

4.导向方式的选择

为保证产品质量，提高模具寿命，方便操作和模具在设备上的安装，采用导柱、导套导向。

5.模架的选择

根据工件的要求和模架的特点，选用后侧导柱模架。

6.工作零件的结构与固定

（1）凸模。结合冲裁件外形并考虑采用线切割加工，将落料凸模设计为直通式，由两个M6的螺钉与垫板连接，用固定板固定，固定板安装孔与凸模采用H7/m6配合。

（2）凹模。凹模采用整体式，用螺钉与销钉直接与下模座连接固定。

四、工艺计算

1.排样设计

1）排样方式

根据冲裁件的结构特点和技术要求，选用有废料的直排方式。

2）搭边值的确定

查表2-15可知：工件间搭边a1=1.5mm，侧搭边a=1.8mm。

3）送料步距和条料宽度的计算

（1）送料步距S的计算。由式（2-4）得：

S=D+a1=30+1.5=31.5mm

（2）条料宽度B的计算。由式（2-5）得：

（条料采用剪板方式获得，查表2-17得：Δ=0.7mm。）

4）材料利用率的计算

一个步距内的材料利用率由式（2-12）可知：

5）排样图

排样图如图2-89所示。

2.冲压力的计算

该零件采用弹性卸料，下出件的落料模生产，冲压力的相关计算如下。

（1）冲裁力。由式（2-14）可知：F冲=K L tτ=1.3 × 256.56 × 1.2 × 350=140081N（L=256.6mm，查附录A得τ =350MPa）

（2）卸料力。由式（2-16）可知：F卸=K卸F冲=0.05 ×140081=7004N（查表2-20 得K卸=0.05）

（3）推件力。由式（2-17）可知：F推 =nK推F冲=5 × 0.05 ×140081=35020N

（取凹模直壁高度h 6mm=，，查表2-20得K推=0.05）

（4）冲压力。由式（2-20）可知：

F总=F冲+F卸+F推= 140081+7004+35020=182105N=182kN

（5）压力中心的确定。该零件为对称冲压件，其压力中心即为其几何中心。

（6）初选压力机。根据计算结果，初选压力机的型号为J23—25。

3.工作零件刃口尺寸的计算

该冲压件为落料件，以凹模为基准，凹模、凸模、凸模固定板、卸料板均由线切割加工，因此只需计算凹模刃口尺寸，其他零件的尺寸只要正确确定其间隙或配合关系后，调整钼丝的偏移量即可，属配作加工。

零件图中所注尺寸均为未注公差尺寸，按IT14级查取，查公差表可知各尺寸对应的公差为：100→0.87，30→0.52，R2→0.25。该模具的凹模刃口磨损后尺寸都增大，所以由式（2-33）可计算凹模刃口尺寸，具体见表2-54。

查表2-5，冲裁双面间隙Zmax=0.180mm，Zmin=0.126mm。凸模刃口尺寸按凹模实际的刃口尺寸配作，保证两者的双边间隙值为0.126～0.180mm。

五、模具主要零件设计

1.工作零件设计

1）凹模设计

凹模采用整体式凹模，中间刃口部分采用线切割加工，凹模直壁部分的高度取h=6mm，漏料孔斜度取β≈1°～1.5°，按经验公式计算其轮廓尺寸如下：

凹模厚度H：由式（2-38）得：H =Kb=0.28 × 100=28mm（查表2-30取K=0.28）

凹模壁厚C：由式（2-39）得：C=(1.5～2)H=37.5～56mm。

取凹模厚度H=30mm，凹模壁厚C=45mm。凹模长度L=b+2C=100+2×45=190mm，凹模宽度B=30+90=120mm。凹模结构如图2-90所示。

2）凸模设计

凸模采用线切割加工，设计为直通式，高度取60mm，结构如图2-91所示。

2.其他零件设计

1）定位零件设计

该模具的定位零件有导料销和挡料销。导料销和挡料销的结构如图2-92和图2-93所示。

2）卸料装置的设计

（1）卸料板的设计。卸料板的外形与凹模一致，厚度取12mm，材料为45钢，调质处理，硬度HRC42～45，结构如图2-94所示。

（2）卸料螺钉的选用。卸料板上设置4个M10的内六角卸料螺钉，卸料螺钉头部应留有足够的行程空间。卸料螺钉拧紧后，应使卸料板超出凸模端面0.5～1.0mm。有误差时，通过在卸料板与螺钉之间安装垫片来调整。

（3）卸料橡胶的设计。卸料橡胶的设计计算见表2-55。

3）固定板和垫板的设计

（1）固定板的设计。固定板厚度取20mm，材料为45钢，表面防锈处理，结构如图2-95所示。

（2）垫板的设计。凸模端部的单位压力，从模座的受力考虑，可以不加垫板，但考虑到凸模的安装，因此加一材料为45钢，厚度为10mm的垫板，垫板结构如图2-96所示。

4）模架及导柱、导套的选用

为方便操作，该模具采用后侧导柱模架。以凹模周界尺寸为依据，选择标准模架，选择模架的规格为：模架250×160×170～210 Ⅰ GB/T2851.3—90。与其相对应的标准上模座为：上模座250×160×45 GB/T2855.5—90，下模座为：下模座250×160×50mm GB/T2855.6—90；导柱、导套为：导柱A32h5×160 GB/T2861.1—90；导套A 32H6×105×43 GB/T2861.6—90。

模具的闭合高度H为：H=45+10+60+30+50-1=194mm（其中，上模座为45mm，垫板为10mm，凸模为60mm，凹模为30mm，下模座为50mm）。

可见，该模具的闭合高度小于所选压力机J23—25的最大装模高度270mm，可以使用。

由前述可知，该冲裁件冲压采用的设备为J23—25，设备的模柄孔的直径为φ40mm，深度为60mm，选用标准的压入式模柄，模柄的型号为：模柄A40×95 GB/T2862.1—81.Q235。

3.模具装配图

模具装配图如图2-97所示。

模具上模由凸模16、固定板15、垫板8、卸料板5、上模座7等组成，采用弹性卸料，弹性元件采用橡胶。下模由凹模4、下模座1等组成，冲裁件由漏料孔漏出。条料送进时，由导料销20保证其送料方向，由挡料销19控制其送料步距。冲完一次后，需将条料抬起以避开挡料销往前送料。

知识拓展

落料模的设计是整个冲压模具设计的基础，其内容较多，主要包括冲裁件的变形过程、冲裁件的断面组成及质量分析；间隙对断面质量、模具寿命、产品尺寸精度的影响及间隙的合理取值方法；常用落料模具的结构、组成及工作原理；冲裁件工艺分析、排样设计、冲压力计算及落料模具零部件的设计和标准件的选择等。为全面掌握该部分的内容，应在老师的带领下，深入冲压生产现场，仔细观察现场正在生产的一些落料件。分组进行下列工作：

（1）基础知识探讨：运用所学知识认真分析这些落料件的工艺性和断面质量的好坏，并判断其模具间隙是否均匀合理，与现场技术人员进行研讨，提出合理建议。

（2）模具拆装：每组拆装至少一副落料模，分析模具的结构、组成及工作原理，讨论其结构是否合理，并测绘其工作零件。

（3）在老师的指导下完成图2-98所示的圆形垫片模具的设计，最好由学生完成工作零件的加工和模具的装配。

复习思考

一、填空题

1.冲裁是指利用安装在冲压设备上的___对被加工的材料施加一定的压力，使部分材料或工序件与另一部分材料、工（序）件或废料产生___，从而获得所需形状、尺寸的冲压零件的一种压力加工方法。冲裁是冲压加工方法中的基本工序，它主要包括___、___、切断、___、切口、___等。

2.冲裁变形过程可分为___、___和___三个阶段。

3.普通冲裁断面可分为___、___、___和___四个部分。

4.冲裁间隙的大小对___、___、___和___等都有影响。

5.冲压件的工艺性分析包括___、___和___三个方面。

6.在冲裁件的内、外形转角处，一般应采用___，尽量避免___。

7.落料时，应以___的刃口尺寸为准，按照合理冲裁间隙确定___的刃口尺寸。

8.由于磨损，凸模刃口尺寸逐渐___，凹模刃口尺寸逐渐___，冲裁间隙越来越___。

9.冲裁件在坯料上的布置方式称为___。

10.按照材料利用率的情况，可以将排样分为___、___和___三种。

11.排样时，工件与工件之间、工件与坯料边缘之间的余料称为___。

12.冲压废料可分为___和___两种。

13.材料的利用率是指冲裁件的___与所用___的百分比。

14.冲压力包括___、___、___和___。

15.降低冲压力的方法有___、___和___。

16.按卸料方式的不同，可将冲压模具分为___模具和___模具。

17.冲压模具的工作零件有___、___和___。

18.落料模的定位零件主要有___、___、侧压板和___。

19.弹性卸料装置一般由___、___和___组成。

20.冲压模具的模架一般由___、___、___和___组成。

二、选择题

1.关于冲裁间隙对断面质量的影响，以下说法错误的是（）。

A.当冲裁间隙过小时，在断面上形成第二光亮带，毛刺较大

B.当冲裁间隙合理时，断面光亮带较大，圆角、毛刺及锥度较小

C.当冲裁间隙较大时，断面粗糙，毛刺较大，锥度、光亮带较小

D.当冲裁间隙不均匀时，各种断面质量均有可能出现

2.排样是否合理，对（）等均有影响。

A.冲裁件质量

B.模具寿命

C.材料利用率

D.生产效率

3.关于搭边的作用，以下说法正确的是（）。

A.补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格的冲裁件

B.增加条料刚性，方便条料送进，提高生产效率

C.使凸、凹模刃口受力均匀，同时可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙，从而提高模具

D.提高材料利用率

4.提高材料利用率的措施包括（）。

A.充分利用边角余料

B.合理排样，尽量减少工艺余料

C.合理改进产品的形状和尺寸

D.较小产品的材料厚度

5.凸模与固定板的配合方式一般为（）。

A.间隙配合

B.过渡配合

C.过盈配合

6.导柱、导套与模座一般采用的配合形式为（）。

A.间隙配合

B.过渡配合

C.过盈配合

三、简答题

1.凸模按断面形式可分为哪两种？试画出5种直通式凸模的固定方法？

2.冲裁模工作零件刃口尺寸计算的原则是什么？

3.试画出4种凹模刃口的形式？

四、综合题

1.试分析图2-99所示冲裁件的工艺性是否合理，如不合理请加以改进？并计算分开加工时凸、凹模的刃口尺寸？已知：材料为20钢，料厚t =1.0mm，中批量生产。

2.设计如图2-100所示冲裁件落料模，已知：材料为D21 硅钢片，料厚 t =0.5mm，未注半径 R取0.3mm，中批量生产。