冲裁凹模工作部分结构形式分析

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冲裁凹模工作部分结构形式分析
4 q7 D0 d$ O" a. J; e摘要：讨论了冲裁凹模工作部分的结构组成。列举了各种冲裁凹模工作部分的结构形式，并从设计和制造的角度进行了分析。
. H+ x: ^) Z0 q( S/ U% W" \, s2 n关键词：冲裁；凹模结构；冲模设计

一、引言

3 L/ e2 j/ R' C冲裁模是广泛应用的冲模形式之一。图1所示是一典型的冲裁凹模工作部分的截面形状。从图中可见，冲裁凹模工作部分的结构组成可分为三部分。

* W& ~9 }/ k* k5 y! Y. P图1
1.刃口2.刃壁3.漏料孔壁

刃口，是凹模上平面与刃壁的交线，它是直接参加板料冲裁分离的部分，直接影响到冲裁力的大小和冲裁件断面质量等。

刃壁，是刃口与漏料孔之间的过渡部分，是刃磨后形成新刃口的储备部分，它的形式对推料力、冲件的尺寸精度等有直接的影响。
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2 W+ w# A  b; e+ @1 `7 ?漏料孔，是刃口的支持部分，δ值的存在主要是为了减小冲压力，防止凹模横向胀裂，保证冲压过程的顺利进行。
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' d3 o! u& H' |凹模工作部分的结构形式是冲裁模设计中不容回避的问题，值得探讨。
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  e  _3 @" r) g3 ^' y二、工作部分结构形式分析

5 X- y; V! [- A# ?2 O6 f' f2 i4 u在实际应用中，冲裁凹模工作部分的结构随冲件料厚、冲件精度、制模条件与水平、冲床吨位等因素的不同而有所变化。

. O% u0 M) M  T- a1.常见的结构形式

0 @/ V8 @, K+ Q* k+ K1 r. r! {. U图2所示是冲裁凹模工作部分常见的结构形式。其中图a～f为基本形式，图g～l是为某一特定目的而设计的变型形式。
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% L8 O0 I' y' p图2中，α和β分别是刃壁和漏料孔壁的斜角，δ的定义同图1，Δh为斜刃的高度差，R为刃口圆角。

刃口的形式一般为平面型，且刃口锋利，也有非平面型的斜刃和小圆角或小倒棱的刃口。
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刃壁和漏料壁有斜壁式(α＞0，β＞0)和直壁式(α＝β＝0)两大类。它们可以按需要组合应用。考虑到落料件的回弹，故必须满足β＞α或漏料孔轮廓对刃壁部分横截面轮廓的偏移量δ＞0.1mm(冲件回弹量一般为0.02～0.05mm)［1］。

2 @$ n- ]* m- e5 d2 y图2

2.与冲模设计的关系

从冲模设计的角度看，图2中的结构可以从以下几方面进行考虑。
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2 J6 B8 _- O- ?2 W" f(1)斜刃壁与直刃壁

/ @& b! F/ p% u  R7 q) X斜刃壁(α＞0)适用于下出件落料凹模，其推件力小，但刃磨后冲件尺寸会发生少量变化，冲件精度稍低，一般主要用于厚料冲裁，因为厚料的冲裁间隙z大，在α一定时，每次刃磨引起的间隙变化率Δz／z小，故斜刃壁厚料冲裁时能允许多次刃磨。刃壁斜角的选择可根据制模水平确定，尽量小一点。
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直刃壁(α＝0)主要用于薄料冲裁，刃磨后不影响冲件尺寸，冲件尺寸精度高，但推件力稍大。
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(2)刃壁高度h
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刃壁是形成刃口所必需的面，同时也是刃口的储备补充部分。刃壁高度h太大，会使推件力增大较快，甚至胀裂凹模。

/ O2 j' v8 [8 `/ [; {3 L1 Bh值的选择与材料厚度及刃磨次数等有关。一般保证刃壁部分存留3～6片冲件为妥，即h＝（3～6）t，若要多次刃磨则取大值，斜刃壁由于摩擦力较小也可取大值，厚料取小值，薄料取大值。
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6 F4 j! R7 K7 w8 W) `; m) f(3)β值与δ值
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  b$ ~1 P3 d/ hβ值与δ值属漏料孔的设计参数。斜漏料孔壁可有效的支持刃口强度，一般要求β＞α。直漏料孔壁的漏料效果较好，且加工方便，但δ值的加大及分布的不均匀性会削弱刃口部分的强度，对于一些特殊形状的冲件尤应引起重视，如图2b所示。
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$ H6 f8 f+ b+ ?: U7 w(4)全斜壁与全直壁(图2c、f)

全斜壁一般用于厚料冲裁，当H较小时可采用，且α值不宜太大。全直壁可用于上出件落料模或冲孔落料复合模中的凹模等。

' A5 a) [+ _. T(5)凸台式凹模(图2g)

" r& g. [0 i0 U( h6 [6 E* ?8 Z图2g所示为凸台式凹模，主要用于非金属材料(如纸张、石棉等)。由于非金属材料的冲裁间隙很小(约取08钢的25%)，且硬度不高，故这种凹模淬火硬度取得稍低，一般为HRC40左右，在装配过程中和磨损后，可用锤打击凸台斜面调整间隙。

(6)斜刃凹模
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图2h、i为斜刃凹模，当冲床吨位偏小时可降低冲裁力。一般取Δh＝t～2t，其冲裁力可降至平刃的(30～50)%。图中所示仅适用于落料工序，冲孔工序可将凸模做成斜刃。

2 [# D6 G$ ^5 ^(7)斜面冲裁(图2j)

' _' v& o6 H, ]/ z2 j# S0 j斜面冲裁指冲压方向与板料不垂直的情况，如图2j所示，图中γ角一般不超过40°。关于斜面冲裁的设计问题可参阅文献［2］，这里不多谈。

(8)小圆角刃口(图2k)
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刃口做出少量的圆角，可增加冲裁变形区的等静压效果，使断面光整。主要用于精密冲裁、负间隙冲裁、光洁冲裁、冲件的外缘整修等［3］。
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3 r( i$ k0 h! n8 v% H) _. C(9)倒棱刃口(图2l)
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' c+ J8 W* ]; ?0 F9 U) ]刃口处倒小小的棱边，可在高速冲裁时防止废料回跳，因小倒棱的存在增大了材料的塑性变形，使材料被冲入凹模中变成楔形而留在模内［3］。
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3.与制造工艺的关系
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制造工艺是模具设计的结构形式具体实现的保证。冲裁模工作部分的加工方法通常有：线切割加工、电火花加工、铣(或车)加工配合钳工修锉、成形磨削与光学曲线磨等，漏料孔的化学腐蚀和电解加工等。

(1)各种加工方法的特点

a．电火花加工与线切割加工

电火花加工需要制作电极，其放电间隙与电规准有关，精规准加工时放电间隙可达0.01mm，粗规准时可达0.5mm。另外，由于二次放电现象，使得电火花加工的型孔一般均存在斜度，斜度的大小与排屑条件和电规准有关，一般α＝4′～20′。近年来，由于线切割加工的成本不断下降，用电火花机床加工冲裁模的情况已经不多见了。
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4 N6 X  l+ Z$ S( k0 R线切割加工是电火花加工的特例，其电极是用电极丝代替，并采用CNC控制。由于其不需制作电极，仅靠编程即可完成复杂形状的加工，且加工精度高(约0.01mm左右)，成本也较低，近年来已成为冲裁模加工的主要方式之一。线切割加工一般为直壁式型孔，但近年来带锥度线割功能的线切割机床也被大量采用，且可加工的锥度较大(可达30°)，完全可以满足冲裁凹模的斜刃壁加工要求。
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3 g0 _# x$ Z: m0 I" [( t电火花加工和线切割加工其加工面都存在一层变质层，要求高时，可由钳工研磨去除。

b.铣(车)削加工和钳工修锉
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在条件稍差的情况下，凹模工作部分可考虑用铣削加工配以钳工修锉加工，为保险起见，其侧壁一般都加工出斜角(即α＞0，β＞0)。
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- \( Y. R/ |1 O铣削加工还广泛用于加工直壁漏料孔，偏移量δ值可取1mm，但线切割加工后均匀性较难保证。铣削后再线切割加工可有效的减少线切割加工面积，降低加工成本，提高加工效率。
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c.成形磨削与光学曲线磨等
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2 |" D$ E& u7 \! p* L3 B. q. i成形磨削与光学曲线磨均属精密加工范畴。采用这种加工方法，要求型腔为镶拼结构，将内形变为外形加工。成形磨削与光学曲线磨一般以加工直线型侧壁为主，也可加工折线型侧壁。

2 Q8 E2 R* z  n! k; u: t另外，对于圆形型腔，也可采用坐标磨床加工出斜侧壁型孔。

1 G+ A/ u* \# Ad.化学腐蚀和电解加工

化学腐蚀和电解加工主要用于漏料孔侧壁的加工。一般是先由线切割加工出全直壁型孔，然后均匀扩大δ值获得漏料型孔，由于其扩大值δ分布均匀，因此，δ值不需太大，一般δ取0.1mm。

! r4 b7 O5 s0 W" R, V电解加工漏料孔侧壁一般采用线切割加工后的相应废料做电极。电解加工需要有相应的加工设备。
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: ^, d7 O7 Y9 M# w# ^化学腐蚀由于不需专用设备，操作简单、方便，因而广泛用于冲模加工中。
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漏料孔的加工也可考虑用电火花加工，但需制作电极。

. \7 H3 w1 x9 t& x* L( Ae.刃口圆角和倒棱的研磨加工

9 q& }8 \% b# U( E- E, ^! s: }& w圆角和倒棱一般采用特制的研磨杆配以金刚石研磨膏研磨，也可采用油石条研磨，这需要由模具钳工的技术水平和试模结果确定。
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(2)工作部分加工方法分析
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在了解了各种加工方法的特点后，对图2所示各种结构的加工方法就不难确定，这里仅举几例说明。

图2a的加工方法有：铣削粗加工型孔毛坯，然后配以钳工修锉，为保险起见，一般都加工出必要的斜角α和β；也可铣削后用电火花加工，靠粗、精规准获得不同的斜角α和β。
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图2e的加工方法是：先铣削出漏料孔后再线切割加工；或先线切割加工全直壁型孔，然后由化学腐蚀或电解加工等加工出漏料孔壁。

' W! n  t* m( E' B$ [图2k的圆角和图2l的倒棱由研磨加工获得。
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9 x  T. X$ J. L$ [* _( j' k8 Z三、应用情况

% L6 ~1 e( G  \' n+ x. ]' S由以上所谈可知，凹模工作部分的结构形式与制模手段和工艺有极大的关系。就当前冲模制造技术来说，首选的制模方法为线切割加工，对于精密模具才考虑用光学曲线磨床和坐标磨床加工。漏料孔的加工以铣削加工为主(圆型可用车削加工)，对特殊冲件则考虑用化学腐蚀加工，故漏孔壁一般为直壁。所以，图2e所示结构是应用广泛的结构形式之一。下面对这种形式的应用进行讨论。
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图3所示为两例冲裁凹模，型孔的差异仅是图3b两侧多出两个舌头。舌头的存在造成了制作工艺的不同。

图3

以上两例均考虑用线切割加工型孔，凹模工作部分选用图2e所示结构。

2 a, J4 R* {& l' {: ]  o图3a，由于形状简单，漏料孔采用铣削加工，其制作过程大致为：毛坯六面加工→划线，钻穿丝孔→铣漏料孔→淬火→线切割。这里，铣漏料孔必须安排在淬火和线切割前，划线时一般以型孔为基准均匀扩大δ(取δ＝1mm)划漏料孔轮廓线，铣削时，转角处可考虑采用φ5～φ8的键槽铣刀加工出工艺孔。划线、钻穿丝孔以及铣削必须细心，否则线切割后可能使δ值不均匀，甚至部分无δ值。
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# _* Z3 E7 a9 D9 K图3b所示零件，由于舌头尺寸较小，要铣削出均匀δ值的漏料孔较困难，而若按图3a的方式铣出矩形，则舌头部将成为悬臂梁，强度大受影响，因此，其制作过程应为：毛坯六面加工→划线，钻穿丝孔→淬火→线切割→化学腐蚀漏料孔壁(δ＝0.1mm)。当然，漏料孔加工还可采用电解加工或电火花加工，其差别仅在价格方面不同，这可据各企业的具体条件而定。
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四、总结

5 i( J% Q: Z1 x* R# N" T9 r图2中所示的各种结构形式，落实到各企业，由于制模条件的差异，可供选择的形式并不多，对于一位优秀的设计人员，应了解各种结构形式的来历，在具体工作中总结出适合自身条件的结构形式，并将其所需的技术通用化。如化学腐蚀加工成本低，应用范围广，但要求掌握腐蚀液的配方及操作规程，否则，将失败甚至造成人员伤害。因此说，一位优秀的设计师首先必须是一位优秀的工艺师，设计和工艺是不可分割的工程整体。