冷冲压成形工艺与模具设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：赵雪妮、任威、卢军 编著

出版社：化学工业出版社

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冷冲压成形工艺与模具设计试读：

前言

模具是机械、电子、轻工等行业生产的重要工艺设备，而冷冲压模具是模具的重要组成部分之一。由于冷冲压加工具有优质、高效、节能、节材、成本低等显著的特点，因而在汽车、机械、轻工、家电、军事及航空航天等领域有着广泛的应用，其作用不可替代。现代工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展水平，模具的使用寿命、尺寸精度等对于制件的质量有着很大的影响，模具设计及制造技术常常代表了一个国家的工业制造的发展水平。

本书以行动导向教学法为原则，根据专业知识体系，在教材内容上有机融合工艺、设计、加工与设备等相关知识，采用案例+理论知识点+项目+任务的架构开发编写。在这本基于行动导向教学过程的立体化教材中，以大量案例贯穿理论为指导思想，通过任务的实践、案例的讲述，阐明了冲压工艺与设备的整体认知，冲裁、弯曲、拉深及其他冷冲压工艺及其模具设计，同时讲述了冲压工艺规程的制定，使学生能掌握冷冲压工艺以及相关模具设计的知识。书中用了大量案例介绍各类典型模具的设计过程，通过示例的设计过程，将工艺分析、设计方法等理论知识体系巧妙、详细地穿插在模具设计过程中，体现出了实用性、灵活性、适应性等特点，从而使得学生更加生动地学习模具设计方法、原则、过程、步骤；学习冲裁、弯曲、拉深及其他冷冲压工艺计算和工艺问题；有目的、深入地学习冲压工艺和模具设计的理论知识。为了让学生抓住学习中的重点、发现及解决难点、培养学以致用的能力，在每章的结束都有相关的实验任务或设计任务，可以将所学知识融会贯通。

本书在编写时注重系统性及实用性，在文字上深入浅出，采用大量的图例直观清晰地表述内容，重视理论与实践的有机结合，除作为材料成形及控制工程职教师资本科专业的教材外，也可作为高校及职业技术学校相关专业的教材和教学参考书，并适合相关技术人员的自学和培训使用。

全书共六个模块，分别阐述了冲压工艺与设备的认知、冲裁工艺及冲裁模具设计、弯曲工艺及模具设计、拉深工艺及拉深模具设计、其他冲压成形工艺及模具设计。其中，赵雪妮负责编写模块2和模块3；任威负责编写模块1和模块4，卢军、任威负责编写模块5和模块6。全书由赵雪妮、任威统稿。教材编写思路、原则、样章确定、教材结构由《材料成形及控制工程》职教师资本科专业培养标准、培养方案、核心课程和特色教材开发项目负责人葛正浩教授指导完成。研究生王婉英、王旭东、王翠云、刘杰、张黎、何富珍、杨建军、张靖等在部分CAD图例绘制、修改、文字编辑方面做了大量工作，在此表示衷心感谢。教材编写中同时参阅了相关文献，在此特向参考文献中的著者致谢。

本书在编写过程中难免有不足之处，敬请各位读者和使用本书作为教材的教师批评指正，不吝赐教。编著者2017年11月模块1　冲压工艺与设备的认知

冲压工艺与设备认知是冷冲压成形工艺与模具设计课程的一个重要的组成部分。模块内容涵盖了冲压工艺概念、冲压件鉴别、冲压模具认知、钣金件冲裁成形过程的认知、压力机操作、冲压模具拆装、冲压件工艺分析等内容。模块要求学生通过综合考虑、灵活运用所学的各种知识，针对冲压制件，认知相应的冲压工艺与设备，经过模块的学习使学生对冷冲压成形工艺与模具设计这门课程有一个清晰的认知，同时也培养学生对冲压设备实际应用的能力以及对专业知识的探索和解决实际问题的能力。

在本模块的编写过程中，采用了各种教学方法及设计原则，主要包括讲授法、演示法、探究学习法、讨论法及任务法等方法来指导学生，以达到教学目的。其中最主要的是通过几个实例任务，如制件的鉴别、冲压模具的认知、钣金冲裁成形过程的认知、压力机操作的认知等，使学生充分地理解冲压工艺及相关设备的知识以及与其他加工方法的不同之处，进而拓展学生的知识范围，培养学生独立思考问题和解决问题的能力。1.1　任务——冲压件鉴别1.1.1　任务引入

在钢材中，有60%～70%是板材，其中大部分是经过冲压制成成品，如汽车的车身、底盘、油箱，容器的壳体。在仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。可见冲压件在我们生活中的重要性非同一般，因而会对冲压件进行鉴别应成为我们必备的能力。1.1.2　任务计划（1）读识任务

①通过阅读冲压工艺教材相关知识点，了解冲压件基本特点。

②通过查阅资料收集各种冲压件图片，认识生活和工业生产中常用的冲压件。（2）必备知识

①冲压件基本概念　冲压件是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状和尺寸的工件。

②冲压件主要特点

a.冲压件在材料消耗不大的前提下，经冲压制造出来，其零件重量轻、刚度好，板料经塑性变形后，内部的组织结构得到改善，冲压件强度较高；

b.冲压件具有较高的尺寸精度，同模件尺寸均匀一致，有较好的互换性，不需要进一步机械加工即可满足一般的装配和使用要求；

c.冲压件冲压过程中，材料表面不受破坏，故有较好的表面质量，外观光滑美观，为表面喷漆、电镀、磷化及其他表面处理提供了方便条件。

③冲压件与铸件、锻件区别

a.冲压件：将板料通过模具施压使其变形而获得的工件。如汽车蒙皮、锅、碗、瓢、盆等多数都是冲压而成。

b.铸件：将金属熔化后浇入一定形状的型腔，冷凝后获得的工件。如机床床身、发动机箱体等多数都是铸造而成。

c.锻件：将棒料（或块料）通过模具施压使其变形而获得的工件。如齿轮毛坯、轴、连杆等多数都是锻造而成。（3）材料的准备

小落料件若干、冲孔件若干、弯曲件若干、铸件若干、锻件若干。（4）设备的准备

钳工工作台。1.1.3　任务实施

①将学生分组，每组取得各类冲压件、铸造件、锻造件若干；

②以组为单位进行讨论，根据阅读的相关知识对所得零件进行分析，区别并记录在纸上；

③每组推荐一个成员进行发言，总结本组的分析与鉴别，指出哪些是落料件，哪些是冲孔件，哪些是铸件，哪些是锻件；

④由老师对各组的鉴别对与错进行说明，最后对相关知识进行总结讲解。1.1.4　思考

冲压件、铸件、锻件各有什么优缺点，各适用于哪些领域？1.2　任务——冲压模具的认识1.2.1　任务引入

冲压模具作为一种现代加工技术，应用于各行各业的生产加工，特别是在汽车工业的配件制作过程中广泛应用，模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。而对冲压模具的认识是为今后模具的设计打好基础，故而冲压模具的认识实验至关重要。1.2.2　任务计划（1）读识任务

①通过阅读教材相关部分认识冲压模具及其基本结构。

②认识、了解冲压模具工作原理。（2）必备知识

①冲压模具基本概念：冲压模具，是在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具。

②冲压模具分类：根据工艺性质分为冲裁模、弯曲模、拉伸模、成形模；根据工序组合程度分为单工序模、复合模、级进模、传递模。

③冲压模具基本组成部分。

④各零部件的作用。（3）材料的准备

若干张A4纸、易拉罐剪裁成的板料（薄铝料）。（4）设备的准备

曲柄压力机一台，教学陈列柜一套（正装式复合模、倒装式复合模、连续模、导板式落料模各一套）。（5）工具的准备

各类型号的扳手、棉纱、毛刷、清洁水。1.2.3　任务实施

①将学生分成若干组，进行十分钟的相关材料阅读，并认识各类模具结构图；

②每组随机分得一套教用模具，观察教用模具，讨论该模具的种类、作用、主要组成部分，并记录在纸上；

③每组推选一个组员讲解本模具的名称、用途、组成结构；

④讲解后组员可用A4纸或易拉罐剪裁成的板料（薄铝料）做实际的冲压，观察冲出的制件是否和所需要的零件结构形状一致；

⑤由老师进行点评，最后一一讲解各套模具的结构组成和工作原理等。1.2.4　思考

单工序模、复合模、连续模的区别、适用范围。1.3　任务——钣金件冲裁成形过程的认知1.3.1　任务引入

生产中为了满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量、原材料性能等方面的要求，采用多种多样的冲压加工方法。其中钣金件的冲裁成形是一种使用最广泛的冲压成形方法。1.3.2　任务计划（1）读识任务

①从感官上进一步熟悉冲压设备的工作原理和工作过程；

②从感官上进一步熟悉模具的工作原理和工作过程；

③加深对钣金件冲裁成形过程的认识。（2）必备知识

①了解所使用实验模具的结构，比较冲孔模具与落料模具的异同；

②了解所使用实验设备的结构；

③了解钣金件落料和冲孔过程。（3）材料的准备

若干张A4纸、易拉罐剪裁成的板料（薄铝料）。（4）设备的准备

曲柄压力机，落料、冲孔模具若干套。（5）工具的准备

固定模具的所有工具、游标卡尺、直尺。1.3.3　任务实施

①认真观察压力机的结构并分析压力机各个部分的作用和各个部分调整的方法；

②认真观察冲孔模具、落料模具的结构异同；

③根据模具的工作零件确定条料的宽度尺寸，并根据条料宽度尺寸下料；

④将模具正确安装在冲压设备上；

⑤开机试模；

⑥进行落料成形并取出落料件；

⑦将落料件进行冲孔成形并取出试件；

⑧对试件进行测量并做好记录。1.3.4　思考

①钣金件的工艺性是指什么？确定钣金件工艺方案的原则有哪些？

②列举制件常用的三种成形工艺，并说明每一种工艺的优缺点。1.4　任务——压力机操作1.4.1　任务引入

曲柄压力机是一种结构精巧的通用型压力机，具有用途广泛，生产效率高等特点。广泛应用于切断、冲孔、落料、弯曲、铆合和成形等工艺。因此，压力机的操作技能是本专业学生一项必备的能力。1.4.2　任务计划（1）读识任务

①熟悉冲压设备的种类、熟悉冲床的结构；

②熟悉模具与冲压设备的关系；

③了解模具在冲床上安装调整过程。（2）必备知识

①机械压力机基本概念及结构　机械压力机是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动的锻压机械，用于对材料进行压力加工的机床，通过对坯件施加强大的压力使其发生变形和断裂来加工成零件。

②液压压力机基本概念及结构　液压机通过液压泵产生的带压力的液体通过控制回路液压执行件来传递动力，液体介质有水、乳化液；液压油液压压力机主要是有机架、液压系统、冷却系统、加压油缸、上模及下模，加压油缸装在机架上端，并与上模连接，冷却系统与上模、下模连接。

③机械压力机与液压机的特点　机械压力机运行快、效率高、造价低、控制部分较为简单，易维护保养。工作台面较小、体积较大、运行时噪声大；液压机特点是工作压力大、运行平稳、工作行程可以自由控制、调节范围大、工作空间较大、工作效率适中、适用面广。配置较为复杂，造价相对较高。（3）材料的准备

实验模具（单工序模、复合模、级进模），Q235钢板（如果不试冲工件，就不需要材料）。（4）设备的准备

液压压力机、曲柄压力机。（5）工具的准备

固定模具的所有装备。1.4.3　任务实施

①认真观察机械压力机、液压压力机的结构异同并分析其性能特点。

②认真观察不同种类冲模的结构异同并分析其工作原理。

③模具在压力机上安装与调整步骤。

a.将冲床的滑块处于上死点位置；

b.手动皮带轮，使滑块向下运动到最下点；

c.将模柄夹持块的紧固螺钉取下，将模柄夹持块取下；

d.模具合模后放在冲床工作台上，将模柄靠在冲床模柄；

e.调节螺杆，使滑块的断面与模具的上模座的上平面接触；

f.将模柄夹持块装上，并将模柄锁紧螺钉装上，将模柄紧固；

g.调节螺杆，消除滑块的断面与模具的上模座的上平面之间的间隙；

h.拧紧夹持块螺钉并将模柄锁紧螺钉装上，将模柄锁紧；

i.微调螺杆，粗调闭合高度；

j.用压板固定下模座；

k.用纸试冲，调节冲击深度；

l.合格后装横梁调节制动螺钉冲工件。1.4.4　思考

①无导柱导套模具怎样在压力机上安装与调整？

②大型的无模柄冲模怎样在压力机上安装与调整？1.5　任务——冲压模具拆装训练1.5.1　任务引入

了解模具拆装工艺的知识，掌握模具内部的结构是选择和设计中等、复杂程度冲模的基础。冲压模具拆装是模具设计与制造专业学生的必备能力，是在学生了解了机械制图、公差配合与技术测量、工程材料、工程力学、机械设计基础、机械制造技术、冲压工艺与模具设计等知识的基础上，为培养和提高学生动手能力和绘制模具图形的能力而开设的。1.5.2　任务计划（1）读识任务

①了解冷冲模的结构组成，各部分的作用，零件间的装配形式，相互关系。

②熟悉冷冲拆装的基本要求，方法、步骤、常用拆装工具。

③掌握一般冲压模的工作原理。（2）必备知识

冲压模具结构通常分为如下五个部分：

①工作零件　冲模的工作零件是凸模和凹模，在复合模中还有凸凹模。它们成对互相配合，完成对坯料的成形。它们的形状、尺寸精度、固定方法及材质处理等决定着冲模的性能、模具成本及使用寿命。

②辅助装置　协助凸模、凹模完成工件成形必不可少的装置。如材料送进的定向定位装量、废料排除装置、卸料退件装置、压料抬料装置等。它们的结构形式对工件质量、操作安全、生产效率等都至关重要。辅助装置是冷冲压模具设计中不容忽视的重要部分。

③导向装置　保证上模、下模准确合模的装置。要求工作可靠，导向精度好，有一定互换性。导向装置目前已基本标准化，并有商品供应。

④支承零件　指上模架和下模架。凸模、凹模和其他所有的零件安装在其上组成一个模具整体。它们与压力机连接，传递并承受着工作压力。

⑤紧固零件　中小型模具大多采用沉头螺钉和销作可卸式连接；有些凸模、凹模的连接则采用粘接或低熔点合金连接；大型模具的刃口或支架也有采用焊接方式的。（3）材料的准备

典型结构的冲压模具（冲裁模具、弯曲模具、拉深模具）。（4）设备的准备

JH23-40曲柄压力机。（5）工具的准备

拆装工具：榔头、铜棒、内六角套扳手、螺丝刀、量具等。1.5.3　任务实施

①将学生分成若干组，进行十分钟的相关材料阅读，和认识实验室各类模具结构图；

②开上、下模，认真观察模具结构，并拟定拆装方案，经指导老师认可后方可进行拆装工作；

③按所拟拆装方案拆卸模具，将模具上、下模分离，观察各部分的结构组成及凸、凹模固定方法；

④弄清楚模具六大部件的零件组成，测绘各零件图，并画出各零件图草图。在拆装过程中，要记清楚各零件在模具中的位置，以便重新装配；

⑤分析各零件的作用和结构特点、设计中应特别考虑的问题；

⑥观察完毕将模具各零件擦拭干净、涂上机油，按正确装配顺序装配好；

⑦对照实物画出模具装配图（草图），标出各零件的名称；

⑧再检查一遍装配正确与否，整理清点拆装用工具。1.5.4　思考

①正确拆装冲压模具的方法。

②你所拆装的模具的工作原理。

③确定冲裁工艺方案的依据是什么？冲裁工艺的工序组合方式根据什么来确定？1.6　任务——冲压制件工艺分析1.6.1　任务引入

模具是现在加工制造的基本工艺装备，模具在设计时不仅要根据冲裁件的材料选择模具的材料，还要根据冲裁件的形状、尺寸和精度来确定模具的类型和冲裁的工艺方案，对冲压件进行工艺分析对于冲压模具的设计至关重要。1.6.2　任务计划（1）读识任务

通过阅读书籍、相关资料了解冲压件工艺分析包括哪些方面的分析。（2）必备知识

①常用于冲压的材料　目前，可冲压的材料不仅是低碳钢，而且还有不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等，一般以含碳量小于0.25%2及抗拉强度小于650N/mm的材料为主。

②冲压制件常常经过的冲压工艺过程　在实际生产中，制件常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。

③一般冲压件精度等级及表面质量要求　一般企业生产会根据自己生产的产品要求和实际需要编制未注公差标准和要求，或者采用国家标准公差数值（一般是IT14级）；一般冲压件不允许有拉裂、缺材、毛刺、锈蚀等缺陷。（3）材料的准备

实验模具（单工序模、复合模、级进模），Q235钢板（如果不试冲工件，就不需要材料）。（4）设备的准备

JH23-40曲柄压力机。（5）工具的准备

用于安装模具的所有工具。1.6.3　任务实施

①将模具安装在曲柄压力机上；

②用准备好的Q235钢板冲压出若干工件；

③将实验人员分组，以组为单位对所冲压出制件从形状、材料、精度、表面质量等方面进行工艺分析，记录在纸上；

④每组推荐一个成员进行发言，总结本组的分析，并提出如何提高制件工艺性的有效方法。1.6.4　思考

①如何根据制件工艺分析确定加工工艺方案？

②制件较复杂时，在不影响制件要求的前提下如何有效简化制件工艺？1.7　讨论与大作业（1）讨论

①什么是冷冲压加工？

②冷冲压模具与其他工艺装备相比有何特点？

③冷冲压模具制造相对于一般零件加工有何特点？

④模具常用的装配工艺方法有哪些？各有何特点？

⑤如何正确选择压力机的公称压力大小？（2）大作业

阐述分离工序和成形工序都有哪些工序形式，试用工序简图及自己的语言说明两种工序的主要特征。1.8　教学方法与设计

冲压工艺与设备认知是冷冲压成形工艺与模具设计课程的一个重要的组成部分。它要求学生通过认知相应的冲压工艺与设备，提高学生对冷冲压工艺与模具设计的了解，培养学生对冲压设备实际应用的能力以及对专业知识的探索和解决实际问题的能力。1.8.1　学习目标及内容分析

冲压工艺与设备认知是冷冲压成形工艺与模具设计教材中前述部分。通过本模块的学习，使学生了解冲压工艺的原理与冲压设备的相关知识，同时使学生掌握冲压设备的认知与操作。

从模块内容上来看，可以将此部分内容分为冲压工艺理论知识与工艺设备认知等部分。模块内容涵盖了冲压工艺概念、冲压件鉴别、冲压模具认知、钣金件冲裁成形过程的认知、压力机操作、冲压模具拆装训练、冲压件工艺分析等。并通过具体任务对冲压工艺与设备进行了详细的讲解。为强化学习效果，掌握理论应用于实际的方法，模块中编选了冲压工艺与设备认知的具体任务内容，从而训练了学生对冲压工艺的认知，培养学生解决生产实际问题的能力。

本模块通过任务的引入，使学生系统性地建立起冲压工艺及其模具的相关概念，掌握冲压工艺性及冲压设备的基础知识。图1-1　冲压工艺与设备认知模块内容构成1.8.2　学习对象分析

该课程为材料成形及控制工程职教师资本科专业学生的必修课，通过模块化教学可以培养学生的拓展思维能力、创新能力、对冲压产品的综合分析能力以及模具设计能力。学习过程中内容较多，需要较强的理论与实际结合能力，以及空间想象能力与推敲能力。1.8.3　教学设计

本模块的内容包括冲压件鉴别、冲压模具认知、钣金件冲裁成形过程的认知、压力机操作、冲压模具拆装训练及冲压制件工艺分析等由冲压制件到冲压模具、设备及工艺，由浅入深地介绍模块内容，使学生对冷冲压成形工艺与模具设计有一个清晰的认知。课程采用讲授法、演示法、探究学习法、讨论法及任务法等方法来指导学生，以达到教学目的。

通过几个实例任务，如制件的鉴别、冲压模具的认知、钣金冲裁成形过程的认知、压力机操作的认知等，使学生充分地体会到冲压工艺及设备与其他加工方法的不同；通过讲授法对冲压工艺相关理论进行阐述，同时在任务展开的过程中穿插冲压基础工艺概念等方面理论知识的学习；通过探究学习法研究冲压件的变形过程以及变形情况，布置相关的思考及作业，考察学生对基础知识的理解；通过讨论法与问题法，可以拓展学生的知识范围，培养学生独立思考问题、解决问题的能力。

通过第一个任务的学习，让学生初步建立冲压成形工艺的思维；通过第二个任务的学习，让学生建立冲压成形模具的概念，了解冲压模具的组成；通过第三个任务的学习，学生认识钣金冲裁的过程，了解冲孔工艺与落料工艺的异同；通过第四任务的学习，使学生了解压力机及其操作，认识不同种类压力机的结构异同并能分析其性能特点及其工作原理，知道模具在压力机上安装与调整的步骤；通过第五、六任务的学习，使学生对冲压模具的拆装及冲压制件工艺性有详细的学习。

每一个任务都由引入任务、任务的计划、任务的实施、思考等几个部分组成。

①引入任务：明确该任务的目标；

②任务的计划：展现任务的计划，确定完成任务所需要的知识、材料、工具、设备等；

③任务的实施：确定任务进行的实施办法，明确实施的步骤；

④思考：通过任务思考与总结，加深学生对本任务对应知识的理解和总结，拓展学生进一步学习专业知识的思维。

用任务探究的方法，让学生对冲压工艺与模具设计有了初步的认知。采用讲授教学法、演示教学法、探究学习法、讨论法及问题教学法等方法，使学生详细学习冲压成形工艺与模具设计的基础知识。最终通过这几个任务的学习，可以拓展学生发现问题、解决问题的能力，以及实际操作能力。1.8.4　教学评价

通过整个教学过程，对所学知识进行归纳总结，在任务中用到了哪些知识和技能。最后根据任务完成情况对学生进行成绩评定，成绩的评定是检验教学效果的重要手段，通过课堂上的提问以及讨论式的互动来衡量平时成绩，同时对任务完成的情况进行考察，结合模块最后的思考、讨论及作业完成整个模块的考核。模块2　冲裁工艺及冲裁模具设计“模块2　冲裁工艺及冲裁模具设计”部分内容是《冷冲压成形工艺与模具设计》最基础、最重要的一部分内容，本模块完全体现本教材行动导向教学法为原则，根据专业知识体系，在教材内容上有机融合工艺、设计、加工与设备等相关知识，采用案例+理论知识点+项目+任务的架构开发编写。模块中以一套典型的复合冲裁模具设计过程为线索，介绍复合模具设计思路、总体结构，详细讲述冲裁模具各部分零件的设计。

本模块第一部分首先给出了冲裁模具设计的基本步骤，并通过冲裁模设计案例对冲裁模设计进行了详细的讲解。冲裁模设计案例从制件入手，进行制件工艺分析、计算、模具结构设计、完成模具装配图和零件图的绘制。在实例讲解过程中，从冲裁工艺及冲裁模设计的角度出发，系统地介绍冲压工艺与冲裁模具设计的基本知识、基本理论和设计方法。内容包括冲裁零件的工艺性分析、冲裁工艺方案的确定、冲裁工艺计算、冲压设备的选用、冲裁模具结构的设计等。

为强化学生学习的效果，掌握实际应用的本领，模块里精心选编了冲裁工艺及模具设计的任务及项目训练等内容，从而训练学生设计冲裁模具的方法和思路，最终培养学生解决生产实际问题的能力。

从模块到章节力求与教学行为紧密联系，始终贯穿着具体的教学方法与设计。在每一模块最后，针对具体内容进行教学方法的剖析，力求每一知识点都有对应教学法的支撑。以系统的观点，阐述明确的学习目的及实践技能；以职业情景中行动能力为目标，培养学生对冲裁工艺的了解以及冲裁模具设计的能力；以职业情景中行动过程为途径，培养学生的探索能力和解决问题的能力。

在本书的编写过程中，详细叙述了各种教学方法及设计原则，且以冲裁工艺及冲裁模具设计占主导地位。在此基础上，本模块引入了冲裁工艺及冲裁模具设计教学方法及过程。其余模块包括弯曲工艺及弯曲模具设计，拉深工艺及拉深模具设计和其他冲压成形工艺及模具设计等，都是以模具设计及成形工艺为主要内容编写，具体的教学方法与本模块类似，有较高的关联性。故以本模块的教学法为例，其余模块可以进行适当参考。本模块具体阐述的教学法包括：案例教学法、项目教学法、引文教学法、头脑风暴法、角色扮演法、模拟教学法等。2.1　知识——冲压模设计基本步骤

冲压模具设计实质上是冲压件工艺方案的制订和模具结构的设计。设计的基本步骤如下：（1）取得必要的资料

根据相关资料分析的冲压工艺性，对工件进行工艺审核及标准化审核。

①取得注明具体技术要求的产品零件图样。了解工件的形状、尺寸与精度要求。关键孔的尺寸（大小和位置），分析并确定工件的基准面。

其实，冲压件的各项工艺性要求并不是绝对的，尤其在当前冲压技术迅速发展的情况下，根据生产实际的需要和可能，综合应用各种冲压技术，合理选择冲压方法，正确进行冲压工艺的制定模具结构的选择，使之既满足产品的技术要求，又符合冲压工艺的条件。

②收集工件加工的工艺过程卡片。由此可研究其前后工序间的相互关系和在各工序必须相互保证的加工工艺要求及装配关系等。

③了解工件的生产批量。零件的生产批量对冲压加工的经济性起着决定性的影响，为此，必须根据零件的生产批量和零件的质量要求，来决定模具的形式、结构、材料等有关事项，并由此分析模具加工工艺的经济性及工件生产的合理性，描绘冲压工步的轮廓。

④确认工件原材料的规格及毛料情况（如板料、条料、卷料、废料等），了解材料的性质和厚度，根据零件的工艺性确定是否采用少废料及无废料排样，并初步确定材料的规格和精度等级。在满足使用性能和冲压工艺性能要求的前提下，应尽量采用廉价的材料。

⑤分析设计和工艺上对材料纤维方向的要求、毛刺的方向。

⑥分析工（模）具车间制造模具的技术能力和设备条件以及可以采用的模具标准件的情况。

⑦熟悉冲压车间的设备情况。

⑧研究消化以上资料，初步构思模具的结构方案。必要时可寻既定的产品设计和工艺过程提出修改意见，使产品设计、工艺过程和模具设计与制造三者之间能更好地结合，以取得更加完善的效果。（2）确定工艺方案及模具结构形式

工艺主案的确定是冲压件工艺性分析之后应进行的一个最重量的环节。它包括：

①根据工件的形状和特征、尺寸精度及表面质量的要求，进行工艺分析，判断出它的主要属性，确定基本工序的性质。即冲裁、冲孔、弯曲、拉深、翻边和胀形等到基本工序。列出冲压所需的全部单工序，一般情况可从产品零件图样要求直接确定。

②根据工艺计算、确定工序数目。对于拉深件，还应计算拉深次数，而弯曲件、冲裁件等也应根据其形状、尺寸及精度要求等，确定是一次或几次加工。

③根据各工序的变形特点、尺寸精度及便于操作等要求，确定工序排列的先后顺序。如采用先冲孔后弯曲还是先弯曲后冲孔等。

④根据生产批量、尺寸大小、精度要求以及模具制造水平、设备能力等多种因素，将已初步依次而排列的单工序予以可能地工序组合，如复合冲压工序、边续冲压等。通常，厚料、低精度、小批量、大尺寸的冲压宜采用单工序生产，选用简单模；薄料、大尺寸、大批量的冲压件宜用级进模进行边续生产；而形位精度高的冲压件，则宜采用复合模进行冲压。在确定工序的性质、顺序及工序地组合后，即确定了冲压的工艺方案，也即决定各工序模具的结构形式。（3）进行必要的工艺计算

①设计材料的排样和计算毛坯尺寸。

②计算冲压力（包括冲裁力、弯曲力、拉深力、翻边力、胀形力及卸料力、推件力、压边力等），必要时还需计算冲压功和功率。

③计算模具的压力中心。

④计算或估算模具各主要零件的厚度，如凸模、凹模、凸模固定板、垫板的厚度以及卸橡皮或弹簧的自由高度等。

⑤决定凸、凹模的间隙，计算凸、凹模工作部分的尺寸。

⑥对于拉深工序，需要决定拉深的方式（压边或不压边），计算拉深次数及中间工序的半成品尺寸。对于某些工艺，如带料的边缘拉深，则需进行专门的工艺计算。（4）模具的总体设计

在上述分析计算的基础上，进行模具结构的总体设计（此时一般只需勾画出草图即可），并初步算出模具的闭合高度，概略地定出模具的外形尺寸。（5）绘制冲压模装配图及各种非标准的零件图

冲模图纸由总装配图和零件图两部分组成。总装配图应有足够说明冲模结构的投影图及必要的剖视、剖面图，一般主视图和俯视图对应绘制。

以上所述只是设计冲压模具时的基本步骤，反映了在设计时所应考虑的主要问题及要做的工作，具体设计时，这些内容往往都是交错进行的。2.2　项目——连接板中心圆孔冲裁模具设计2.2.1　项目目标（1）项目引入

如图2-1所示为连接板冲裁件，材料为20钢，该冲压件材料厚度为t=0.5mm，属薄板冲裁，椭圆外形，制件中间有2个ϕ11mm的圆形孔。生产批量为80000件/年。图2-1　连接板冲裁件

本部分案例在已经冲裁出椭圆形外形的情况下，进行连接板中心圆孔冲裁工艺分析，设计连接板中心圆孔冲裁模具。（2）项目内容

该冲压件材料厚度为t=0.5mm，属薄板冲裁，需要在现有椭圆形板料中间冲裁出ϕ11mm的2个圆形孔，属于小型冲压件。年产量80000件，属于大批量生产，采用冲裁模加工既能保证产品质量，又能满足生产效率的要求，还能降低成本。由于产品批量大，且导柱导向的单工序冲裁模冲裁精度高，使用寿命长，因此采用导柱导向的单工序冲裁模。2.2.2　冲裁工艺方案

对冲压件进行冲裁工艺方案分析，主要包括三个方面：冲裁过程分析、冲裁断面质量分析以及冲裁工艺性分析。（1）冲裁过程分析

冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。根据变形机理的差异，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。通常我们说的冲裁是指普通冲裁，它包括落料、冲孔、切口、剖切和修边等。

图2-2所示为连接板中心孔简单冲裁模的冲裁过程示意图。图中所示件1为凸模，件2为凹模，凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓形状与工件形状对应，并有锋利的刃口。凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模，其差值称为冲裁间隙。图2-2　简单冲裁模的冲裁过程示意图1—凸模；2—凹模

冲裁金属板料的变形过程如图2-3所示。当冲裁模间隙合理时冲裁变形过程可分为以下三个阶段，分别为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。具体可以细分为：弹性变形—塑性剪切滑移—产生细微裂纹—裂纹生长与板料断裂。图2-3　冲裁金属板料的变形过程（2）冲裁断面质量分析

当冲裁模凸、凹模之间的间隙合理、模具刃口状况良好时，冲裁件断面的特征，如图2-4所示。从图中可以看出，冲裁断面明显分为四个特征区，即圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个部分。图2-4　冲裁件断面的特征1—毛刺；2—断裂带；3—光亮带；4—圆角带

由图可知，冲裁件的断面并不整齐，仅较短一段的光亮带是柱体。若不计弹性变形的影响，冲孔件的光亮柱体部分尺寸近似等于凸模尺寸；而落料件的光亮柱体部分尺寸，近似等于凹模尺寸。（3）冲裁工艺性分析

1）什么是冲裁件的工艺性

冲裁件的工艺性，是指冲裁件在冲压加工过程中的难易程度，即冲裁件的结构、形状、尺寸及公差等技术要求是否符合冲压加工的工艺要求。

2）冲裁件工艺性分析

冲裁件工艺性是否合理，对零件的质量、模具寿命和生产率有很大的影响。冲裁工艺性好是指能用普通的冲裁方法，在模具寿命和生产效率较高、成本较低的情况下得到质量合格的冲压件。因此一般从以下几个方面进行分析：

①冲裁件的形状与尺寸要求　冲裁件形状应尽可能简单、对称、排样废料少。在满足质量要求的条件下，把冲裁件设计成少、无废料的排样形状，如图2-5所示。图2-5　冲裁件排样形式

a.除在少、无废料排样或采用镶拼模结构时，允许工件有尖锐的尖角外，冲裁件的外形或内孔交角处应采用圆角过渡，避免尖角，R>0.25t。常用的最小冲裁圆角可以通过查表得到。

b.尽量避免冲裁件上过长的悬臂与狭槽，如图2-6所示，应使它们的最小宽度b≥1.5t。冲裁件孔与孔之间、孔与零件边缘之间的壁厚，因受模具强度和零件质量的限制，其值不能太小。一般要求c≥1.5t，c'≥t。图2-6　冲裁件孔与孔之间、孔与零件边缘之间的壁厚

c.若在弯曲或拉深件上冲孔，冲孔位置与件壁间距应满足图示尺寸。其要求见图2-7。图2-7　弯曲或拉深件上冲孔尺寸

d.冲裁件的孔径因受冲孔凸模强度和刚度的限制，不宜太小，否则容易折断和压弯。冲孔最小尺寸取决于孔的形状、材料的厚度、材料的机械性能、凸模强度和模具结构。用自由凸模和带护套的凸模所能冲制的最小孔径分别见表2-1和表2-2。表2-1　自由凸模冲孔的最小尺寸　　mm表2-2　带护套的凸模的最小尺寸　　mm

②冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度

冲裁件的精度要求，应在经济精度范围以内，对于普通冲裁件，其经济精度不高于IT12级。在IT12～IT14之间，冲孔件比落料件高一级，一般要求落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件精度最好低于IT9级。如果工件精度高于上述要求，则需在冲裁后整修或采用精密冲裁冲工件。两孔的孔心距所能达到的公差可通过查表获得。冲裁件断面的表面粗糙度和允许的毛刺高度也应符合一定要求。（4）冲裁排样的设计

1）什么是排样

冲裁件在板料、条料、带料等毛坯上的布置方式称为排样。

2）排样的原则和方法

①排样的原则　排样合理与否不仅影响材料的经济利用，还影响到制件的质量、模具的结构与寿命、制件的生产率和模具的成本等技术、经济指标。因此，排样时应考虑如下原则：

a.提高材料利用率（不影响制件使用性能前提下，还可适当改变制件形状）。材料的利用率为制件面积与毛坯面积的比率。材料利用率按式（2-1）计算。　　        （2-1）式中　η——材料利用率；

A——工件的实际面积；0

A——冲裁此工件所用材料面积，包括工件面积与废料面积。

b.排样方法应使操作方便，劳动强度小且安全。

c.尽量保证模具结构简单、寿命高。

d.保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。

②排样的方法

a.有废料排样法：沿制件的全部外形轮廓冲裁，制件与制件之间、制件与条料之间都留有工艺余料（称为搭边），冲裁后成为废料。因留有搭边，所以制件质量和模具寿命较高，但材料利用率降低；

b.少废料排样：沿制件的部分外形轮廓冲裁，只在制件与制件之间或制件与条料之间留有搭边，材料利用率有所提高；

c.无废料排样：沿制件的全部外形轮廓冲裁，在制件与制件之间或制件与条料之间都不留有搭边。无废料排样的材料利用率较高，材料只有料头和料尾损失，材料利用率可高达85%～95%。排样的几种方式具体，如图2-8所示。图2-8　排样的几种方式

③搭边和料宽

搭边为工件与工件之间、工件与条料侧边之间留有的一定距离（工艺废料）。

料宽：排样方案和搭边值确定后，即可确定条料或带料的宽度及进距。

条料宽度的确定原则：a.最小条料宽度应保证冲裁时轮廓周边有足够的搭边值；

b.最大条料宽度应保证条料能在导料板内顺利的进给，条料与导料板之间有一定的间隙；

c.在确定条料宽度时，必须考虑模具结构中是否采用侧压装置或侧刃定距装置。（5）连接板中心圆孔冲裁件工艺性分析

如图2-9所示为连接板冲裁件，椭圆外形，制件中间有2个ϕ11mm的圆形孔。此冲裁件的工艺性如下：图2-9　排样图

①冲裁件形状简单、对称、排样废料少。

②冲裁件的外形或内孔交角处为圆角过渡，没有尖角。

③冲裁件上没有过长的悬臂与狭槽。

④冲裁件公差IT13，在IT12～IT14之间，属于普通冲裁件。

因此，此连接板中心圆孔冲裁件的结构、形状、尺寸及公差等技术要求符合冲压加工的工艺要求，可以采用冲压加工方法进行生产。（6）连接板中心圆孔冲裁件的排样

对于本实例中的冲裁件，采用落料和冲孔两道冲裁工序完成，第二道工序即本实例中的冲孔是在第一道工序冲裁完得到的椭圆形落料件的基础上进行，故不涉及排样。若对此冲裁件采用冲孔、落料复合冲裁模完成时，考虑的排样方式如下：

采用单排排样设计，查《中国模具设计大典：第3卷　冲压模具设计》表19.1-17，如图2-9所示，得搭边值：工件间a=1.8mm，侧边1a=1.5mm。则条料宽B=43+2a=46（mm）条料的进距h=20+a=21.8（mm）1

由式（2-1）计算冲裁单件材料的利用率为：　　        2.2.3　冲裁工艺计算（1）冲裁压力计算

①冲裁力　冲裁力是指板料作用在凸模上的最大抗力。冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必须的数据。F=Ltτ　　        （2-2）0式中　t——材料厚度，mm；

L——冲裁轮廓周长，mm；

τ——材料抗剪强度，MPa；

F——冲裁变形力，N。0

在实际的冲裁过程中，还有多种因素可以对冲裁力产生影响，例如刃口磨损、间隙部大小、间隙分布的不均匀、材料力学性能的波动及材料厚度的波动等。因此，实际的冲裁力应增加30%。实际的冲裁力按式（2-3）计算：F=1.3Ltτ　　        （2-3）0

②卸料力、推件力及顶件力

什么是卸料力、推件力及顶件力？

在分析冲裁的变形过程时，当冲裁件从板料切下以后，冲裁件要沿径向发生弹性变形而扩张，而板料上的孔则沿着径向发生弹性收缩。同时，冲下的零件与余料还要力图恢复弹性。这两种弹性恢复的结果，使得落料件梗塞在凹模内，而冲裁后剩下的板料则箍紧在凸模上。从凸模上将零件或废料取下来所需的力称卸料力，从凹模内顺着冲裁方向将零件或废料推出的力称为推件力，逆着冲裁方向把零件或废料从凹模洞内顶出的力称为顶件力（图2-10）。图2-10　卸料及推件方式卸料力、推件力及顶件力

如何计算卸料力、推件力及顶件力？

卸料力、推件力及顶件力将直接由压力机和卸料机构来负担，所以在选用冲压设备和设计模具的卸料机构时，必须考虑卸料力、推件力与顶件力。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、零件形状尺寸以及润滑情况等。因此要准确地计算这些力是困难的，一般用下列经验公式计算。

推件力：F=nKF　　        （2-4）推推0

顶件力：F=nKF　　        （2-5）顶顶0

卸料力：F=nKF　　        （2-6）卸卸0式中　　　F——冲裁力；0

n——同时梗塞在凹模内的零件（或废料），n=h/t；

h——凹模孔口的直刃壁高度；

t——材料厚度；

K，K，K——推件力、顶件力及卸料力系数，其值见表2-3。推顶卸表2-3　卸料力、推件力、顶件力系数　　注：卸料系数在冲多孔、大搭边和轮廓复杂时取上限。

③冲裁时的总压力　冲裁力、推件力、顶件力及卸料力在选择压床时是否要考虑进去，是根据不同的模具结构区别对待的。

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模：F=F+F+F　　        （2-7）总0推卸

采用弹性卸料装置和上出料方式冲裁模：F=F+F+F　　        （2-8）总0顶卸

采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模：F=F+F+F　　        （2-9）总0推卸（2）冲裁间隙的确定

如何确定冲裁间隙？

冲裁间隙是指凸模与凹模刃口缝隙之间的距离，冲裁间隙对冲裁件断面质量、冲裁件尺寸精度、冲裁力及模具寿命有影响。冲裁间隙可根据理论确定法和经验确定法来确定。

①冲裁间隙理论确定法　理论确定法的主要依据是要保证裂纹重合，以便获得良好的断面。图2-11所示为冲裁过程产生裂纹的瞬时状态。从图中的三角形ABC可求得间隙Z：　　        （2-10）式中　h——凸模模压入深度；0

β——最大剪应力与垂线间夹角。图2-11　理论确定法

由于各种材料的h和β值目前还没有准确的测定数值，而且生产0中使用这种计算法也不方便，因此目前广泛采用经验公式与图表法。

②冲裁间隙经验确定法　经验确定法可以按厚度确定间隙值及直接查表确定间隙值。

按厚度确定的间隙值：经验确定法也是根据材料的性质与厚度来确定，按下式确定凸凹模的最小（双向）间隙值。Z=Kt　　        （2-11）min式中　K——材料性质有关的系数；

t——材料厚度。

软材料：如08、10、黄铜、紫铜等，Z=（0.08～0.1）t；min

中性材料：如Q235、Q255、20、25等，Z=（0.1～0.12）t；min

硬材料；如Q295、50等，Z=（0.012～0.14）t。min

其中薄料取下限。（3）冲裁模刃口尺寸的计算

①尺寸计算原则　模具刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的首要因素，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸与公差来保证。但正确地确定刃口部分尺寸及其公差的依据是什么呢？

我们从生产中发现以下几点：

a.由于凸、凹模之间存在间隙，因此落下的料或冲出孔都是带有锥度的（图2-12），且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，而冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。图2-12　冲裁件形状

b.用游标卡尺测量落料件尺寸时，测得的是大端尺寸；测量孔径时，测得的是小端尺寸（图2-13）。图2-13　冲裁件尺寸检测方法

c.在装配时，落料件相当于轴，以其大端尺寸与TL相配与轴配合。

d.在生产中，凸、凹模要与冲裁零件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，使间隙愈用愈大。

所以，在确定模具刃口尺寸及其制造公差时，必须考虑下述原则：

a.确定基准件。落料件尺寸由凹模决定，冲孔件的尺寸由凸模尺寸决定。在设计落模时，以凹模为基准，间隙留在凸模上；在设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙留在凹模上。

b.确定模具最大实体尺寸。考虑到模具使用中的磨损，设计落料模时，凹模的基本尺寸应取接近或等于制件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，凸模的基本尺寸应取接近或等于制件的最大极限尺寸。凸、凹模间隙则取最小合理间隙。以保证凸、凹模磨损到一定的值后，仍能冲出合格的零件。

c.确定模具制造公差。一般模具精度高于制件精度2～3级。若制件未标注尺寸公差，按IT14级处理，模具精度取IT11级，对于制件，模具精度可取IT6～IT7级。

②刃口尺寸的计算方法

如何计算刃口尺寸？

由于模具加工和测量方法的不同，凹模与凸模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，基本上可分为两种：一种是凸模与凹模分开加工；另一种是凸模与凹模配合加工。与其相应的尺寸计算方法也各有不同。

方法一：凸模与凹模分开加工。凸模与凹模分开加工时，要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差，这种方法适用于圆形或简单形状的工件，只符合下列条件：δ+δ≤Z-Z　　        （2-12）凸凹maxminδ=0.4（Z-Z）　　        （2-13）凸maxmin

或取δ=0.6（Z-Z）　　        （2-14）凹maxmin

现对冲孔和落料两种情况分别讨论如下：

a.冲孔设工件孔的尺寸为d+Δ。根据以上原则，冲孔时首先确定凸模刃口尺寸，使凸模公称尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增加凹模尺寸以保证最小合理间隙偏Z。凸模制造偏差为负偏差，min凹模制造偏差为正偏差，其计算公式如下：　　        （2-15）　　        （2-16）

各部分分配位置见图2-14。图2-14　冲孔时各部分分配位值—凸模、凹模制造公差；—工件公差

b.落料设工件孔的尺寸为D-Δ。根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸。凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸。再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙Z。各部分分配位置见图2-15。其min计算公式如下：　　        （2-17）　　        （2-18）式中　d，d——冲孔凸模和凹模直径，mm；凸凹

D，D——落料凸模和凹模直径，mm；凸凹

d，D——冲孔零件孔径和落料工件外径的公称尺寸；

Z——最小合理间隙（双间），mm；min

δ，δ——凸模、凹模的制造公差，其值可查表2-4，xΔ代表凸凹磨损量。图2-15　落料时各部分分配位值—凸模、凹模制造公差；—工件公差表2-4　规则形状（圆形、方形件）冲裁时凸模、凹模的制造公差　　

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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