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冲裁凹模工作部分结构形式分析 |
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作者：南昌航空工业学院 陈为国 |
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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。
关键词：冲裁；凹模结构；冲模设计
一、引言
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。 
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。
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。
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。
二、工作部分结构形式分析
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。
1.常见的结构形式
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。
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。
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］。
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。
(1)斜刃壁与直刃壁
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。
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。
(2)刃壁高度h
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。
h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。
(3)β值与δ值
β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。
(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。
(5)凸台式凹模(图2g)
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
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。
(7)斜面冲裁(图2j)
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)
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］。
(9)倒棱刃口(图2l)
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］。
3.与制造工艺的关系
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。
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。
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
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)。
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。
c.成形磨削与光学曲线磨等
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。
另外，对于圆形型腔，也可采用坐标磨床加工出斜侧壁型孔。
d.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。
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。
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。
漏料孔的加工也可考虑用电火花加工，但需制作电极。
e.刃口圆角和倒棱的研磨加工
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。
(2)工作部分加工方法分析
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。
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。
图2k的圆角和图2l的倒棱由研磨加工获得。
三、应用情况
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。
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。
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。
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。
四、总结
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。
参考文献
［1］李硕本.冲压工艺学.北京：机械工业出版社，1984.
［2］周开华.如何在斜面零件上冲孔.模具通讯，1983(4).
［3］陈良杰.多工位级进模的设计(六)，模具工业，1988(6).(end)
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(4/24/2007) |
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