小边距多孔径零件的冲制工艺分析与模具设计

来源：现代模具作者：发布时间：2008-03-03

关键字：防护板|冲裁模|模具设计

　　摘要：介绍了防护板零件冲裁模的设计方法及模具结构特点，对该类零件冲裁模的设计方案进行了分析、比较，阐述了采用复合模进行冲裁的相对合理性，对设计类似冲裁模的设计者可起到一个借鉴作用。

　　图1所示为我公司产品防护板零件图，材料为1Gr18Ni9Ti不锈钢，材料厚度0.7mm。该零件上不但有36个φ1.2双层均布圆孔，而且孔壁已小于理论冲裁壁厚值。由于零件孔数量多，且孔壁较小，因此，冲裁后的零件质量不易保证。经过对零件冲裁工艺的认真分析后，认为该零件通过采取适当措施可以通过冲孔落料一道完成。后经过设计一套复合模具，所加工的产品零件，不但生产效率满足需求，而且零件冲裁质量稳定可靠。

图1 防护板零件图

　　1零件加工工艺及难点分析

　　通过零件图可以知道：虽然该零件孔数量多，但孔径位置均沿中心对称且圆周均布，属于对称零件。因此，冲孔及落料时冲裁力的分布均匀，给冲裁加工时的受力分析带来便利。但是，该零件加工的关键问题有以下几点：

　　(1)如何解决在冲裁加工后，保证零件端面平整、孔径变形量控制在公差范围等要求。应考虑零件冲裁时的材料压紧及模具工作件的对中精度。

　　(2)由于孔数量多且直径较小，对于圆孔冲裁应满足d≥(2~4)δ的要求，而该零件小孔径φ1.2<1.4(min2δ)。因此，冲孔凸模容易磨损、弯曲、折断，故障返修率高。应考虑模具维修时的拆卸方便。

　　(3)由于材料为1Gr18Ni9Ti不锈钢，一般在冷状态下进行冲裁时对凸模及凸凹模具有一定的粘附性，易造成零件起毛的现象。而且冲裁力比碳钢大，因此，凸模、凹模、凸凹模刃口磨损较快，应考虑冲裁过程中如何使用润滑油及刃口磨损后能够及时对模具工作部位的刃磨。

　　(4)在冲制靠近零件轮廓的孔时，易引起内(外)轮廓的变形。孔的位置分布在零件内(外)轮廓边缘(2~3)倍孔径处时，内(外)廓变形不明显;当孔距与内(外)廓边缘为4倍孔径时，外廓边缘才能不会变形。该零件外边缘为：(φ21.5-φ19-φ1.2)/2=0.65<2.4(min2D)，内边缘为：(φ13.4-φ11-φ1.2)/2=0.6<2.4(min2d)，因此，远远小于变形的控制要求。在冲裁加工时，轮廓边缘变形会急剧增加，所以应设计专用的结构来限制轮廓的变形。

　　(5)在同一零件上同时冲制几十个孔时，从凸模上脱卸材料所需的力将急剧增加，孔与孔之间的材料所产生的挤压阻力也更大，容易迫使凸模向零件内(外)廓的方向翘曲，因而增大了凸模折断的可能性，同时也降低了孔的粗糙度要求。因此，尽可能地减少一次性冲孔的数量，尤其是对于孔间距离较小、直径小的孔径，更有必要进行控制。

　　2 模具设计

　　2.1模具结构分析

　　根据该零件的结构特点，综合考虑模具设计大体有如下两种设计方案：

　　(1)从模具的使用强度来考虑，设计一副连续模比较合适。因为在连续模生产过程中，产品零件的生产大体是由先冲孔后落料两个步骤来完成的，这样落料凹模与冲孔凹模之间相差一个产品步距，凹模尺寸边界不受最小壁厚的约束，能够保证凹模的使用强度。但经过分析发现：在连续模上生产时，由于零件孔径尺寸多，若采用单边侧刃定距送料，工步安排至少需要5个工步，如图2所示。在设计模具时，既要考虑模具的步距误差、材料压紧、零件卸料，又要考虑零件冲制后的表面质量、模具的维修等因素。在生产过程中，由于零件加工是分步完成的，每一工步都存在定位误差，这样就有可能定位不准，不能很好地保证零件整体的对称精度，也容易影响各孔相对中心的位置精度。最终难以保证产品的装配尺寸精度和产品技术要求。由于考虑因素较多，势必将模具设计的非常复杂，那样模具制造成本增加、生产周期延长，非常不适应多品种小批量的生产加工模式。

工步1冲导正孔工步2冲小孔工步3冲中心孔工步4落外形工步5 切除废料

图2 零件排样方案图

　　(2)从保证产品图的尺寸精度和技术要求方面考虑，设计复合模比较合适。因为在复合模生产中，只需一次送料就可以在同一位置上完成产品的冲裁及冲孔工作，这样容易保证产品外观技术要求及产品的尺寸精度。但缺点是：冲裁件内孔与外边缘间的材料宽度受凸凹模最小壁厚的限制，使凸凹模的使用强度难于保证。

　　经查阅有关资料，介绍在复合冲裁模的设计中，凸凹模最小壁厚相当于被冲材料厚度，但最小不应小于0.5毫米，根据这一常用的经验数据，该零件采用复合冲裁模的凸凹模最小壁厚约0.6毫米，可以满足这一要求。

　　2.2模具设计重点及采取措施

　　根据零件加工工艺分析，针对模具设计工作重点采取以下措施：

　　(1)模具零件选材方面：零件材料为不锈钢，冲裁时需要的剪切力较大，所以在模具零件选材时必须选用优质的材料方可保证凸凹模的使用强度。决定选用W18Cr4V合金钢，该合金钢具有较高的红硬性和耐磨性等特点，非常适合用来制作刃具和冷作模具。经过锻造后采用线切割来加工凸凹模及凹模，热处理使其硬度达到HRC58~62 。

　　(2)零件冲制过程变形控制：采用复合冲裁可以利用中心的凸模(件 )限制零件冲制过程中内轮廓的变形，同样可以利用凹模来限制零件外轮廓的变形。通过设计不同的长度将小凸摸均匀分成两组完成小孔的冲制加工，从而保证零件冲制后变形量得到控制。

　　(3)零件冲制后表面质量控制：利用模具设计空间在衬板(件 )侧面中间部位设计一个注油孔(图中未画出)，定期向衬板凹槽加注润滑油，利用导杆间隙对凸模、凹模进行润滑。使模具工作状态始终处于良好状态。

　　(4)模具维修的方便性：由于不锈钢为较难加工材料，需要冲制加工的孔径非常多且孔距非常小，极易使小凸模过早的损坏。因此，我们将小凸模单独固定于小凸模固定板(件)上，便于在模具维修时的小凸模更换与调整，如图3 所示。