复合冲裁模的模芯结构设计优化方案

根据平板冲压零件图或立体成形冲压零件图及其展开平毛坯图，进行复合冲裁模的结构选型及模芯设计，应熟悉加工图的技术要求，尤其要达到的尺寸与几何精度。在进行工艺分析并掌握其冲压加工重点难点及有关投产批量、材料供应状态之后，进行模芯部分结构设计。

1.复合冲裁模模芯部分的构成

1）工作系统：凸模、凹模、凸凹模。

2）推卸系统：卸料板、卸料器、顶件器、顶杆、推板、弹性元件。

3）定位系统：固定挡料销、侧边挡料柱（销）、可伸缩式挡料销、弹顶销。

4）夹紧固定系统：模柄、固定板、空心垫板、垫板、紧固件（标准件居多）。

上述复合冲裁模的各个系统，只是模架内安装的模芯部分的基本构成。模架及构成模架的零部件，都是标准的，可按需要类型、规格在市场随时能购得。在上述各系统构成的零部件中，多数也是标准或半标准零件，如定位系统中使用的各种挡料销等仅需选择类型、确定规格；又如卸料板、固定板之类的模板，只需选定规格后加工紧固孔、模孔。关键是工作系统的工作零件，要根据冲裁加工的零件或其展开平毛坯图，兼顾冲模结构的需要进行设计。因为凸模与凹模的结构设计与单工序冲裁模大同小异，其刃口计算的方法则完全一样。比较特殊并需要给予特别注意的是凸凹模。

2.凸凹模设计及其要点

对于复合冲裁模而言，凸凹模是其工作系统的核心零件。其外廓刃口是冲孔凸模，而内形模孔又是冲孔凹模。单从设计和计算刃口尺寸而言，按众所周知的计算原则和方法实施：对复合冲裁模的凸模结构与刃口尺寸的设计与计算，与冲孔模中的凸模一样进行，其凹模结构和刃口尺寸的设计与计算，与落料模中的凹模相同，而其凸凹模则兼而有之，并无原则问题。问题是要结合制模现场的实际。根据现场制模设备及采用的制模工艺设计凸模、凹模及凸凹模的结构，计算其刃口尺寸。凸凹模要分别与凹模、凸模相配合并保持合理而均匀的冲裁间隙。如果不考虑现场制模工艺及制模设备，按上述常规方法设计，凸凹模的制造不仅繁琐，也难以保证质量。

迄今为止，由于行业的局限，地区技术水平差异，各地不同模具厂制模工艺及设备不同，采用的复合冲裁模制造方法及工艺流程不尽相同。考虑电加工制模工艺的普及以及CNC加工中心、CNC高速铣削及CNC精密坐标磨削、CNC连续轨迹坐标磨的应用，推荐采用以下复合冲裁模制造工艺：

图3-11 两种复合冲裁模的选型对比

a）顺装式复合冲裁模 b）倒装式复合冲裁模

1）圆形、方形带孔复合冲裁件，如垫圈等简单工件复合冲裁模，可以采用凸模、凹模、凸凹模分开进行机械加工，靠精密加工工艺，保证其尺寸精度及配合要求。刃口尺寸按上述计算方法分开计算，分开标注，分开加工，最后组装。

2）对于外形冲裁轮廓复杂，而内形为个孔，或群孔均为孔径各异圆孔的冲裁件，以及外形为异形而带群孔、群槽孔，均为规则简单孔形的冲裁件，其冲裁模推荐采用主凸模制模法，即先制造凸模，即复合冲裁的凸凹模，而后以凸模为基准按规定间隙配制凹模。因为工件外廓落料的尺寸取决于凹模刃口尺寸，先制凸模又必须将间隙取在凸模上，故应事先要把凸模的刃口尺寸计算准确，比冲裁件要求精度提高2级给予加工公差。具体做法推荐如下：

①将复杂形状与精度要求较高的冲裁刃口，转移到冲裁凸模的外形加工上，可以采用电加工作为半精加工，用精密磨削，包括坐标磨、CNC连续轨迹坐标磨进行精加工，最后研磨抛光，使其尺寸精度比电加工提高一个档次，达到±0.0005～±0.001mm，表面粗糙度值Ra≤0.1μm。

②复杂形状而尺寸较小的复合冲裁件，其冲裁凸模的外形刃口加工与研磨、测量以及配制凹模，都要比先制凹模再配制凸模方便和容易得多。图3-12a、b所示就比较典型的例子。

③尺寸不大，外廓形状复杂，但内孔多为圆孔、方孔、长圆孔等简单形状的平板冲裁件（如图3-12c所示，该图按1∶1绘制），大多数属于小型高精度平板冲裁件，这是常见复合冲裁加工类型。在现场拥有高精磨削制模设备时，优先推荐上述主凸模制模法，先制造凸凹模。

④有高精度电加工设备的模具生产厂点，如有高精度CNC电火花成形机或CNC电火花线切割机，其加工精度可达到±0.005mm甚至±0.002mm，加工面表面粗糙度值Ra<0.8μm；而无高精度磨削或精磨设备，加工质量与精度一般的单位，可用电加工设备先制凹模，而后以凹模为准配制凸凹模。凸凹模上的凹模孔形大多简单，加工也很方便。

⑤用电加工工艺先制凹模，一般不再精加工，但必须强化后续的清理、研磨与抛光，以提高其表面质量，获取更小的表面粗糙度值。

3.复合冲裁模凸凹模壁厚的控制及加固

凸凹模刃口的平面形状和尺寸，与欲冲制工件大致相同。当工件内孔非单个而为群孔时，孔的壁厚及孔边壁厚，均为两面冲裁刃口。当壁厚b<t（料厚）时，两面刃口的两倍冲裁力、摩擦力都集中在薄薄的壁厚上，要比单边刃口处加大一倍的自然磨损，将使这一部分刃口最易过载崩刃、磨损而使冲模提前失效。因此，控制复合冲裁模凸凹模最小壁厚，是确保其合理寿命的关键。

凸凹模的许用最小壁厚b_min与下列因素有关：

1）冲裁件的材料种类及力学性能，主要是其抗剪强度τ_b值。毫无疑问，材料越硬，τ_b值越大，冲裁力越大，许用b_min值越大。

2）冲裁料厚越大，冲裁力F就成正比增大，许用b_min也要相应加大。

3）凸凹模材料抗压耐磨能力，是确定许用b_min值的关键。耐磨的优质模具钢比普通冷作模具钢的许用b_min值相对可小一些。

4）模具结构与许用b_min值密切相关。顺装式复合模冲孔废料由打料杆逐件推出模孔，不在模孔中聚积，对模孔壁无侧向胀力产生，故其许用b_min值可比倒装式复合冲裁模更小一些。

图3-12 主凸模制模法先制凸凹模的范例

a）片齿轮复合冲裁凸凹模 b）基板复合冲裁凸凹模 c）先制凸凹模的复合冲裁模冲制的部分零件

对于凸凹模许用b_min值，在目前国内专业手册及相关专业图书资料中，有多达三种以上的系列数据、表格与计算方法给出，但都是经验值与经验算法。所有经验值都是在没有限定凸凹模使用材料，甚至没有规定冲裁件材料，不论最小壁厚的位置与形状的前提下，仅按冲裁件料厚给定凸凹模最小壁厚，显然不够精细。

众所周知，冲裁模刃口损坏主要是强度不足与耐磨性差所致。冲裁件材料不同，其抗剪强度τ_b值，可相差数倍，08F钢板τ_b=220～310MPa，而65钢板τ_b=800～880MPa，65Si2WA优质弹簧钢τ_b=640～960MPa，17Cr18Ni9不锈钢τ_b=800～880MPa等。抗剪强度越大，所需的冲裁力越大，许用的b_min值必然要加大。因此，仅考虑冲裁料厚，不够合理。

凸凹模的强度及其耐磨能力，与其材料的力学性能有关，不同材料相差很远，详见表3-3。

此外，凸凹模群孔的内形不同，其孔间壁厚的最小危险断面的刃口长度不同，承载能力有差别。

根据以上分析，所有凸凹模最小壁厚的经验值，只能作为推荐参考值，大多都具有明显的不足和行业局限性。

表3-3 国产常用冲裁模刃口材料技术参数

推荐采用表3-4所列凸凹模最小壁厚值，应考虑以下诸影响因素：

表3-4 凸凹模最小壁厚推荐值

(www.xing528.com)

注：1.表值按低碳钢10、08F冷轧板冲裁件考虑，计算抗拉强度350MPa。

2.冲裁材料为铝、铜、纯铁及铝、铜合金（硬态）表值减25%，但确保b_min≥0.7mm。

3.冲裁材料为纸板、皮革、锌锡合金、胶木板等，表值减50%，但确保b_min≥0.5mm。

4.冲裁材料为45中碳钢板或抗拉强度R_m=420～560MPa的金属板，表值加大30%。

5.冲裁材料为65高碳钢板或抗拉强度R_m=590～930MPa的金属板，表值加大50%。

1）冲裁件材料种类、力学性能及厚度t。

2）凸凹模采用Cr12MoV优质高耐磨、高碳高铬合金工具钢制造，其许用强度为2000～2200MPa。

3）孔壁按任意两圆孔间壁厚考虑，孔边壁厚可同等对待。

4）此表按冲裁材料为10钢、08F考虑，材料不同应进行适当调整。

为了增强凸凹模壁厚的强度，通常是采取尽量压缩有效刃口长度、加大有效刃口长度以下至凸凹模固定端的壁厚，使凸凹模外形或内形变成二台阶。不过大多是将外形加粗、加大；缩小内孔增大其壁厚，需要将冲孔废料反向顶出，使冲模结构趋于复杂化又不方便废料出模，见图3-13。

图3-13 加固凸凹模壁厚的方法

a）加固 b）未加固

4.复合冲裁模的推卸系统设计

这个系统的主要作用如下：

1）把冲裁件从凹模中推出。对于顺装式复合冲裁模来说，就是用装在落料凹模中的弹压反顶装置即顶件器，把冲裁好的工件顶出凹模，以便出件；对倒装式复合模来说，就是用安装在上模的、落料凹模中的刚性卸料块即卸件器，把冲裁好的工件从凹模中用打料杆通过推板、推杆撞击卸料块，推出工件。

2）把冲孔废料从凸凹模中推（排）出。顺装式复合模可用打料杆推出，也可与倒装复合模一样，由冲孔凸模逐个推出。

3）用弹压卸料板把原材料从凸凹模刃口上推卸下来。

复合冲裁模推卸系统，是其顺畅运作必需的出件与排出废料的传输机构，完成分离作业冲制出的工件及其内形结构废料，由其推卸系统推（顶）出模。主要零部件包括弹压卸料板、卸（顶）件块、推板、顶杆、弹性元件等的设计。

（1）弹压卸料板设计 复合冲裁模，不论顺装式还是倒装式，是矩形凹模还是圆形凹模，通常都采用弹压卸料板，以便将入模板料压平在凹（凸）模刃口表面后冲裁。采用固定卸料板的复合冲裁模很少。

弹压卸料板设计，主要是确定其外形尺寸，与凸凹模匹配模孔间隙，选用弹性元件的类型并根据卸料力的大小，计算出弹性元件的最大载荷并选择其标准规格。不同外形的卸料板已纳入机械行业标准JB/T 7643.2—2008与JB/T 7643.3—2008中。其中，矩形卸料板给定厚度为10～45mm10个尺寸，长×宽=L×B=63mm×59mm～630mm×400mm，多达24个标准规格；圆形卸料板给定厚度为10～45mm9个尺寸，直径D=63～315mm计8个，有48个标准规格，所用材料均为优质碳素结构钢45钢。设计时可依凹模周界的形状与尺寸，比照选用相同形状、相同平面尺寸的卸料板。

卸料板的厚度要根据冲裁材料种类、料厚t及卸料力的大小，进行抗弯强度计算，获得准确厚度尺寸。实际上，一般卸料力F_卸仅为冲裁力F的2%～7%，而卸料板的刚度及强度计算繁琐，实际采用厚度总是比计算厚度为大，理论计算的实用价值不大。通常按表3-5所列经验值选取。

复合冲裁模卸料板与凸凹模配合间隙是卸料间隙，为保证弹压卸料板平稳卸料，不出现偏斜而卡模，选取卸料单边间隙C_卸宜小不宜大。推荐C_卸值见表3-6。

表3-5 弹压卸料板厚度H_卸经验值

表3-6 复合冲裁模卸料单边间隙C_卸经验值

（2）顶件与推（卸）件系统的设计

1）顺装式复合冲裁模的内形（孔）废料推卸机构。装在上模的凸凹模，其冲孔与冲内形凹模洞口中的废料，通常是用图3-14a所示的几种废料推卸结构形式。这种结构形式制造精度要求不高，但必须运作灵活、到位。也有在凸凹模侧面开一斜孔自动排出冲孔废料的简单方法，但使用不广，见图3-10。

2）顶（推）件系统的构成与结构形式。无论是顺装还是倒装复合冲裁模，冲出的工件都卡在凹模与冲孔凸模间，必须用顶件器（亦称推（卸）件器）从具有垂直刃口的凹模中推出。

顺装式复合冲裁模，顶件器装在下模的落料凹模洞口中，由模座下的弹性元件组通过顶杆推动顶块，将工件顶出凹模表面，而后出模。

倒装式复合冲裁模，推（卸）件器装在上模的落料凹模洞口中，由模柄中的打杆在回程到压力机上死点前与压力机打料横杆碰撞后，推动推板、推杆至推件块，将工件推出凹模。图3-14b所示便是倒装式复合冲裁模推（卸）件系统的常用结构形式。图3-15所示为常用推板的一些结构形式，可供设计选用。

3）顶（推）件块的设计提示。顶件块、推件块是直接推顶工件出落料凹模洞口的顶件器、推（卸）件器，其形状和尺寸与凸凹模相当，但其尾部有一个凸缘，以防止被顶出凹模。当冲模开启，顶（推）件块在自由状态下，应高出凹模刃口表面0.2～0.5mm，以便顺畅出件。

在现场工作中，经常出现工件粘在顶（推）件块表面，尤其对于尺寸稍大的薄料平板冲裁件，以及涂覆润滑剂稍多一些的时候经常发生。为了克服这种现象，可在其表面适当位置装一个弹顶销或弹顶器，待顶（推）件出模后会将工件顶开，其结构形式很多，见图3_-16。

图3-14 复合冲裁模废料推卸机构的结构形式 a）顺装式 b）倒装式

1—打杆 2—推板 3—推杆

用压缩空气吹卸小尺寸复合冲裁件出模，是有气源单位有时采用的出件方法。为便于吹卸粘在顶（推）件块上的工件，可在推件块进气侧端面给出进气口、通气槽。由于使用压缩空气喷嘴如同“哨子”，容易发出刺耳噪声。为保护环境不受噪声污染，一般不提倡使用压缩空气吹卸方式。