不规则冲件凹模设计

孙海锋

摘 要：通过对不规则冲裁件冲裁工艺的分析，提出了采用整体式凹模成型时存在的问题。阐述了采用镶拼式组合凹摸的冲裁结构及其特点，着重分析了镶拼式组合凹模的设计要求，从而保证了精度、降低了成本、提高了效率。

关键词：不规则冲件；凹模结构；镶拼式；使用性能

0 引言

模具广泛用于汽车工业、工矿机械、电器仪表、日用五金、航空航天等制造中，其产品遍及生产、生活各个领域。因此，模具制造能力的强弱以及模具质量的优劣，都直接影响着各种产品的质量，以及经济效益的增长。而模具后天性的磨損，或磨损后不及时维修，必将影响到制件的表面质量、尺寸精度和模具材料的浪费。随着成型制件的质量要求越来越高，数量越来越多，形状也各异。要想获得高质量的制件，这就对模具设计的要求大幅提高。下面结合多方面的资料，对不规则零件的冲裁所采用的凹模设计问题进行了分析，并对其解决方法进行探讨。

1 零件工艺性分析

某产品中有一种不规则的零件如图1所示，材料为50钢，厚度为2mm。因零件生产批量大，几何形状较为复杂，要求使用冲裁加工。

从上图可以看出，该冲裁件形状较为复杂，且局部结构比较薄弱，要对该零件进行冲裁加工，对凸、凹模的形状设计要求精度高，尤其是该零件尖角处较多，若凹模受力状况不好，冲裁时，在凹模的尖角处易形成应力集中，则凹模易在尖角处产生裂纹、或胀裂。无法满足冲裁件的正常生产。所以要冲出合格的冲裁件，凹模的选择非常重要，即凹模设计的结构要合理、性能要可靠，且具有一定的使用寿命，同时也要考虑到凹模制造的经济性。

2 凹模的设计

2.1 凹模的选择

图1所示的零件由于形状复杂，对凹模的选择非常重要，若采用的凹模设计为整体式，因其制造简单，但在使用时，若局部出现损坏或磨损时，可能造成整个凹摸报废，就得更换。当更换一次，其定位基准及间隙就变动一次，使所得的冲裁件质量变坏，同时，工作部分与非工作部分全部由较优质的钢材制造，从经济观点考虑是比较浪费的。由于冲裁凹模在热处理过程中，会引起变形失去尺寸精度和形状精度。特别是尖角部分在热处理时产生了变形，冲裁时就会因为应力集中而易于开裂。所以在冲裁第一个零件凹模就可能会产生裂纹，根本无法满足冲裁出合格的零件和对模具使用寿命的要求。

此时因采用镶拼式结构的组合凹模，这时可将凹模由几个镶块接合而成，这样不仅可以节省模具材料，而且容易加工制造。所得的凹模结构紧凑合理，刚性好、精度高、操作安全可靠、材料消耗低、使用寿命长，能适应大批量生产。同时能很好的解决模具使用寿命的问题。采用镶拼组合凹模有以下特点：

（1）凹模分块加工各镶块，简化了毛坯的锻造，使加工工艺性变好，减小了加工难度。

（2）凹模分块加工各镶块，可以使内形加工变为外形加工，使加工工艺性变好，保证了凹模的加工质量，提高了冲模精度。

（3）凹模分块加工各镶块，降低了对设备加工能力的要求，使适合的加工环境增多。

（4）镶块在进行热处理时，不易产生变形和开裂。

（5）分块凹模便于维修与更换易损部位，提高了整副模具的使用寿命。

（6）节省了贵重的模具材料，在加工过程中当某一部位损坏时，可以将该部位单独更换，不至于整个模块全部报废，从而降低了模具的生产成本。

（7）分块凹模便于调整间隙，降低了模具制造的废品率。

2.2 凹模镶块

凹模镶块的组合形式如图2所示，镶拼块之间的结构可靠，不应有任何滑动，且这种镶块有效的避免了尖角处的应力集中，整块模块传到凹模套上的力不作用在转角处，在凹模套上不会形成应力集中。

上图2所示的凹模镶块在分段时应注意：

（1）模块应取矩形、圆形或接近直线的形状。

（2）要确切的决定凹模各拼合部的位置，并能加以固定。

（3）拼块部分应考虑机械加工和热处理的工艺要求，由于尖角处加工困难，而且在淬火时易于开裂，因此经常在刃口的夹角处拼接镶块。

（4）拼块部分应牢靠的镶入整体的凹模套内，并保证有一定的配合精度和强度，为了防止模具在冲压过程中可能产生的相对位移，各拼块应做成能相互锁住。

（5）在分块时，还必须考虑便于布置紧固螺钉孔及销钉孔的位置。

（6）沿转角、尖角、分割拼块角度应不小于90度。

（7）圆弧应单独制成一块，拼接线应在离切点（4～7）mm处的直线外。大圆弧线或长直线也应分成几块，拼接线应与刃口垂直，拼合面的接触面不宜加长，一般为12～15mm。

（8）凹圆弧与直线相连处的拼合面不应取在圆弧与直线的接点上，而应尽可能选取不在接点处，并移向直线处一定距离，一般为S=3～15mm。

2.3 凹模镶块结构

凹模镶块结构根据本冲裁件的形状，厚度和精度来确定，采用直筒式凹模刃口。是因为此刃口强度较好并且刃口的尺寸和间隙不因修磨刃口而随之增大，故所冲压工件的质量一直是比较平稳的。设计时直筒刃口部分高度h可根据冲压材料厚度来确定。

现以图2中的凹模镶块2为例，如图3所示，镶块刃口高度取为10mm，该高度是材料厚度的5倍。为提高刃口再磨性，镶块与凹摸套结合处为1°30′的斜面，以便模具装配时压紧镶块，保证凸凹模间的间隙，确保冲裁质量。

分解后的凹模镶块可直接采用数控线切割加工或磨削加工，以平面磨床或万能磨床辅以相应的夹具加工。斜面磨削可采用正弦夹具辅以加工。使所得的镶块结构可靠，精度高，能够满足凹模冲裁加工的要求。

2.4 凹模结构

凹模的结构如图4所示：

凹模由凹模镶块与凹模套组成。因为凹模是冲压模中的主要工作零件，在冲压过程中，它不但承受冲击载荷，而且在工作刃口以及工作表面，由于冲击会产生强烈的应力集中。因此对材料的要求具有较高的硬度和耐磨性，并且还要有足够的韧性。因此根据制件材料性能的不同，取镶块的材料为Cr12MoV，它具有硬度高耐磨性能好的特点，并采用全拼块组合结构，且互换性能强，维修方便。热处理淬火硬度为60～62HRC。凹模套作为一个单独的模具零件，才用这种固定方法的圈框与镶拼凹模之间的配合应给予一定的过盈量以保证拼合质量。确保拼块间的紧固可靠，凹模套与凹模板的套合面斜度一般取30′，凹模套的材料为45钢，热处理调质硬度为180～220HB。

凹模的固定方法采用平面固定法，即采用将凹模镶块拼合在固定的垫板面上，并且用螺钉，销钉紧固，使镶块紧贴垫板。模具工作时，冲裁产生的垂直力由组块传到垫板作用到下模座上，横向力通过组块传递到凹模镶块上，这样可把整体凹模工作时凹模的三向力状态，通过分块凹模分解，凹模镶块只承受单向应力，有效地改善了凹模的受力状况，极大地提高了凹模的使用寿命。

3 结束语

镶拼式凹模的使用，可以有效的提高不规则冲裁件的质量和冲裁效率，尤其是提高了存在尖角较多的冲裁件凹模的使用寿命。在不规则零件冲裁中镶拼式凹模的使用寿命是整体式凹模的使用寿命的数十倍，尤其当整体式凹模热处理不当，在尖角处存在残余应力时，组合式凹模的使用寿命是整体式凹模使用寿命的百倍。如果镶拼式凹模结合面加工精度较高，凹模套经过锻造热处理得当的话，凹模的使用寿命可达百万件以上，可大幅度降低冲裁加工成本，提高产品竞争力。

参考文献

[1]杨玉英、崔令江 《实用冲压工艺及模具设计手册》 机械工业出版社 2004

[2]郑家贤 《冲压模具设计使用手册》 机械工业出版社 2007

[3]蒋启翔 《冲压模具设计制造难点与窍门》 机械工业出版社 2003