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沖壓模具設計中側壁起皺的分析
F.-k. Chen and Y.-C. Liao
臺灣 臺北市國立臺灣大學機械工程部門
在沖壓過程中，起皺一般發(fā)生在有錐度的方形杯子和帶有階梯的矩形杯子成形時。這兩種起皺類型的共同特征是起皺都發(fā)生在相對沒有支撐的側壁。在沖壓一個有錐度的方形杯子時，當發(fā)生起皺時，比如沖模間隙和沖壓毛壞的壓力大小等參數(shù)的影響通過有限元模擬方法被檢查到。模擬結果顯示沖模間隙越大，起皺的就越明顯，而且起皺不能通過增加沖壓力來被抑制。在研究帶有階梯的矩形杯子沖壓過程的起皺時，發(fā)現(xiàn)了一個有相似幾何類型的實際部分。在側壁被發(fā)現(xiàn)的起皺是因為介于沖頭和階梯邊緣的金屬板料不平衡伸展造成的。為減少起皺，一個最適宜的沖模設計方法就是利用有限元分析法。在無起皺產(chǎn)品中介于模擬結果和實測結果的好協(xié)議使有限元分析法生效，而且證實了利用有限元分析法去設計沖模的優(yōu)勢。
關鍵詞：側壁起皺；沖模；階梯的矩形杯子；帶有錐度的主形杯子
1． 介紹
起皺是在金屬板料成形中主要的缺陷之一。由于性能和視察的原因，在產(chǎn)品中起皺往往不能被接受。在金屬板料成形過程中，有三種形式的起皺頻繁的發(fā)生：邊緣起皺，側壁起皺和由于殘余的彈性壓力引起的未變形區(qū)域的彈性彎曲。在沖壓一個復雜形狀零件的操作時，側壁起皺意味著沖模腔中的起皺。由于側壁區(qū)域的金屬板料相對于其它區(qū)域的金屬板料不被工具所保征質量，側壁起皺的消除比邊緣起皺的抑制更難。很明顯，在未被加固的側壁區(qū)域中的金屬材料的額外拉伸可能防止起皺，而且在實際操作中也可以通過增加沖壓力來防止起皺，但是過度的拉力會通過裂痕導致失敗。因此，沖壓力必須處于一個狹小的范圍，一方面，要高于抑制起皺的力，另一方面，要低于產(chǎn)生破裂的力。沖壓力的狹小范圍很難計算。對于沖壓一個復雜形狀的零件，當起皺發(fā)生在中心區(qū)域時，有意義的沖壓力范圍甚至不存在。
為了檢查起皺的形成結構，Yoshida et al.發(fā)明了一種測試，在這種測試里，一塊薄板料不是均勻的沿著它的斜度被拉伸。他們也計劃一個近似的理論模型，在這種模型里面，起皺的開始取決于在壓力不均勻區(qū)域中有壓縮的側部力的彈性灣曲。Yu et al.從實驗性和分析性上研究起皺問題，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)帶有兩個圓周波的起皺可能發(fā)生，然而，實驗結果顯示是四到六個。當通過一個有錐度的模具畫出金屬板料時，Narayanasamy和sowerby用平底的沖頭和半球狀的沖頭檢查金屬板料的起皺。他們也試圖去把可以抑制起皺的道具分類。
那些努力都被聚中于和簡單形狀零件關聯(lián)的起皺問題上，例如：一個圓形的杯子。在90年代早期，金屬板料成形中三維動態(tài)軟件和有限元方法的成功運用使得分析包括在沖壓一個復雜形狀零件的起皺問題成為可能。在當前的研究中，三維有限元分析法被用來分析在沖壓一個帶有階梯的矩形部分的過程中，產(chǎn)生起皺的金屬流動制造參數(shù)上。
一個帶有階梯的方形杯子，在杯子的每一邊都有一個傾斜的側壁，在帶有錐度的杯子也相應的存在傾斜的側壁。在沖壓過程中，側壁上的金屬板料相對沒被支撐，因此，這個部位更容易起皺。在當前的研究中，起皺過程中的各種不同的制造參數(shù)的影響都在被研究。在沖壓一個帶有階梯的方形杯子時，就像圖1B顯示的一樣，可以觀測到另一種形式的起皺。為了評估分析的效力，在當前的研究中，一個確切階梯幾何形狀的物體被檢測。通過使用有限元分析法和用適宜的模具設計來減少起皺，起皺的原因被確定。在觀測一個實際產(chǎn)品成形時，通過有限元分析法得到的模具設計方法得到證實。
圖1帶有錐度方形杯子的拉伸（a）和帶有階梯的矩形杯子的拉伸（b）
2有限元模型
包括沖頭、模具和毛壞固定器等工具幾何學是用CAD或PRO/E軟件來設計的。同樣用CAD軟件，三節(jié)點和四節(jié)點的外形元素被采用用來為以上工具生產(chǎn)網(wǎng)眼系統(tǒng)。對于有限元模擬來說，工具被認為是剛硬的，而且對應的網(wǎng)眼被用來定義工具幾何學而不是壓力分析。同樣CAD軟件使用四節(jié)點外形元素來為板形壞料構造網(wǎng)眼。圖2顯示工具的完整布置的網(wǎng)眼系統(tǒng)和用來沖壓帶有階梯方形杯子的板形壞料。由于對稱條件，方形杯子的四分之一被分析。在模擬中，板形壞料放在壓力機上，沖模向下移動，逆著壓力機夾緊板形壞料。然后沖模上升使得板形壞料按著模腔成形。
圖2 有限元網(wǎng)眼
為了表演一個精確的有限元分析法，金屬板料的真實應力應變曲線被要求是輸入數(shù)據(jù)的一部分。在當前的研究中，拉深成形的金屬板料也被用來模擬。為在飛機上切割下的樣本測試被進行，它們依次從0度的旋轉方向到45度的旋轉方向，再到90度的旋轉方向進行著。平均的流動力σ，計算方程為σ=（σ0+2σ45+σ90）/4，因為每一個方法真實應變通常用來模擬帶錐度方形杯子和帶階梯矩形的沖壓，就如圖3顯示的那樣。
當前研究中所有的模擬利用有限元程序PAM-STAMP涉及SGI Indigo2工作站。為了完成模似所需輸入數(shù)據(jù)的設置，沖頭的速度一般設置在10m/s，庫侖摩擦系數(shù)設置在0.1。
圖3 金屬板料的應力應變關系
3 錐度方形杯中的起皺
正像圖1a顯示的那樣，草圖暗示著一些有關錐度方形杯子的尺寸，方形沖頭每一面的長度（2WP）、模腔的尺寸（2Wd）和高度(H)被認為是影響起皺的至關重要尺寸。在當前研究中，模腔尺寸和沖頭尺寸的差距的一半稱作沖模間隙（記作G），G= Wd- WP。相關的在側壁沒被支撐的金屬板料的寬度取決于沖模間隙，起皺假想通過增加沖壓力來被抑制。相對于沖壓一個錐度方形杯子，沖模間隙和沖壓力兩方面的影響在接下來的部分被研究。
3.1沖模間隙的影響
為了檢查沖模間隙對起皺的影響，在沖壓一個錐度方形杯子時，分別用20mm，30mm，50mm大小的沖模間隙進行模擬沖壓。在每次模擬沖壓中，模腔的尺寸都是固定在200mm，而且杯子拉深的高度都是100mm。三次模擬中使用的金屬板料都是380X380的方形尺寸，厚度也都是0.7mm，金屬的應力應變曲線如圖3所示。
圖4 G=50mm的帶有錐度的方形杯子
模擬結果顯示三次模擬中都發(fā)生起皺現(xiàn)象，沖模間隙為50mm沖壓出來的杯子模擬形狀如圖4。從圖4中可以看出，起皺分布在側壁，側壁拐角尤其明顯。這就說明在沖壓過程中，起皺是由于在側壁有大面積區(qū)域不被支撐，同樣，由于沖模間隙不一樣，沖頭各邊的長度和模腔尺寸也不一樣。由于橫向壓力的存大，在沖頭和模腔中拉深成形的金屬板料越來越不牢固。在壓縮下，側壁金屬板料不受限制的拉伸是起皺的主要原因。為了比較三種不同間隙沖壓出來的產(chǎn)品，兩個主要的應變比率β被介紹，β=εmin/εmax，這里的εmin和εmax分別是主要的和次要的應變。Hosford和Caddell已經(jīng)展示了β的實際值比β的評論值大，假設當起皺發(fā)生時，β的實際值越大，起皺的可能性就越大。
在三個沖模間隙不同的沖壓中，同一側壁高度，沿著橫截面M-N的β值在圖4中標記出，在圖5中畫出。圖5中說明嚴重的起皺一般發(fā)生在拐角處，而對三個沖模間隙不同的沖壓，在側壁中心很少發(fā)生起皺。還說明了沖模間隙越大，β的實際值就越大。因此，增加沖模間隙將增加在錐度方形杯子側壁處發(fā)生起皺的可能性。
3.2沖壓力的影響
眾所周知，在沖壓過程中，增加沖壓力可以幫助排除起皺。為了研究增加沖壓力的影響，沖模間隙為50mm與起皺是有關聯(lián)的，用沖模間隙為50mm的模具沖壓帶有錐度方形杯子被用不同的沖壓力來模擬了。沖壓從100KN增加到600KN，這兩個力分別產(chǎn)生0.33Mpa和1.98Mpa。在上述部分，剩下的模擬條件與給定的是一樣的。處于中間的300KN也被用來模擬。
模擬結果顯示沖壓力的增加并沒有幫助消除發(fā)生在側壁的起皺。在圖4中已標出沿著橫截面M-N的β值與沖壓力為100KN和600KN的β值作比較。模擬結果指出兩種情況下，沿著橫截面M-N的β值是一樣的。為了檢查兩種不同沖壓力的起皺形狀，正如圖4和圖6標出的那樣，側壁上從底部向上有五處不同位置的橫截面。從圖6可以看出，兩個外殼的波浪形橫截面是相似的。這就說明在沖壓帶有錐度的方形杯子時，沖壓力不影響起皺的發(fā)生，這是因為起皺的原因主要是由于在有橫向壓力存在的側壁處有大面積區(qū)域不被支撐。沖壓力對沖頭和模腔之間材料不穩(wěn)定的模式并沒有影響。
圖5 沿著橫截面M-N不同沖模間隙的β值
4階梯矩形杯子
在沖壓一個階梯矩形杯子時，起皺發(fā)生在側壁即使沖模間隙并不是那么重要。輪廓1顯示沖壓階梯矩形杯子的沖頭草圖，在這張草圖中，側壁C沿臺階D-E而行。在近期的研究中，在一個實際的產(chǎn)品中檢查到了這種幾何形狀。這種產(chǎn)品使用的原材料的厚度是0.7mm，從拉力測試中獲得的應力應變關系如圖3所示。
這種沖壓部分產(chǎn)品的程序包括通過清理焊縫的深拉。在這種深拉過程中，沒有焊縫被用在沖模表面來幫助幫助金屬的流動。但是，由于沖頭拐角處的半徑過小和其復雜的幾何形狀，如圖7顯示的那樣，在沖頭邊緣上部經(jīng)常發(fā)生拉裂，在真實產(chǎn)品的側壁處經(jīng)常發(fā)生起皺。從圖7中可以看出，皺紋發(fā)分布在側壁上，但是在階梯邊緣拐角處最為嚴重，就像圖1（b）中A-D，B-E顯示的那樣。在沖頭的上部邊緣，金屬往往被拉裂，就像圖7所示。
為了進一步的了解沖壓過程中板料的變形，誕生了一種有限元的方法。這種有限元模擬方法被在最初的設計中。部分的模擬形狀如圖8所示。從圖8中可以看出，零件上部邊緣的網(wǎng)眼被拉深，皺紋分布在側壁上，類似真實零件中的那樣。
圖6 從圖a的100KN到圖b的600KN不同側壁高度的橫截面線條
圖7 產(chǎn)品零件中的拉裂和起皺
圖8 產(chǎn)品拉裂和起皺的模擬形狀
如圖1（b）就像A-B邊緣半徑和沖孔拐角處A的半徑一樣，沖孔的半徑也很小，這被認為是拉裂的最主要原因。但是，根據(jù)有限元分析的結果，拉裂可以通過增加以半徑來避免。這種理念在現(xiàn)實產(chǎn)品中通過增加半徑得到證實。
個別的嘗試也被用來消除起皺。第一，沖壓力加到原來的2倍。但是，就像在拉深帶有錐度的杯子中得到的結果一樣，沖壓力對消除起皺現(xiàn)象沒有起有很大的效果。通過增加摩擦和毛坯尺寸也得到同樣的結論。于是我們推測，這種起皺不能通過增加沖壓力來得到抑制。
由于在金屬屈服于過大壓力的區(qū)域，往往會因為大量的金屬流動而起皺，一種通過在起皺區(qū)域增加掛鉤用于消除起皺的簡單方法被用來吸收多余的材料。為了多余的金屬能有效的被吸收，掛鉤應該平衡的加在起皺位置?；谶@種理念，兩個掛鉤被加在鄰近在壁上吸收多余的材料，如圖9如示。模擬結果顯示，階梯拐角處的起皺正如想象的那樣被吸收，但是，一些起皺仍然沒被吸收。這說明在側壁處需要更多的掛鉤來吸收所有過量的材料，但是這在模具設計中是不允許的。
利用有限元分析法分析沖壓工序的一個優(yōu)勢是沖壓過程中板料的變形形狀可以被監(jiān)測，而這在真實的產(chǎn)品沖壓過程中是不可能的。對沖壓過程中金屬流動的精密監(jiān)測顯示板料最開始通過沖頭的力按模腔的形狀成形，直到板料接觸到如圖1（b）階梯D-E邊緣才形成起皺。起皺的形狀如
圖9 加到側壁的起皺
圖10顯示的那樣。這就為模具設計的改進提供了有價值的信息。
圖10 當板料接觸臺階邊緣的起皺形成
圖11 切除了的臺階拐角
對于起皺的發(fā)生，最初的一個猜想是沖頭拐角處范圍A和階梯拐角處范圍D之間的金屬板料處于不平坦的拉深，就如圖1（b）所示。階梯拐角處被切主要是為了改善拉深條件，這樣就允許通過增加階梯邊緣有更多的拉伸被應用到如圖11所示，從而使得模具設計的改進得到發(fā)展。但是，杯子側壁處仍然有起皺，這就意味著起皺是因為整個沖頭邊緣和整個階梯邊緣的不平坦引起的，不僅僅是沖頭拐角處和階梯拐角處之間的不平坦。為了證實這種說法，兩種改進過了的模具設計被用來實驗：為了描述想象中的形狀用兩種拉深操作，一種是切去整個階梯，而另一種是增加更多的拉深操作。前一個方法的模擬形狀所圖12所示。自從更低的階梯被切去后，拉深工序與圖12中的矩形杯子拉深工序性很相似。從圖12中可以看出起皺現(xiàn)象已被消除。
在這兩種操作的拉深工序中，板料最初是被拉到很深的階梯處，如圖13（a）所示，然后，較低的階梯在第二步拉深操作中成形，同是，如圖13（b）所示的想象形狀也得到了。從圖13（b）可以清晰的看出，通過兩步拉深工序可以造出沒有起皺的階梯矩形杯子，同時也說明在兩步拉深工序中，如果相應的順序被應用，則更低一些的階梯處的成形是伴隨更深階梯處成形和最深階梯邊緣處成形的最早成形，如圖1(b)中的A-B，因為金屬不容易通過較低的階梯進入模具型腔。
圖12改善模具設計的模擬形狀
圖13 兩個操作步驟中的a第一步操作 b第二步操作
有限元分析法說明用簡單的拉深操作來設計理想產(chǎn)品的沖壓模具設計是很難完成的。但是，由于額外的模具費用和操作費用，兩個操作的制造費用是很高的。為了保持較低的制造費用，零件的設計師對形狀做出了合適的改變，而且通過有限元模擬分析法結果去切除較低的臺階來改善模具設計，如圖12所示。隨著設計方法的改進，產(chǎn)品真實的沖壓模具被制造出來，而且零件還沒有起皺，如圖14所示。通過有限元模擬分析法得到的零件也沒有起皺。
為了進一步驗證有限元模擬分析法的結果，有限元模擬分析法得到的沿橫截面G-H的厚度分布如圖14所示，這與產(chǎn)品的尺寸做了比較，比較的結果顯示在圖15。從圖15可以看出有限元模擬分析法得到的預想的厚度分布和產(chǎn)品得到的厚度分布是相符合的。這種吻合證實了有限元模擬分析法的效率。
圖14 無缺陷產(chǎn)品零件
圖15 G-H處模擬和測量厚度
5概要和結束語
通過有限元模擬分析法研究了兩種在沖壓過程中的起皺，而且還檢查了其起皺的原因和消除起皺的方法。
第一種形式的起皺發(fā)生在沖壓帶有錐度的方形杯子的側壁上，這種起皺的原因是因為沖模間隙過大（沖模間隙就是模腔的尺寸和沖頭的尺寸的差距）。當金屬被拉至模腔中，在沖頭和型腔中有一有害的拉深時，大的沖模間隙導致金屬板料的大面積區(qū)域不被支撐，因此大面積區(qū)域不被支撐導致起皺。有限元模擬分析法顯示這種起皺不能通過增加沖壓力的方法來得到抑制。
另一種形式的起皺發(fā)生在有階梯矩形的幾何形狀物體沖壓過程中。起皺往往發(fā)生在臺階以上的側壁，甚至沖模的間隙不是足夠的大。通過有限元模擬法得知，這種起皺主要是由于在沖頭和臺階邊緣存在不平坦的拉伸。在模具設計過程中，通過有限元模擬分析法單獨的嘗試被用來消除起皺，切除了臺階的模具被建立。通過無缺陷的零件證實了這種模具設計方法對消除起皺的作用。有限元模擬分析法得到的結果和真實產(chǎn)品中看到的結果相吻合說明了有限元模擬分析法的準確性，還證實了用有限元分析法代替真實的模具制造方法的效力。
感謝
作者希望感謝中國人民共和國民族科學委員會授于NSC-86-2212-E002-028編號才使得這個項目得到發(fā)展。他們也希望感謝KYM提供了產(chǎn)品零件。
參考文獻
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4. R.Narayanasamy和R.Sowerby，“當用一種圓錐形的沖模成形時的金屬板料起皺”，材料處理技術雜志，41，pp.275-290，1994.
5. W.F.Hosford 和 R.M.Caddell，金屬成形:機械和冶金，1993年第二季。
第一章 設計步驟與實例
1.1:設計步驟：
一個模具工程師接受任務到完成任務進入模具加工階段，需要有以下5個步驟：
1、 分析制件工藝性：
1） 審查制件是否具備沖壓工藝性。
2） 審核制件沖壓經(jīng)濟性。
2、 制定工藝方案：
1） 確定沖壓方案。
2） 確定沖壓類型和結構形式。
3、 相關工藝計算:
1） 排樣、確定帶料寬度，計算材料利用率。
2） 計算沖壓力，選擇壓力機。
3） 計算壓力中心。
4） 確定凸、凹模間隙，計算刃口尺寸。
4、 模具結構設計：
1） 確定主要部件（如墊板、固定板、凹模、凸模）的外形尺寸。
2） 確定彈性元件。
3） 選擇模柄、模架等標準件。
5、 繪制裝配圖和零件圖。
第二章 沖裁模具設計
2.1、如圖2-1所示零件，其生產(chǎn)要求如下：
生產(chǎn)批量： 10萬件每年
材 料： 1Cr13不銹鋼
材料厚度： 1.5mm
圖2-1 刃型擋片零件圖
2.2、制件工藝性分析:
制件工藝性是指該零件采用沖壓加工的難度 和經(jīng)濟性。分析時，要根據(jù)制件零件圖或者實物，分析其幾何形狀、尺寸、料厚、結構工藝性、精度及表面粗糙度要求、制件材料、生產(chǎn)數(shù)量是否符合沖壓要求。如果沖壓工藝性不良，則需要提出修改意見，并與產(chǎn)品設計人員進行協(xié)商，經(jīng)設計人員同意后才可以進行修改，并進行工藝方案的制訂。
2.2.1 制件結構要求：
制件結構上要注意以下幾點：
1、 沖裁件的形狀。 沖裁件的形狀應力求簡單、對稱，有利于材料的合理利用。
2、 沖裁件內形及外形的拐角。沖裁件內形及外形的轉角處要盡量避免尖角，應以圓弧過渡，以便于模具加工時減少由于熱處理產(chǎn)生的開裂，減少沖裁時尖角外的崩刃和過快磨損；一般R0.25t(t為料厚)。
3、 沖裁件上凸出的懸臂和凹槽要避免過長，其最小寬度b>2t，板料厚度<1mm時取值1mm;最長尺寸L5t.
4、 沖裁件的孔邊距與孔間距、孔與制件邊緣的距離都不能太小，一般a>2t,并不要小于3~4mm;c1.5t.
5、 為了防止沖裁時凸模折斷或者壓彎，沖孔的尺寸不要過小。
2.2.2 制件精度和表面粗糙度要求
普通沖裁件的尺寸精度等級一般在IT10以下，較高精度可以達到IT8.而沖孔比落料件要高出一級。
普通沖裁件的表面粗糙度數(shù)值Ra一般低于6.3，一般沖裁件剪斷表面粗糙度數(shù)值如表2-1所示。
表2-1 普通沖裁件的表面粗糙度數(shù)值
制件厚件t/mm
1
1~2
2~3
3~4
4~5
表面粗糙度Ra/
3.2
6.3
12.5
25
50
2.2.3 刃型擋片的工藝分析
1、零件的尺寸精度分析
零件外形尺寸均未標注公差，按照企業(yè)要求，制件公差為0.1mm,用一般精度的模具即可滿足制件的精度要求。
2、零件結構工藝性分析
零件形狀非對稱，但無懸臂、凹槽等結構，外形簡單，無尖角結構，t=1.5mm,圓弧半徑R1.5mm,滿足R0.25t的要求，屬于落料工序，可以沖裁成形。
3、制件材料分析
制件材料1Cr13不銹鋼，抗剪強度r-314~372Mpa,抗拉強度=392~461Mpa,伸長率=20%。適于沖壓成形。
綜合以上分析，得到最終結論，該制件可以用沖壓生產(chǎn)的方式進行生產(chǎn)。
2.3 制定工藝方案
2.3.1 制定沖壓方案
確定制件工藝性后，需要根據(jù)其特性提出沖壓工藝方案。這個步驟是制定該制件沖壓工藝過程的核心內容。在此項工作中，要針對該制件的工序性、工序數(shù)、工序順序及組合方式等進行分析，制定出幾種不同的沖壓工藝方案，最終確定該套模具的類型，模具的類型根據(jù)工序組合區(qū)分，包括單工序模、復合模和級進模三大類。
確定工藝方案的原則主要有以下三點：
1、 要保證沖裁件質量
在模具類型中，復合模沖出的制件精度高于連續(xù)模，而連續(xù)模又高于單工序模。所以精度要求較高的制件，可以采用復合模進行加工。
2、 要遵循經(jīng)濟性原則
在設計模具時，還要考慮成本。應在保證制件質量的前提下，盡量選用簡易模具，從而提高經(jīng)濟效益。
3、 要保證安全生產(chǎn)
例如一些多工序小型制件，如果用用單工序模進行生產(chǎn)，在加工過程中容易造成操作失誤，很不安全，所以應采用級進模進行沖壓。
在制定時，首先需要確定制件的基本工序性質（如落料、沖孔、彎曲等）、工序數(shù)（單工序或多工序），進而確定工序的順序，即提出可行性方案。
總之，確定出最終最佳方案是要綜合考慮制件的精度、表面質量、生產(chǎn)數(shù)量、企業(yè)的實際條件等方面。
2.3.2 確定刃型擋片工藝方案
通過制件零件圖可以知道，要加工該制件，只需要外形落料一個工序，所以本項目只設計一個單工序落料模。
2.4 確定沖壓模具結構形式
在確定工藝方案后，需要根據(jù)所選模具類型（單工序模、復合模、級進模等）確定模具的各個部分的具體結構，包括進料方式、材料定位、定距方式、模架及卸料、壓料、出件方式等；同時還應考慮模具維修、保養(yǎng)和吊裝的方便，同時要在各個細小的環(huán)節(jié)盡可能考慮到操作者的安全等。
2.4.1、定位零件
1、定位概念
定位是指保證條料、工序或坯料的正確送進及在模具中的正確位置。條料或工序伯在模具中的正確位置包括兩方面內容。
1） 條料的橫向定位，即導料，也稱為送進導向；作用是保證條料正確的方向送進，和條料的橫向搭邊值；常見的零件有導料銷、導料板和側壓裝置等。
2） 在送料方向（縱向）上的限位，稱為送料定距，也稱為擋料；作用是控制條料一次送進的距離（步距），即保證縱向搭邊值。常見的零件有擋料銷、側刃、定位銷等。
2、送進導向零件
1）導料銷
一般為兩個，并位于條料的同側，從右向左送料時，導料銷裝在后側；從前向后送料時，導料銷裝在左側，導料銷有固定式和活動式兩種，固定式一般設置于凹模模板面上，活動式常設置于彈壓卸料板上。
2）導料板
導料板設置于條料兩側，有兩種類型：一種是與卸料板制成一體；另一種是與卸料板分開制造。導料板間距應比條料寬度大一個間隙值。
常用的定位零件都有標準件，選擇時應首選標準件。在應用時除了要注意孔與凹模孔口的距離外，還要注意其伸出工作平面的高度尺寸，該尺寸與制件材料的厚度有關，擋料銷的高度h和導料板的高度尺寸H數(shù)值。
導料板寬度B的計算公式為：
B=B+C
式中 B——條料寬度，mm
C——條料與導料板之間的間隙
3） 側壓裝置
為避免條料在導料板中偏擺，保證最小搭邊值，可以在導料板一側裝側壓裝置，使條料在送進過程中始終靠緊另一側導料板。
如果送料材料過?。?.3mm以下），則不適于用側壓裝置;而且使用側壓裝置后送進阻力增大，所以如果采用輥軸送進的自動送料裝置不適合與側壓裝置配合使用。
3、送料定距零件
1）擋料銷
擋料銷有固定擋料銷和活動擋料銷兩種。
固定擋料銷有兩種類型：A型固定擋料銷和鉤形擋料銷。A型固定擋料銷常用于中、小型制件的模具中，缺點是銷孔與凹模型孔距離過近，削弱了凹模強度；鉤形擋料銷，這種鐺料銷的銷孔軸線與凹模型孔距離較遠，且配合定向銷防止其鉤頭在使用過程中發(fā)生轉動，缺點是制造困難，安裝麻煩。
活動擋料銷也有兩種：彈簧彈頂式和扭簧式，定位螺釘之間的距離為25~35mm,擋料銷伸出臺面2~4mm.
2)定位板與定位銷
定位銷與定位板是單個毛坯或工序件的定位零件。其定位方式有兩種：外緣定位和內孔定位。
4、 刃型擋片定位方式
常見的進料方式有手工送料和自動送料兩大類。其中手工送料定位簡單，有時甚至不用或少用定位零件，依靠工人自己控制，這種方法常用于小型單工序模、復合模的工作中；自動送料常用于級進模加工中，這種送料需要較好的定位、定距和卸料方式，對模具結構要求較高。
由于該模具是單工序落料，所以生產(chǎn)時采用導料銷配合擋料銷定位。
2.4.2、卸料、壓料、出件方式
模具的卸料方式有剛性卸料和彈性卸料兩大類，也稱為固定卸料裝置和彈壓卸料裝置，其中固定卸料裝置一般是將卸料板和導料板做成一體，主要功能是從凸模上卸下條料，常用于板料較厚、較硬、精度要求不高、沖裁力較大的落料模;彈性卸料裝置是通過卸料板與彈性元件（彈簧或橡皮）的互相配合作用來進行卸料的，功能是從凸模上卸下條料，這種裝置在沖壓時既可以卸料又可壓料，特別適于在薄料或制件要求平整的復合模上使用。
在本套設計中，我們采用彈壓卸料方式。
2.4.3、刃型擋片模具結構形式的確定
在實際生產(chǎn)中，條料的送進采用手工送料，不用導料板或定位銷釘?shù)冉Y構，這樣，不僅結構緊湊很多，而且也減少了加工難度。另外，為了提高工作效率和安全性，實際生產(chǎn)時也經(jīng)常采用外置托料板的形式，裝托料板與下模座配合使用，既起到導料作用，又起到托料作用，不用時拆卸下來，使模具結構簡單，尺寸減少，工作方便簡單。
2.5、相關工藝計算
2.5.1、排樣與材料利用率
1、排樣的概念與方法
沖裁件在板料、帶料或條料上布置排列的方法稱為排樣。排樣設計的內容包括：選擇排樣方法、確定搭邊數(shù)值、計算條料寬度、計算送料步距、計算材料利用率、繪制排樣圖。
好的排樣，可以減少廢品率，保證制件的質量，使模具結構簡單，使用壽命延長。
排樣時，制件與制件間，制件與條（板）料邊緣之間的余料稱為搭邊。搭邊過大，浪費材料；搭邊太小，可能會被拉入凸模和凹模的間隙，使模具容易磨損，甚至損壞模具刃口。一般來說，材料越厚，越軟以及沖裁件尺寸越大，形狀越復雜，則搭邊值也應越大。搭邊值通常是由經(jīng)驗值確定。
根據(jù)沖裁件在條料上的布置方法，排樣有直排、斜排、對排、混合排等多種形式。在沖壓生產(chǎn)中，減少廢料的產(chǎn)生是節(jié)約成本的有效措施之一。采用何種方式需要分析哪種排樣方式的材料利用率比較高。
2、排樣圖的畫法
一張完整的排樣圖應標注條料寬度尺寸B、條料長度L、板料厚度t、端距l(xiāng)、步距S、工件間搭邊和側搭邊a;并以剖面線表示沖壓位置。
其中條料長度L的給定可以計算出加工該制件需要的條料數(shù)目或鋼板數(shù)目，便于采購原材料。需要注意的是計算出的數(shù)值只是理論數(shù)值，在采購時考慮沖壓時出現(xiàn)的廢品量。
排樣圖不僅要表示清楚沖裁件輪廓形狀和沖壓順序，還要表示出凸模刃口的截面形狀、凹模的型孔形狀、數(shù)量和位置。而且沿送料方向應畫出數(shù)個制件的外形形狀，表示落料后留在條料上的廢料孔的形狀。
如果是對排等多排排樣圖，或者雙、多凸模結構，在條料上的工件輪廓至少畫出三個，用帶陰影的線表示出凹模型孔的位置與形狀，粗實線表示已經(jīng)沖完的孔，用雙點劃畫表示預沖工件。這樣才能清楚地表達出制件的沖裁過程，并使凹模上型孔間的尺寸關系非常清楚，計算方便。
3、如何計算材料利用率
沖裁件的實際面積與所用板料面積的百分比叫材料的利用率。材料利用率是衡量合理利用材料的經(jīng)濟性指標。要確定材料利用率，首先要確定關料步距S。
條料在模具上每次送進的距離稱為送料步距，簡稱跳距。送料步距的大小應為條料上兩個對應沖裁件的對應點之間的距離。一個步距就等于零件直徑與兩個兩件間搭邊值的和。
材料利用率的具體公式為：
如果是板料沖裁，也可以用如下公式：
式中 A—— 一個工件的實際面積；
n—— 一張板料上能加工工件的總數(shù)量；
L—— 板料長度；
B—— 板料寬度；
排樣時搭邊值的選取直接影響到材料利用率的大小，但是提高材料利用率不能以提高模具制造難度為代價。
4、刃型擋片排樣與材料利用率
刃型擋片外形類似于矩形，一般可以采用直排或者多排，但是由于該制件尺寸較大，所以采用單排直排的排樣方案（如圖2-2所示）比較合適。
圖2-2 排樣方案
由表2-8查得工件間搭邊最小值a=1.8mm,沿邊搭邊最小值a=1.5mm,則送料步距S=7.6+1.5=9.1mm;
條料寬度B=40.3+21.8=43.9mm
已知制件面積A=264.34mm.一個步距的材料利用率為：
==66.2%
2.5.2、計算沖壓力、選擇壓力機
1、計算沖裁力
平刃沖裁的沖壓力計算公式：
F=KLt
或 F=Lt
式中 F—— 沖裁力
L—— 沖裁周長，mm
t —— 制件厚度，mm
—— 材料抗剪強度，Mpa
—— 抗拉強度；
K—— 安全系數(shù)，一般取值1.3.
2、計算相關卸料力、推件力和頂件力
沖裁完畢，從凸模或凸凹模上將制件或廢料卸下所需要的力稱為卸料力F（F）；從凹模內順沖裁方向將制件或廢料推出所需要的力稱為推料力F（F）；從凹模內逆沖裁方向將制件從凹模孔內頂出的力稱為頂料力F（F）。
計算公式分別為：
卸料力 F=KF
推件力 F=nK F
頂件力 F= K F
式中 K，K，K——系數(shù)，具體數(shù)據(jù)可根據(jù)制件材料、厚度取值（見表2-9）；
n——卡在凹模直壁洞口內的制件（或廢料）件數(shù)；
h——刃口高度，mm.
表2-9 卸料力、推件力和頂件力系數(shù)（制件為鋼件）
料厚t/mm
K
K
K
0.1
0.065~0.075
0.1
0.14
>0.1~0.5
0.045~0.055
0.063
0.08
>0.5~2.5
0.04~0.05
0.055
0.06
>2.5~5
0.03~0.04
0.045
0.05
3、 計算總沖壓力
總沖壓力基本公式：
F= F+ F+ F+ F
模具有三種卸料方式，在計算總沖壓力時，需要根據(jù)模具結構來選擇F、F、F，有些結構沒有F，則不需要計算該數(shù)值。
采用剛性卸料裝置，公式為：F= F+ F
采用彈性卸料裝置，公式為：F= F+ F+ F
采用彈性卸料及頂料裝置，公式為：F= F+ F+ F
4、 刃型擋片沖壓力的計算
刃型擋片沖壓力的計算見表2-10
表2-10 沖壓力的計算
已知制件外圓（落料）周長L=87.45mm; =700Mpa;t=1.5mm
類 別
計算過程
結論
沖 裁 力
F=Lt=87.451.57009.2tf
9.2tf
模具采用彈性卸料，K=0.04~0.05，K=0.055
卸 料 力
F=KF=0.059.2tf=0.46ft
0.5tf
推 料 力
F=nK F=0.0559.2tf=0.506tf
0.51tf
由于該墊片模具采用彈性卸料裝置，所以總沖壓力的計算公式為：
F= F+ F+ F=9.2+0.51+0.5=10.3(tf)
5、 壓力機的選擇
壓力機的選擇是模具設計的一個主要內容。包括選擇壓力機的類型和確定壓力機規(guī)格兩項內容。
1） 壓力機類型及規(guī)格
①、 選擇類型
對于中小型沖裁件、彎曲、拉深件，主要選用開式壓力機；大中型制件的沖裁多采用閉式壓力機。
②、 選擇規(guī)格
沖壓力是選擇壓力機的主要依據(jù)；在選擇壓力機時，要確保壓力機的公稱壓力大于總沖壓力。
壓力機的沖壓力可以從壓力機參數(shù)里查出，在壓力機上使用的模具在完成沖裁過程中各種力之和最好在壓力機額定壓力的70%~80%以內，還要保證操作方便、安全。
壓力機的滑塊行程要滿足制件在高度上的要求，并能保證沖壓結束后能順利取出制件，尤其是拉深件，更要求滑塊行程是制件高度的兩倍以上。
另外，還要求模具的閉合高度和壓力機的閉合高度要相適應，壓力機工作臺尺寸要大于模具下模座平面尺寸50~70mm，墊板孔和工作臺孔都要大于制件或者廢料尺寸等。
2）、壓力機參數(shù)
①、公稱壓力F
標稱壓力，或稱額定壓力，即滑塊所允許承受的最大作用力；滑塊必須在到達下止點前某一特定距離之內才允許承受標稱壓力；（這一特定距離稱為標稱壓力行程，或額定壓力行程）
例如：JC23-63壓力機的標稱壓力為630kN,標稱壓力行程8mm,表示該壓力機的滑塊在離下止點前8mm之內，允許承受的最大壓力為630kN 。
③、 滑塊行程S
指滑塊每分鐘往復運動的次數(shù)；該參數(shù)與生產(chǎn)效率有關。
④、 封閉高度H
滑塊在下止點時，滑塊下表面到工作臺上表面（拆去墊板）的高度。當滑塊調整到最上位置時，閉合高度最大，即為最大裝模高度（H）；滑塊在最下止點時，閉合高度最小，稱為最小裝模高度（H）。閉合高度的范圍，是閉合高度調節(jié)量。
⑤、 裝模高度H
指滑塊在下止點時，滑塊下表面到工作臺墊板上表面的距離。裝模高度與封閉高度差一個墊板高度。
⑥、 其他主要參數(shù)
包括工作臺尺寸、滑塊底面尺寸、模柄孔尺寸等。
3）、與模具尺寸要適應
沖裁模總體結構尺寸必須與所選壓力機相適應。如模座的平面尺寸要與工作臺上墊板尺寸匹配；模具閉合高度H應與壓力機的最大裝模高度和最大封閉高度H適應。
沖模的封閉高度H與壓力機封閉高度H和H的關系是：
（H— H）— 5mm ( H— H) + 10mm
H為墊板厚度，一般情況下，不能拆掉墊板使用壓力機。
4）、壓力機參數(shù)的作用
壓力機確定后，需要查取相關參數(shù)，如壓力機的類型、規(guī)格、閉合高度、工作臺尺寸、模柄孔尺寸、滑塊行程等。這些參數(shù)會影響模具的結構尺寸，如模具的閉合高度、模架尺寸等的確定。
壓力機相關參數(shù)及與后續(xù)部分工藝計算的聯(lián)系如表2-11所示
表2-11 壓力機相關參數(shù)
壓力機相關參數(shù)
關聯(lián)工藝數(shù)據(jù)
關系
公稱壓力F
總沖壓力F
壓力機的公稱壓力大于總沖壓力：F>F
最大封閉高度（裝模高度）H、 H
模具閉合高度H
模具閉合高度在壓力機的最大、最小裝模高度之間H—5mm H H+10mm
滑塊行程
模具高度
滑塊行程必須滿足沖壓制件的成形要求；如拉深工藝時，其行程必須大于拉深件高度的2~2.5倍
工作臺墊板尺寸
模具長、寬尺寸；下模座孔尺寸
壓力機的工作臺面應大于模具尺寸，并有安裝位置，一般每邊大50~70mm
壓力機工作臺面的孔應能保證沖壓件或廢料落下
模柄孔尺寸
（直徑深度）
模柄尺寸
模柄直徑尺寸要等于模柄孔尺寸
模柄高度要小于模柄孔深度尺寸
漏料孔尺寸
凹模型孔尺寸、下模座相應尺寸
工作臺漏料孔尺寸要大于凹模型孔尺寸、下模座相應尺寸，以免塞料，導致爆模
行程次數(shù)
生產(chǎn)效率
6、 刃型擋片模具選用壓力機
根據(jù)總的沖壓力（10.3tf），結合工廠實際生產(chǎn)條件，確定采用J23-16型壓力機。其主要參數(shù)如下：
公稱壓力：160KN（20tf）
最大封閉高度：220mm
最大封閉高度調節(jié)量：45mm
工作臺尺寸：450mm300mm
模柄尺寸：Φ4060mm
2.5.3、壓力中心
1、壓力中心概念
沖裁力合力的作用點即沖模的壓力中心。該中心應盡量與模柄軸線及壓力機滑塊中心線重合，否則沖模在工作時就會產(chǎn)生偏彎矩，使模具發(fā)生歪斜，繼而加速沖模導向機構的不均勻磨損，沖裁間隙不均勻，刃口迅速變印鈍，會直接導致制件的質量和模具的使用壽命下降。所以為了保證模具在沖壓時保持平穩(wěn)，保證其正常工作，設計時確定模具的壓力中心是至關重要的。
如果制件本身是對稱的，則壓力中心即是制件的中心；如果制件是非對稱件，或級進模上多個工位的壓力中心，則需要進行計算。計算原則就是力平衡原理，即各分力對某坐標軸之力矩之和等于其力對該坐標軸的力矩。
沖裁模壓力中心的確定，除上太空的解析法外，還可以用作圖法和懸掛法。在實際生產(chǎn)中，很多時候會將刃口形狀簡化或圓整成某些規(guī)則形狀，找到一個近似的中心（該中心與壓力中心的距離不能超過模具外形尺寸的1/6），以減少相應在計算過程。但是對于比較復雜的級進模，還是要進行壓力中心計算，以防偏心導致模具損壞和制件質量問題。
2、刃型擋片壓力中心
如圖2-1所示，該制件是不對稱形狀，所以需要校核一下該制件的壓力中心，計算過程如圖2-3所示。
首先選取一個坐標系，選取圖2-3中點O位置為坐標原點，然后確定各線段中點到該原點的坐標值；再根據(jù)如下公式進行計算。計算過程如下：
圖2-3 刃型擋片壓力中心
由于零件的外形尺寸較小，并且形狀簡單，且計算出來的壓力中心誤差不超過模具周界尺寸的六分之一，所以我們取最大外形的中心為壓力中心（圖2-3中O點位置）
2.5.4、計算刃口尺寸
1、間隙值的確定
在模具工藝計算中，刃口尺寸的確定直接影響到制件的成形尺寸是否合格。要計算刃口尺寸，必須先確定沖裁間隙值的大小。沖裁間隙（圖2-4）上沖裁模中凹模刃口橫向尺寸D與凸模刃口橫向尺寸d的差值Z。
圖2-4 沖裁間隙
該數(shù)值是影響沖裁工序的最重要的工藝參數(shù)。間隙值的大小，直接影響到?jīng)_裁力大小、模具壽命、沖裁件質量；沖裁間隙值大致可分為：小間隙、較小間隙、中等間隙、較大間隙、大間隙五種；選取間隙值的總原則是在滿足沖裁件的尺寸精度要求下，一般取偏大間隙值，這樣可以降低沖裁力和提高模具壽命。
在沖壓實際生產(chǎn)中，主要根據(jù)沖裁件斷面質量、尺寸精度和模具壽命這三個因素綜合考慮，給沖裁間隙規(guī)定一個范圍值。只要間隙在這個范圍內，就能得到質量合格的沖裁件和較長的模具壽命，這個間隙范圍就稱為合理間隙。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙（Z），最大值稱為最大合理間隙（Z）。
合理間隙值的確定一般可以采用查表確定法，該數(shù)值在一般沖裁資料中都可以查到，但是要注意間隙值的大小不僅與制件的材料性質和厚度有關，還和制件的斷面質量有關。當工件的斷面質量沒有嚴格要求時，為了提高模具壽命和減少沖裁力，可以選擇較大間隙值；當工件斷面及制造公差要求較高時，應選擇較小間隙值。此外，還要考慮刃口的磨損，由于在生產(chǎn)過程中的磨損使間隙變大，故設計與制造新模具時應采用最小合理間隙Z。
另外，還有經(jīng)驗值確定法，在實際生產(chǎn)中，通常在2%~20%t的范圍內來選取單面間隙Z/2.
2、凸、凹模刃口尺寸計算
1）、凸、凹模的加工方法
要計算凸、凹模的刃口尺寸，首先要知道凸、凹模的加工方法。由于是工作零件，其尺寸直接影響制件的尺寸精度，而且模具一般為單件生產(chǎn)，所以傳統(tǒng)加工都是以配加工為主。即先按照制件圖樣的設計尺寸加工一個凸?；蛘甙寄Ｗ鳛榛鶞始缓蟾鶕?jù)基準件的實際尺寸按照間隙值由鉗工配作另一個工作零件。此各加工方法的特點是工作零件的間隙值靠配作保證，要求鉗工技術水平高。
隨著現(xiàn)代數(shù)控加工工業(yè)的興起，傳統(tǒng)的加工方式逐漸被淘汰，取而代之的是分開加工法。即凸模、凹模分加按照圖紙尺寸和公差進行加工。這種方法加工出來的零件具有互換性，對那些要求有工作零件備件的模具尤其適用。
現(xiàn)在，在很多加工企業(yè)，尤其是模具加工企業(yè)，都大力發(fā)展特種加工，很多不規(guī)則外形的凸模、凹模都用特種加工法直接進行成形加工，不僅有互換性，而且速度快，精度高，是不可替代的加工手段。
2）、分弄加工法計算原則
計算刃口尺寸需要遵循以下原則：
①、 落料件光亮帶處于大端尺寸，其光亮帶是因凹模刃口擠材料產(chǎn)生的，且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸；所以落料外形尺寸主要決定與凹?？卓诔叽?，即落料模需要先計算凹模尺寸。
②、 沖孔件光亮帶處于小端尺寸，其光亮帶是凸模刃口擠切材料產(chǎn)生的，且沖孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸；所以沖孔孔徑尺寸主要決定于凸模尺寸，即沖孔模需要先計算凸模尺寸。
③、 凸、凹模刃制件應有合理間隙值。不管落料還是沖孔，沖裁間隙一般選用最小合理間隙值（Z）。
④、 凸、凹模刃口計算公式由于落料與沖孔的基準尺寸不同而不同。落料時，首先確定凹模刃口尺寸，凸模刃口的基本尺寸等于凹模刃口的基本尺寸減去最小間隙值得到；沖孔時，首先確定凸模刃口尺寸，凹模基本刃口尺寸等于凸模刃口的基本尺寸加上最小間隙值得到。具體公式見表2-16所示。
⑤、 凸、凹模的制造公差應與制件尺寸精度相適應，偏差值按照入體原則標注。
綜上所述，計算刃口尺寸的基本步驟如表2-16所示。
表2-16 分開加工法刃口尺寸計算基本步驟
序號
步驟
公差
依據(jù)
1
確定間隙值Z/mm
(雙邊值)
Z=D- d
D——凹模尺寸（D）
d——凸模尺寸（d）
查表確定或經(jīng)驗值確定
2
確定凸、凹?；鶞嗜锌诔叽?mm
落料時，首先確定凹模刃口尺寸D
D=（D- ）(+)
沖孔時，首先確定凸模刃口尺寸d
d=（d+ ）（0/-）
—磨損系數(shù)；—制件公差
區(qū)分落料和沖孔工序：
落料尺寸=凹模尺寸
沖孔尺寸=凸模尺寸
3
計算凸、凹模刃口尺寸/mm
落料時，凸模刃口的基本尺寸d= D- Z
沖孔時，凹模基本刃口尺寸D= d+ Z
4
刃口偏差/mm
凹模刃口偏差(+)
凸模刃口偏差（0/-）
入體原則
5
刃口精度/mm
凹模刃口公差+凸模刃口公差 Z- Z
與制件尺寸精度相適應
計算設計基準刃口尺寸時，需要查表確定參數(shù)（磨損系數(shù)），該值在0.5~1之間。
3）、配加工計算
如果是傳統(tǒng)的配加工，則是在作為基準的凸?；虬寄D紙上標注尺寸和公差，在另一個工作零件圖紙上不標注公差，只標注尺寸，在技術要求中要注明“按基準配作，保證間隙值在Z~ Z之間即可。
計算刃口尺寸可以按照以下步驟：
①、 落料件以凹模作基準，沖孔件以凸模為基準。
②、 判斷基準件刃口磨損后尺寸變化的情況：A類尺寸，磨損后尺寸變大；B類尺寸，磨損后尺寸減少；C類尺寸，磨損后尺寸不變。
③、 A類尺寸： D=（D- ）(+)
d= D- Z
④、 B類尺寸： d=（d+ ）（0/-）
D= d+ Z
⑤、 C類尺寸： D= d=（C+/2）/
式中 C——該類尺寸的最小值。
4）、特種加工
采用電加工方式加工工作零件時，要先繪制一個基準圖作為電加工的基準。落料時凹模尺寸按照基準圖加工，凸模尺寸等于凹模尺寸減去一個間隙值；沖孔時凸模尺寸按照基準圖加工，凹模尺寸等于凸模尺寸加上一個間隙值。
沖孔時： d=（d+ ）（0/-）
D= d+ Z
落料時： D=（D- ）(+)
d= D- Z
中心距： L= l=（L）/8
3、 刃型擋片模具工作零件實際刃口尺寸的計算
圖2-1所示制件尺寸未標注公差，為了降低工作難度，所以在實際生產(chǎn)中按照IT14等級確定各尺寸公差；零件為不規(guī)則形狀，屬于落料件，所以凹模尺寸按零件圖尺寸加工，各尺寸減去一個間隙值即為凸模尺寸。本例中間隙按表2-15選取0.120。
2.5.6、模具結構設計
1、確定凹模尺寸
在模具結構設計時，需要首先確定凹模結構尺寸。凹模設計時的主要內容包括：
①、 確定凹模材料；
②、 確定凹模型孔側壁形狀；
③、 確定外形形狀與裝配結構；
④、 確定凹模周界尺寸；
⑤、 確定凹模板上型孔、螺釘孔、銷釘孔的位置及尺寸等；
⑥、 確定凹模板的厚度尺寸。
2、 凹模型孔側壁形狀的確定
①、凹模刃孔口結構
凹模刃口結構有直壁式、斜壁式兩類。從刃口強度方面，直壁式刃口比斜壁式高；從加工角度，斜壁式刃口更容易加工。一般情況下，全直壁式型孔和斜壁式只適用于逆出式模具，順出式模具常用階梯形直壁型孔；漏料口可以采用鉆孔或銑削制成。但是無論采取哪種結構，都要注意凹模刃口高度h的取值。
②、廢料堆積
在選擇刃口形式時，還要考慮防止廢料堆積的問題。以下是常見的容易產(chǎn)生廢料堆積的因素：
1、 凹模刃口有效高度（直線部位）過長；
2、 骨表面讓位形狀不適合；
3、 凹模內部的表面較粗糙；
4、 凹模、模具墊板、模座的孔中心偏移造成臺階；
5、 沖裁廢料相互連接，呈棍狀下落時，堆積住讓位孔；
6、 廢料帶磁性；
7、 薄板或小孔沖裁，因沖裁廢料重量輕，即使一個小障礙也會導致廢料堆積。
例如，凹模刃口有效高度h過大，在沖裁過程中積存在凹模型孔內的落料件或沖孔廢料的片數(shù)將增加，結果一方面是凸模受到的反頂力增大，會使凸模，尤其是細長凸模在沖壓時容易損壞。另一方面孔口內堆積材料過多，會直接導致凹模刃口崩裂，導致模具報廢等嚴重后果。所以在設計時要綜合考慮刃口形狀。
又如在沖裁0.5mm以下的薄板時，臺階式直壁凹?？卓谌菀兹希牧蠌目卓诒煌瞥龊?，材料會在凹模內翻轉，所以，凹模底部擴孔尺寸不宜過大（一般比型孔尺寸大0.5~1mm），否則容易因為材料的翻轉導致堵塞孔口，導致廢料堆積；而斜壁式則可防止廢料轉落，減少由于廢料堆積帶來的故障，但是孔口是傾斜的，刃口強度不如直壁式高。
③、廢料回跳
沖裁時，廢料回跳會引起制件質量缺陷、模具損傷等，特別是薄板小徑?jīng)_裁，凹模之間的約束力較少的切邊容易引起廢料回跳。廢料產(chǎn)生回跳的主要原因有真空產(chǎn)生的吸附、吸附到凸模刃口處、油液產(chǎn)生的吸附、凸模的磁力和凹模壓縮空氣引起的負壓等。一般的沖裁間隙中，排出廢料的尺寸小于凹?？讖匠叽纾踩菀装l(fā)生回跳。
解決廢料回跳的方法有以下幾種：
1、 選用特種凸模 斜刃口凸模、頂料凸模、帶氣孔凸模等。
2、 凹模結構改變 以真空產(chǎn)生吸引，增加刃口內面的粗糙度，切刃采用微小側角等。
3、 其他措施 改變輪廓形狀，減小沖裁間隙，加大凸模進入凹模的深度。
4、 專用防廢料回跳型凹模 一些提供模具標準件的廠家，有一種防廢料回跳型凹模。在這種凹模內表面加工了兩條以上的斜槽，這樣在沖裁時，沖裁廢料被壓入凹模型孔，廢料對應于凹模斜槽的小突起部位，再經(jīng)過凸模往下壓，突起部位會被凹模側面壓縮，因而達到防止廢料回跳的作用。但是由于是通過在廢料上形成小突起部位而防止回跳的，所以這種結構不適合精密孔沖裁、下料等情況。
3、 凹模外形與裝配結構
確定凹模尺寸前，要先考慮凹模的外形及裝配結構。
凹模的外形有圓形和矩形，裝配結構有整體式和鑲拼式，刃口也有平刃和斜刃。實際生產(chǎn)中，在凹模上開設所需要的凹模型孔，用螺釘、銷釘將凹模板直接固定在下模座上。
由于該制件外形近似于矩形，且尺寸不大，所以該套模具凹模外形為矩形，并采用整體式凹模結構。
4、 凹模外形的確定
1）、確定原則
凹模外形尺寸指的是凹模板的整體尺寸。凹模的外形有矩形和圓形兩種，需要根據(jù)模具結構確定。下面以矩形凹模為例說明如何確定凹模板的尺寸。
凹模板的尺寸包括長（L）寬（B）高（H），從凹模刃口（bl）至凹模板外邊緣的最短距離稱為凹模壁厚C。
凹模壁厚C值的選取直接影響凹模板登外形尺寸，即長度L與寬度B的值。其最小值可以參考
凹模外形尺寸并不能簡單地從凹模型孔向四周擴大一個壁厚C來決定，因為凹模板上還會有定位零件，如導料板等結構、還要考慮凹模板的安裝尺寸等。在確定凹模外形尺寸時，還需要注意如下身體上內容：
①、 相關螺紋孔、銷釘孔與刃口邊的最小距離；
②、 螺紋孔與銷釘孔與刃口之間的最小距離；
③、 彈性元件的外形尺寸；
④、 進料方式；
⑤、 定位、定距方式。
在實際生產(chǎn)計算中，螺孔中心到刃口邊緣或者銷釘孔邊緣的距離，一般可以按照1.5~2d取最小值。
沖模中的定位銷常選用圓柱銷，選用直徑與螺釘直徑相等或小一個規(guī)格，一組定位采用兩個銷釘，在模具內部的長度一般是其直徑的2~2.5倍。
固定常采用內六角螺釘，這類螺釘堅固可靠，螺釘頭不外露，整個模具外形齊整。擰入鑄鐵件的螺釘深度一般是螺釘?shù)?~2.5倍；擰入一般鋼件的深度是螺釘直徑的1.5~2倍。螺釘直徑的選用與模板厚度有關，如表2-23給出了凹模固定用螺釘直徑與凹模厚度的關系。
表2-23 固定螺釘直徑與凹模厚度的關系
凹模厚度/mm
13
>13~19
>19~25
>25~35
>35
螺釘規(guī)格
M4、M5
M5、M6
M6、M8
M8、M10
M10、M12
2）、刃型擋片模具的凹模周界尺寸
確定凹模周界時，首先將凹模刃口1：1繪制出來，然后以此為界畫一個外框，由于本例中選擇M6螺釘和Φ6的銷釘，所以以該線框為界向外擴展2倍直徑，即是螺釘、銷釘中心線位置；再由此位置往外擴展2倍直徑尺寸，即是凹模周界尺寸。則推出凹模周界尺寸為54.687.3。
5、刃型擋片模具凹模結構
該套模具凹模材料為Cr12，硬度61~64HRC；并要求非刃口銳角倒鈍。查國家標準凹模結構圖如下：
圖2-5 凹模結構圖
6、確定固定板、墊板等尺寸
固定板、墊板等尺寸與確定凹模外形尺寸方法類似，一般以凹模板尺寸為基準，確定后需與國家標準進行校核，盡量選取標準值。
圖2-6 凹模固定板
圖2-7 下墊板
圖2-8 卸料板
7、 確定彈性元件
在選用彈性元件時，需要考慮不同彈性元件的特點，沖模中常見的彈性元件及應用。
在本設計中，采用橡膠作為彈性元件。
1）、橡膠墊 橡膠墊允許承受的載荷較彈簧在，安裝調靈活，占用的空間小，成本低，是沖裁模中的常用彈性元件，常在中、小型冷沖模彈性卸料、頂件及壓邊時使用，尤其是沖裁模工作行程小的情況下，更是首選彈性元件。
橡膠墊的選用包括品種、高度和截面尺寸等。
①、 品種 橡膠墊有普通和耐油兩種，普通類橡膠墊比耐油類橡膠容易老化，但是不論哪種，存放過久都會老化，導致彈性下降，甚至失效。
②、 相關計算 橡膠墊的計算常用公式如表2-31所列。
表2-31 橡膠墊選用公式
序號
項目
公式
說明
1
預壓力F
F F
為保證橡膠墊正常工作，需要使橡膠墊在預壓縮狀態(tài)下的預壓力F F
2
橡膠墊的自由高度H
H=
t+1是沖裁模的工作行程，t為板料的厚度；修磨量一般為4~6mm
3
橡膠墊預壓縮量
=（0.10~0.15）H
橡膠墊預壓縮量不超過橡膠墊自由高度H的15%
4
橡膠墊允許最大壓縮量
=（0.35~0.45）H
為了保證橡膠不過早失效，其允許最大壓縮量不應超過橡膠墊自由高度H的45%
③、 計算步驟 橡膠墊的選用，主要是確定其自由高度、預壓縮量及截面積大小，計算步驟如表2-32所列。
注：p為橡膠墊所產(chǎn)生的單位面積壓力，與壓縮量有關，設計時取預壓量下的單位壓力，約為0.26~0.50Mpa。
橡膠墊形狀有圓形、環(huán)形、方形等，其尺寸可以參照表2-33中所列公式計算。
注：F為所需工作壓力（N）；p為橡膠壓縮10%~35%時產(chǎn)單位面積壓力（Mpa）
2）、聚氨酯彈性體 聚氨酯彈性體是常用的一種橡膠墊，其特點是有較寬的硬度范圍，具有較高的彈性及強度、優(yōu)異的耐磨性、耐油性、耐疲勞性及抗震動性，具有“耐磨橡膠”之稱。其壓縮量一般在10%~35%之間。計算方法與公式與橡膠墊相同。
另外，在計算中還需要注意的是，無論是什么形狀的橡膠，只要有負載，就會膨脹成桶形，所以在計算和設計時要考慮其橫向膨脹后所占空間的問題。
3）、刃型擋片彈性元件的選擇
通過計算，得卸料力4600N。初步選擇4個橡膠，那么，每個元件承擔的力為4600N/4=1150N。
計算時，有如下已知條件：
①、 允許的最大壓縮量（）不超過自由高度（）的45%，一般取
=（0.35~0.45）；
②、 橡膠的預壓縮量（）一般取自由高度的10%~15%，
則=（0.1~0.15）；
③、 橡膠的最大壓縮量=預壓量（）+工作行程（t+1）+凸模修磨量（4~6mm）。
綜合以上條件，則可以通過已知條件工作行程和修磨量計算出所需橡膠的高度，計算公式如下：
=（0.1~0.15）+（t+1）+(4~6)=(0.35~0.4)
取凸模修磨量為4mm,則0.3=（t+1）+4
得=22mm
對于橡膠的橫截面積可以通過公式：A=F/P計算，其中P取0.5，得到：
A=1150N/0.5=2300N
推出：r=27mm
實際中設計人員一般是通過經(jīng)驗和實際條件來選用橡膠。直徑計算往往比實際需要值大很多，所以只是理論論據(jù)。因此最終選用橡膠直徑為25mm.而實際橡膠的高度必須大于計算高度，結合模具設計的裝配圖，確定實際采用=25mm。
選擇完畢后可以進行理論校核，這兩個數(shù)值滿足校核公式0.5臺階尺寸（1.5~2.5mm）。與固定板按H7/m6或H7/n6配合。常用于普通圓形凸模，能保證可靠的固定。
2）、凸模的長度計算
凸模的長度根據(jù)模具的具體結構來確定，一般要求在滿足沖壓條件下，凸模尺寸越短越好。
計算時有首先考慮凸模工作部分的長度l(不引起屈服時的最大長度，單位mm),再考慮凸模總長度的尺寸L。
式中 a——模具無導向a=1; 有導向時a=2;
E——凸模材料的縱彈性模量，模具鋼為2.210Mpa；
J——凸模最小斷面的慣性矩；圓形凸模J=（）/64；
矩形凸模J=（bh）/12。
此外，還要考慮凸模全長與凸模固定板、卸料板和導料板的關系。凸模的計算公式為：
L=
式中 ——凸模固定板厚度（一般為總長度L的三分之一，且1.5d）;
——卸料板和導料板的總厚度（若是彈壓卸料則只有卸料板厚度，但是需要考慮彈性元件高度）；
——安全距離（凸模固定板和固定卸料板之間）一般可以取值10~20mm；或彈性元件的裝配高度；
05~1——凸模進入凹模型孔的深度尺寸。
一般凸模不需要進行強度校核，但是在小孔沖裁等情況下需要校核其強度。另外，小孔沖裁，要給凸模加強保護，避免凸模折斷。
L==46mm
3)、刃型擋片模具凸模結構
該套模具中凸模材料為Cr12，硬度61~64HRC；并要求非刃口銳角倒鈍。在凸模固定端設計一個凸臺，作為裝配結構。
9、 導向零件（模架組合）
隨著對制件精度要求的提高，現(xiàn)代模具的精度也向著高精度發(fā)展。在對生產(chǎn)批量大、零件公差要求高，壽命要求高的模具，都要采用導向零件。在實際應用中，導向零件一般指的是模架組合。
模架主要有兩大類：一類是導柱導套類模架，包括中間導柱模架、對角導柱模架、后側導柱模架和四角導柱模架；另一類是導板模模架，包括對角導柱彈壓模架和中間導柱彈壓模架兩種。模架的組成已經(jīng)標準化，在設計模具時可以選擇標準模架，也可以自行設計模架尺寸。
1）、導柱導套導向
導柱導套與模座的裝配要按照國標規(guī)定。高度H為模具閉合高度，導套在上模座中裝配時，要保留至少3mm的空隙；模具閉合時，導柱距離導套上端面也要有10~15mm的安全距離；導柱在下模座的安裝也不能與底面平齊，要有2~3mm的間隙。同時上模座開橫槽，便于排氣。
2）、滾珠導向
滾珠導向是一種無間隙、精度高、壽命長的導向裝置。常用于高精密沖模中。
該導向裝置由滾珠、滾珠保持器、導柱和導套組成，各組成零件都已經(jīng)標準化。滾珠在導柱與導套之間應保證導套內徑與導柱在工作時有0.01~0.02mm的過盈量。所以：
式中 ——導套內徑；
d——導柱直徑；
——滾珠中心距。
3）、模座
上、下模架的作用是直接或者間接地安裝沖模的全部零件，上模座與壓力機滑塊連接，下模座與工作臺連接，支承、傳遞全部模具的工作壓力。因此，上、下模座的強度不足會引起模具的破損，輕度不足會導致工作時產(chǎn)生大量的彈性變形，導致模具工作零件和導向零件的迅速磨損。
在設計時，模座的選取需要注意發(fā)下幾點：
①、 盡量選擇標準模架，也可以自行設計。模座大小要根據(jù)凹模尺寸來確定，尤其是長度尺寸，要留出安裝尺寸，一般長度方向尺寸比凹模板大30~50mm,寬度方向可以略大于或等于凹模板尺寸；厚度約為凹模板的1~1.5倍，以保證工作時有足夠的強度和剛度。
②、 模座必須與所選定的壓力機工作臺和滑塊尺寸匹配。例如，下模座尺寸應比工作臺尺寸小40~70mm，以便進行安裝固定。
③、 中、大型模具需要在模座上設計吊裝結構，以便安裝、修配時的搬運、移動。在安全生產(chǎn)條例中，如果一件產(chǎn)品的質量超過20Kg，或者需要工人彎腰進行搬運，則要選擇用工具（如電磁鐵）進行搬運，而不能用手工搬運。所以，如果模具重量比較大，或者體積比較大，則要在上、下模座側面打螺紋孔，安裝吊環(huán)。
4）、模柄
中、小型模具一般都是通過模柄將上模與壓力機固定連接。對其基本要求有兩點：一是要與壓力機滑塊上的模柄孔正確配合，安裝可靠；二是要與上模正確可靠連接。模柄盡量選用符合國家標準的標準件。
一體式模柄常用于比較厚而且不是復合模的情況，但通用性差；壓入式模柄主要用于上模座比較而且不是復合模的情況，采用H6/h7配合，常配用止轉銷進行定位；旋入式模柄通過螺紋與上模座連接，并加止轉螺釘放松、止轉，主要用于導柱導套模架中；凸緣式模柄由3~4個螺釘將模柄與上模座連接并固定，一般中間有孔，常用于復合模中，打桿從模柄中通孔中通過，進行打料；浮動模柄的特點是可以削除壓力機導向誤差對模具導向精度的影響。
模柄尺寸則根據(jù)壓力機模柄孔尺寸來確定，模柄類型需要根據(jù)壓力機型號、上模座尺寸來確定。
模具結構各部件尺寸確定后，需校核模具閉合高度和最大高度，是否與壓力機適應，最終確定結構尺寸后，才可以進行裝配圖和零件圖的繪制。
第三章 模具結構總設計
根據(jù)沖壓工藝方案，已確定采用復合模結構，根據(jù)零件的特點可用倒裝復合模結構；采用彈壓卸料、剛性推件；條料在模具中的定位采用活動擋料銷；采用縱向送料；為了操作方便，采用后側導柱滑塊模架。
裝配圖如下：