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冲压模具设计

对于汽车行业与电子行业，各种各样的板料零件都是有各种不同的成型工艺所生产出来的，这些均可以列入一般种类“板料成形”的范畴。板料成形（也称为冲压或压力成形）经常在厂区面积非常大的公司中进行。

如果自己没有去这些大公司访问，没有站在巨大的机器旁，没有感受到地面的震颤，没有看巨大型的机器人的手臂吧零件从一个机器移动到另一个机器，那么厂区的范围与价值真是难以想象的。当然，一盘录像带或一部电视专题片不能反映出汽车冲压流水线的宏大规模。站在这样的流水线旁观看的另一个因素是观看大量的汽车板类零件被进行不同类型的板料成形加工。落料是简单的剪切完成的，然后进行不同类型的加工，诸如：弯曲、拉深、拉延、切断、剪切等，每一种情况均要求特殊的、专门的模具。

而且还有大量后续的加工工艺，在每一种情况下，均可以通过诸如拉深、拉延与弯曲等工艺不同的成形方法得到所希望的得到的形状。根据板料平面的各种各样的受应力状态的小板单元体所可以考虑到的变形情形描述三种成形，原理图1描述的是一个简单的从圆坯料拉深成一个圆柱水杯的成形过程。

图1 板料成形一个简单的水杯

拉深是从凸缘型坯料考虑的，即通过模具上冲头的向下作用使材料被水平拉深。一个凸缘板料上的单元体在半径方向上被限定，而板厚保持几乎不变。板料成形的原理如图2所示。

拉延通常是用来描述在板料平面上的两个互相垂直的方向被拉长的板料的单元体的变形原理的术语。拉延的一种特殊形式，可以在大多数成形加工中遇到，即平面张力拉延。在这种情况下，一个板料的单元体仅在一个方向上进行拉延，在拉长的方向上宽度没有发生变化，但是在厚度上有明确的变化，即变薄。

图2 板料成形原理

弯曲时当板料经过冲模，即冲头半径加工成形时所观察到的变形原理，因此在定向的方向上受到改变，这种变形式一个平面张力拉长与收缩的典型实例。

在一个压力机冲程中用于在一块板料上冲出一个或多个孔的一个完整的冲压模具可以归类即制造商标准化为一个单工序冲孔模具，如图3所示。

图3 典型的单工序冲孔模具

1—下模座 2、5—导套 3—凹模 4—导杆6—弹压卸料板 7—凸模 8—托板 9—凸模护套 10—扇形块 11—固定板 12—凸模固定板 13—垫块 15—阶梯螺钉 16—上模座 17—模柄

任何一个完整的冲压模具都是有一副（或多副的组合）用于冲制工作的（冲压）零件组成，包括：所有的支撑件部分与模具的工作部分零件，即构成一副冲模。冲压（术语）通常将完整压制工具的凹模（母模）部分定义为模具。

导杆，或导柱，是安装在下模座上的。上模座则安装有用于导杆滑动的导套，分别装有导套与导杆的上模座与下模座组合成为木架。模架有许多规格与结构设计用于商业销售。

安装在上模座上的凸模固定装置固定两个凸模（模具中的突出部分），这两个圆形凸模则通过插入在卸料板上的导套进行导向。套筒，或凸模护套，是用来保护冲头，以免在冲压过程中被卡住。在冲穿工件材料后，两个冲头便进入到凹模一定距离。

凹模（母模）部分，即凹模，通常是由插入模具体内的两个模具导套组成的。因为冲头的直径是被冲孔的直径所要求的，所以有一定间隙的凹模直径是大于冲头直径的。

由于工件材料坯料或工件在冲制回程时与冲头附连在一起，所以把材料从冲头上剥离是必需的。弹压卸料板则保持冲头在冲制工件回程时缩回，使工件与工件剥离。一个冲制的工件通常是留在漏料槽内的，漏料槽是由包含整个零件外轮廓的平

板组成。模座是由销钉支撑板以及其他的滑块下行程时定位的挡料块等定位的。

弯曲时一种最常见的成形工序。当我们仅将目光移至汽车或电器上的部件，或一个剪纸机或档案柜上时，就会发现许多零件都是由弯曲成形的。弯曲不仅可以用来成形法兰、接头、波纹，也可以提高零件的强度（通过增加零件的惯性矩）。

图4 弯曲术语

弯曲中所用的术语，如图4所示，应该注意的是，在弯曲中材料的外纤维是处于拉应力状态，而材料的内纤维则处于压应力状态。由于泊松比原因，在外部区域的零件（弯曲长度L）是小于原始宽度，处于内部区域的则比原始宽度大。这种现象可在弯曲一个矩形的橡胶板擦时容易观察到的。

最小弯曲半径对于不同的金属是变化的。一般而言，各种退火的金属板在没有断裂或变弱的前提下，可以弯曲成一个等同金属板厚的半径。随着R/T比值的减少（弯曲半径对厚度的比值变小），外纤维的拉应力增加，材料最终断裂（参见图5）。

图5 泊松效应

不同材料的最小弯曲半径参考表1，他通常是按照不同板厚来表示的，诸如：

2T，3T，4T等。

表1 在室温状态下各种材料的最小弯曲半径

注：T——材料厚度。

弯曲容许范围，是指弯曲中的中性线（层）的长度，用来确定弯曲零件的坯料长度。然而，中性线（层）的位置是哟弯曲角度（正如在材料力学课本中所描述）来决定的。弯曲容许范围（L b）的近似的公式为：

L b=α(R+kT)

式中：L b——弯曲容许范围，毫米；

α——弯曲角度（弧度），度；

T——金属板厚，毫米；

R——弯曲内层半径，毫米；

k——当半径R＜2T时为0.33，当半径R＞2T时为0.50。

弯曲方式通常用于冲压模具。金属钢板或带料，由V形支撑，参见图6（a）在楔形冲头的冲压力作用下进入V形模具内弹簧加载压花销和零件之间的摩擦将会防止或减少零件在弯曲期间的边缘滑移。

棱边弯曲，参见图6（b）是悬臂横梁式加载方式，弯曲冲头对相对支撑的凹模上的金属施加弯曲力。弯曲轴线是与弯曲模具的棱边相平行的。在冲头接触工件之前，为了防止冲头向下行程的位移，工件则被一个弹性加载垫片加紧模具体上。

图6 弯曲方式

弯曲力的大小是可以通过对一根矩形横梁的简单弯曲的工艺过程的确定来估算。在此情况下的弯曲力是材料强度的函数，此弯曲力的计算式为：

P=KLST2/W

式中：P——弯曲力，吨（对于米制使用单位，吨乘以8.896数值以得到千牛顿单位）；

K——模具开启系数：16倍材料厚度（16T）时的开启系数为1.20，8倍材料厚度（8T）时的开启系数为1.33;

L——零件长度，英寸;

S——极限张力强度，吨/平方英寸；

W——V或U形模具的宽度，英寸；

T——材料厚度，英寸。

对于U形弯曲（槽形弯曲），弯曲力大约是V形弯曲所需要的弯曲压力的两倍，棱边弯曲则大约是V形弯曲所需要的弯曲压力的1/2。

回弹。所有金属材料均有一个固定的弹性模量，随之而来的是塑性变形，当施加在材料上的弯曲力消除时就会有一些弹性恢复（见图7）。在弯曲过程中这种恢复称为回弹。一般而言，这样的回弹在0.5°～5°之间变化，取决于固定的弹性模量、弯曲方式、模具间隙等。磷青铜的回弹则在10°～15°之间。