冲裁工艺分析及排样设计

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3.1 排样设计
排样是冲裁件在条料或板料上的布置方式。合理的 排样和选择适当的搭边值，是降低生产成本和保证制 品质量及模具寿命的有效措施。 3.1.1 排样设计原则 在保证零件质量和模具寿命的前提下，尽量提高 材料利用率。在材料利用率相近时，选用条料进距小 的排样方式。
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横排步距小，定位方便。
冲 压 生 产 现 场
种特殊工艺装备，称为冲
压模具，简称为冲模。
冲模图片
冲模俗称五金模。
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1.2 冲压生产特点
冲压生产特点： ①省料、低耗、高效、低成本； ②质量稳定、互换性好； 螺钉是如何生产的？ ③可加工薄壁、复杂零件； ④操作简单，易实现自动化； ⑤模具成本高，适宜批量生产制品。
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1.3 冲压工序分类
普通冲裁中毛刺是不可避免的，但要控制在允许 的高度范围内。 17
精密冲裁断面特征：
断面垂直，整个断面为光亮带，无断裂带， 尺寸精度高，塌角和毛刺小或无毛刺。 常用精密冲裁方法：整修、负间隙冲裁、 上下两次冲裁、齿圈压板冲裁等。 主要原理是增大材料内部的压应力，防止 材料脆性断裂，材料通过塑性变形实现分离。
根据材料的变形特点分：冲裁工序和成形工序两大类。 一、冲裁的概念
冲裁指冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓 相互分离的工序。冲裁是分离工序的总称。
冲裁是材料剪切破坏在生产中的运用。 冲裁包括落料、冲孔、切断、切口、切边、剖切、 整修等多种工序。
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二、成形工序： 指材料在不破裂的条件下产生塑性变形，从而获 一得定形状、尺寸和精度要求的零件。 成形工序包括：弯曲、拉深、翻边、胀形、缩口、起 伏成形、整形和冷挤压等。
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7、普通冲裁件的尺寸精度在IT10~IT11 级，粗糙度为Ra 6.3μm ~12.5μm，冲 孔精度比落料精度高1级。 8、冲裁件的尺寸标注基准尽量 与冲压时的定位基准一致，并选 择中心线作基准。
图b)比图a) 的标注合理。
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二、衬套落料工序件和冲孔工序件工艺分析 根据以上要求，我们来分析衬套落料工序件 和冲孔工序件的冲裁工艺性。 衬套落料工序件和冲孔工序件的加工部分为 圆形，形状简单，且尺寸不太小，所有尺寸的公 差为自由公差，精度要求不高，因此，冲裁工艺 性良好，采用普通冲裁模加工能保证质量。
各种排样方法特点比较
排 样 方 法
有 废 料 少 废 料 无 废 料
特点比较
概念 沿冲件全部外 形都有搭边
材料利用 率
冲件 质量
模具 寿命
应用
最低
好
高
形状复杂、 尺寸精度较高
沿冲件部分外 形有搭边
较高
较好
较高
某些尺寸精度 不高
无搭边废料 高
不易 保证
最低
结构形状有要 求，应用受限。
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采用少废料或无废料排样时，材料利用率高，冲 裁力小，制品精度不高。
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当冲裁间隙合理时，凸模刃尖附近材料产生 的裂纹与凹模刃尖附近材料产生的裂纹能重合 ，能得到正常的断面质量。 合理冲裁间隙不是具体某一个值，而是一 个范围，在这个间隙范围内，能得到正常的 断面质量。 不同行业，不同精度的零件所采用的合 理间隙是不一样的。
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普通冲裁提高断面质量的措施： 1）在合理间隙范围内，采用较小的冲裁间 隙； 2）采用弹性卸料板压紧材料后冲裁；
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③多工位连续冲裁 将复杂的冲裁内容分解为多个简单内容，安排 在模具的不同位置完成。 特点：模具结构复杂，可采用自动送料，生产 效率最高。适合冲裁复杂中、小零件。大批量生 产时常用。
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电机定子和转 子铁芯冲模
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作业： 1、冲压加工有何特点？ 2、为什么将落料与冲孔区分为两个工序？ 3、冲裁件的工艺性是指什么？设计冲裁件结构和尺 寸时应注意什么？ 参考答案
采用有废料排样时，制品质量和模具寿命较高， 材料利用率较低。
不同的排样设计材料利用率不同
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通过改善零件结构，可提高材料利用率。
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3.1.3 排样方式
为了便于合理排料，将工件的形状特征分为九类： 矩形、梯形、三角形、圆形和多边形、椭圆形、十 字形、山形、T字形和角尺形。 根据冲裁件在板料上的布置方式，排样形式有直 排、单行排、多行排、斜排、对头直排和对头斜排等 多种排料方式。 一般按工件的形状特征来选择排样方式，通过 在电脑中比较几个排样方案的材料利用率，来确 定排样形式。
衬套拉深 前的毛坯
图2-1 衬套落料工序件
衬套翻边 10 图2-2 衬套冲孔工序件 前预冲孔
1.5 落料与冲孔的区别： ①加工目的不同 落料是为了获得一定尺寸和外形轮廓的工件。冲 孔是为了得到工件的内孔。
外形加 工属于 落料
内孔加 工属于 冲孔
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②模具刃口尺寸计算方法不同 落料件大小由凹模决定，因此选择凹模作基 准，冲裁间隙放在凸模侧。 冲孔大小由凸模决定，选择凸模作基准，冲 裁间隙放在凹模侧。 凸模
冲压与冲模的概念；冲压加工特点；冲裁的概 念；落料与冲孔的区别；冲裁断面特征及影响因素； 冲裁件的工艺性；排样设计原则；排样分类；搭边 及步距的概念；排样图的内容；材料利用率的计算。
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1.1 冲压与冲模的概念
冲压：室温下用压力机和模具
使材料分离或塑性变形来
制造产品的方法。 冲模：在冲压加工中，将材料 加工成零件或半成品的一
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1.4 落料与冲孔的概念
冲裁过程动画
1、落料：用落料模使制品沿封闭轮廓从板料或条料 上分离的冲压工序，冲下部分为制件。加 工垫圈外形的工序属于落料工序。 2、冲孔：用冲孔模使废料沿封闭轮廓从板料或工序 件上分离的冲压工序，冲下部分为废料。 加工垫圈内孔的工序属于冲孔工序。
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冲裁工序中落料和冲孔应用最多，是最基本的冲 裁工序。 冲裁的用途： 既可冲出成品零件，又可加工半成品，可为其 他成形工序制备毛坯。
冲孔从凹模中漏下的是废料， 落料从凹模中漏下的是工件。 凹模
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2.1 冲裁件的工艺性
冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应 性，即冲裁件在冲压加工中的难易程度。
2.1.1冲裁变形过 程分析 冲裁变形过程 可分弹性变形、塑 性变形和断裂分离 三个阶段。
图2-8 冲裁变形过程 (a)弹性变形 (b)塑性变形 (c)出现裂纹 (d)裂纹贯通 (e)板料完全断裂分离 (f)剪切断面
φ 81
φ 81
1
R1 φ 42
衬套零件图
04 φ1
15
R1
R1
φ 29.3
φ 42
衬套落料工序件
衬套拉深工序件
衬套冲孔工序件
衬套翻孔工序件
3
7
7
15
R1
我们选取衬套零件的两个冲裁工序件的模具设计 作为项目1，通过完成该项目来学习冲裁工艺与模具 设计知识。
任务1 冲裁工艺分析及排样设计
为了完成该任务，需用到的知识点有：
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2.1.2 冲裁件工艺分析
一、冲裁件的工艺性要求： 1 、冲裁件的形状力求简单、对称，以圆形、矩形等 规则几何形状组成的几何图形为较佳，这样使排样时 废料最少。
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2、无过长的悬臂、狭槽，所谓悬臂、狭槽，即其 宽度b≤2t，深度L≥5b ； 若零件功能需要 宽度b≤2t 时， 不能一次冲出， 应分多次冲出。 如手表的秒针。
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1. 弹性变形阶段 变形区内部应力小于屈服点 冲头离开后能弹性恢复。
2. 塑性变形阶段 变形区内部应力大于屈服点，塑 性剪切、弯曲、拉伸和侧向挤压变 形，加工硬化，应力集中，冲头离 开后变形不能恢复。 3. 断裂分离阶段 变形区内部应力达到抗剪强度，裂纹首先产 生在刃口附近，随着凸模的深入上、下裂纹扩展 相遇，材料断裂分离。
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每种材料冲裁时都要经过弹性变形、塑性 变形和断裂分离三个阶段；
不同材料由于硬度和塑性不同，这三种变 形所占的比例也不同。 塑性好的材料，塑性变形阶段较长；塑性 差的材料断裂分离阶段占的比例较大。
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2.1.2冲裁断面的四个区域性特征：
①塌角带 由刃口挤入板料时刃口附近材料被除数牵连拉入 变形的结果； ②光亮带 表面光滑，表面质量最好；
③剪裂带 表面粗糙并略带斜 度，不与板面垂直； ④毛刺 是由于裂纹产生的位 置偏离刃口所致。 在四个特征区中，光亮带越宽， 断面质量越好。
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2.1.3影响冲裁断面质量的因素 1 、材料力学性能的影响 塑性好，塌角、光亮带大，断裂带小。 材料硬，断裂带大，光亮带小。 2、模具间隙的影响 间隙过大或过小，断面质量都变差，毛刺变大。 冲裁间隙有个合理范围，新模取最小合理间隙。 3、模具刃口状态对质量的影响 凸模刃口磨钝时，落料件上端产生毛刺； 凹模刃口磨钝时，冲孔件孔口下端产生毛刺； 凸、凹模刃口同时磨钝时，冲件上、下端都产生毛刺。
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2.1.5 冲裁工艺方案的选择
复杂冲裁件往往包含多种冲裁工序，根据零件结 构特点、精度要求、零件大小、生产批量等众多因 素，通常有三种工序组合方案。 ①单工序冲裁 冲床一次行程，只完成一种冲裁工序。 其特点：模具结构简单，模具数量多，占用设 备和人员多，生产效率低。生产批量不大时常用。
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②多工序复合冲裁 在冲床一次行程，在模具的同一位置完成二种 或二种以上的冲裁工序。 特点：模具结构较复杂，制造困难，制品位置 精度高，生产效率较高。 孔边距和孔间距较小的制品不能用。工艺性不 良的制品或复杂制品不能用。
纵排步距大，操作不方便。
斜排材料利用率高，定位不 方便。
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3
同一工件的不同排 样方式，其材料利用率 不同。 图（a）材料利用率39% 图（b）材料利用率51% 图（c）材料利用率61% 图（d）材料利用率72%
1.5
20.4
1.5
5
19
22
1.5
8 9.5
1.5
7.9
( a)
1 .5
(Байду номын сангаас)
1.5
39
46.76
图（f ）材料利用率90%
3.1.2 排样分类 按照材料的利用率，排样可分为有废料排样、少 废料排样和无废料排样三种。
废料是指冲裁中除零件以外的材料，包括工艺废 料和结构废料。搭边属工艺废料，冲孔废料属结构 废料。
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有废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件 与条料侧边之间均有工艺废料，冲裁是沿冲裁件的封 闭轮廓进行的。 少废料排样是指只在冲裁件之间或只在冲裁件与 条料侧边之间留有搭边，冲裁只沿冲裁件的部分轮 廓进行。 无废料排样是指在冲裁件之间、冲裁件与条料侧 边之间均无搭边存在，冲裁件实际上是直接由切断条 料获得的 。 41
2 8. 5 19 1. 5 19 . 6
1.5 9.5
5
5.83
( c)
(d)
图（e）材料利用率85.4%
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由以上例子可以看出排 样设计的重要性。排样设 计对降低生产成本有显著 效果。
2.54
5.83
（f）
排样设计除考虑材料利用率外，还要考虑 工件精度要求，生产批量大小，模具的制造水 平等因素。
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3、孔间距、孔边距不能太小，所谓过小孔间距，即 指b2＜ 1.5t ，所谓过小孔边距，即指b1＜t； 若零件功能需要 孔边距 b1≤t 时， 不能一次冲出， 应分多次冲出。 如手表的秒针。
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生活中工艺性不良的零件实例
手表游丝和摆轮 风筒罩 钢笔笔尖
筛网
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4、 冲裁件的外形或内孔的转角处应避免存在尖锐 的尖角，采用圆角过渡为较佳，一般在圆角处应 使R≥0.5t。
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课程说明：
本课程以项目为载体，通过五个冲模设计项目， 融入了冲裁、弯曲、拉深、成形等工艺知识与模具 设计知识，还对级进模作了详细解析。 每个模具设计项目按实际工作顺序，分解成若干 个任务，通过完成这些任务来学习相关的知识点。
对于五个项目没有涉及的有必要了解的内容，采 用知识拓展的形式列出。
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如图所示的冲压件名称是 衬套，材料为Q235冷轧钢板， 料厚1mm，年产量3万件， 由落料、拉深、冲孔、翻边 四个工序冲压完成。
模具在锐角的尖角处磨损特别快，导致毛刺大。 另外尖角处应力集中，热处理时易开裂。
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5、 冲孔制件的孔不能太小，孔径应大于料厚。
一般冲孔模可冲压的最小孔径
料厚小于1mm的按1mm计算
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6、在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔与直壁之间距离 不能过小，孔不能进入圆角部分。
L≥R＋0.5t
在圆角处冲孔冲头易折断；若先冲孔后成形， 圆角处的孔会变形且孔位不准确。
3）模具采用良好的导向，确保冲裁间隙均 匀； 4）刃口保持锋利。
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2.1.4 冲裁件工艺分析
应充分研究设计要求，了解产品用途，并进行冲 压件的工艺性及尺寸公差等级分析，改进冲压件结构 或工艺性。
例：零件的三个安装孔 有精确的位置要求，而 外形是无关紧要的，因 此在对零件的外形由A变 为B 。 在不影响零件精度的 条件下，提高了材料利 用率和生产率。