冲压模具间隙分析及模具结构设计

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.31No.05 May.2010

第31卷第05期2010年05月

0引言

金属能进行塑性加工的条件是金属具备良好的塑性，塑性越好，金属承受塑性变形的能力就越强，在一般的冲裁过程中，材料在凸模、凹模作用下，其变形过程分为塑性变形、剪切变形、断裂分离变形，而冲裁件的断面质量由圆角带、光亮带、断裂带、毛刺4部分组成。其中光亮带的切面质量是最佳的，而且该区域发生在材料塑性变形阶段，这个部分所占整个断面的比例随着材料的性能、模具的间隙、刃口的状态及摩擦条件的不同而变化。

1模具间隙对产品质量的影响

当模具间隙过大时，材料上下产生的裂纹不重合，材料中的拉应力将增加，使拉伸断裂过早发生，因而使塑性变形较早结束，光亮带窄，断裂带、圆角带增宽，毛刺和斜度较大，拱弯、翘曲也较明显，冲裁件断面质量较差；当模具间隙小时上下裂纹也不重合。两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第2次剪切，在断面上形成第2光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带。为了得到合格的制品，一般在设计模具时要根据产品的特点和实际情况制定合理的冲裁模具间隙，设计合理的模具结构。

2合理间隙值的确定及模具结构分析

在冲裁过程中，由于不同厚度相同的材料，或者相同厚度不同性质的材料等，各质量因素与磨损方式都在演变，一个间隙值不能同时满足诸多的因素的要求，所以只能在不同的质量要求前提下，通过合理安排各种间隙的大小来满足各方面的要求。从而生产出合格的零件。

2.1冲裁变形区的应力分析及应力状态

在冲裁过程中，如果材料在变形的过程中，材料有良好的塑性，工件的断面质量将得到提高。通过材料的变形过程分析可知，材料的塑性大小和金属所受压应力的数目的多少有关，在主应力图中压应力的个数越多，数值越大，则金属的塑性越高，反之，拉应力的个数越多，数值越大，则金属的塑性就越差。因此在塑性加工中可以通过改变应力的状态，增大变形的静水压力来提高金属的塑性。冲裁时材料的外力和应力状态图如1所示。

图1冲裁时材料的外力分布和应力状态

F p、F p.凸模、凹模对板料的垂直作用力F1、F2.凹模、凸模对板料的侧压力μF p、μF p.凸模、凹模端面与板料间的摩擦力μF1、μF2.凸

模、凹模侧面与板料间的摩擦力

通过对材料在冲裁过程中的材料受的应力分析可知，减小冲裁间隙和增减材料的反顶力可以增

冲压模具间隙分析及模具结构设计*

金敦水

（安徽电子信息职业技术学院，安徽蚌埠233000）

摘要：通过对冲压模具间隙进行分区域讨论，分析了各区域对产品质量和模具结构的影响，同时根据各区域材料变形特点设计出合理的模具结构，为合理模具间隙的确定以及模具设计提供了一定的参考。

关键词：间隙；模具设计；模具结构

中图分类号：TG76文献标志码：B文章编号：1003－0794（2010）05－0111－03

Analysis of Stamping Die Clearance for Die Structure Designing

JIN Dun-Shui

（Anhui Vocational College of Electronics＆Information Technology,Bengbu233000，C hina）Abstract：The various regions’impact on the product quality and die structure was analyzed by discussing the sub-regional of stamping die clearance.Meanwhile according to the characteristics of regional deformation,the reasonable die structure was designed,which provides some references for reasonable determination of die clearance and die design.

Key words：clearance;die design;die structure

*院级科研课题（ADZX0906）

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加材料变形区的静水压力，在变形过程中的静水压力越大，材料晶间变形困难，因而材料的塑性越高。

2.2普通间隙值的确定及模具结构分析

在实际生产中，通常选择一个合适的间隙范围，只要模具间隙在这个范围之内，就可以满足使用的要求，这个范围的最小值称为最小合理间隙σmin，最大值称为最大合理间隙σmax。考虑到模具使用中的磨损，设计和制造模具时要选择最小合理间隙，确定最小合理间隙的基本方法有2种：理论确定法和经验确定法。随着计算机在模具设计中的运用程度越来越广泛，确定合理冲裁模具间隙的方法也变得多种多样。例如：通过建立模糊评判数学模型来计算得到最佳方案；利用最小二乘原理根据技术资料中推荐的离散间隙值，建立相关的函数曲线，然后通过查图法来确定合理间隙值。

根据近年来的研究与应用实践，在确定间隙值时一般按照分类选用。对于尺寸精度高、断面垂直度要求较高的制件，应选用较小的间隙值；对于尺寸精度、断面垂直度要求不太高的制件，应降低冲裁力、提高模具寿命为主，故选用较大的间隙值，选用时可以阅读有关行业的标准，此外还可以采用经验公式计算出合理的间隙值，采用公式Z=kt。其中系数k与材料的性质和板料的厚度t有关，通常给出一个范围，用t的百分比表示系数k的选用表见表1。相应的模具结构简单，采用普通的冲孔落料模具结构。

表1冲裁模合理间隙双面间隙Z

注：①冲裁断面质量要求较高时，可以将表中的数值减小1/3；

②圆柱形孔凹模取表中偏大的数值，锥形孔凹模取偏小的数值；

③小孔冲裁时，间隙值还可以将表中的数值适当减小。

2.3小间隙值的确定及模具结构分析

小间隙冲裁模具与普通间隙冲裁模具相比，其最主要是通过增加变形区的静水压力，起到抑制和减缓裂纹的作用，因此增加了光亮带的长度。此方法适合塑性较好的材料如软铝、紫铜等，制造公差可达IT11～8。同时由于增加静水压力，因此冲裁力比普通间隙模具大50%左右。设计模具结构时，落料件以凹模具为基准，冲孔件以凸模具为基准。同时对应的凸模或凹模采用小圆角刃口（见图2），从而降低对模具的磨损。模具间隙可取C＝0.01～0.02mm，小圆角刃口半径一般取材料厚度的10%。

（a）落料（b）冲裁

图2小间隙圆角刃口冲裁

2.4负间隙值的确定及模具结构分析

负间隙的冲裁机理和小间隙的冲裁机理基本相同，由于负间隙冲裁模具的凸模的尺寸大于凹模孔的尺寸，间隙值为负，冲裁时模具刃口处的静水压力作用很强。因此冲裁力比普通间隙冲裁时大得多，同时模具不能对材料进行完全冲裁，对于不同厚度的材料保证冲裁到的下限位置时凸模下端面距凹模上表面有一定的距离，此距离一般取0.1~0.2mm，此时材料没有完全分离，也未产生撕裂，在材料连接带区域存在一定的应力，因此在设计模具结构时一般采用以下2种方式使材料完全分离：

（1）采用如图3结构，通过下一个工件冲裁时将上一个工件挤出并推出凹模。

图3普通负间隙冲裁

1.材料与工件连接带

2.材料

3.下一个工件

4.上一个工件

工作原理：冲裁时，凸模下端面和凹模上表面保持0.1~0.2mm的距离，工件部分被挤进凹模形成半成品工件3，由于模具没有完全闭合，工件上端部分材料和原材料2下段部分材料重合形成材料与工件连接带1。随着下一次冲裁的进行，先前产生的材料与工件连接带1被挤进凹模，此时完成工件4的冲裁并将工件推出凹模具。

（2）采用如图4的反顶装置，使材料发生分离。

图4反顶装置负间隙冲裁

1.凸模1

2.凹模2

3.材料

4.凹模1

5.凸模2

软钢、黄铜

硬钢

磷青铜

铝及铝合金（软）铝及铝合金（硬）

0.1～0.4

0.01~0.02

0.01~0.05

0.01~0.04

0.01~0.03

0.01~0.03

0.4~1.2

（7％～10％）t

（10％～17％）t

（8％～12％）t

（8％～12％）t

（10％～14％）t

1.2~

2.5

（9％～12％）t

（18％～25％）t

（11％～14％）t

（11％～12％）t

（13％～14％）t

2.5~4

（12％～14％）t

（25％～27％）t

（14％～17％）t

（11％～12％）t

（13％～14％）t

4~6

（15％～18％）t

（27％～29％）t

（18％～20％）t

（11％～12％）t

（13％～14％）t

板料厚度t/mm

材料种类第31卷第05期

Vol.31No.05冲压模具间隙分析及模具结构设计——

—金敦水

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