不規則沖件凹模設計

孫海鋒

摘 要：通過對不規則沖裁件沖裁工藝的分析，提出了采用整體式凹模成型時存在的問題。闡述了采用鑲拼式組合凹摸的沖裁結構及其特點，著重分析了鑲拼式組合凹模的設計要求，從而保證了精度、降低了成本、提高了效率。

關鍵詞：不規則沖件；凹模結構；鑲拼式；使用性能

0 引言

模具廣泛用于汽車工業、工礦機械、電器儀表、日用五金、航空航天等制造中，其產品遍及生產、生活各個領域。因此，模具制造能力的強弱以及模具質量的優劣，都直接影響著各種產品的質量，以及經濟效益的增長。而模具后天性的磨損，或磨損后不及時維修，必將影響到制件的表面質量、尺寸精度和模具材料的浪費。隨著成型制件的質量要求越來越高，數量越來越多，形狀也各異。要想獲得高質量的制件，這就對模具設計的要求大幅提高。下面結合多方面的資料，對不規則零件的沖裁所采用的凹模設計問題進行了分析，并對其解決方法進行探討。

1 零件工藝性分析

某產品中有一種不規則的零件如圖1所示，材料為50鋼，厚度為2mm。因零件生產批量大，幾何形狀較為復雜，要求使用沖裁加工。

從上圖可以看出，該沖裁件形狀較為復雜，且局部結構比較薄弱，要對該零件進行沖裁加工，對凸、凹模的形狀設計要求精度高，尤其是該零件尖角處較多，若凹模受力狀況不好，沖裁時，在凹模的尖角處易形成應力集中，則凹模易在尖角處產生裂紋、或脹裂。無法滿足沖裁件的正常生產。所以要沖出合格的沖裁件，凹模的選擇非常重要，即凹模設計的結構要合理、性能要可靠，且具有一定的使用壽命，同時也要考慮到凹模制造的經濟性。

2 凹模的設計

2.1 凹模的選擇

圖1所示的零件由于形狀復雜，對凹模的選擇非常重要，若采用的凹模設計為整體式，因其制造簡單，但在使用時，若局部出現損壞或磨損時，可能造成整個凹摸報廢，就得更換。當更換一次，其定位基準及間隙就變動一次，使所得的沖裁件質量變壞，同時，工作部分與非工作部分全部由較優質的鋼材制造，從經濟觀點考慮是比較浪費的。由于沖裁凹模在熱處理過程中，會引起變形失去尺寸精度和形狀精度。特別是尖角部分在熱處理時產生了變形，沖裁時就會因為應力集中而易于開裂。所以在沖裁第一個零件凹模就可能會產生裂紋，根本無法滿足沖裁出合格的零件和對模具使用壽命的要求。

此時因采用鑲拼式結構的組合凹模，這時可將凹模由幾個鑲塊接合而成，這樣不僅可以節省模具材料，而且容易加工制造。所得的凹模結構緊湊合理，剛性好、精度高、操作安全可靠、材料消耗低、使用壽命長，能適應大批量生產。同時能很好的解決模具使用壽命的問題。采用鑲拼組合凹模有以下特點：

（1）凹模分塊加工各鑲塊，簡化了毛坯的鍛造，使加工工藝性變好，減小了加工難度。

（2）凹模分塊加工各鑲塊，可以使內形加工變為外形加工，使加工工藝性變好，保證了凹模的加工質量，提高了沖模精度。

（3）凹模分塊加工各鑲塊，降低了對設備加工能力的要求，使適合的加工環境增多。

（4）鑲塊在進行熱處理時，不易產生變形和開裂。

（5）分塊凹模便于維修與更換易損部位，提高了整副模具的使用壽命。

（6）節省了貴重的模具材料，在加工過程中當某一部位損壞時，可以將該部位單獨更換，不至于整個模塊全部報廢，從而降低了模具的生產成本。

（7）分塊凹模便于調整間隙，降低了模具制造的廢品率。

2.2 凹模鑲塊

凹模鑲塊的組合形式如圖2所示，鑲拼塊之間的結構可靠，不應有任何滑動，且這種鑲塊有效的避免了尖角處的應力集中，整塊模塊傳到凹模套上的力不作用在轉角處，在凹模套上不會形成應力集中。

上圖2所示的凹模鑲塊在分段時應注意：

（1）模塊應取矩形、圓形或接近直線的形狀。

（2）要確切的決定凹模各拼合部的位置，并能加以固定。

（3）拼塊部分應考慮機械加工和熱處理的工藝要求，由于尖角處加工困難，而且在淬火時易于開裂，因此經常在刃口的夾角處拼接鑲塊。

（4）拼塊部分應牢靠的鑲入整體的凹模套內，并保證有一定的配合精度和強度，為了防止模具在沖壓過程中可能產生的相對位移，各拼塊應做成能相互鎖住。

（5）在分塊時，還必須考慮便于布置緊固螺釘孔及銷釘孔的位置。

（6）沿轉角、尖角、分割拼塊角度應不小于90度。

（7）圓弧應單獨制成一塊，拼接線應在離切點（4～7）mm處的直線外。大圓弧線或長直線也應分成幾塊，拼接線應與刃口垂直，拼合面的接觸面不宜加長，一般為12～15mm。

（8）凹圓弧與直線相連處的拼合面不應取在圓弧與直線的接點上，而應盡可能選取不在接點處，并移向直線處一定距離，一般為S=3～15mm。

2.3 凹模鑲塊結構

凹模鑲塊結構根據本沖裁件的形狀，厚度和精度來確定，采用直筒式凹模刃口。是因為此刃口強度較好并且刃口的尺寸和間隙不因修磨刃口而隨之增大，故所沖壓工件的質量一直是比較平穩的。設計時直筒刃口部分高度h可根據沖壓材料厚度來確定。

現以圖2中的凹模鑲塊2為例，如圖3所示，鑲塊刃口高度取為10mm，該高度是材料厚度的5倍。為提高刃口再磨性，鑲塊與凹摸套結合處為1°30′的斜面，以便模具裝配時壓緊鑲塊，保證凸凹模間的間隙，確保沖裁質量。

分解后的凹模鑲塊可直接采用數控線切割加工或磨削加工，以平面磨床或萬能磨床輔以相應的夾具加工。斜面磨削可采用正弦夾具輔以加工。使所得的鑲塊結構可靠，精度高，能夠滿足凹模沖裁加工的要求。

2.4 凹模結構

凹模的結構如圖4所示：

凹模由凹模鑲塊與凹模套組成。因為凹模是沖壓模中的主要工作零件，在沖壓過程中，它不但承受沖擊載荷，而且在工作刃口以及工作表面，由于沖擊會產生強烈的應力集中。因此對材料的要求具有較高的硬度和耐磨性，并且還要有足夠的韌性。因此根據制件材料性能的不同，取鑲塊的材料為Cr12MoV，它具有硬度高耐磨性能好的特點，并采用全拼塊組合結構，且互換性能強，維修方便。熱處理淬火硬度為60～62HRC。凹模套作為一個單獨的模具零件，才用這種固定方法的圈框與鑲拼凹模之間的配合應給予一定的過盈量以保證拼合質量。確保拼塊間的緊固可靠，凹模套與凹模板的套合面斜度一般取30′，凹模套的材料為45鋼，熱處理調質硬度為180～220HB。

凹模的固定方法采用平面固定法，即采用將凹模鑲塊拼合在固定的墊板面上，并且用螺釘，銷釘緊固，使鑲塊緊貼墊板。模具工作時，沖裁產生的垂直力由組塊傳到墊板作用到下模座上，橫向力通過組塊傳遞到凹模鑲塊上，這樣可把整體凹模工作時凹模的三向力狀態，通過分塊凹模分解，凹模鑲塊只承受單向應力，有效地改善了凹模的受力狀況，極大地提高了凹模的使用壽命。

3 結束語

鑲拼式凹模的使用，可以有效的提高不規則沖裁件的質量和沖裁效率，尤其是提高了存在尖角較多的沖裁件凹模的使用壽命。在不規則零件沖裁中鑲拼式凹模的使用壽命是整體式凹模的使用壽命的數十倍，尤其當整體式凹模熱處理不當，在尖角處存在殘余應力時，組合式凹模的使用壽命是整體式凹模使用壽命的百倍。如果鑲拼式凹模結合面加工精度較高，凹模套經過鍛造熱處理得當的話，凹模的使用壽命可達百萬件以上，可大幅度降低沖裁加工成本，提高產品競爭力。

參考文獻

[1]楊玉英、崔令江 《實用沖壓工藝及模具設計手冊》 機械工業出版社 2004

[2]鄭家賢 《沖壓模具設計使用手冊》 機械工業出版社 2007

[3]蔣啟翔 《沖壓模具設計制造難點與竅門》 機械工業出版社 2003