冲裁模具的结构设计

第四节　冲裁模具的结构设计

一、模具结构形式的选择

模具标准化是建立模具CAD/CAM系统的重要基础。冷冲模国家标准为冲裁模具CAD/CAM系统的建立提供了有利条件，它包括14种典型模具组合、12种模架结构以及模座、模板、导柱、导套等标准零件。

由于冲裁模CAD/CAM系统采用了冷冲模国家标准，所以冲裁模的结构设计主要是选择模具组合的形式、选用模架和其他标准装置以及设计凸模和凹模等零件。

(1)对简单模，主要选择弹压或固定卸料、上出件或下出件，其主要判断依据是冲件的料厚及其对平整度的要求。

(2)对料薄且平整度要求高的冲件，宜选择弹压卸料及上出件形式，否则可选择固定卸料及下出件形式。

(3)对于复合模，主要是倒装与正装的选择，其判断依据是凸凹模的壁厚值，即倒装所要求的凸凹模的壁厚值比正装大，故只要采用将图形放大与缩小的办法，即可判断出产品的孔间距是否满足倒装复合模的要求，如不满足，则可选用正装复合模。

(4)对于连续模，主要是选择条料的定位形式，一般有临时和固定挡料销加导正销及侧刃加导正销两种组合形式。前者多用于材料厚度较大、精度要求较低的情况，后者则用于不便采用前者定位的情况。

模具结构形式的选择经常采用交互式设计方法，充分发挥人在设计中的作用:把由计算机完成很复杂的工作交由人来完成，从而避免编制作用不大但复杂的程序，计算机只在图形显示及计算方面起辅助作用。通常，冲模CAD/CAM系统都将模具零部件分为两大类:一类为标准零部件，如底板、导柱、导套等;另一类为非标准零部件，如凸模、凹模、推板等。标准零件的数据是不变的，存放在数据库中，在设计过程中可进行选择调用。非标准零件的数据是变化的，因产品零件的不同而异。这种做法大大提高了设计效率。

二、模具结构设计的软件模块

当模具类型确定后，即可输出信息给数据库，然后由数据库调出绘制该种模具组合所需的全部信息，供给绘图模块调用。

图3－12为冲裁模CAD/CAM系统模具结构设计模块的结构图，该模块分为三个子模块，即系统初始化模块、模具总装及零件设计模块、图样生成模块。

图3－12　模具结构设计模块的结构图

1．初始化模块

根据产品的工艺设计信息和用户要求，对系统参数进行初始化，显示系统的用户菜单。

2．模具总装及零件设计模块

它是模具结构设计模块的主要部分，它又分为基本结构设计、工作部件设计、杆件与板件拼合、板件设计与编辑、模架设计、卸料装置设计、紧固装置设计、辅助装置设计等八个子模块。

根据用户要求，基本结构设计子模块可完成模具标准结构图的选择和非标准结构的设计。工作部件设计子模块以交互方式进行凹模、凸模和凸凹模的设计，最后得到记录这些零件信息的零件描述表。杆件与板件拼合子模块可实现杆件与板件的拼合，自动处理内孔参数，处理拼合结果。板件设计与编辑子模块完成板件的设计、插入和删除。其他子模块分别完成模架、卸料装置、紧固装置和辅助装置的设计。

3．图样生成模块

根据模具总装及零件设计子模块产生的总装图、零件图、零件描述表，在总装图上添加指引线、明细表和标题栏，产生绘图文件，以便在绘图机上绘出一幅完整的模具总装图，如图3－13所示。

图3－13　冲裁模总装图

三、模具结构设计的基本过程

图3－14　模具结构设计的基本过程

模具结构设计的基本过程如图3－14所示。目前，在模具CAD系统中，模具结构设计的基本方法有两种:一是人机交互式二维图形设计法，采用这种方法对模具设计分析程序的编制要求较低，设计出的各种模具结构的通用性强，并能充分发挥设计者的主观能动性，但这种方法需配备大规模的子图形库及基本图形运算库，对于复杂的零件和结构更显得繁琐，影响CAD系统的效果，且效率低。二是程序自动设计法，这种方法对操作人员的技术要求较低且效率高，但这种方法不能包罗所有可能的结构形式，存在一定的局限性，对模具结构设计分析程序要求很高，编程工作量大而复杂，以致CAD系统开发的周期较长。

因此模具结构设计一般采用程序自动设计为主，人机交互二维图形设计为辅，加强系统的图形编辑功能，对自动设计的结果进行一定的人工干预和实时修改。

1．模具总体结构初步设计

在系统设计时，应事先确定若干种冲裁模的基本结构形式和典型组合，如下出料式落料模、上出料式落料模、倒装式圆模板复合模、正装式圆模板复合模、倒装式矩形模板复合模、正装式矩形模板复合模、弹性卸料纵向送料连续模、弹性卸料横向送料连续模、弹性卸料冲孔模、固定卸料冲孔模等。对每种结构由哪几个主要零件组成及其装配次序和装配关系应予以详细的规定。这些规范化的结构以数据形式存放在数据库和图形库中，供选择和调用。另外，按照一定的数据和形式，预先将各种标准模架的图形文件储存于图形库中，程序读入工艺设计的结果，自动选定模具总体结构，或由设计者自由选择。根据工件的形状、尺寸选定凹模外形规格，最后输出典型组合索引文件及模架索引文件，由数据库检索出相应规格的典型组合及模架标准。

2．模具零件设计分析

冲裁模零件按其标准化程度可以归纳为以下三类:

(1)完全标准件　如导柱、导套、卸料螺钉、挡料销、导正销、标准圆凸模等，多数为轴类零件，直接从图形库中检索出来使用，模具零件设计分析程序的任务是输出标准索引文件。

(2)半标准件　如凹模板、凸模固定板、凸凹模固定板、卸料板、各类垫板、上模座及下模座。此类零件的外形及其固定用孔，包括螺纹孔、销钉孔等，均已预先规定，而其内形随冲裁件的变化而变化。其中标准部分可直接从图形库中检索得到，而非标准部分则由设计分析程序得出，这类零件大多为板类零件，模具零件设计分析程序的任务是输出标准件外形索引及其内形的实体描述文件。

(3)非标准件　如凸模、卸件块、凸凹模等。此类零件因无标准形式，故需按不同工件进行设计，其一般形式是柱体和阶梯轴，模具设计程序的任务是给出非标准件的完整的实体描述文件。

如上所述，冲裁模零件的形状不外乎是板块、柱体或阶梯轴，其内孔大多是直孔或阶梯孔，因此可以按二维半图形来处理，这是冲裁模CAD系统的一大特点。

二维半物体的造型可以用平移拉伸法，即由直线和圆弧组成一个多边基面，将该平面拉伸一段距离，即可得出一个二维半物体，如图3－15所示。物体顶面节点的X、Y坐标与底面对应节点的坐标相同，只是Z坐标相差一个高度值h。

图3－15　二维半物体

可以用一定的数据结构来描述标准二维半物体及阶梯轴(包括圆柱及非圆柱)类物体的顶面平面图形及该平面对应的高度和各个阶梯之间的过渡形式。冲裁模零件与零件之间的装配关系不外乎以下3种:

(1)板块与板块之间的叠合(如凹模与下模座之间)。

(2)实心或空心的柱体和轴类零件嵌插在板块上(如凸模与凸模固定板之间，导柱与下模座之间)。

(3)空心的板块和空心的轴、柱类零件内安放另一个零件(如导套与导柱之间，上模座与打板打杆之间)。

冲裁模装配图的主体可以看作是若干按一定次序排列的模板的集合，而各模板上的内孔(图形内形)中又分别插入一些零件，这些零件的空心件内还可以再安放其他零件，所有这些零件都是无序的，但它们都以一定的板类零件或空心零件作为安装的工艺基准，构成了一定的定位关系。图3－16概括了冲裁模装配图中各种零件之间的装配关系。

图3－16　各种零件的装配关系

四、工作零件设计

1．凹模与凸模形式的设计

凹模形式设计，包括凹模外形选择(矩形或圆形)、凹模外形尺寸计算以及凹模刃口形式选择等。凹模的外形尺寸必须保证凹模具有足够的强度，以便能承受冲裁时产生的应力。通常的设计方法是按零件的最大轮廓尺寸和材料的厚度确定凹模的高度和壁厚，从而确定凹模的外形尺寸。所以，凹模的外形尺寸是由冲裁件的几何形状、厚度、排样转角和条料宽度等因素决定的。

凹模的工作部分有图3－17所示的四种形式。设计时，屏幕上显示出该图形菜单，用户键入适当数字，便可选定相应的形式。凹模口部的台阶高度和锥角等有关尺寸，由程序根据选定的形式自动确定。凸模形式按有无台阶及台阶多少分为如图3－18所示的四种形式，利用屏幕菜单进行选择。根据凹模尺寸和模具组合类型，查询数据库中的标准数据，以确定凸模的长度尺寸等。程序能自动处理凸模在固定板上的安装位置发生干涉的情况，决定凸模大端切去部分的尺寸。

图3－17　凹模工作部分的形式

图3－18　凸模结构形式

按国家标准设计冲裁模时，凹模尺寸是关键尺寸。对于选定的模具结构形式，当凹模尺寸确定后，其他模具零部件尺寸(如模架闭合高度、凸模长度)也将随之确定。

凹模的设计流程如图3－19所示，整个设计过程由人机对话、菜单选择和程序运行相结合进行，直观、灵活而且使用方便。图中k、i、g、δ分别表示模具组合类型、排样参数、零件的几何形状和材料厚度。送料方向由条料宽度和零件在送料方向上的最大轮廓尺寸的相对关系决定。凹模形状(圆形或矩形)的确定和模具材料的选择，由人机对话和菜单选择完成。

图3－19　凹模设计过程

2．凸、凹模刃口尺寸的计算

冲裁模CAD系统中工作零件刃口尺寸计算的基本原则与手工设计相同。落料时应以凹模为设计基准配作凸模;冲孔时应以凸模为基准配作凹模。同时，还应考虑刃口在使用过程中产生磨损，落料件的尺寸会随凹模刃口的磨损而增大，冲孔的尺寸会随凸模刃口的磨损而减小。

根据磨损情况，将刃口尺寸定义为三类:随磨损而增大的尺寸定义为A类尺寸，变小的尺寸定义为B类尺寸，不变的尺寸定义为C类尺寸。刃口尺寸计算公式为:

式中:a、b、c——A、B、C三类模具刃口尺寸(mm);

a _max、b _min、c _min——相应的工件最大或最小尺寸(mm);

x——刃口磨损量补偿系数，IT10及以上时x=1，IT11～IT13时x=0．75，IT14及以下时x=0．5;

Δ——工件公差(mm)。

以上公式为设计基准件的尺寸计算公式，当冲裁件为圆形时，采用分开加工，故用上述公式计算出基准件尺寸后，还需计算与其配合的凸模(减间隙值)或凹模(加间隙值)尺寸。对于非圆形冲裁件采用配合加工，在基准件上标注基本尺寸和公差，而在配作件上标注基本尺寸，并注明间隙值。

五、冲模结构件设计

1．推件装置设计

图3－20　复合模推件装置

在冲裁复合模中，为了将工件(或废料)从凹模中推出，需要有推件装置，包括打杆、打板、顶杆、推板，如图3－20所示。顶杆位置布置与打板形状设计是一个很重要的问题，若处理不当，将因顶杆偏载而加速模具的损坏或打不下工件;打板形状的合理与否，则影响底板强度。但是打板形状与顶杆位置布置的随机性很大，很难利用信息检索确定，一般可采用自动设计与人机交互式设计结合或全人机交互式设计。

决定顶杆直径D的方法，可先根据材料厚度初选顶杆直径，如料厚t＞3 mm，取D= 8 mm; t＜3 mm，取D= 4～6 mm，然后应用交互式语言询问操作者是否同意，即由操作者根据图形考虑布置位置的大小后，最后确定直径。顶杆的布置方式因模具结构、工件形状以及设计习惯的不同而不同，顶杆布置形式包括:

(1)全部顶杆在凹模孔内布置(即内顶杆)，如图3－21(a)所示。

(2)一部分顶杆在凹模内布置，另一部分顶杆在凹模孔的边缘布置(即边界顶杆)，如图3－21(b)所示。

(3)采用“台阶式”推板，虽然扩大了顶杆的布置范围，但使模具结构复杂，如图3－21(c)所示。

无论哪一种情况，顶杆布置必须满足:顶杆受力尽量均匀;顶杆应靠近冲裁轮廓边缘布置;顶杆数量与直径选择适当;在某些特殊部位(如工件的窄长部分)须安放顶杆。

图3－21　顶杆的布置形式

图3－22　打板形状

打板的功能是将打杆的力传给顶杆，以便顶出工件。打板分规则和非规则两种，如图3－22所示。规则打板一般用于小件;对于中、大型零件，若采用规则打板则上底板挖得太空，不能保证其强度，故需采用非规则打板。对于打板的非规则形状，可以选择三爪、四爪等形状，根据工件大小确定外轮廓尺寸，然后逐渐变换安放角度，以使全部顶杆作用于其上。

当设计规则打板时，程序根据工件外轮廓形状，自动判断采用矩形或圆形打板。在设计规则打板后，程序亦自动设计出非规则打板。在上底板与模柄的设计程序中权衡各种因素后决定采用哪一种形式。

2．定位装置的设计

定位装置的作用是保证送料进距和准确的定位。定位装置的设计一般考虑两种定位方式，即侧刃方式和固定挡料销、临时挡料销、导正销方式。在设计过程中采用了自动设计、人机对话和图形交互相结合的方法。设计者可自主地控制设计过程，选择合适的设计参数，交互修改设计结果，直至满意。图3－23所示为定位装置设计的流程图。

图3－23　定位装置设计的流程图

程序首先从数据库中检索有关数据，读入凹模的有关数据，根据凹模设计结果选择送料方式，进行导向侧刃、固定挡料销、临时挡料销和导正销的设计。程序考虑两种形式的卸料板，用户可根据落料的轮廓形状选择卸料板类型。挡料销和导正销的位置可通过移动光标确定在合适的位置。导板、卸料板、侧刃和导正销的设计由程序自动完成。