1.4 冲模结构设计简介

冲模种类很多，普通全钢冲模只是众多种类冲模中的一种，是板料冲压零件成批和大量生产中使用最广泛、类型最多，在所有冲模中用量最大的主类型常规冲模。这种冲模的类型、结构不仅在众多冲模中具有广泛的代表性与典型性，而且其他种类的冲模类型与结构，大都源于普通全钢冲模，是由普通全钢冲模的相应类型与结构演变、派生而来的。因此，对一个冲模设计人员来说，应该熟悉板料冲压工艺与标准规范、普通全钢冲模的类型和各种典型结构组合、冲模的零部件标准和相关标准规定；了解冲模制造与修理工艺和设备、冲压现场的设备条件与加工水平等；掌握普通全钢冲模的基本设计方法，并具有一定的设计能力，从而能够设计其他种类的冲模。掌握冲模设计方法是冲模设计与制造专业技术人员的基本功，而冲模设计的难点在于结构设计。

1.4.1 冲模的结构

冲模的结构就是冲模的构造，是构成冲模的众多不同形状和用途的零件，以及由多种零件构成的承担不同功能或有不同作用的机构与装置的巧妙组合。

如图1-1所示，普通全钢冲模的基本结构，都是由活动的上模与固定的下模两大部件构成。这两大部分通常由四大系统10余个不同结构、不同功能的机构组成。

应该指出，不是所有冲模都具有图1-1所示的全部系统和全部机构。但图1-1所示的四大系统10余个不同结构、不同功能的机构都是不同类型、不同结构、用于完成各种冲压件用冲模所具有的，只是由于冲模技术功能不同，结构需要有别，设置系统与机构不同。

图l-l 冲模的基本结构

1.4.2 冲模结构设计的任务

冲模设计最主要的工作就是冲模的结构设计。充分利用已知的数据、条件及资料、规范，汲取前人的经验和已在生产中用过的、类似冲压零件的冲模结构，凭借设计人员的智慧、能力和知识，策划、设想并构思，形成一套符合技术功能与生产能力要求的冲模构造，最终设计出可以用于制模与冲制合格冲压零件的成套冲模图样；而且经生产与长期使用考验，冲模结构应技术上先进，使用上安全可靠，经济上合理、节省。这就是冲模的结构设计任务。

冲模的结构设计是一项技术性很强，要求综合知识面很广的创造性工作。

1.冲压工艺分析

根据新产品通过样试与批试鉴定后的定形冲压零件图、冲压零件实物，及其在所属产品中的安装位置、用途及技术功能、运作与使用要求等，进行冲压工艺适应性分析。

按照冲压零件图及有关产品设计说明书、计算书与产品图样，审定冲压零件材料种类及技术要求；检查冲压零件的形状、尺寸及其要求的尺寸与几何精度，冲切面质量及允许毛刺大小与方向，是否超出冲压加工工艺允许的范围；分析其冲压加工的适应性，有没有改进与简化的可能。最后确认冲压零件图给定的冲压工艺技术参数、技术要求及冲模设计所需技术数据与要求，找出冲压加工的要点、难点及必须达到的质量及工艺水平。

2.冲压工艺方案确定

（1）编制冲压工艺的依据

1）冲压零件的图样及其投产批量、预计年产量、总产量。

2）交货期及要求交货方式、包装与运输要求。

3）原材料供应形式与状态。

4）冲压零件的技术要求。

5）冲压零件的质量指标及验收标准。

6）冲压生产现场的设备及配套设施的技术状态。

7）相关冲压设备使用说明书。

（2）冲压工艺方案的内容

1）冲压零件加工工艺流程（工艺路线）图。该图是表明从原材料出库到冲压加工零件完成，转入下一道工序，如去毛刺、清洗、电镀或攻螺纹等，再到成品零件入库的全部完整的工艺流程图。

2）冲压工艺过程卡。冲压工艺过程卡包括冲压加工的各工艺工序，冲压原材料分离与变形的各工序形状、尺寸、技术要求，各工序使用设备、模具、材料与工时定额及检验要点与方法、检验工具、检验要求。

冲压工艺过程卡有行业标准通用格式，使用时，应在确定工艺方案、经过工艺设计与常规工艺计算后，按要求填写。

3）冲模设计任务书。工艺方案确定后，便可编制冲模设计任务书。该任务书除备有详尽的冲压工艺编制说明外，还应附上上述整套工艺文件：冲压工艺流程图、冲压工艺过程卡等。其中，冲压零件的冲压排样图，对冲模设计尤为关键。

（3）冲压工艺编制说明中应说明的问题

1）冲压工序名称、数量及工序（工步）顺序。

2）各工序冲压力、连续冲压的总压力，以及确定选用的压力机类型及其公称压力。

3）冲压原材料牌号、性质、料厚及其公差、半成品及坯件尺寸。

4）各工序（工步）冲压加工的部位、工艺作业性质及冲压后形状。

5）各工序及连续冲压各工位的送料方式、定位基准及出件（料）方法。

6）各工序采用冲模的结构形式及模具闭合高度。

7）各工序的检验要点、质量指标。

8）要求冲压的生产率及产量。

9）各工序所使用的自动化装置。

10）冲压零件的重点尺寸公差、精度等级。

3.策划—设想—构思—绘出冲模结构草图

根据上述冲压工艺文件及冲模设计任务书，在掌握现有相关资料的基础上，遵照下述原则策划冲模结构：

1）在充分研究冲压工艺可行性的情况下，提出多个冲模结构方案，进行经济性、安全性、操作舒服性等对比选优。

2）制模方便，制模周期短。

3）制模与修模费用少。

4）安全性好，劳动强度低。

5）冲模寿命高。

6）模具零部件标准化程度与商品率高。

经初步策划后，可设想冲模的具体结构：模芯（冲模工作部位）的构成，送料、定位、冲压、推卸等各系统与各机构的连接，要设置的各机构功能与必要性，采用导向装置的类别与结构形式；而后，可以构思冲模的整体结构并绘出草图；再经过比对排样图、冲压零件图、工艺过程卡等进行修改；确认结构无问题，便可进行凸模长度、强度与刚度、间隙、刃口与模腔尺寸、行程限位尺寸、冲模压力中心、闭合高度等的计算；主要设计与工艺参数经过详细验算、校核后，最后绘制冲模总装配图。这样，冲模结构设计就基本完成了，但就整套冲模设计而言，还有选用标准零部件、模板，测绘非标零件图，编写设计说明等多项工作要做。

上述为冲模结构设计的常规程序和基本方法。在现场的实际工作中，冲模设计还会根据客观条件和掌握技术资料情况，可采用一些合适而简捷的冲模结构设计方法，但均以上述基本方法为基础。

1.4.3 冲模的设计程序及工作流程

1.新产品冲压件生产与冲压工艺文件编制

通常情况下，新开发的机电或家电产品，首先要进行新产品的样试，即样品试制，用以考核和测定新产品的技术性能、主要技术参数等是否达到产品设计的要求。通过对样试产品的全项目检测、例行试验、在正常生产条件下的试运行、规定超载下试运行、长时间的使用寿命考验等，改进产品设计，必要时重新进行样试。一般情况下，中小型机电产品、仪器仪表、家电新产品样试仅制造5～10台样品。其零件——主要是新设计的非标准零件，多数是板料冲压件、塑料件、铸件及一些切削加工件。这些在新产品样试中所需的冲压件，一般是用组合冲模、简易冲模、通用冲模冲制的，甚至由钳工用手工锯、锉、焊、铆等方法制作。

新产品通过样试鉴定，还必须投入批试，即小批样品试制。样试是考验和测定新产品的性能；批试是考核和验证投入批量生产的工艺及工艺装备，为正常的成批或大量生产作准备。因此，在新产品样试通过以后，就要按初步定型的产品图，零部件的加工、组装及产品总装的样图，编制所需工艺文件并设计制造工装。其中，冲压件所需的工艺文件及工艺装备如下：

1）对产品设计师设计的冲压件图进行工艺性审查并修改，确定冲压件加工图（含技术条件、特别要求）。

2）编制工艺文件：①工艺路线和冲压工艺过程卡（含冲压件工艺流程、工序及工步、使用设备、模具、工夹最具、检验工序及要求等）；②材料消耗定额；③工（台）时定额；④使用辅助材料名称、数量；⑤工艺守则、安全操作规程及特殊要求；⑥工序质量分析表、质量检验规程及特殊要求；⑦冲模整套图样。

3）冲压后续钳工加工的夹具、专用工具。

4）转序车间（工位）及运输工具。

新产品批试一般要多于10台，不超过100台。很多冲压件在进入产品批试阶段后，由于产品设计人员对冲压工艺性及其限制数据不熟悉、冲模结构设计需要或现场生产条件制约等因素，还会与冲压工艺师、冲模设计师协商对冲压件进行一些局部的小修改，以利于冲压加工、提高冲模寿命和降低产品成本。

2.冲模设计的一般程序

冲模设计应该按照以下原则进行：

1）密切结合现场生产条件和技术水平，利用现有厂房、设备和人员，使用更经济、更稳妥的冲压工艺及模具，生产合格优质的冲压件。

2）设计的冲模使用上安全可靠，技术上先进，经济上合理。

3）采用的冲压工艺及配套冲模，要达到“三低”和“三高”。“三低”即劳动强度低、能耗低、生产成本低；“三高”即生产率高、冲压件质量高、模具寿命高。

4）在冲压工艺与模具设计中，要将冲压操作安全放在首位，努力减小噪声污染，改善冲压工作环境。

冲模设计程序与工作流程见图1-2。

确定冲压工艺及冲模结构选型，要按照以下程序逐项实施。

（1）冲压件工艺分析 根据冲压件加工图样，从以下几个方面分析其冲压工艺性：

1）冲压件的材料类型、尺寸、规格及其力学性能和冲压性能。

2）冲压件的形状、结构尺寸及冲压加工的难点与整体冲压难度。

3）冲压件要求的尺寸与几何精度。

4）其他技术要求：①冲压件表面质量，是否有碰伤、划痕、锈斑、油污等；②冲切面质量，包括冲切面表面粗糙度、垂直度、塌角等；③毛刺方向与毛刺高度；④成品交货方式，包括包装、堆放、混装成箱、表面防护包装等。

5）生产量及重复生产周期、预计总产量。

6）原材料供应渠道、供货形式及材料状态。

7）交货期。

冲压件的冲压工艺性好，为连续冲压、一模成形奠定基础，可生产出高质量的冲压件，冲模寿命也得到提高，同时材料利用率也较高，冲压件成本较低。

图1-2 冲模设计程序及工作流程

（2）确定工艺方案 每一种冲压件，尤其是形状复杂，要通过多道工序、多种冲压工艺作业才能完成的冲压件，往往都有多种工艺方案可以冲制完成。因此，在制订冲压件的冲压工艺之前，应根据现场条件、工艺分析结果及可能影响生产的其他因素，提出多个工艺方案，内容主要有：冲压工艺性质、必需的工序数目、工序的组合方式及工序顺序；采用分序多模冲制还是多工位一模成形；列出具体的冲压工艺过程，绘出冲压工艺过程图。通过对各方案的可行性研究，对比其主要优缺点及技术经济数据后确定工艺方案。工艺方案应满足以下要求：

1）实施操作过程中的安全性与可靠性更高。

2）冲压件质量更好，合格率更高。

3）工序更少，使用工模具更少，消耗工（台）时更少。

4）材料利用率更高。

5）生产率更高，冲压件生产成本更低。

6）模具寿命更高。

（3）确定主要工艺技术数据及工艺参数

1）冲压件展开平毛坯及其加工图绘制与尺寸确定。

2）工艺参数的确定，包括拉深系数、翻边系数、胀形系数、缩径系数、变薄系数等。

3）工艺技术数据确定，包括拉深次数、冲裁间隙、拉深间隙、工序数目、连续冲压的工位与工步数目、搭边与沿边宽度值等。

4）主要工艺数据计算，包括各分离与变形工位的冲压力、卸料力、推（出）件力、压边力、压料力、计算冲压加工的总冲压力和冲压功、压力中心、材料利用率等。

（4）冲压设备的选用。根据冲压工艺的作业性质和冲压设备的性能特点，针对冲压件冲压工艺的需要，选定冲压设备类型；按计算总冲压力与冲压功，兼顾模具闭合高度和外廓尺寸，结合现有设备，就高弃低，确定设备公称压力。

（5）排样图的设计 平板冲裁件及各种成形冲压件的展开平毛坯在板、条、带、卷料上的排列布置方法，通称排样。在冲模设计的前期工作中，排样是一项极为重要、技术性很强的设计工作。所谓排样，实际上就是排样图设计。冲模结构设计最主要、最直接的依据和基础就是冲压工艺及其排样图。尤其对于一模成形冲压件的多工位连续模，排样图就是其结构设计的重要组成部分。多工位连续冲压件的排样图，源于冲压工艺及其冲压工步的设计与工步顺序的安排。这种排样图不仅表示出送料进距、沿边、搭边、工位间送进方式和完成冲压件冲压的全部冲压工艺及冲压变形过程，还表示出送料定位方法、冲模的送料定位系统及其构成，甚至连送料定位精度及要采用的定位装置也都直接或间接地表示在排样图上。因此，排样图设计是否合理、实用、先进，直接影响到模具的选型、结构及材料利用率、冲压生产率和冲压件生产成本，同时也影响到冲压件的质量和模具寿命。一个合理而实用的排样图，要密切结合实际和实施冲压工艺的可能性，充分考虑现有材料供应的品种、状态及冲压设备等生产条件，在确保冲压件质量的基础上，力争冲模具有更佳的结构、更好的操作安全性与制模工艺性，要全面综合分析影响排样的各种因素，进行多方案比较，从中选优而确定出最佳排样。

（6）冲模结构选型

1）冲模结构选择的基本原则如下：

①所选择的模具类型和结构必须适合冲压件图样规定的材料及其要求的料厚；冲压的工件能达到所要求的尺寸公差、几何公差、冲压件塌角大小、毛刺高度及冲切面表面粗糙度。

②模具类型及其结构的选用应使制模费用尽可能低：一是选定的模具结构在现有条件下，能冲出合格冲压件且制模费用最少；二是在满足预计总产量的情况下，模具费占冲压件总成本比例最小。

③无需特殊、专用、高精制模设备及高级技工，符合现场制模技术水平，适合现有制模生产与设备条件，具有良好的可加工性，并和实际使用模具的设备技术状态匹配。

④核算冲压件的年产量，预计其总产量。选择的模具结构要使模具按冲次计算，在失效前的总寿命大于或等于冲压件的年产量或总产量，以获得最佳经济效益。

⑤冲压件重复生产的可能性。对于非一次性生产的冲压件，除预计总产量外，还要考虑模具的易损件更换、贮存及冲压件个别尺寸改变的可能性，以便选用寿命适合或更换模具个别零部件即可重复生产的模具结构。这一点对产品更新换代或需要局部改良的冲压件生产是十分必要的。

2）选型应考虑的主要因素。用冲模冲制出成品零件还是加工冲压毛坯，是选择冲模结构遇到的第一个问题。在新产品试制时，冲压件具有生产时间紧、尺寸与形状变化大、数量少等特点，故应选用组合冲模、通用冲模及低寿命的各种简易冲模。如果其几何公差与尺寸公差、表面粗糙度Ra值等与图样技术要求不符或小孔、窄槽和成形部位冲不出来，可增加若干切削加工和钳工工序予以弥补，或用电火花线切割加工。对成批生产，尤其是中批生产冲压件，需要就多种工艺方案和多种模具使用的经济性进行比较后选定。对于大量生产的冲压件，满足冲压件各项工艺技术要求是选择和设计冲模结构的首要依据。通常冲压件的技术要求包括尺寸公差、几何公差、冲切面表面粗糙度、塌角大小、毛刺高低以及其他一些特殊要求。不同的冲压工艺需要使用不同类型与结构的模具，而各类模具在正常生产条件下能达到的经济冲压精度和质量的工艺水平也不同。导板式冲模在成批和大量生产中都可以大有作为：固定卸料导板式冲模在中厚板及厚度在0.2mm以上薄板冲压件生产中优势明显；弹压卸料导板式冲模在高精度薄板与超薄板冲压件生产中优势突出。

在选择成批和大量生产用模具结构时，应尽量利用模具一模成形，达到冲压件图样规定的各项技术要求，免除附加的后续有屑加工，努力做到直接由冲压提供成品零件。通常的冲深孔模可用冲压制孔取代钻孔。目前，已可冲出孔径只有料厚30%的深孔，最小孔径可达0.4mm；利用精密冲裁工艺加工小模数片齿轮取代滚齿加工，如国内现在已能冲出模数为0.2mm的照相机片齿轮，尺寸精度与国产小模数滚齿机加工精度相当，能较好地满足高精度仪表新产品生产的需要；利用万能分解式组合冲模加工新产品试制所需的小批量冲压件，一般在几个小时内，仅靠成组元件拼装而成的通用模具即可迅速完成；利用硬质合金模可以生产几千万到上亿件的冲压件，无需替补模具而实现优质高产。

（7）冲模结构设计

1）构思冲模总体结构。冲模基本类型大致选定后，可以根据投产批量，选择原材料类型及其送料方式；按要求交货期确定冲模效率，并考虑冲模的机械化与自动化程度。当采用带料或卷料进行大量生产时，可考虑使用通用自动送料装置，采用多工位连续冲压一模成形进行不间断地高效生产。

当确定采用板裁条料进行中批与大批量生产时，可以考虑手工送料。但最好用多工位连续冲压一模成形，手工送料远在模具入料口以外，操作安全。

考虑冲压件料厚t及要求的尺寸精度：当料厚t=0.05～1mm时，应采用导柱模架弹压卸料连续模；当冲压件精度超过IT9而其料厚t<1mm时，应选用弹压卸料导板式连续模；当料厚t≥1mm而冲压件尺寸精度低于IT10时，推荐用固定卸料导板式冲模，经济而又安全；当冲压件料厚t=0.2～6mm，其尺寸精度低于IT10时，均可用固定卸料导板式冲模。

考虑冲模的操作安全性，杜绝冲压事故，应在国产普通开式压力机上逐步淘汰的冲模有：①无导向敞开式冲模；②无导向固定卸料结构单工序冲模、连续模、复合模。

2）冲模结构参数的选择与计算。选定冲模结构形式及完成冲模总体构思后，可以初步绘出冲模总装配草图，并进行如下计算：①计算并确定冲模的压力中心，确保其与压力机滑块的中心重合，如遇冲压件特殊或冲模结构设计需要，模具压力中心可偏离压力机滑块中心，但不应超出所用压力机允许的范围；②凸、凹模抗压强度计算以及细长凸模抗纵弯失稳的强度校核；③垫板、模座的抗压强度计算；④弹性元件—弹簧或橡胶的选择及计算；⑤间隙的选定及间隙取向的确定；⑥凸模或凹模以及导板工作部分尺寸的计算与结构尺寸的确定；⑦模具辅助装置及传动机构的设计与计算，如楔传动机构、自动送料与自动卸料结构的设计与计算。

3）绘制冲模总装图并测绘非标零部件图，选用标准零部件。

4）汇总并填写冲模零部件明细表，特别注明选用标准件号、规格、材料等。

5）在冲模总装图上写出技术要求。在完成冲模总装配图的绘制后，必须在总装图的适当位置，设计并提出主要技术要求，主要包括：①压力机型号、公称压力；②使用原材料牌号、种类、状态；③入模材料尺寸、尺寸公差；④要求冲裁间隙；⑤模具闭合高度；⑥打标记。