3.2 单工序冲裁模结构特点及设计
在压力机的一次冲压行程中，只完成一个冲裁工步的单工序冲裁模，不光是冲孔模、落料模，还包括一次同时冲制群孔、冲多个切口的冲模，一个工步内同时冲孔、切口及冲开的冲裁模，以及拉深件垂直切边、水平切边等较复杂的冲裁模。这类冲模用于不同的冲裁工艺作业，其结构的繁简与复杂程度相差悬殊。依其结构特征兼顾其用途细化分类，便可大致区分出其结构复杂程度、标准化程度及商品率，为其市场化运作创造有利条件。
3.2.1 无导向装置的单工序冲裁模
结构简单的落料与冲孔用冲裁模，一般既无模架，也无导板与卸料板，甚至还没有定位装置，只有整体结构的或镶拼组合结构的凸模与凹模。为卸料方便，有在凸模上装橡胶块或弹性卸料器，也有在下模上装卸料爪、卸料块用于卸料。
实例1
图3-1所示是一套结构简单、通用性强的一般精度、形状规则而简单的平板冲裁件落料模。该模具在结构设计上有以下一些特点：
图3-1 圆片无导向敞开式落料模
1—可调定位板 2—下模座 3、10、12、13—螺钉 4、11—垫圈 5—凹模 6—导料板 7—卸料爪 8—凸模 9—模柄
1）标准化与通用化程度高。除工作零件凸、凹模是可换的非标准零件外，其他零部件均为工厂常用的和机械行业冷冲模成套标准件，可以通用。
2）冲模结构通用性强，使用范围较广。该冲模的工作零件可依需要更换；两导料板构成的导料槽宽窄与高低均可调，可以适用的料厚、条料宽度范围更广一些；可调定位板，不仅可调圆形工件的搭边大小，还可改变圆形挡料形状，即可用于其他形状工件的落料定位；通用标准下模座中的标准圆形凹模板可随时更换成欲冲裁工件凹模。
该模具可用于Φ40～Φ100mm圆片落料，相当尺寸的方形、矩形以及类似简单形状的平板冲裁件落料均可采用，但必须依冲压工件更换凸、凹模；按送进料宽调整导料板与卸料爪；按送料进距及搭边大小调整挡料板。
实例2～4
有一些较大尺寸的冲裁件，为简化冲模结构，减轻模具质量并减少制模钢材消耗，降低模具造价，缩短制模周期，经常采用无导向敞开式结构冲裁模。
图3-2～图3-4所示为电机长腰形罩壳、异形拉深件分序多模冲制所用三套不同分离作业的冲裁模，具有典型性。
图3-2 电机长腰形罩壳拉深毛坯落料模
1—模柄 2—凸模 3—顶板 4—螺钉 5—凹模 6—圆柱销 7—螺钉 8—下模座
电机的长腰形罩壳，是一个带方形宽凸缘的异形拉深件，采用成对拉深最后剖切成两件的分序多模冲压工艺。以上图3-2～图3-4所示拉深毛坯落料、拉深件切边以及拉深件剖切等三套不同分离作业的冲裁模，结构相对复杂一些。
其毛坯落料模结构选型，考虑工件为料厚仅1mm的软钢板，毛坯尺寸又较大：长×宽=254mm×158mm，采用落料后反顶模上出件，毛坯虽料薄、尺寸大、易变形，由于弹压板将料校平后反顶出模，确保毛坯平整，为提高拉深件质量打下了基础。
凹模采用凸台刃口，使冲裁件能从原材料顺利分离，并便于从凸模上卸下搭边框而不会损伤工件。手工送料，操作方便，刃磨也方便，且刃磨量减少了许多。
因拉深具有宽窄不一凸缘的异形拉深件，要通过切边获得规定形状的平凸缘，切边模的刃口形状与尺寸，靠镶拼结构的刃口加以控制。凹模的镶块拼合后用加热凹模框靠热胀放大，套住镶拼组件，待凹模容框冷却后收缩夹牢镶块。
剖切模的结构设计，考虑采用拉深件的对应边凸缘和设置定位板紧靠拉深件外侧定位，用厚为15mm的剖切刀，从拉深件中间剖切，成为两件。切缝宽15mm在拉深件上考虑。较宽的切缝可提高剖切刀寿命，并提高工件剖切面质量，保证工件光洁平直无手感毛刺。
图3-3 电机长腰形罩壳拉深件切边模
1—打棒 2、4、12、17、18、20—各种螺钉 3—模柄 5—四脚打板 6、13—圆柱销 7—凸模固定板 8—凸模 9—卸料板 10—凹模 11—弹簧 14—热套圈 15—凹模垫板 16—下模座 19—定位顶料板
拉深件剖切模都是单工序冲模，但其结构设计存在着工件夹持、压料、剖切刃口形状的设计，剖切件尺寸与几何精度控制等诸多问题。图3-4b所示为仪表壳剖切模结构形式。考虑仪表壳有较高尺寸精度要求，并不准有肉眼可见的剖切毛刺，故设计采用后侧导柱模架，弹压卸料板、可调夹紧定位装置；同时，采用大于3倍料厚的剖切刀，并使其具有120°尖角刃口，见图3-4b，使用效果较好。
实例5
图3-5所示为一套有凸缘、带台阶的圆筒形拉深件垂直切边模。该冲模虽无导向装置，但有可靠的定位系统，并装有废料切断刀。只要在安装冲模时仔细调试，控制合理切边行程，保证切边上模能在切边后下行与废料切断刀接近，将切边废料切断。但不得下行过深，以避免压坏工件并与废料切断刀刃口相碰。
无导向单工序冲裁模通常在以下场合使用：
1）冲裁件尺寸精度不高，一般低于IT12。
2）冲裁料厚较大，通常t≥1mm。
3）冲裁线形状为圆、方、矩、长圆，或多角以及类似或接近的、规则而简单的几何形状，冲裁线圆滑、平直、无锐角与齿形、小凸台，以及细长枝芽、悬臂等冲切形状。
4）冲裁件产量不大。
5）对冲裁件冲切面质量、毛刺及平面度无要求。
6）冲裁件尺寸较大，推荐最小冲裁件尺寸：长×宽×料厚=L件×B件×t≥25mm×10mm×1mm；更小尺寸及更薄料厚的冲裁工件，为安全计，不推荐用敞开模冲制。
图3-4 电机长腰形罩壳和仪表壳拉深件剖切模
a）电机长腰形罩壳拉深件剖切模 1—下模座 2、8、10、13—螺钉 3—圆柱销 4—凹模座 5—凹模 6—剖切刀 7—模柄 9—芯轴 11—垫圈 12—定位板
图3-4 电机长腰形罩壳和仪表壳拉深件剖切模（续）
b）仪表拉深件剖切模 1—凹模夹座 2—下模座 3—导柱 4—导套 5—上模座 6—凸模固定板 7—剖切凸模 8—垫板 9—弹压卸料板 10—凹模框 11—凹模夹座 12—可调凹模板
图3-5 有凸缘、带台阶圆筒拉深件垂直切边模
1—下模座 2—切边下模 3—废料切断刀 4—切边凸模 5—定位钉 6—切边凹模 7—模柄 8—卸件打杆 9—螺钉 10—空心垫板 11—推板 12—工件 13—定位板
3.2.2 有导向装置的单工序冲裁模
这类冲模冲压零件精度高，质量好。一些特种冲裁加工，大多用这类结构冲模，如负间隙冲裁、微间隙圆角刃口冲裁、冲小孔、冲深孔、整修等。这类冲模结构形式多而复杂，制造精度也较高。
图3-6～图3-9及图3-4b等所示为有导向装置的各种单工序冲模，实施不同冲裁工艺作业所用的实用典型结构。其各具特色的结构形式，与其实施的冲裁作业任务密切相关。其冲压精度与冲压零件质量都是较好的。但与连续模、复合模相比，生产率较低。
实例1
图3-6所示开口垫圈，尺寸较小，但料厚t达1.5mm，而其产量又较大。采用单列排样或多列排样都将遇到开口垫圈内外径相差仅5mm，壁厚为2.5mm，但其料厚为t=1.5mm，又有5mm切口。单工位单列复合冲裁，不仅因工件尺寸小，料厚大，凸凹模壁厚相对薄弱，顶（卸）件压力大，生产效率低，凸模与凹模刃口易磨损，寿命低。多列排样也因工件尺寸小，凸模与凹模固定端加固后，安装有困难；增大搭边浪费材料，不合算。采用多列连续冲裁，也会出现类似问题，给冲模结构设计带来困难。
图3-6 开口垫圈多件冲裁模
1、7—导料板 2、8、15、16—螺钉 3、12—销钉 4—下模座 5—导柱 6—凹模 9—固定板 10—垫板 11—上模座 13—模柄 14—凸模 17—卸料弹簧 18—弹压卸料板 19—凹模镶块
根据以上分析，为满足高效、大批量生产，同时冲模具有更高的寿命，采用三列三个开口垫圈按60°角等边三角形的角对称布置。一模三件，凹模依三个工件组合对称，采用凹模整体镶块件，使模具结构得以简化，方便了制模。
实例2
图3-7所示为一套中厚板高精度冲孔模。从图示冲孔零件图可以看出，其材料为t=4mm的低碳钢板，一次冲出三种孔径的4个孔。其中，最大孔径dmax=Φ3.30+0.050mm，最小孔径dmin=Φ2.03+0.090mm，中等大小的圆孔两个d=Φ2.80+0.120mm。群孔各孔距都有公差要求，最小孔中心距为6.2mm±0.05mm。
图3-7 滚珠导柱模架弹压卸料导板式精冲孔模
1—小导套 2—小导柱 3—小压板 4—卸料板 5—定位板 6—侧压块 7—片簧 8—凹模 9—定位板 10—凸模 11、12—凸模 13—螺钉 14—冲击块
众所周知，冲压制孔与切削钻孔相比，最大优势在于效率高。但普通冲孔的孔壁远不如钻孔光洁。精冲小孔可以提高冲孔质量，使孔壁的表面粗糙度值Ra<1.6μm，达到钻孔的水平。图3-7所示的精冲孔模具有这种工艺功能，可以实施精冲小孔。
该冲模的结构设计采用了较完善的高精度导向结构。
1）采用了滚动导向中间导柱滚珠导柱模架。按JB/T 8050—2008《冲模模架技术条件》的规定，该模架的导柱与匹配的滚珠导套采用0.01～0.02mm的过盈配合，故该模架可以对其模芯实施接近零误差的导向。
2）在下模座上安装两只小导柱，穿过凹模板、定位板、卸料板并与装在凸模固定板上、外套弹簧的长导套匹配，构成“三板”同柱，即凹模板、定位板、卸料板并延伸至凸模固定板，由“三板”同柱扩展为多板同柱，确保上、下模芯具有更好的同轴度，对凸模有更高精度的导向。
3）上、下模座的模芯安装在两模座相对平面上，依标准规定两者平行度，按模座大小有0.012mm～0.15mm的偏差，安装两组小导柱使模芯上、下模多板同柱，而使其不影响模具上、下模精确导向。
4）采用超短冲孔凸模，并将其装在强力弹压卸料板内的专用压板组件内，用专门冲击块冲击压板，使凸模冲出卸料板后冲孔。凸模很短，刚度极好，承载后不会纵弯折断；由一双小导柱导向，凸模不仅能精确对准凹模，还能保持均匀冲孔间隙。
该冲模采用的冲孔间隙C≤0.01mm。精冲孔的间隙与冲孔材料及其厚度无关，一般均采用微间隙0.01mm以下，以获取更高冲孔质量。
由于直线度、平面度对于平板冲裁件是一个关键技术指数，尤其在仪器仪表、复印机、照相机及电影放映机、钟表等精密机械制造行业，不少重要平板冲裁零件用作机芯与表芯底板、基准板、标准孔板、支承板、侧板、面板、表盘、支架、连接板、支座、分度与标识板等关键结构零件，由于平面度达不到要求，而必须增加平板甚至点牙校平工序。
有一些复杂形状的立体成形冲压零件，多个冲压零件连接或铆合，甚至焊接的结构组件、部件，为了保证分序多模冲压成形的工件质量，确保多件组合部件的几何精度，这些冲压零件的展开平毛坯，尽管在其冲压零件图上未予标注，从转序、冲压工艺及冲模结构设计的需要考虑，都对平板冲裁件或毛坯，提出较高的直线度与平面度要求，以防止由于展开平毛坯扭曲、凸凹不平，局部拱弯，影响后续拉深、弯曲等各种成形作业的质量，降低多件组合部件的技术要求。因此，不少要求高的拉深件、多向弯曲件、翻边及扭转成形件以及连接组件，不得不在后续再加工之前，增加校平或校形工序。
对于冲压零件未注明的、工序间半成品应该达到的、连续冲压相关中间工步工件必须具有的直线度、平面度，通常可按GB/T 13916—2002《冲压件形状和位置未注公差》的规定选取，见表3-1。
表3-1 冲压件直线度、平面度未注公差 （单位：mm）
①按冲裁件较大尺寸L、D、H作为主参数。
平板冲裁件的平面度、直线度公差大小与以下诸因素有关：
（1）冲裁件的材料种类及其抗拉强度。非铁金属材料比钢铁材料冲裁件平面度与直线度要好；材料越硬，抗拉强度越大，其冲裁件平面度与直线度越差，尤其弹性大的弹簧钢、硬度与强度都很高的高碳高合金钢板料冲裁件，直线度与平面度公差都较大，一般都要增加校平工序。
（2）冲裁件尺寸及其料厚t对其直线度与平面度影响显著。相同料厚t的冲裁件，平面尺寸越大，直线度与平面度逐渐变差；平面尺寸L×B相等或接近的平板冲裁件，料厚t越小，直线度与平面度越差。0.1mm≤t＜1mm的薄料冲裁件尤为明显，而料厚t＞3mm的中厚板差别不显著，t＞4.75mm的厚板冲裁件则差别甚微。
（3）冲裁模结构影响冲裁件的直线度与平面度。相同冲裁件，用无卸料装置敞开式冲裁模冲制，直线度与平面度最差；用固定卸料结构冲模冲裁，其直线度和平面度很差。通常情况下，这两种结构冲模冲制的成品冲裁件，大多都要通过校平工序，提高其直线度和平面度，再转序加工或入库备用。而用具有弹压卸料板结构和弹压卸料与弹压反顶出件结构冲裁模冲制的冲裁件，其直线度和平面度都好和很好。
具有弹压卸料板的冲裁模都是在压平材料后冲裁；具有弹压卸料板及弹压反顶出件结构的冲模，则是在上下相向夹紧板料后冲裁，并在落料后随凸模回程，弹压卸料缓缓卸载的同时，逐步从凹模洞口反向顶出工件。故这两种结构的冲模，冲制的平板冲裁件直线度和平面度分别为好及很好。特别是后一种，薄料、大尺寸冲裁件效果最佳，优先推荐采用。
（4）冲裁模刃口类型对平板冲裁件的直线度、平面度的影响是决定性的。上述各点都指普通常用的平刃口冲裁。一旦采用斜刃口、波浪形刃口，冲裁件一般都要产生较大的翘起、扭曲，不经校平无法使用。
除上述影响平板冲裁件直线度与平面度因素外，还有冲模压料力的大小、材料厚度的“同板差”及表面质量等影响因素，尤其压料力的大小影响较大，但可以随时调整，故不是不可变的决定性因素。
实例3、4
薄料、大尺寸平板冲裁件，平面度、直线度要求较高的平板冲裁件以及立体成形件展开毛坯，采用弹压卸料板、直壁凹模刃口，落料件从凹模中反向顶出，模上出件结构的单工序导柱模架冲裁模，便可获得具有良好直线度与平面度的平板落料件。
对于尺寸较大的模具工作零件以及刃口形状小而复杂的凹模与凸模，为了节省模具钢或方便制造与修理，经常采用镶拼结构。图3-8所示凹模即采用了镶拼结构。
图3-9所示冲裁件料厚t=2mm，采用弹压卸料板及弹顶模上出件结构冲裁模，主要考虑以下几点：
1）冲裁件材料为2A02铝板，较软。冲裁件有两个支臂长×宽为10mm×13.7mm，并有4个深3.5mm、宽2.4mm的凹口，而冲裁件的长×宽=49.4mm×36mm，面积较大，冲裁过程中易变形。
2）冲裁件尺寸精度要求较高，开口16+0.240mm、4个小凹口2.4+0.120mm，整体宽360-0.62mm。冲裁材料软，冲裁件刚度差，不压料冲裁和弹顶出件，易变形，难以保证尺寸精度。
3）采用直壁凹模刃口、弹顶模上出件，可以确保冲裁件具有良好的直线度和平面度，冲裁工件不会变形。
图3-8 中间导柱模架弹压卸料弹顶出件的落料模
1—下模座 2—凹模座 3、5、18—销钉 4—凹模拼块 6—顶杆 7—顶板 8、22—导柱 9、21—导套 10—卸料板 11—挡销 12—卸料螺钉 13—凸模 14—凸模固定板 15—垫板 16—上模座 17—模柄 19、20—螺钉
有导向的单工序冲裁模通常在以下场合使用：
1）冲裁件尺寸精度较高，一般高于IT12，可达到IT10，甚至更高一些。
2）冲裁件料厚t一般不限，但目前可以达到的工艺水平如下：
①薄料、超薄料冲裁t为0.05～＜0.5mm，tmin≤0.01mm。
②厚料、超厚料冲裁t＞4.75～16mm，tmax≤25mm，冲孔tmax≥35mm。
③较常用的冲裁料厚t≤3mm，更多的料厚t为0.5～2mm。
3）适用冲压零件的生产性质为成批、大批大量及常年大量生产。
4）对冲裁件冲切面质量、毛刺及平面度有一定要求。
5）对冲裁件尺寸的限制如下：
①使用标准模架，推荐最大冲裁件凹模尺寸：Lmax×Bmax≤630mm×500mm。
②冲制最小圆孔直径，dmin=（0.5～0.6）t，推荐dmin≥t。
③最大冲裁料厚tmax=12～16mm，推荐tmax≤10mm，t>10mm时采用热冲裁。
图3-9 中间导柱模架弹压卸料弹顶出件的落料模
1—下模座 2—顶杆 3—小凹口冲孔凸模固定板 4、20—导柱 5、12、15—销钉 6—凹模 7、18—导套 8—卸料板 9—挡料销 10—凸模固定板 11—凸模 13、16、23—螺钉 14—模柄 17—上垫板 19—上模座 21—顶板 22—凸模 24—下垫板
④确定压力机最大许用冲裁料厚tmax。
许用最大冲裁料厚tmax，取决于冲压设备的类型及其公称压力，对于通用、普通标准的机械压力机，其许用最大冲裁料厚tmax（mm），推荐按下述公式计算：
单次行程，间断冲裁时：
连续行程，不间断（连闸开机）冲裁时：
式（3-1）、式（3-2）中，F公称为具有标准行程的普通标准机械压力机的公称压力（kN）。
6）精冲小孔、高精度群孔、深孔及超深孔冲制：冲孔直径d为0.4～<3mm小孔；冲孔直径d为0.3t～＜t深孔。
7）光洁冲裁冲切面光洁平直，表面粗糙度Ra≤0.8μm。
8）拉深件用高精度与高质量的垂直切边模、水平切边模及剖切模（推荐的），拉深件直径d≤250mm；异形拉深件尺寸：长×宽=L×B=250mm×200mm。