第8章特种冲压模具 第7章介绍了常规结构的一些冲模。在实际生产中还会用到其他种类的冲模一—特种 冲模,如低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、组合冲模、钢带冲模、夹板冲模、 电磁冲模,等等。这些冲模大多数是为了适应新产品试制或多品种、小批量生产的要求而 发展起来的。本章将介绍低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模 8.1低熔点合金冲模 低熔点合金冲模是用熔点低的合金材料制造冲模某些工作零件的一类模具,其制造工 作大部分由铸造完成,制造周期短,制造设备要求不高,制模的合金材料可以反复使用, 耗损极少。在20世纪80年代,许多生产汽车覆盖件等大尺寸冲压件的厂家,就广泛采用 了这一技术 81.1低熔点合金的特性 低熔点合金有多种,如铋基合金、锡基合金、铝基合金、锌基合金等。这些合金熔点 低,铸模流动性好,不与钢材粘接,胀缩率小,冷凝后有一定的强度。特别是铋基合金, 其熔点为138℃,铸造时合金能有效充满型腔而不容易产生缺陷,冷凝后体积变化很小, 且铸件平整光滑。因此一些大型的薄板拉深模使用较多。但铋为稀有金属,价格较贵。现 在一般常用的为锌基合金。锌基合金力学性能相当于低碳钢,熔点为380℃,浇铸温度为 420-450℃,凝固收缩率为1.0%1.2%,抗拉强度为220~260MPa,抗压强度为500~550MPa, 硬度为120~130HBS,具有良好的切削加工性。低熔点合金可以用来制作冲裁、弯曲、拉 、翻边等模具。 8.1.2低熔点合金拉深模 低熔点合金的硬度较低,用作拉深模不易擦伤制件表面。图8.1所示为一种较典型的 低熔点合金拉深模。图中所示是合金凝固后尚未将凸模和凹模分开的状态。该浇铸工艺在 压力机外进行。制造时,先在模具中放入按制件实样为依据制造的样件3(上有小孔,以供 合金流过),再放入凸模板8。然后将已熔化的低熔点合金由浇口13浇入模内。凝固后,以 样件为分界,留在容框5内的即为凹模2,样件以上与凸模板8固定在一起的即为凸模12。 设置螺钉4是为了増强凸模板与低熔点合金凸模的连接牢固程度。在凸模和凹模分开后, 取出样件,修光型腔,即可使用。由于样件与制件形状尺寸厚度均相同,因此冲压时即能
第 8 章 特种冲压模具 第 7 章介绍了常规结构的一些冲模。在实际生产中还会用到其他种类的冲模——特种 冲模，如低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、组合冲模、钢带冲模、夹板冲模、 电磁冲模，等等。这些冲模大多数是为了适应新产品试制或多品种、小批量生产的要求而 发展起来的。本章将介绍低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模。 8.1 低熔点合金冲模 低熔点合金冲模是用熔点低的合金材料制造冲模某些工作零件的一类模具，其制造工 作大部分由铸造完成，制造周期短，制造设备要求不高，制模的合金材料可以反复使用， 耗损极少。在 20 世纪 80 年代，许多生产汽车覆盖件等大尺寸冲压件的厂家，就广泛采用 了这一技术。 8.1.1 低熔点合金的特性 低熔点合金有多种，如铋基合金、锡基合金、铝基合金、锌基合金等。这些合金熔点 低，铸模流动性好，不与钢材粘接，胀缩率小，冷凝后有一定的强度。特别是铋基合金， 其熔点为 138℃，铸造时合金能有效充满型腔而不容易产生缺陷，冷凝后体积变化很小， 且铸件平整光滑。因此一些大型的薄板拉深模使用较多。但铋为稀有金属，价格较贵。现 在一般常用的为锌基合金。锌基合金力学性能相当于低碳钢，熔点为 380℃，浇铸温度为 420~450℃，凝固收缩率为 1.0%~1.2%，抗拉强度为 220~260MPa，抗压强度为 500~550MPa， 硬度为 120~130HBS，具有良好的切削加工性。低熔点合金可以用来制作冲裁、弯曲、拉 深、翻边等模具。 8.1.2 低熔点合金拉深模 低熔点合金的硬度较低，用作拉深模不易擦伤制件表面。图 8.1 所示为一种较典型的 低熔点合金拉深模。图中所示是合金凝固后尚未将凸模和凹模分开的状态。该浇铸工艺在 压力机外进行。制造时，先在模具中放入按制件实样为依据制造的样件 3(上有小孔，以供 合金流过)，再放入凸模板 8。然后将已熔化的低熔点合金由浇口 13 浇入模内。凝固后，以 样件为分界，留在容框 5 内的即为凹模 2，样件以上与凸模板 8 固定在一起的即为凸模 12。 设置螺钉 4 是为了增强凸模板与低熔点合金凸模的连接牢固程度。在凸模和凹模分开后， 取出样件，修光型腔，即可使用。由于样件与制件形状尺寸厚度均相同，因此冲压时即能
第8章特种冲压模具 压出合乎要求的制件。对于拉深模也可以将压边圈同时铸出。样件可以重复使用,也可以 将冲压出的制件经简单加工作为新的样件。 图8.1低熔点合金拉深模 1一底座:2一低熔点合金凹模:3一样件:4一螺钉:5—容框:6—导柱固定座:7—导柱: 8一凸模板:9一压边圈:10—压边圈座;11一排气管:12一低熔点合金凸模:13浇口 低熔点合金铸模的寿命较低,压制的材料不宜太厚(一般1<15mm)。当生产批量较大、 制件又是平面凸缘时,可在凹模口部设置普通钢制模板,制件材料较薄时,模板厚度选 5~15mm,制件材料较厚时,模板厚度选25~35mm。模板只需加工上表面,内型尺寸与形 状与普通钢模一样(图8.2)。还可以采用局部镶嵌的方法,在易磨损部位镶嵌钢件(图83) (a)凹模板安装在容框上(b)凹模板用螺钉与合金逢接(c)凹模板埋入合金内 图8.2凹模板的固定方式 一容框:2一密封橡胶垫;3—凹模板:4—低熔点合金 图8.3带加强镶嵌件的低熔点合金模具 1—钢制镶嵌件:2一低熔点合金模块
第 8 章 特种冲压模具 289 压出合乎要求的制件。对于拉深模也可以将压边圈同时铸出。样件可以重复使用，也可以 将冲压出的制件经简单加工作为新的样件。 图 8.1 低熔点合金拉深模 1—底座；2—低熔点合金凹模；3—样件；4—螺钉；5—容框；6—导柱固定座；7—导柱； 8—凸模板；9—压边圈；10—压边圈座；11—排气管；12—低熔点合金凸模；13—浇口 低熔点合金铸模的寿命较低，压制的材料不宜太厚(一般 t＜1.5mm)。当生产批量较大、 制件又是平面凸缘时，可在凹模口部设置普通钢制模板，制件材料较薄时，模板厚度选 5~15mm，制件材料较厚时，模板厚度选 25~35mm。模板只需加工上表面，内型尺寸与形 状与普通钢模一样(图 8.2)。还可以采用局部镶嵌的方法，在易磨损部位镶嵌钢件(图 8.3)。 图 8.2 凹模板的固定方式 1—容框；2—密封橡胶垫；3—凹模板；4—低熔点合金 图 8.3 带加强镶嵌件的低熔点合金模具 1—钢制镶嵌件；2—低熔点合金模块
中压工艺与模具设计 81.3锌基合金冲裁模的设计 (1)设计原则 根据锌基合金冲裁模的工作特性,为使毛刺留在废料上,以提高冲裁件的精度,在设 计落料模时,凹模采用锌基合金材料,而凸模用钢质材料制造:设计冲孔模时,凸模采用 锌基合金材料,凹模则用钢质材料制造:落料冲孔复合模的凸模和凹模采用锌基合金材料, 而凸凹模用钢质材料制造。当冲裁件断面质量要求不高、生产批量又不大时,为模具制造 方便,不分落料冲孔,凸模一律用钢质材料,凹模用锌基合金材料 (2)凸、凹模刃口尺寸计算 对于落料工序:设落料件尺寸为D0,钢制凸模刃口尺寸为D=(D-x4).a 对于冲孔工序:设冲孔件尺寸为d+B,钢制凹模刃口尺寸为d=(d+x4)+4 式中:D,4——落料件的公称尺寸及公差(mm) D,—凸模刃口的尺寸及制造公差(mm);5按I6级精度 d,-—凹模刃口的尺寸及制造公差(mm):按IT7级精度; x一系数,与冲裁件的形状和精度有关,IT12~13以上精度为3/4;IT4以下精 为1/2 (3)锌基合金凸、凹模设计 采用锌基合金材料制作凸、凹模,需要考虑模具强度和模具结构2个问题。由于锌基 合金材料的抗压强度只有600-~80MPa,所以用锌基合金材料作凸模时,所能冲裁的板料 厚度和最小孔径是有限的,即作用在凸模上的压应力必须小于锌基合金材料的抗压强度 =FmA≤p 式中:Fmnx凸模在冲裁过程中所受的最大作用力(N) A——凸模横截面面积(mm2) a锌基合金材料的许用压应力(MPa) 锌基合金凸模结构形式多采用组合式、镶拼式(如图84所示),以减少凸模的长度 图8.4锌基合金凸模结构形式 l—钢制凸模固定部分:2一锌基合金凸模工作部分 锌基合金凹模必须有足够的厚度和壁厚才能保证凹模强度。对于中、小型冲裁件,凹 模的厚度H和壁厚B,按下式计算 H=30mm+17.51,B=40mm+10t
290 冲压工艺与模具设计 8.1.3 锌基合金冲裁模的设计 (1) 设计原则 根据锌基合金冲裁模的工作特性，为使毛刺留在废料上，以提高冲裁件的精度，在设 计落料模时，凹模采用锌基合金材料，而凸模用钢质材料制造；设计冲孔模时，凸模采用 锌基合金材料，凹模则用钢质材料制造；落料冲孔复合模的凸模和凹模采用锌基合金材料， 而凸凹模用钢质材料制造。当冲裁件断面质量要求不高、生产批量又不大时，为模具制造 方便，不分落料冲孔，凸模一律用钢质材料，凹模用锌基合金材料。 (2) 凸、凹模刃口尺寸计算 对于落料工序：设落料件尺寸为 0 D- D ，钢制凸模刃口尺寸为 Dp＝(D－xΔ) p 0 - d 对于冲孔工序：设冲孔件尺寸为 d 0 + D ，钢制凹模刃口尺寸为 dd＝(d＋xΔ) d 0 + d 式中：D，Δ——落料件的公称尺寸及公差(mm)； Dp， p ——凸模刃口的尺寸及制造公差(mm)； p 按 IT6 级精度； dd， d ——凹模刃口的尺寸及制造公差(mm)； d 按 IT7 级精度； x——系数，与冲裁件的形状和精度有关，IT12~IT13 以上精度为 3/4；IT14 以下精 度为 1/2。 (3) 锌基合金凸、凹模设计 采用锌基合金材料制作凸、凹模，需要考虑模具强度和模具结构 2 个问题。由于锌基 合金材料的抗压强度只有 600~800MPa，所以用锌基合金材料作凸模时，所能冲裁的板料 厚度和最小孔径是有限的，即作用在凸模上的压应力必须小于锌基合金材料的抗压强度 凸 ＝Fmax/A≤ p 式中：Fmax——凸模在冲裁过程中所受的最大作用力(N)； A ——凸模横截面面积(mm2 )； p ——锌基合金材料的许用压应力(MPa)。 锌基合金凸模结构形式多采用组合式、镶拼式(如图 8.4 所示)，以减少凸模的长度。 图 8.4 锌基合金凸模结构形式 1—钢制凸模固定部分；2—锌基合金凸模工作部分 锌基合金凹模必须有足够的厚度和壁厚才能保证凹模强度。对于中、小型冲裁件，凹 模的厚度 H 和壁厚 B，按下式计算 H＝30mm＋17.5t，B＝40mm＋10t
第8章特种冲压模具 式中:—板料厚度(mm) 锌基合金凹模的结构形式有(图85):①整体式,多用于中小件生产;②镶拼式,主要 用于大型修边模或落料模,镶块可平镶在模板上或通过镶块支架立镶在模板上,前者用于 薄板冲裁,后者用于较厚板冲裁:③组合式,即在模具工作条件苛刻的部位采用钢块。凹 模刃口均采用直壁结构,直壁高度h直接影响冲裁件的平直度、毛刺大小和质量。直壁高 度h太小,无法保证修模后的尺寸,影响冲裁件的尺寸精度和模具使用寿命:h太大,冲 裁时凹模腔内存件太多,会造成凹模胀裂。凹模刃口直壁高度可参照表8.1选用。 (a)整体式 (b)组合式 (c)镶嵌式 图8.5锌基合金冲裁凹模结构形式 1一底座:2一锌基合金凹模(镶块) 表8.1凹模刃口直壁高度h 板料厚度t 直壁高度h 8~12 15~20 8.14锌基合金冲裁模的结构与制模方法 锌基合金冲裁模的结构形式与普通钢制模具基本相同。锌基合金可以制作简单模,也 能够制作复合模和级进模。生产中,应根据冲裁件的精度和批量要求,正确选择模具结构 形式。对于图86所示倒装锌基合金冲裁模,设计时应注意顶件器与凹模之间必须留有足 够的间隙(通常取单边间隙0.5mm),以避免顶件器与凹模直壁之间的摩擦。 图8.6锌基合金冲裁模的结构图 1—上模座:2一锌基合金凹模:3、12—螺钉:4一顶件器:5、13一卸料螺钉 6、9—弹簧:7一导柱、导套:8一卸料板:10—下模座:1-凸模
第 8 章 特种冲压模具 291 式中：t——板料厚度(mm)。 锌基合金凹模的结构形式有(图 8.5)：①整体式，多用于中小件生产；②镶拼式，主要 用于大型修边模或落料模，镶块可平镶在模板上或通过镶块支架立镶在模板上，前者用于 薄板冲裁，后者用于较厚板冲裁；③组合式，即在模具工作条件苛刻的部位采用钢块。凹 模刃口均采用直壁结构，直壁高度 h 直接影响冲裁件的平直度、毛刺大小和质量。直壁高 度 h 太小，无法保证修模后的尺寸，影响冲裁件的尺寸精度和模具使用寿命；h 太大，冲 裁时凹模腔内存件太多，会造成凹模胀裂。凹模刃口直壁高度可参照表 8.1 选用。 图 8.5 锌基合金冲裁凹模结构形式 1—底座；2—锌基合金凹模(镶块) 表 8.1 凹模刃口直壁高度 h mm 板料厚度 t ≤1 ≤2 ≤3 ≤4 直壁高度 h 5～8 8～12 12～15 15～20 8.1.4 锌基合金冲裁模的结构与制模方法 锌基合金冲裁模的结构形式与普通钢制模具基本相同。锌基合金可以制作简单模，也 能够制作复合模和级进模。生产中，应根据冲裁件的精度和批量要求，正确选择模具结构 形式。对于图 8.6 所示倒装锌基合金冲裁模，设计时应注意顶件器与凹模之间必须留有足 够的间隙(通常取单边间隙 0.5mm)，以避免顶件器与凹模直壁之间的摩擦。 图 8.6 锌基合金冲裁模的结构图 1—上模座；2—锌基合金凹模；3、12—螺钉；4—顶件器；5、13—卸料螺钉； 6、9—弹簧；7—导柱、导套；8—卸料板；10—下模座；11—凸模
中压工艺与模具设计 锌基合金冲裁模的制模方法有铸造法、挤切法和镶拼法。其中,镶拼法主要用于汽车 覆盖件一类的大型切边模、剖切模等,每个镶拼模块的厚度不应小于60~70mm,宽度不应 小于80-⑩m,定位销钉孔不小于∫l6mm,螺钉孔与销钉孔应交错排列。制模前,钢制 凸模根据图样要求已加工完成,并经检验符合设计要求,刃口保持锋利,硬度40HRC以上 锌基合金制模的最常用方法为铸造法。下面先以落料模为例作一简单介绍 首先用模具钢制造凸模,然后用铸造法制造锌基合金凹模,铸造方法如图8.7所示 在下模座漏料孔中填满干砂6,放上漏料孔型芯5(砂芯),在下模座上安放容框4,并在下 角四周填上干砂7。然后将安装有凸模2(凸模预热至150~200℃)的上模与下模装合起来, 并使凸模工作端面与型芯5上表面接触。将熔化(450℃左右)的锌基合金浇注于容框4内, 并轻微搅动,直到预定高度为止。待锌基合金冷却凝固后拔岀凸模,铣削锌基合金凹模上 平面,再加工螺钉孔、销钉孔,将凹模安装到原先位置,并装上卸料板,即可投入使用 图8.7锌基合金落料模的铸造方法 1一上模座:2一钢质凸模:3一锌基合金凹模:4一容框:5—型芯:6、7—干砂 对于中小型冲裁件,凸模的预热可安装在模架上进行。对尺寸较大的凸模,采用模架 外预热,在平板上浇注,然后与锌基合金凹模一起装入模架 锌基合金凝固时约有1%的收缩率,完全冷却后拔出凸模比较困难。因此可以在 150-200℃时拔出凸模,再对锌基合金凹模急冷(可以提高其力学性能)。 用铸造法制造的冲裁模,凸、凹模的起始间隙近似为零。随着冲裁次数的增加,锌基 合金模的刃口侧壁产生磨损,同时在冲压力的作用下沿径向还有微小变形,使凸、凹模的 间隙增大,逐步达到理想的间隙,这时冲裁件质量最好,模具磨损也较缓慢。这种情况形 成的凸、凹模间隙也称为动态平衡间隙。随着冲裁次数的进一步增加,锌基合金模具刃口 的塌角会不断增大,塌角部分的合金便会自动补偿刃口侧壁的磨损,使之维持正常间隙, 有利于模具正常工作。锌基合金冲裁模能否继续使用,不是以刃口是否变钝来判断,而主 要是以刃口端面出现的塌角是否影响冲裁件的质量来决定 用锌基合金模落料时,要求搭边值比钢模冲裁大,以保护凹模孔口不受拉挤和碰伤 落料时,要求钢制凸模保持锋利,凸模进入凹模的深度,要比板料厚度大2-4mm,才能促 使自动补偿磨损,获得动态平衡间隙。否则将影响制件的质量。 用铸造法还可以方便地制造锌基合金各种模具的凸模、凹模、卸料板、压边圈等。铸 造方法有砂型制模法、样件制模法、石膏型制模法、金属型制模法和复合材料制模法等 图88为砂型制模工艺流程示意图。图88(a)所示为锌基合金凸模制模过程:先按凸模零件
292 冲压工艺与模具设计 锌基合金冲裁模的制模方法有铸造法、挤切法和镶拼法。其中，镶拼法主要用于汽车 覆盖件一类的大型切边模、剖切模等，每个镶拼模块的厚度不应小于 60~70mm，宽度不应 小于 80~100mm，定位销钉孔不小于 f 16mm，螺钉孔与销钉孔应交错排列。制模前，钢制 凸模根据图样要求已加工完成，并经检验符合设计要求，刃口保持锋利，硬度 40HRC 以上。 锌基合金制模的最常用方法为铸造法。下面先以落料模为例作一简单介绍。 首先用模具钢制造凸模，然后用铸造法制造锌基合金凹模，铸造方法如图 8.7 所示。 在下模座漏料孔中填满干砂 6，放上漏料孔型芯 5(砂芯)，在下模座上安放容框 4，并在下 角四周填上干砂 7。然后将安装有凸模 2(凸模预热至 150~200℃)的上模与下模装合起来， 并使凸模工作端面与型芯 5 上表面接触。将熔化(450℃左右)的锌基合金浇注于容框 4 内， 并轻微搅动，直到预定高度为止。待锌基合金冷却凝固后拔出凸模，铣削锌基合金凹模上 平面，再加工螺钉孔、销钉孔，将凹模安装到原先位置，并装上卸料板，即可投入使用。 图 8.7 锌基合金落料模的铸造方法 1—上模座；2—钢质凸模；3—锌基合金凹模；4—容框；5—型芯；6、7—干砂 对于中小型冲裁件，凸模的预热可安装在模架上进行。对尺寸较大的凸模，采用模架 外预热，在平板上浇注，然后与锌基合金凹模一起装入模架。 锌基合金凝固时约有 1%的收缩率，完全冷却后拔出凸模比较困难。因此可以在 150~200℃时拔出凸模，再对锌基合金凹模急冷(可以提高其力学性能)。 用铸造法制造的冲裁模，凸、凹模的起始间隙近似为零。随着冲裁次数的增加，锌基 合金模的刃口侧壁产生磨损，同时在冲压力的作用下沿径向还有微小变形，使凸、凹模的 间隙增大，逐步达到理想的间隙，这时冲裁件质量最好，模具磨损也较缓慢。这种情况形 成的凸、凹模间隙也称为动态平衡间隙。随着冲裁次数的进一步增加，锌基合金模具刃口 的塌角会不断增大，塌角部分的合金便会自动补偿刃口侧壁的磨损，使之维持正常间隙， 有利于模具正常工作。锌基合金冲裁模能否继续使用，不是以刃口是否变钝来判断，而主 要是以刃口端面出现的塌角是否影响冲裁件的质量来决定。 用锌基合金模落料时，要求搭边值比钢模冲裁大，以保护凹模孔口不受拉挤和碰伤。 落料时，要求钢制凸模保持锋利，凸模进入凹模的深度，要比板料厚度大 2~4mm，才能促 使自动补偿磨损，获得动态平衡间隙。否则将影响制件的质量。 用铸造法还可以方便地制造锌基合金各种模具的凸模、凹模、卸料板、压边圈等。铸 造方法有砂型制模法、样件制模法、石膏型制模法、金属型制模法和复合材料制模法等。 图 8.8 为砂型制模工艺流程示意图。图 8.8(a)所示为锌基合金凸模制模过程：先按凸模零件