冲裁凸模强度计算与设计

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：这里主要介绍冲裁凸模的强度计算，包括失稳长度计算。图6-61所示为一个分段计算凸模强度的例子。6）如图6-71所示，该凸模用螺纹固定，前提是凸模与凸模固定板配合部分端面较大，此凸模固定安全可靠，但加工工艺复杂。9）如图6-74所示，此凸模是一种可受较重负荷的快换凸模结构，凸模上端开有环形滑槽，并与凸模固定板滑配。

1.凸模强度计算

各种凸模刃口尺寸及工作部分参数的计算，见相关章节。这里主要介绍冲裁凸模的强度计算，包括失稳长度计算。

（1）圆形凸模冲裁时凸模所受的应力，有平均压应力σ和刃口的接触应力σ_K两种。孔径大于制件材料厚度时，接触应力σ_K大于平均压应力σ，因而强度核算的条件是接触应力σ_K小于或等于凸模材料的许用应力[σ]。孔径小于或等于制件材料厚度时，强度核算条件可以是平均压应力σ小于或等于凸模材料的许用应力[σ]。

当d>t时，凸模强度按下式核算：

当d≤t时，凸模强度按下式核算：

式中 t———制件材料厚度（mm）；

d———凸模或冲孔直径（mm）；

τ———制件材料抗剪强度（MPa）；

σ_K———凸模刃口接触应力（MPa）；

σ———凸模平均压应力（MPa）；

[σ]———凸模材料许用压应力，对于常用合金模具钢，可取1800～2200MPa。

凸模在中心轴向压力的作用下，保持稳定（不产生弯曲）的最大长度与导向方式有关。

无导向凸模如图6-56所示，最大允许长度l_max按下式计算：

式中 l_max———凸模最大允许长度（mm）；

E———凸模材料弹性模量，对于钢材，可取E=210000MPa；

τ———制件材料抗剪强度（MPa）；

t———制件材料厚度（mm）；

d———凸模或冲孔直径（mm）。

卸料板导向凸模如图6-57所示，最大允许长度l_max按下式计算：

图6-56 无导向凸模

图6-57 卸料板导向凸模

带导向保护套的凸模如图6-58所示，最大允许长度l_max按下式计算：

带台肩的凸模如图6-59所示，最大允许长度l_max按下式计算：

式中 C———系数，见表6-83；

d₀———凸模小端直径（mm），如图6-59所示；

其余符号见式（6-28）说明。

图6-58 带导向保护套的凸模

图6-59 带台肩的凸模

表6-83 系数C

（2）异形凸模核算异形凸模的强度，可按凸模工作端面尺寸分两种情况：

1）当凸模端面宽度B大于制件材料厚度t时，如图6-60a所示，可按式（6-32）核算刃口接触应力σ_K，因为此时接触应力σ_K小于或等于平均压应力σ。

①符号代表的尺寸如图6-59所示。

式中 L———制件轮廓周长（mm）；

t———制件材料厚度（mm）；

τ———制件材料抗剪强度（MPa）；

S_K———接触面积（mm²），取接触宽度为t/2，即图6-60a所示的阴影面积；

σ_K———凸模刃口接触应力（MPa）；

[σ]———凸模材料许用压应力，对于常用合金模具钢，可取1800～2200MPa。

2）当凸模端面宽度B小于或等于制件材料厚度t时，如图6-60b所示，按接触宽度t/2作出的内界线将互相交叉，接触面互相重叠，故此时可按平均压应力σ核算凸模强度。

式中 S_J———制件平面面积（mm²）；

σ———凸模平均压应力（MPa）；

其余符号见式（6-32）说明。

图6-61所示为一个分段计算凸模强度的例子。AB线的左侧可按式（6-32）计算，右侧按式（6-33）计算。

图6-60 计算凸模强度时所取的面积（阴影部分）

a）B>tb）B≤t

1—冲件轮廓线，也是接触面的外界线2—接触面的内界线

图6-61 分段计算凸模强度示意图

异形凸模受轴向冲裁力作用保持稳定（不产生弯曲）的最大允许长度l_max可按式（6-34）～式（6-37）计算。

无导向凸模如图6-62所示，可按以下公式计算：

式中 l_max———凸模最大允许长度（mm）；

E———凸模材料弹性模量，对于钢材可取E=210000MPa；

J———断面最小惯性矩（mm⁴）；

F———冲裁力（N）。

卸料板导向凸模如图6-63所示，可按以下公式计算：

图6-62 无导向凸模

图6-63 卸料板导向凸模

带导向套的凸模如图6-64所示，可按以下公式计算：

带台肩的凸模如图6-65所示，可按以下公式计算：

图6-64 带导向保护套的凸模

图6-65 带台肩的凸模

式中 J₀———凸模大端断面最小惯性矩（mm⁴）；

n———系数，见表6-84；

其余符号见式（6-34）说明。

表6-84 系数n

①符号代表尺寸如图6-65所示。

②J₀和J分别是凸模的大端和小端断面的最小惯矩，具体如图6-65所示。

2.凸模结构形式

（1）凸模固定形式多工位级进模的凸模固定形式种类很多，常见的凸模固定形式如下：

1）如图6-66所示，用于断面不变的直通式凸模，端部利用回火后铆开。

2）如图6-67所示，该凸模上端开槽，装入凸模固定板后用铆挤固定，一般用于薄板冲裁。

3）如图6-68所示，该凸模先加工成直通式，然后在凸模的上端部开一圆孔，插入圆销以承受卸料力。

图6-66 直通式凸模（端部铆开）

图6-67 直通式凸模（铆挤型）

图6-68 直通式凸模（穿销型）

4）图6-69所示为带台肩凸模，该凸模与凸模固定板紧配合，上端带凸出的台肩，以防止冲压时拉下，圆形凸模大多用此种形式固定。

5）如图6-70所示，该凸模加工成直通式，利用左右两半固定板夹紧固定。安装时，先将凸模1安装在左边的固定板上，凸模固定以左边的固定板为基准，再用内六角扳手拧紧右边的固定板，使左右两半固定板夹紧凸模即可（注：左边的固定板同右边的固定板夹紧时，中间要留有0.05～0.1mm的间隙）。该凸模的结构形式在多工位级进模中很少使用。

6）如图6-71所示，该凸模用螺纹固定，前提是凸模与凸模固定板配合部分端面较大，此凸模固定安全可靠，但加工工艺复杂。

图6-69 带台肩凸模

图6-70 直通式凸模（用压板夹紧）

1—凸模

图6-71 用螺纹固定凸模

7）如图6-72所示，该凸模用浇注低熔点合金固定，在凸模上端表面加工出环槽，套入凸模固定板相应的倒锥孔中，锥孔不全透，带有2～3mm高的环形底，与凸模紧配，再在锥孔中注入低熔点合金固定。这种方法的优点是低熔点合金能重复使用，但难以承受较大的卸料力，一般适合于板厚在2mm以下的冲裁。

8）如图6-73所示，该凸模先加工成直通式，然后在端面上加工环氧树脂固定槽，再用环氧树脂与凸模固定，适用于小批量生产的多工位级进模。

9）如图6-74所示，此凸模是一种可受较重负荷的快换凸模结构，凸模上端开有环形滑槽，并与凸模固定板滑配。固定时，用螺钉将钢球顶紧在槽内，以固定凸模；修模时，拧松螺钉，即可快捷拔出凸模，不必拆卸凸模固定板。

图6-72 用低熔点固定凸模

图6-73 环氧树脂固定凸模

图6-74 可受较重负荷的快换凸模结构

10）如图6-75所示，此凸模是一种负荷较轻的快换凸模结构，适合制件板厚在3mm以下。拆卸时，用细棒从孔A内伸入，压缩弹出的钢珠，即可取出待更换的凸模。

11）图6-76所示为用楔块压紧固定凸模。对于一些冲压力较大，而有一定的侧向力，还需要经常拆装的凸模，采用楔块压紧固定方便可靠。图示楔块上加工长圆孔，通过螺钉不断锁紧，凸模1固定部分的斜面与楔块3的斜面紧紧吻合压紧。通常楔块的斜面一般取α=15°～20°。要注意的是凸模的斜面与楔块的斜面必须保持一致，才能保证凸模安装的垂直度。

图6-75 负荷较轻的快换凸模结构

图6-76 用楔块压紧固定凸模

1—凸模 2—螺钉 3—楔块

12）图6-77所示为压块（压板）固定凸模。在设计中、小型高速、高精度的多工位级进模时，由于凸模一般都进行了淬火处理，给凸模的固定带来了困难，采用压块固定凸模是比较常用的一种。图6-77a、b所示的压块固定方式适用于固定圆柱形的凸模；图6-77c～f所示的压块固定方式适用于固定非圆柱形（异形）的凸模。

图6-77 压块（压板）固定凸模

1—凸模 2—固定板 3—压块（压板） 4—螺钉 5—固定板垫板

13）图6-78所示为用螺塞顶住固定凸模。该结构一般用于薄料的多工位级进模冲压。凸模与固定板常用H7/h6或H6/h5配合。凸模插入固定板后，利用其台肩卡住在固定板的平面上，然后通过两个螺塞顶住紧固凸模不动，如图6-78a所示。图6-78b在凸模的顶端加一圆柱销垫，再用两个螺塞顶住紧固。

14）如图6-79所示，对于尺寸比较大的凸模，其自身安装面积也较大，可采用螺钉、销钉直接固定在模座或固定板上，其安装简便，稳定性好。图6-79a螺钉从下往上固定；图6-79b螺钉从上往下固定。

图6-78 螺塞顶住固定凸模

1—螺塞 2—圆柱销 3—固定板垫板 4—固定板 5—凸模

15）如图6-80所示，该凸模是利用螺钉和圆柱销，在凸模背面加键固定的剪切凸模。在凸模背面加键，可保证承受较大的侧向力。为保证凸模的稳定性，在凸模上端的宽度要大于其高度。该结构一般用于中、大型的多工位级进模。

图6-79 大型凸模固定结构

1—上模座 2—螺钉 3—圆柱销 4—凸模 5—固定板垫板 6—固定板

图6-80 利用背面加键防止侧向力结构的凸模

1—上模座 2—凸模 3—圆柱销 4—螺钉 5—键

16）如图6-81所示，此凸模利用螺钉和圆柱销固定，该凸模一般用于薄料成形或薄料剪切。为了保证凸模的稳定性，在凸模上端的宽度也要大于其高度。

17）图6-82所示结构与图6-81相同，但比图6-81结构维修、调整要方便。此结构的凸模镶块3和凸模固定座2分别用不同的材料制成，可以减少成本。通常凸模镶块采用优质合金钢，凸模固定座可以采用45钢制造。如需要维修及调整时，拆下凸模镶块3即可。

18）如图6-83所示，该凸模用键定位，用螺钉固定。一般用于冲压板料较厚的大型多工位级进模的凸模。

图6-81 利用螺钉和圆柱销固定凸模

1—上模座 2—凸模 3—圆柱销 4—螺钉

图6-82 镶拼式利用螺钉和圆柱销固定凸模

1—上模座 2—凸模固定座 3—凸模镶块 4、6—螺钉 5—圆柱销

19）如图6-84所示，该凸模都带圆形凸台固定端，图6-84a为五边形，图6-84b为马蹄形，图6-84c为三角形。它们分别采用不同的防转动方法，图6-84a采用骑缝销，图6-84b采用在凸模台肩与凸模固定板间加键，图6-84c将凸模圆凸台对称削平，与凸模固定板槽口相配。这些凸模既保证了异形冲裁的要求，也在一定程度上减少了凸模加工和装配的工作量。