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
第8章特种冲压模具 图并考虑收缩率制作凸模模型:然后用凸模模型造砂型:浇注熔化的锌基合金:冷却清理 后便得到锌基合金凸模。图88(b)为锌基合金凹模制模过程:先在凸模模型上粘贴为配制 凸-凹模间隙的小块板料,并用耐火泥补平,烘干后抛光:然后用已配制好间隙的模型制作 石膏过渡型:再用石膏过渡型造砂型;浇铸成锌基合金凹模。 造砂型 浇注合金锌基合金凸模 粘贴层 造石膏过渡型 浇注合金锌基含金凹模 8.8砂型制模工艺过程 (a)凸模制模过程:(b)凹模制模过程 用铸造获得的锌基合金凸模、凹模,最后还需要手工修整以确保凸一凹模间隙均匀。 以上浇注方法为敞开式浇注,对于几何形状较复杂的模具零件可采用合箱闭式浇注 可以更好地控制收缩变形,减少铸造缺陷。 8.2聚氨酯橡胶冲模 82.1聚氨酯橡胶性能及应用 聚氨酯橡胶是一种人工合成的高分子弹性体。它比一般的橡胶硬度高,强度好,弹性 大,耐磨,耐油,耐老化。特别是抗撕裂性能很好,可以很容易地进行各种机械加工和浇 铸成形。由于原料的配比不同,聚氨酯的硬度变化范围比较大。常见的国产聚氨酯橡胶牌 号有8260、8270、8280、8290、8295等,对应的邵氏硬度(A)分别为67、75、85、90、93 其中8290、8295主要用于冲裁模。8260、8270、8280主要用于弯曲、拉深、胀形等其他 模具。用聚氨酯橡胶作为模具工作零件(如凸模、凹模)的模具称为聚氨酯橡胶冲模。这类 模具结构简单,制造容易,生产周期短,制模成本低。常用于薄材料制件的小批量生产及 新产品试制。较适合聚氨酯橡胶冲模冲压成形的板材厚度见表82 表8.2聚氨酯橡胶冲压加工的板料厚度 材料 落料、冲孔 成形 结构钢 ≤10~1.5 ≤1.5~20 合金钢 ≤0.5~1.0 ≤0.5~10 铜及其合金 ≤3.0~4.0 ≤2.5~3.0 ≤2.5~3.0 铝及其合金 ≤20~25 ≤3.5~40 ≤2.5~3.0 钛合金 ≤0.8~1 ≤1.0~1.5 非金属材料 ≤1.5~20
第 8 章 特种冲压模具 293 图并考虑收缩率制作凸模模型；然后用凸模模型造砂型；浇注熔化的锌基合金；冷却清理 后便得到锌基合金凸模。图 8.8(b)为锌基合金凹模制模过程：先在凸模模型上粘贴为配制 凸-凹模间隙的小块板料，并用耐火泥补平，烘干后抛光；然后用已配制好间隙的模型制作 石膏过渡型；再用石膏过渡型造砂型；浇铸成锌基合金凹模。 图 8.8 砂型制模工艺过程 (a) 凸模制模过程；(b) 凹模制模过程 用铸造获得的锌基合金凸模、凹模，最后还需要手工修整以确保凸—凹模间隙均匀。 以上浇注方法为敞开式浇注，对于几何形状较复杂的模具零件可采用合箱闭式浇注， 可以更好地控制收缩变形，减少铸造缺陷。 8.2 聚氨酯橡胶冲模 8.2.1 聚氨酯橡胶性能及应用 聚氨酯橡胶是一种人工合成的高分子弹性体。它比一般的橡胶硬度高，强度好，弹性 大，耐磨，耐油，耐老化。特别是抗撕裂性能很好，可以很容易地进行各种机械加工和浇 铸成形。由于原料的配比不同，聚氨酯的硬度变化范围比较大。常见的国产聚氨酯橡胶牌 号有 8260、8270、8280、8290、8295 等，对应的邵氏硬度(A)分别为 67、75、85、90、93。 其中 8290、8295 主要用于冲裁模。8260、8270、8280 主要用于弯曲、拉深、胀形等其他 模具。用聚氨酯橡胶作为模具工作零件(如凸模、凹模)的模具称为聚氨酯橡胶冲模。这类 模具结构简单，制造容易，生产周期短，制模成本低。常用于薄材料制件的小批量生产及 新产品试制。较适合聚氨酯橡胶冲模冲压成形的板材厚度见表 8.2。 表 8.2 聚氨酯橡胶冲压加工的板料厚度 mm 材 料 落料、冲孔 弯 曲 成 形 拉 深 结构钢 ≤1.0～1.5 ≤2.0～3.0 ≤1.0～1.5 ≤1.5～2.0 合金钢 ≤0.5～1.0 ≤1.5～2.0 ≤0.5～1.0 — 铜及其合金 ≤1.0～2.0 ≤3.0～4.0 ≤2.5～3.0 ≤2.5～3.0 铝及其合金 ≤2.0～2.5 ≤3.5～4.0 ≤3.0～3.5 ≤2.5～3.0 钛合金 ≤0.8～1.0 ≤1.0～1.5 ≤0.5～1.0 — 非金属材料 ≤1.5～2.0 — — —
中压工艺与模具设计 822聚氨酯橡胶冲模的设计 用聚氨酯橡胶模冲裁,落料时用聚氨酯作为凹模,凸模用钢质材料。冲孔时用聚氨酯 作为凸模,凹模用钢质材料 )聚氨酯橡胶模的冲裁变形过程 如图89所示,聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁变形过程与一般钢模不同。压力机滑块下行 时,装在容框内的聚氨酯橡胶产生弹性变形,以较高的压力迫使被冲板料沿钢质凸模刃口 发生弯曲、拉伸等复杂变形,最后在压力的作用下板料断裂分离。在冲裁过程中,由于橡 胶始终把板料压在钢模上,故制件平整。此外,因为橡胶紧贴着钢模刃口流动,成为无间 隙冲裁,所以冲裁件基本无毛剌。利用这个特点,可以解决冲裁薄板时,间隙太小、制模 困难的问题。 气氧 图8.9聚氨酯橡胶冲裁过程 一容框:2一卸料板:3—凸模:4一聚氨酯橡脱 根据聚氨酯橡胶冲裁特点,冲裁搭边值应比钢模冲裁时大。冲孔孔径不能太小,否则 所需橡胶的单位面积压力太大,冲裁很困难 (2)钢质凸、凹模刃口尺寸的计算 聚氨酯冲裁凸、凹模刃口尺寸的计算与钢模冲裁略有不同。其落料件外形尺寸决定于 钢质凸模刃口尺寸,冲孔孔径决定于钢质凹模刃口尺寸。冲裁后落料件外形尺寸比钢质凸 模稍大,而冲孔比相应的钢质凹模直径稍小。设计时可按下式计算: 落料 DT=(Dmax x 4) 冲孔 da=(dmintx 4) 式中:D—钢质凸模刃口尺寸 d-—钢质凹模刃口尺寸 冲裁件公差 δr—钢质凸模公差 δA-—钢质凹模公差 系数,一般取0.5~0.7 (3)聚氨酯橡胶冲模的基本结构 图810所示为聚氨酯橡胶冲孔落料复合模,凸凹模的材料为模具钢,橡胶垫2作为落 料凹模与冲孔凸模。卸料和推料都采用了弹性结构。容框采用了组合结构,使模具具有
294 冲压工艺与模具设计 8.2.2 聚氨酯橡胶冲模的设计 用聚氨酯橡胶模冲裁，落料时用聚氨酯作为凹模，凸模用钢质材料。冲孔时用聚氨酯 作为凸模，凹模用钢质材料。 (1) 聚氨酯橡胶模的冲裁变形过程 如图 8.9 所示，聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁变形过程与一般钢模不同。压力机滑块下行 时，装在容框内的聚氨酯橡胶产生弹性变形，以较高的压力迫使被冲板料沿钢质凸模刃口 发生弯曲、拉伸等复杂变形，最后在压力的作用下板料断裂分离。在冲裁过程中，由于橡 胶始终把板料压在钢模上，故制件平整。此外，因为橡胶紧贴着钢模刃口流动，成为无间 隙冲裁，所以冲裁件基本无毛刺。利用这个特点，可以解决冲裁薄板时，间隙太小、制模 困难的问题。 图 8.9 聚氨酯橡胶冲裁过程 1—容框；2—卸料板；3—凸模；4—聚氨酯橡胶 根据聚氨酯橡胶冲裁特点，冲裁搭边值应比钢模冲裁时大。冲孔孔径不能太小，否则 所需橡胶的单位面积压力太大，冲裁很困难。 (2) 钢质凸、凹模刃口尺寸的计算 聚氨酯冲裁凸、凹模刃口尺寸的计算与钢模冲裁略有不同。其落料件外形尺寸决定于 钢质凸模刃口尺寸，冲孔孔径决定于钢质凹模刃口尺寸。冲裁后落料件外形尺寸比钢质凸 模稍大，而冲孔比相应的钢质凹模直径稍小。设计时可按下式计算： 落料 DT＝(Dmax－xΔ) T 0 - d 冲孔 dA＝(dmin＋xΔ) A 0 + d 式中：DT——钢质凸模刃口尺寸； dA——钢质凹模刃口尺寸； Δ——冲裁件公差； δ T——钢质凸模公差； δ A——钢质凹模公差； x ——系数，一般取 0.5~0.7。 (3) 聚氨酯橡胶冲模的基本结构 图 8.10 所示为聚氨酯橡胶冲孔落料复合模，凸凹模的材料为模具钢，橡胶垫 2 作为落 料凹模与冲孔凸模。卸料和推料都采用了弹性结构。容框采用了组合结构，使模具具有一
第8章特种冲压模具 定的通用性。当制件尺寸改变时,只需更换容框和其他工作零件, 图8.10聚氨酯橡胶冲孔落料复合模 1—压料板:2一橡胶模垫:3一容框;4—凸凹模:5一顶杆 图811所示为聚氨酯橡胶弯曲模,上模5为钢制件,件4为聚氨酯橡胶垫,在底部设 置了2件成形棒1,有利于橡胶转移成形,使其产生比较均匀的压力,并可以减小成形力。 弯曲时,上模行程增加,橡胶垫对板料的单位压力也增大。当单位压力达到一定数值后, 板料成形部位产生塑性变形,这种塑性变形有利于减小回弹,具有校正作用。在弯曲过程 中,坯料一直处于橡胶垫与上模的压緊状态,不易移动,定位精度妤。因此采用聚氨酯橡 胶弯曲模比一般的钢质弯曲模弯曲件的回弹小,制件精度和表面质量都较高 0.3~0.6 图8.11聚氨酯橡胶弯曲模 成形棒:2一容框:3一定位板:4一橡胶模垫:5一弯曲凸模;6一制件 聚氨酯橡胶弯曲模结构简单,成本低。 图812所示为聚氨酯橡胶胀形模,成形制件为三通件。一般这类制件需经落料、成形、 弯曲、整形、焊接、修磨等数道工序完成。材料利用率低,制造成本高。胀形则选用管件
第 8 章 特种冲压模具 295 定的通用性。当制件尺寸改变时，只需更换容框和其他工作零件。 图 8.10 聚氨酯橡胶冲孔落料复合模 1—压料板；2—橡胶模垫；3—容框；4—凸凹模；5—顶杆 图 8.11 所示为聚氨酯橡胶弯曲模，上模 5 为钢制件，件 4 为聚氨酯橡胶垫，在底部设 置了 2 件成形棒 1，有利于橡胶转移成形，使其产生比较均匀的压力，并可以减小成形力。 弯曲时，上模行程增加，橡胶垫对板料的单位压力也增大。当单位压力达到一定数值后， 板料成形部位产生塑性变形，这种塑性变形有利于减小回弹，具有校正作用。在弯曲过程 中，坯料一直处于橡胶垫与上模的压紧状态，不易移动，定位精度好。因此采用聚氨酯橡 胶弯曲模比一般的钢质弯曲模弯曲件的回弹小，制件精度和表面质量都较高。 图 8.11 聚氨酯橡胶弯曲模 1—成形棒；2—容框；3—定位板；4—橡胶模垫；5—弯曲凸模；6—制件 聚氨酯橡胶弯曲模结构简单，成本低。 图 8.12 所示为聚氨酯橡胶胀形模，成形制件为三通件。一般这类制件需经落料、成形、 弯曲、整形、焊接、修磨等数道工序完成。材料利用率低，制造成本高。胀形则选用管件
中压工艺与模具设计 作坯料,加工时先将橡胶芯棒15放入管内,再共同放入活动凹模4的模腔内,利用上凸模 2对橡胶加压。在加压过程中活动凹模下行,下凸模8压缩橡胶,这样在上、下凸模双重 作用下,橡胶使坯料成形。回程时顶杆1将活动凹模顶出凹模座6,制件随活动凹模一道 取出,分离凹模,取出制件及橡胶芯棒 图8.12聚氨酯橡胶胀形模 上模座:2一上凸模;3一橡胶上垫片:4-活动凹模:5—垫块:6—活动凹模座:7一橡胶下垫片:8-下凸模 9—弹簧:10—下模座:11一顶杆:12一定位调节座:13一定位调节圈:14一制件:15—橡胶芯棒 图813所示为聚氨酯橡胶拉深模。图8.13(a)中凹模4为钢质件,橡胶垫2起凸模作用 并与凹模端面对坯料的法兰部分施压,起压边作用,防止起皱;图8.13(b)中凸模6为钢质 件,橡胶垫2起凹模作用。注意钢质凹模一般都带底部,所以需在底部开设1mm~3mm的 排气孔 图8.13聚氨酯橡胶拉深模 一容框:2一橡胶模垫:3一毛坯:4—钢质凹模:5一制件;6一凸模 (4)容框、顶杆、压料板及橡胶垫的设计 容框在聚氨酯橡胶模具中是一个很重要的零件,模具的工作过程中,它要承受较大的 张力,因此必须要有足够的强度与刚度。当单位压力不大时可采用45钢、40Cr钢制造, 热处理硬度为40~45HRC:若单位压力很大,则可采用高强度钢,如30 CrMnSi等,热处理 硬度为40~45HRC。容框可以单独制作,固定在模座上,也可以与模座做成整体。用于冲 裁模的容框,其内形与冲裁件相似,当板料厚度为0.05mm左右时,单边间隙取0.5mm
296 冲压工艺与模具设计 作坯料，加工时先将橡胶芯棒 15 放入管内，再共同放入活动凹模 4 的模腔内，利用上凸模 2 对橡胶加压。在加压过程中活动凹模下行，下凸模 8 压缩橡胶，这样在上、下凸模双重 作用下，橡胶使坯料成形。回程时顶杆 11 将活动凹模顶出凹模座 6，制件随活动凹模一道 取出，分离凹模，取出制件及橡胶芯棒。 图 8.12 聚氨酯橡胶胀形模 1—上模座；2—上凸模；3—橡胶上垫片；4—活动凹模；5—垫块；6—活动凹模座；7—橡胶下垫片；8—下凸模； 9—弹簧；10—下模座；11—顶杆；12—定位调节座；13—定位调节圈；14—制件；15—橡胶芯棒 图 8.13 所示为聚氨酯橡胶拉深模。图 8.13(a)中凹模 4 为钢质件，橡胶垫 2 起凸模作用， 并与凹模端面对坯料的法兰部分施压，起压边作用，防止起皱；图 8.13(b)中凸模 6 为钢质 件，橡胶垫 2 起凹模作用。注意钢质凹模一般都带底部，所以需在底部开设 1mm~3mm 的 排气孔。 图 8.13 聚氨酯橡胶拉深模 1—容框；2—橡胶模垫；3—毛坯；4—钢质凹模；5—制件；6—凸模 (4) 容框、顶杆、压料板及橡胶垫的设计 容框在聚氨酯橡胶模具中是一个很重要的零件，模具的工作过程中，它要承受较大的 张力，因此必须要有足够的强度与刚度。当单位压力不大时可采用 45 钢、40Cr 钢制造， 热处理硬度为 40~45HRC；若单位压力很大，则可采用高强度钢，如 30CrMnSi 等，热处理 硬度为 40~45HRC。容框可以单独制作，固定在模座上，也可以与模座做成整体。用于冲 裁模的容框，其内形与冲裁件相似，当板料厚度为 0.05mm 左右时，单边间隙取 0.5mm；
第8章特种冲压模具 板料厚度为0.1~0.2mm时,单边间隙取1.0~1.5mm。单边间隙在可能的条件下取较小值, 这样可以减小冲裁搭边,提高材料利用率。但是,间隙太小,橡胶流入容框与凸模之间太 少,不足以对板料产生足够的剪切力,制件不易与废料分离:间隙太大(≥2mm),橡胶在 压力作用下会沿着凸模刃口向外流出,此时凸模刃口切入橡胶垫边缘,造成撕裂,形成“脱 圈”现象 容框可制成锥形如图8.14所示,以利于聚氨酯橡胶垫的换装。如果模垫表面磨损,可 将磨损的表面切除,更换垫板调整高度后继续使用。 图8.14锥形模垫容框 l一模座:2一容框:3—橡胶模垫:4—垫板 聚氨酯橡胶垫的高度取12~15mm为宜 使用压料板与顶杆,可使聚氨酯橡胶垫在冲裁过程中处于全封闭状态,能有效地控制 橡胶的变形程度和提髙刃口处的剪切力,有利于提高模具的使用寿命和冲裁件的质量。常 用压料板和顶杆有2种安装形式如图815所示,其中活动式压料板和顶杆如图815(b)所示) 在正常情况下伸出模具工作零件端面约0.5~15mm,起压料和卸料的作用。 (a)固定式 (b)活动式 图8.15压料板与顶杆的安装形式 压料用聚氨酯橡胶的邵氏硬度为70~80A,预压量为5%~15%;顶件用聚氨酯橡胶的邵 氏硬度为80A。 压料板与顶杆的结构形式如图8.16所示,几何参数如表83所列。 表83压料板与顶杆的几何参数 板料厚度mmm h/mm ≤0.1 45~55 >0.1~0.3 0.6~1.0 55~65 0.5 65~75
第 8 章 特种冲压模具 297 板料厚度为 0.1~0.2mm 时，单边间隙取 1.0~1.5mm。单边间隙在可能的条件下取较小值， 这样可以减小冲裁搭边，提高材料利用率。但是，间隙太小，橡胶流入容框与凸模之间太 少，不足以对板料产生足够的剪切力，制件不易与废料分离；间隙太大(≥2mm)，橡胶在 压力作用下会沿着凸模刃口向外流出，此时凸模刃口切入橡胶垫边缘，造成撕裂，形成“脱 圈”现象。 容框可制成锥形如图 8.14 所示，以利于聚氨酯橡胶垫的换装。如果模垫表面磨损，可 将磨损的表面切除，更换垫板调整高度后继续使用。 图 8.14 锥形模垫容框 1—模座；2—容框；3—橡胶模垫；4—垫板 聚氨酯橡胶垫的高度取 12~15mm 为宜。 使用压料板与顶杆，可使聚氨酯橡胶垫在冲裁过程中处于全封闭状态，能有效地控制 橡胶的变形程度和提高刃口处的剪切力，有利于提高模具的使用寿命和冲裁件的质量。常 用压料板和顶杆有 2 种安装形式如图 8.15 所示，其中活动式压料板和顶杆如图 8.15(b)所示) 在正常情况下伸出模具工作零件端面约 0.5~1.5mm，起压料和卸料的作用。 图 8.15 压料板与顶杆的安装形式 压料用聚氨酯橡胶的邵氏硬度为 70~80A，预压量为 5%~15%；顶件用聚氨酯橡胶的邵 氏硬度为 80A。 压料板与顶杆的结构形式如图 8.16 所示，几何参数如表 8.3 所列。 表 8.3 压料板与顶杆的几何参数 板料厚度 t/mm h/mm α /° r/mm ≤0.1 0.4～0.6 45～55 0.5 ＞0.1～0.3 0.6～1.0 55～65 0.5 ＞0.3～0.5 1.2 65～75 0.5