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模具概论

Mold/Mould(模具) ---- 铸模、塑模 Die(模具) ---- 锻模、挤压模、冲模

钢水 钢锭

挤压模 轧制

铁水 铸件

成形型材 板材

铸模

圆钢

锻模

锻件

零件

机加工 冲模

塑胶

塑模 工具手段

工件

自由锻

第一部分 冲压加工

第一节 冲裁概述

冲裁是利用模具使板料产生分离的一种冲压工序。它包括： 落料 冲孔

根据变形机理的不同，冲裁可以分为普通冲裁和精密冲裁两类。

一、冲裁件断面分析

1．冲裁变形过程 弹性变形阶段(图 3-1I)。板料在凸、凹模作用下产生弹性压缩、拉伸、弯曲、挤压

等变形，此阶段以材料内的应力达到弹性极限为止。 塑性变形阶段(图 3-1II)。此阶段以材料内的应力达到强度极限为止。 断裂分离阶段(图 3-1III)。

2．断面分析

塌角 a(圆角带)：材料塑性越好、凸、凹模的间隙越大，塌角越大。 光面 b(剪切面)：它是最理想的冲裁断面，冲裁件的尺寸精度就是以光面处的尺寸

来衡量的。普遍冲裁的光面宽度约占板料厚度的 1/3-1/2。材料塑性越好，光面越宽。 毛面 c。材料塑性越差，毛面比例越大。 毛刺 d。冲裁间隙越小，毛刺的高度越小。

二、间隙

1．间隙对冲裁件质量的影响 1)间隙对断面质量的影响

间隙合适时，剪切裂纹基本重合，光面宽度约占板料厚度的 1/3-1/2。切断面的塌角、

毛刺和斜度均很小。 间隙过小时，剪切裂纹比合理间隙时向外错开一段距离，上下裂纹之间的材料被第

二次剪切，形成第二个光面，且毛面斜度和塌角小，弯曲小，所以只要中间撕裂不

是很深，仍可使用。 间隙过大时，剪切裂纹比合理间隙时向内错开一段距离，拉应力增大，塑料变形阶

段较早结束，光面减小，塌角、斜度、毛剌、弯曲均增大，甚至影响正常生产。

2)间隙对尺寸精度的影响

间隙较大时，材料侧向拉伸作用较大，冲裁后材料弹性回复，落料尺寸小于凹模尺

寸，冲孔件尺寸大于凸模尺寸。 间隙较小时，材料侧向挤压作用较大，冲裁后材料弹性回复，落料尺寸大于凹模尺

寸，冲孔件尺寸小于凸模尺寸。 材料性质决定弹性变形量，较软的材料，弹性变形小，尺寸精度较高。 材料相对厚度越大，弹性变形小，尺寸精度较高。 尺寸越小，形状越简单，尺寸精度较高。

2．间隙对冲裁力的影响

随着间隙的增大，冲裁力有一定程度的降低。 间隙增大，卸料力和推件力都减小。

3．间隙对模具寿命的影响

间隙过小时，摩擦力增大，加剧模具刃口的磨损。 4．间隙值的确定

三、凸模与凹模刃口尺寸的确定

1．刃口尺寸计算的依据和计算原则 依据：冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光面的尺寸为基准。 原则： 1) 落料时。以凹模尺寸为基准。因为落料件尺寸会随凹模磨损而增大，故凹模基本

尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小值。而凸模基本尺寸=凹模基本尺寸-最小初

始间隙。 2) 冲孔时。以凸模尺寸为基准。因为冲孔件尺寸会随凸模磨损而变小，故凸模基本

尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大值。而凹模基本尺寸=凸模基本尺寸+最小

初始间隙。 3) 孔心距。凸凹模尺寸磨损不影响孔心距的变化。故孔心距的基本尺寸取在工件孔

心距公差带的中点上，按双向对称偏差标注。 4) 凸凹模尺寸制造公差。

2．刃口尺寸的计算方法(凸凹模分别加工法)

落料： 凹模尺寸 dxDDdδ+Δ−= 0max )(

凸模尺寸0

min )(p

ZDD dp δ−−=

冲孔： 凸模尺寸0

min )(p

xdd p δ−Δ+=

凹模尺寸 dZdd pdδ++= 0min )(

孔心距：2

)2

( mind

d LL δ±

Δ+=

其中

maxD ----- 落料件的最大极限尺寸

mind ----- 冲孔件孔的最小极限尺寸

minZ ----- 最小双面间隙

dp δδ , ----- 凸、凹模的制造公差。取 )(4.0 minmax ZZp −≤δ 、 )(6.0 minmax ZZd −≤δ

Δ ----- 冲裁件公差 x ----- 系数， 15.0 −=x 之间，见表 3-5。

minL ----- 工件孔心距的最小极限尺寸

[例] 如图 3-7 所示工件，材料为 Q235，料厚 t=1mm，请分别确定冲裁凸、凹模工作部分尺

寸。 解：查表 3-4 得 Zmax=0.140mm，Zmin=0.100mm；

mmZZp 016.0)100.0140.0(4.0)(4.0 minmax =−×=−=δ

mmZZd 024.0)100.0140.0(6.0)(6.0 minmax =−×=−=δ

1)外形尺寸 36 属于落料， mm10.0=Δ 。查表 3-5 得 x=1。

mmxDD dd

024.00

024.000max 90.35)10.00.136()( +++ =×−=Δ−= δ

mmZDDpdp

0016.0

0016.0

0min 80.35)10.090.35()( −−− =−=−= δ

2)孔尺寸 6 属于冲孔， mm048.0=Δ 。查表 3-5 得 x=0.75。

mmxddpp

0016.0

0016.0

0min 036.6)048.075.06()( −−− =×+=Δ+= δ

mmZdd dpd

024.00

024.000min 136.6)100.0036.6()( +++ =+=+= δ

3)孔心距 18。

mmLL dd 012.018

2024.0)

212.0)06.018((

2)

2( min ±=±+−=±

Δ+=

δ

[习题] 如下图所示工件，材料为 Q235，料厚 t=2.2mm，请分别确定冲裁凸、凹模工作部分

尺寸 45 和∅26。(注：Zmin=0.260mm，Zmax=0.380mm)

四、排样

排样方案对材料利用率、冲件质量、生产率、模具结构与寿命等都有重要影响。 1.材料利用率

一个步距内材料利用率 %100×=BSAη

式中 A --- 一个步距内冲裁件的实际面积(mm2) B --- 条料宽度(mm) S --- 步距(mm) 若考虑到料头、料尾和边余料的消耗，则一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率

%100n 1 ×=BLA

总η

式中 n --- 一张板料(或带料、条料)上的冲裁件总数目； A1 --- 一个冲裁件的实际面积(mm2) B --- 条料宽度(mm) L --- 条料长度(mm)

2.提高材料利用率的方法 废料分类：

结构废料。由冲裁件的形状特点产生；

工艺废料。由冲裁件之间或冲裁件条料侧边之间的搭边，以及料头、料尾和边余料

而产生的废料。 主要应从减少工艺废料着手，措施是：

合理的排样方案； 合适的板料规格；

3．排样方法

按材料的利用情况，条料排样方法可分为： 1) 有废料排样(图 3-13a) 2) 少废料排样(图 3-13b) 3) 无废料排样(图 3-13c) 按冲裁件的布置方式，条料排样方法分类见表 3-10。

五、冲裁力和压力中心的计算

1．冲裁力行程曲线

2．冲裁力的计算

它是选用冲床(压力机)和设计模具的重要依据之一。

平刃口冲裁的冲裁力 bKLtF τ=

式中 F – 冲裁力(N)； L – 冲裁周边长度(mm)； t – 材料厚度(mm)；

bτ - 材料抗剪强度(MPa)

K – 系数。 为计算简便，也可按下式估算冲裁力：

bLtF σ=

3．冲模压力中心的确定 冲压力合力的作用点称为模具的压力中心。它应该通过压力机滑块的中心线。

∑

∑

=

==+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++

= n

ii

n

iii

n

nn

L

xL

LLLxLxLxLx

1

1

21

22110

∑

∑

=

==+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++

= n

ii

n

iii

n

nn

L

yL

LLLyLyLyLy

1

1

21

22110

六、冲裁模分类及典型冲裁模结构分析

1．冲裁模的分类 1)按工序性质分类。

落料模。 冲孔模。 切断模。 切边模。 修边模。 精冲模。

2)按工序组合程度分类。 单工序模。 复合模。 级进模。

3)按模具导向方式分类。 无导向开式模。 有导向导板模。 有导向导柱模。

4)按卸料分类。 固定卸料式模。 弹压卸料式模。

2．典型冲裁模的结构分析 1)单工序模 a)无导向单工序冲裁模

b)导板式单工序冲裁模

c)导柱式单工序冲裁模

2)级进模。

在压力机一次行程中，在模具的不同位置上同时完成数道冲压工序。 a)固定档料销和导正销定位的级进模

b)侧刃定距的级进模

c)级进模的排样设计

3)复合模。

在压力机一次行程中，在模具的同一位置上完成数道冲压工序。 a)正装式复合模

b)倒装式复合模

3．冲模零件分类

第二部分 注射模

第一节 注射模的基本结构

一、注射模的结构组成

由动模和定模两部分组成。 动模：安装在注射成型机的移动模板上。 定模：安装在注射成型机的固定模板上。

1．成型部件 型芯（模芯、公模仁、Core）。型芯形成制品的内表面形状。型芯中的镶块（模芯镶块、公

模仁入子、Core insert）。 凹模（模腔、母模仁、Cavity）。形成制品的外表面形状。凹模中的镶块（模腔镶块、母模

仁入子、Cavity insert）。 2．浇注系统（流道系统）

它是将塑料熔体由注射机喷嘴引向型腔的一组进料通道，主要由主流道、分流道、浇口

和冷料穴组成。 3．导向部件

导柱与导套。用于确保动模与定模合模时能准确对中。另外，在模具推出机构中也可能设置。 内外锥面：有时用于辅助定位。 4．推出机构。 它将塑件及其在流道中的凝料推出或拉出。通常由推杆、推出固定板、推板和拉料杆等组成。 5．调温系统 冷却水通道。有时也利用其通热水或蒸汽。 电加热元件。 6．排气槽 在分型面开设排气槽。 对于小塑件，可直接利用分型面，模具零部件配合间隙排气。 7．侧抽芯机构 8．标准模架（模胚、Mold base） 通常包括：定位圈、定模座板、定模板、动模板、动模垫板、动模底座、推出固定板、推板、

推杆、导柱、导套。

二、注射模具按结构特征分类

注射模的分类方法主要有：按安装方式，按型腔数目和按结构特征分类，以设计角度，

多按结构特征分类。 1．单分型面注塑模具（两板模）（图 5.1） 型芯设在动模板上。 凹模设在定模板上。主流道设在定模一侧，分流道设在分型面上。 除直接浇口外，型腔的浇口位置只能选择在制品的侧面。 2．双分型面注塑模具（三板模）（图 5.2） 以两个不同的分型面分别取出流道凝料和塑件，双分型面注射模具在动模板与定模板之间增

加了一块可以移动的中间板（浇口板）。 型腔设在中间板与动模板之间。 流道设在定模板与中间板之间。 中间板适用于采用点浇口进料的单型腔或多型腔模具。 双分型面注射模具能在塑件的中心部位设置点浇口，但制造成本较高、结构复杂、需要较大

的开模行程。

3．带有活动镶件的注射模具（图 5.3） 侧向型芯或半块(哈夫块)。 * 活动部件连同塑料件一起移出模外，需要人工分离并且重组模具，生产效率不高，

常用于小批量生产或试生产。

4．带侧向分型抽芯的注射模具（图 5.4） 斜销或斜滑块组成的分型抽芯机构。用于塑件上有侧孔或侧凹时，适用于大批量生产。

5．自动卸螺纹的注射模具（图 5.5） 6．推出机构设在定模的注射模具（图 5.6）

用于制件的特殊要求或形状的限制，制件必须要留在定模内，这时就在定模一侧设置

推出机构。 * 一般由动模通过拉板或链条来驱动。

7．无流道凝料注射模具（图 5.7）

包括：热流道和绝热流道模具。 采用对流道加热或绝热的办法来保持从注射机喷嘴到浇口处之间或塑料保持熔

融状态。 流道内没有塑料凝料，节约了塑料。 保证注射压力在流道中传递，有利于改善制件的质量。 易于全自动操作。 模具成本高，浇注系统和控温系统要求高，对制件形状有一定的限制。

第二节 注射模具与注塑机的关系

一、注射量的校核

注射机标称注射量有两种表示方法：容量（cm3）或质量（g）表示。 必须使得一个注塑成型周期内所注射的塑料熔体的容量或质量在注射机额定注射量的

80%以内，即： V = nVn+Vj≦0.8Vg m = nmn+mj≦0.8mg

* 一般情况下，仅对最大注射量进行校核即可。 * 对于热敏性塑料，最小注射量应不小于注射机额定最大注射量的 20%。

二、注射压力的校核

注射机的最大注射压力应大于该制件所要求的注射压力。 注射压力与塑料品种、注塑机类型、喷嘴形式、制件形状的复杂程度以及浇注系统等因

素有关，一般在 70-150MPa 之间。

* 可以用 Moldflow 等软件进行模拟计算注射压力。

三、锁模力的校核

应使 T 推≦T 合，否则会发生溢边跑料现象。

型腔内塑料熔体的推力 T 推（N）可按下式计算： T 推=A*p 平均≦A*p=A*kp0 其中压力损耗系数 k=0.2-0.4，随塑料品种、注射机形式、喷嘴阻力、流道阻力等因素

变化。 成型中、小型塑料制品时型腔压力 p 可取 20-40MPa。 对于流动性差、形状复杂、精度要求高的制品，成型时需要较高的型腔压力。

四、安装部分的尺寸校核

1．模具厚度

注射机规定的模具最大与最小厚度：模板闭合后达到规定锁模力时动模板与定模板的最

大与最小距离。 所设计的模具厚度应落在注射机规定的注射机规定的模具最大与最小厚度范围内。 当模具厚度小时，可加垫板。

2．模具的长度与宽度 要与注射机拉杆间距相适应，使模具安装时可以穿过拉杆空间在动、定模固定板上固

定。 模具固定方式： 1)螺钉直接固定：安全可靠，但螺孔应完全吻合。 2)螺钉压板压紧：具有较大灵活性，但不适用于大型模具。

3．定位环尺寸 主流道中心线与注射机喷嘴的中心线重合。

4．喷嘴尺寸

应确保 R2 = R1+（1-2）mm，否则： * 高压塑料熔体易从缝隙处溢出； * 主流道内的塑料凝料将无法脱出。

五、开模行程的校核

1．注射机最大开模行程与模具厚度无关时的校核 液压-机械式合模机构的注射机，其最大开模行程是由肘杆机构的最大行程所决定的，

而不受模具厚度的影响。当模具厚度变化时可由其调模装置调整。 校核：Smax≧S

2．注射机最大开模行程与模具厚度有关时的校核 直角式注射机和全液压式合模机构的注射机，其最大开模行程是等于注射机移动模板

与固定模板之间的最大开距 Sk 减去模具闭合厚度 Hm。 校核：Sk-Hm≧S，即 Sk≧Hm+S

关键在于求出开模距离 S，其与模具结构类型有关： 1． 单分型面注射模(图 5-12，图 5-13)

对于最大行程与模厚无关的情况：Smax≧H1+H2+(5-10)mm

对于最大行程与模厚有关的情况：Sk≧Hm+H1+H2+(5-10)mm

2． 双分型面注射模(图 5-14，图 5-15) 对于最大行程与模厚无关的情况：Smax≧H1+H2+α+(5-10)mm 对于最大行程与模厚有关的情况：Sk≧Hm+H1+H2+α+(5-10)mm * 对于内表面为阶梯状的塑性，有些不必推出型芯的全部高度即可取出塑件。

3． 利用开模动作完成侧向分型抽芯(图 5-16)

当最大开模行程与模厚无关时，校核如下： 当 Hc>H1+H2时，取 Smax≧Hc+(5-10)mm 当 Hc<H1+H2时，取 Smax≧H1+H2+(5-10)mm

六、顶出装置的校核

顶出装置的四种形式： 1． 中心顶杆机械顶出 2． 两侧双顶杆机械顶出 3． 中心顶杆液压顶出与两侧双顶杆机械顶出 4． 中心顶杆液压顶出与其它开模辅助液压缸联合作用 需要校核：顶出距离、顶杆直径、双顶杆中心距。

第三节 标准模架的选用

一、普通标准模架的优点和局限性

二板模轴测装配总成，如图 5-17 所示。

二、标准模架简介