管材与型材的冲裁优化方法

1.端面切断模具

经过切断后的管材，成为制造管件所需的管坯。根据管件的使用要求，有时还需对其端口加工出各种形状。以往加工这类端口形状时，大多采用铣削加工，刀具易损坏，效率低，也不很安全。目前广泛采用冲裁加工不但提高了生产效率，而且质量稳定，安全可靠。

常见的管材端口形式如图3-39所示。管材直径一般为（ϕ10～ϕ70）mm，壁厚0.5～5mm。由于端口形式不同，其模具结构应经过具体分析后进行合理设计。以下是几种已在生产中采用的典型模具结构，可供设计时参考。

（1）端口圆弧冲裁 管材端口冲切圆弧的模具结构如图3-40所示。凸模3压装在固定板2中，固定板以支板1和凹模5的一端面导向，借以保证凸模与凹模的单面冲裁间隙。支板和凹模装在下模座7上。开始冲裁前，应将凸模调整到与凹模圆弧面离开一个管材壁厚稍大一点的位置，以便管料送进。模具工作时，将端口分两次冲切。第一次冲切时，将管坯6套在凸模上，以定位螺钉4定长，冲切下半部圆弧。第二次冲切时，将管坯翻转180°，以冲成的管端口圆弧面定位，便可完成整个冲裁过程。在此应当说明，对管材端口圆弧分两次冲切是分两道工序分批进行的，即第一次冲切是将所有管坯的下半部圆弧冲切掉，然后调节定位螺钉，以便第二次冲切时的定位，并非仅对单个管坯连续进行两次冲切。采用这种模具结构进行冲裁，其压力机的行程要小，不宜过大。

图3-39 常见的管材端口形式

a）端口圆弧 b）、c）端口开槽 d）端口异形

e）端口倾斜圆弧

图3-40 管材端口冲切圆弧的模具结构

1—支板 2—固定板 3—凸模 4—定位螺钉 5—凹模 6—管坯 7—下模座

（2）端口开槽冲裁 管材端口冲切开槽的模具结构如图3-41所示。芯模6紧固在固定板3上，固定板借弹簧2和导柱4可相对下模座1进行上下活动。冲裁时应在固定板上施加压力，一般可采用在压力机滑块下垫橡胶的方法。待芯模连同管坯紧贴下模座后，凸模5再开始冲裁。为提高芯模的刃口强度，凸模采用3°～5°的斜刃。冲裁另一面时，将管坯转180°，依靠已冲好的缺口定位再进行冲裁，从而分两次完成整个冲裁过程。

（3）端口异形冲裁 管材端口冲切异形的模具结构如图3-42所示。凸模2借支板1进行导向，芯模4的头部形状与凹模3一致，管坯5套在芯模上便能冲裁，芯模可以借销钉6向上提起并转动，以便装卸管坯。

图3-41 管材端口冲切开槽的模具结构

1—下模座 2—弹簧 3—固定板 4—导柱 5—凸模 6—芯模 7—管坯

图3-42 管材端口冲切异形的模具结构

1—支板 2—凸模 3—凹模 4—芯模 5—管坯 6—销钉 7—下模座

（4）端口倾斜圆弧冲裁 管材端口冲切倾斜圆弧的模具结构如图3-43所示。该管端口的圆弧R与管坯轴线成α斜角。它一般在卧式压力机上进行冲裁。具有特形刃面和刃口的凸模1装在压力机滑块中，凹模2是对开式的，借支板4固定在可绕O点转动的凹模底座上（图3-43中未示出）。管坯3插入凹模后，利用压杆5夹紧，凸模下冲便可进行冲裁。压杆靠横楔7和纵楔6施压，纵楔与压力机滑块相连。两楔紧固在另一带滑槽的底座上，底座也以O点为中心，可在压力机台面上回转，同时可绕压杆头部的圆弧切点摆动，这种回转和摆动与可转动的凹模底座一样，是为了适应各种不同的管端口斜角α。当然，当α角改变时，与管径尺寸改变一样，必须另行设计相应的凹模；当冲切的圆弧R改变时，则还需另行设计凸模。斜角α在30°～75°范围内均能冲裁。如管材端口要求冲切出互成角度的多道R，则可分几次冲裁完成。

图3-43 管材端口冲切倾斜圆弧的模具结构

a）模具结构 b）凸模结构 c）工件

1—凸模 2—凹模 3—管坯 4—支板 5—压杆 6—纵楔 7—横楔

由上述可知，由于管材端口要求冲切的形状不同，采用的模具结构亦不相同。这就需要针对管材端口的不同形式，具体分析研究端口形状的几何特点，进而合理地设计相应的模具结构。模具结构既要满足冲裁管材端口形状的功能要求，而且还应操作方便，安全可靠。

2.型材冲裁模具

型材零件按切断后的截面形状不同可分为直角切断、45°切断、开榫冲切三大类型。常见的榫头截面形状如图3-44所示。型材开榫冲裁模如图3-45所示，其主要特点：凸模边刃做成双斜刃式，在凸模下行时，保持凸模有水平和垂直两个方向的切割动作，使料筋和侧面一次分离，冲出工件。凸模边刃斜度一般选取35°～40°为好。凹模采用镶块结构，分别由件1、2、3共六块镶块组成，镶块位置呈左右对称组合而成，且镶块自身设计成对称形式，一侧刃口冲坏，颠倒对换仍能继续使用。冲裁时，把料放在图3-45中A所示位置上，由于设计时使凸模一侧斜刃升起的高度与型材两翼高度差值相等，这就保证凸模下行时，双斜刃同时接触型材两侧，由于两侧接触点上水平分力左右相等，下模工作稳定程度相应提高。凸模继续下行，在凸模底平面切断料筋的同时，凸模双斜刃沿型材两翼剖切，直到完全切断为止。

3.侧壁冲孔模具

批量生产时，管材零件中的孔用冲孔的方法代替钻孔、铣孔等方法加工，具有生产效率高、工件表面美观，并可满足某些产品的特殊需要等优点。同时，管材冲孔不需要特殊的设备，在一般压力机上即可实现，模具结构简单。管材冲孔与板材冲孔不同，这是因为管材是空心筒状毛坯，冲压时凸模接触的管壁是弧面而不是平面，因此设计模具时需采取特殊的工艺措施及结构形式。管壁冲孔模具，按其结构特征不同可分为有凹模冲孔模、无凹模冲孔模和橡皮模冲孔模三类。

图3-44 常见的榫头截面形状

图3-45 型材开榫冲裁模(www.xing528.com)

（1）有凹模冲孔模 管壁有凹模冲孔时，根据模具工作时凸模运动方向与压力机滑块运动方向的关系，又可分为垂直冲孔和水平冲孔两种。所谓垂直冲孔，即凸模运动方向与压力机滑块运动方向相同，它是将凸模装于上模，随压力机滑块作上、下往复运动，而凹模则装于下模的悬臂支架上，凸模下行便可进行冲孔加工。由于这类模具的凹模是悬臂式安装，故常称为悬臂式冲孔模。水平冲孔时，凸模运动方向与压力机滑块运动方向垂直，它是将凸、凹模都装在下模上，即利用装在上模的斜楔推动下模上装有凸模的滑块作水平运动，达到对管壁冲孔的目的。由于这类模具用斜楔机构驱动凸模作水平运动，因而可称为斜楔式冲孔模。

图3-46所示为悬臂式单冲冲孔模。凹模10压装在凹模支架5上，支架装于支座2中并由螺钉紧固。该管件管壁上的两个孔用两次行程冲出。冲完第一个孔后将管坯转动180°，当定位销11插入已冲的孔后，再冲第二个孔。该模具结构简单，适用于小批或成批生产。但缺点是悬臂支架受力情况差，当冲裁力或力臂较大时，产生的弯矩大，故应进行强度校核。

图3-47所示为悬臂式对冲冲孔模。两凸模7、12分别装于上、下模上，凹模10压装在凹模支架9上。支架由导向柱1导向，可作上下运动，滑键3装于支架上并沿导向柱的滑槽滑动，以保证支架相对导向柱不发生转动。该模具在压力机的一次行程中，可同时冲出管壁上两个相对的孔。由于该模具采用对冲工艺，支架受力平衡，故可避免悬臂式单冲时产生较大弯矩而引起强度不足的问题。

图3-46 悬臂式单冲冲孔模

1—下模板 2—支座 3—压板 4、7—螺钉 5—凹模支架 6—模柄 8—橡胶 9—凸模 10—凹模 11—定位销 12—弹簧座 13—弹簧

1—导向柱 2、6—弹簧 3—滑键 4—衬套

5—螺母 7、12—凸模 8—卸料板 9—凹模支架 10—凹模 11—限位器

图3-47 悬臂式对冲冲孔模

图3-48所示为单斜楔式冲孔模。当斜楔6下行时，靠斜面A使上滑块5向右移动，靠斜面B使下滑块3向左移动，则左、右凸模9、11同时进入凹模10，将管壁上两孔冲出。斜楔上行，上、下滑块靠弹簧15复位（上滑块的复位弹簧图3-48中未示出）。冲孔废料则通过漏料孔排出。

图3-48 单斜楔式冲孔模

1—下模板 2—导向套 3—下滑块 4—支撑板 5—上滑块 6—斜楔 7—模柄 8、12—凸模固定板 9—左凸模 10—凹模 11—右凸模 13—防护罩 14—挡板 15—弹簧 16—盖板

图3-49所示为双斜楔式冲孔模。该模具采用两个斜楔6，且模具结构左右对称。在压力机的一次行程中，可同时冲出管件左右侧壁上的孔。斜楔上行时，左、右滑块3靠斜楔及辅助弹簧5、15复位。冲孔废料则通过压力机工作台孔漏下。

图3-49 双斜楔式冲孔模

1—下模板 2—导向板 3—滑块 4—凸模固定板 5、12、15—弹簧 6—斜楔 7—固定板 8—垫板 9—上模板 10—模柄 11—卸料螺钉 13—压料板 14—凸模 16—凹模

斜楔式冲孔模与悬臂式冲孔模相比，左、右凸模同时进入凹模，凹模工作稳定，凹模强度更能得到保证；斜楔将压力机滑块的垂直运动转变为凸模的水平运动，因此凸、凹模的对中不会受压力机滑块导向精度的影响；但是，模具平面尺寸较大，且斜楔、滑块的制造精度及凸、凹模的装配精度要求较高。

（2）无凹模冲孔模 管壁无凹模冲孔，即是在管内无凹模支撑的状态下，仅靠凸模对管壁实施冲孔加工。显而易见，管材在空心状态下冲孔，当凸模对管壁施加的压力超过管壁本身所能承受的能力时，管材就会被压扁，使冲孔加工无法完成。要想在管材上进行无凹模冲孔，首要的条件是最大程度地提高管材的承压能力。因此，无论是在工艺还是在模具结构方面，都必须采取特殊措施，才能满足这一要求，从而保证冲孔加工得以进行。

图3-50所示为管材对冲双孔模具简图，该模具呈上、下对称布置，是管材无凹模冲孔的典型结构之一。模具开始工作时，在上、下凸模9、10还未接触管壁之前，首先由上、下活动压料板5、4对管材压紧，然后上下凸模相继冲入管壁。当工作结束时，压力机滑块回程，活动压料板将管件卸下，完成一次冲孔过程。

图3-50 管材对冲双孔模具简图

1—下模座 2—下凸模固定板 3—导向柱 4—下活动压料板 5—上活动压料板 6—上凸模固定板 7—上模座 8、11—橡胶弹性体 9—上凸模 10—下凸模 12—顶丝

图3-51 管材冲孔加工过程

管材冲孔加工过程如图3-51所示。由于冲孔前及冲孔过程中管材一直处于被压紧状态，这就大大增强了管材自身的刚度，使得管材在冲孔过程中避免了非稳定变形的可能性。因此，管材冲孔加工时，是由凸模将孔区的管壁逐渐顶入管壁内部，使材料由弹性弯曲到塑性变形，最后产生断裂分离的。

管材无凹模冲孔与有凹模冲孔相比较，主要有以下特点：在管材上进行无凹模冲孔加工，首要的条件是在冲孔开始前就必须使被冲孔以外的全部管材都处于被压紧的状态下，直至冲孔过程全部结束；否则管材在凸模压力作用下将产生压扁变形而使冲孔加工无法进行。在模具上必须设置压紧装置，以提供足够的压紧力；管材冲孔时由于无凹模支撑，材料的弹性变形过程较长，弯曲变形程度也较大，因此在冲出孔的周围形成一个“凹坑”，其大小与管材的尺寸、管材种类、冲孔尺寸、模具结构、压紧力等因素有关；管材无凹模冲孔只适用于允许被冲孔周围有“凹坑”的管件。管材在冲孔过程中，由于材料始终紧紧地靠在凸模上，因而凸模的发热及磨损比一般冲孔时严重，在设计模具时应合理确定凸模的结构形式、材质及其热处理要求等。

管壁无凹模冲孔，除用于冲制圆孔、长圆孔或异形孔外，还可用于冲制切口。该工艺与机加工孔相比，制造成本低，生产效率高，使用效果好，特别适用于农机、电器、轻工等产品上的管件冲孔，经济效益显著。

（3）橡皮模冲孔模 利用橡胶的易变形性和不易流散的聚合性，将其置于管坯内部作为弹性凸模，从而对管壁上任意形状的孔实施冲切的工艺方法，称为橡皮模冲孔。用于冲孔加工的橡胶包括天然橡胶和橡胶弹性体两类，由于前者所能承受的单位压力不高（一般小于40MPa），因而只能用于小批量生产中软材料和薄壁管件的冲切工作。橡胶弹性体是介于天然橡胶与塑料之间的弹性体，具有一系列独特的物理力学性能，不仅强度高，允许的单位压力大（一般可达500MPa），如果生产批量不大，其允许单位压力可高达1000MPa，而且硬度范围大，耐磨、耐油、耐老化及抗撕裂性能也较好，因此寿命长，可用于大批量生产。

橡皮模冲孔模具结构如图3-52所示，主要由整体的凹模护套1、凹模2、橡胶弹性体棒4和压头5等零件组成。模具工作时，首先将管坯3置于凹模中，再将橡胶弹性体棒连同压头（用聚氨酯粘胶液将橡胶弹性体棒和压头粘接起来）一起插入到管坯内。随着压力机滑块下行，压头下压，使橡胶棒产生轴向压缩变形而充满管坯内腔，此时先对管径起校正作用。当压头继续下压时，封闭在管坯内的橡胶单位压力急剧上升，直至使材料在凹模刃口附近产生微裂纹而最终分离，便完成了整个冲孔加工过程。