聚氨酯橡胶模冲裁技巧与板料厚度选择

聚氨酯橡胶模属于结构简单，制造方便，成本低廉的简易冲模，它是普通橡皮模冲裁的发展，二者原理相似，不同之处是聚氨酯橡胶代替了普通橡皮作为工作介质。聚氨酯橡胶是一种高分子弹性体，它具有强度高（为丁腈橡胶的1～4倍）、弹性好、耐磨（为天然橡胶的5～10倍）、耐油（为天然橡胶的5～6倍）、耐老化以及抗撕裂性能好，并且具有良好的机械加工性能。其使用寿命远远超过天然橡胶。

用聚氨酯橡胶模冲裁时，落料外形尺寸由金属凸模保证，凹模使用聚氨酯；冲孔尺寸由金属凹模保证，凸模使用聚氨酯。

1.冲裁原理

聚氨酯橡胶模对板料进行冲裁时，容框内的聚氨酯处于密闭状态，它受力压缩后，具有液体的静压性，各方向所产生的压强是相等的，当它向周围释放弹性压力时，迫使材料沿金属凸模或凹模刃口周边产生弯曲和拉伸，在拉力和剪力复合作用下，待应力超过材料剪切强度时，便产生断裂分离，从而获得合格的工件。其冲裁过程如图2-2-76所示。

2.冲裁件工艺性

聚氨酯橡胶模可以在板料上冲裁任何复杂的外形、内孔和型槽，同时，还可以进行复合工序，如落料、冲孔和压波纹；落料、冲孔和压文字、压印等。还可以同时压制各种凹槽和筋。它特别适宜于冲裁0.3mm以下的薄料，而且冲出的工件没有毛刺或毛刺很小。被冲材料一般为黑色金属和有色金属，如碳钢、不锈钢、合金钢、铜、黄铜、各种青铜、铝和铝合金等，对非金属材料、塑料薄膜等的冲压效果也很好。

该方法的缺点是：所需材料的搭边宽度大（为3～5mm），生产率不高，冲裁材料的表面要擦拭干净，不能冲厚板和小孔，冲裁件剪切面上有较大的拉入圆角等。表2-2-36为聚氨酯橡胶模冲压加工所能达到的板料厚度。

图2-2-76 聚氨酯橡胶的冲裁过程

表2-2-36 聚氨酯橡胶冲压加工的板料厚度^[3]

当材料厚度一定时，工件的孔径越小，冲裁所需的单位压力就越大，冲裁也就越困难。聚氨酯橡胶模冲裁允许的最小孔径按下式确定

式中d_min——最小冲孔直径（mm）；

τ_b——材料的抗剪强度（MPa）；

R_m——材料的抗拉强度（MPa）；

t——材料厚度（mm）；

p——聚氨酯橡胶在密闭状态下允许的最大单位压力（MPa）。

当材料厚度一定时，最小冲孔直径d_min与聚氨酯橡胶的单位压力成反比。见表2-2-37所示。

表2-2-37 最小冲孔直径^[3]（单位：mm）

3.冲裁力的计算

聚氨酯橡胶模冲裁所需的单位压力，不仅与被冲材料的力学性能、厚度有关，而且与工件外形复杂程度、孔的大小和形状、聚氨酯橡胶的性能以及凸模或凹模压入橡胶内的深度等因素有关。

聚氨酯橡胶的单位压力可按下列公式计算：

落料时：

冲圆孔时：

冲窄槽时：

式中H——凸模或凹模压入橡胶内的深度，大致可取2～3mm，塑性好的材料取大值；

d——圆孔直径（mm）；

a、b——槽的长和宽（mm）；

其他符号同式（2-2-19）。

冲裁力按下式计算

P=KpA （2-2-23）

式中A——冲裁件平面面积（mm²）；

K——安全系数，取1.2～1.4。4.模具设计要点(www.xing528.com)

（1）模具典型结构 目前应用的聚氨酯橡胶冲裁模分单工序和复合工序两种。按聚氨酯橡胶安装在上模或下模的位置又分上装式和下装式两种。

（2）聚氨酯垫 冲裁用聚氨酯橡胶的性能应满足：肖氏硬度≥90～95A；抗拉强度R_m=25～35MPa；抗裂强度>6.5MPa；永久变形≤5%～10%；耐挠曲18万次无裂纹；抗疲劳强度要大等。

装在容框内的聚氨酯垫的厚度取15～20mm，工作时总压缩量不应大于30%。图2-2-77所示是南京橡胶厂生产的聚氨酯橡胶的压缩特性曲线。

图2-2-77 聚氨酯橡胶压缩变形曲线

（3）容框 容框的型孔应与凸模外形相近，容框尺寸每边比凸模大0.5～1.5mm。料厚为0.05mm时，单边间隙取0.5mm；料厚为0.1～0.2mm时，取1～1.5mm。单边间隙在可能的情况下取较小值，可减少工件之间搭边，提高材料利用率。另外，容框型孔尺寸应比聚氨酯垫尺寸稍小，以保证二者之间压紧配合，单边过盈量取0.1～0.2mm（见图2-2-78）。

图2-2-78 容框与聚氨酯垫及凸模的尺寸关系^[3]

在冲裁过程中，由于容框要承受很大的张力，因此容框必须具有足够的强度，当单位压力不大时，一般采用45钢，淬火回火后硬度为40～45HRC，若单位压力较大时，则应采用高强度结构钢，如30CrMnSiA等。

（4）压边圈和顶杆 用聚氨酯橡胶模冲裁时，压边圈和顶杆（或推杆）不仅起卸料和顶料（或推料）作用，而且还要用它们保证聚氨酯橡胶能够完全受到密闭压缩。此外，还有利于提高聚氨酯橡胶的使用寿命。图2-2-79所示是有压边圈和顶杆时的冲裁与没有时的对比，从图示可看出，如果没有压边圈和顶杆，就有部分聚氨酯橡胶敞开，冲裁时呈球状，使板料在凸凹模刃口处产生较大的伸长变形，导致工件断面质量降低。

图2-2-79 压边圈和顶杆的作用

1—凸凹模 2—顶杆 3—工件 4—压边圈 5—聚氨酯橡胶 6—容框

压力圈结构取决于工件形状，工件形状规则时，按工件形状制作其内孔和外形。若工件形状不规则，外形可做成圆形或矩形，内孔按H8/h7与凸、凹模外形配作（见图2-2-80），内孔与外缘的最小距离取2～2.5mm，压边圈与容框的间隙约取0.1mm。

图2-2-80 压边圈结构

压边圈的h与α值要选择适当，否则得不到合格工件。冲裁0.3mm以下的板料，h值一般取0.3～0.8mm，α角取18°～30°为宜，材料薄取小值，较厚取大值。压边圈外形须倒圆角R=0.5～0.8mm，以免条料在压边圈与容框接触处分离。

为了保证凹模刃口处板料的受力情况合理（使应力集中于刃口处），造成有利的冲裁条件，顶杆应设计成如图2-2-81b所示形状。顶杆端部几何形状根据孔的大小分三种（见图2-2-82）：Ⅰ型用于直径大于5mm的工件，Ⅱ型用于直径为2.5～5mm的工件，Ⅲ型用于直径小于2.5mm的工件。其参数α与H值见表2-2-38。当同一个凸凹模内同时有几种不同直径的顶杆时，为使不同孔径的刃口内聚氨酯垫的变形程度一致，以保证各刃口剪切力相近，端部不同形状顶杆的橡胶冲压深度应相等，如图2-2-82所示。

图2-2-81 有、无顶杆时的压力分布

a）无顶杆时 b）有顶杆时

图2-2-82 顶杆的形状

表2-2-38 顶杆的几何参数

（5）凸模与凹模工作部分尺寸计算 聚氨酯橡胶模冲裁时，工件外形尺寸和孔径分别由金属凸模或凹模刃口尺寸确定，相应按下列公式计算

落料：D_p=（D-xΔ）_-δp⁰（2-2-24）

冲孔：d_d=（d+xΔ）+_δd⁰（2-2-25）

式中D_p——落料凸模的刃口尺寸（mm）；

d_d——冲孔凹模的刃口尺寸（mm）；

D——落料件外形的基本尺寸（mm）；

d——冲孔件孔径的基本尺寸（mm）；

Δ——工件公差（mm）；

x——系数，一般为0.5～0.7；

δ_p、δ_d——凸模和凹模的制造公差（mm）。