冲小孔与冲探孔模的结构设计
来源：机械工业网作者：张正修 中联西北工程设计研究院工艺所/李
在线冲孔模，主要是小孔与深孔冲模的凸模，经常在使用过程中折断，影响生产。长期生产实践中，对大量折断凸模的冲孔模和有冲孔工位的连续模分析结果表明，冲小孔与冲深孔凸模折断原因如下：（1）凸模的固定板以外的自由长度过长，没有可靠的导向与横向支承。多数敞开式冲孔模及无导向固定卸料结构冲孔模的小孔凸模，经常因此而在冲孔过程中折断。（2）用导柱模架固定卸料板结构的冲孔模、连续模中的冲小孔凸模，该加固的未加固，或加固结构设计不良，无横向支承，当凸模长径比，即凸模自由长度L。与其冲孔直径d之比，即L0＞5d时，就会在承载后弯曲变形或折断。（3）采用导柱模架弹压卸料板的各类冲孔小凸模，在冲压过程中，弯曲变形及折断的情况更多，有一些小凸模是在卸料过程中折断，甚至断在工件中。（4）误操作引起小凸模折断或变形的情况也时有发生，在用板载条料冲压时，大多用手工送料。材料表面有氧化皮，不平的凹坑或凸起或模内有异物等，冲孔前都未及时较平、清理；操作出现叠片，将搭边拉入凹模产生咔模等。（5）偶有选材不当或制模工艺缺憾，如热处理等原因造成小凸模折断。从目前情况看，合理的冲孔模及冲小孔、冲深孔凸模的加固与防护结构设计，仍然是防止小凸模纵弯失稳而变形折断的主要手段之一。冲小孔与冲深孔凸模界定小孔、深孔都是相对的。迄今还没有界定标准。从冲孔模结构设计的角度考虑，冲小孔凸模的折断是其长径比过大，承载后发生纵弯失稳而折断。冲孔直径越小、凸模越长，长径比越大，凸模越容易折断。但仅从冲孔直径大小来划分冲小孔凸模，忽略了冲孔料厚，等于没有考虑凸模载荷，显然也不全面。德国工业标准DIN1543将钢板按其厚度δ分为如下三类： δ＜3mm为薄板 δ＞3mm～4.75mm为中厚板 δ＞4.75mm为厚板根据DIN标准的上述分类，可以提出冲小孔、冲深孔的界定数值见表1。凸模强度与刚度计算的提示在有关冲模设计的手册与教科书及冲压专业图书资料中，大多对冲裁凸模的强度，从理论上提出抗压强度和源于材料力学压杆稳定计算的Euler（欧拉）公式，进行如下两个方面的验算与校核：
（1）凸模的抗压强度（2）凸模的刚度在通常情况下，采用凸模材料的许用承压强度[σ]都远远超过冲件材料的抗剪强度στ。而选用凸模材料时，又都从冲件材料强度、料厚及冲裁刃口形状以及冲件产量综合考虑，凭经验与习惯确定。值得注意的是，凸模抗压强度的验算，应将凸模刃口形状复杂、冲裁力大的部分，单另划出来验算，更切合凸模承载受力的实际情况，防止因采用平均压应力计算而遗漏了凸模窄小、复杂的局部刃口，冲裁力大而集中，造成凸模局部抗压强度不足，在使用过程中出现崩裂及过量磨耗而提前失效。比较典型的是冲裁锐角顶部、三角形孔各角顶、棘轮棘爪尖角、小模数齿型的齿顶等冲裁刃口，其实际承受冲裁力比计算的平均压力高出3～5倍。如设计冲裁凸模时不考虑这一点，除圆凸模外，其他非圆形，特别是有尖角、凹口、齿形等凸模，必然在使用时，在凸模刃口的这些部位损坏或提前磨损失效。凸模的刚度校核，就是按Euler公式，计算凸模的许用自由长度，以确保凸模的轴向承载不超过其许用临界应力[σ]，通常就是凸模材料的比例极限σn，即凸模的抗纵弯失稳能力。目前看到和已知的不同冲模设计手册中，计算凸模自由长度即校核凸模抗纵弯失稳的公式，虽都由Euler公式导出，已有多种形式。主要的有两类：一类是用Euler公式导出计算凸模固定板以外的凸模长度；另一种是计算凸模总长度，即在不给定凸模固定板厚度的情况下，计算出凸模总长度的公式。 Euler公式是一个静载公式，具有在应力与应变成正比，服从虎克定律的情况下，才适用。钢与多数金属材料都是在承载小于其比例极限σn时，应力与应变成正比，超过σn，达到其屈服点材料将产生塑性变形，应力与应变不成正比，不服从虎克定律，Euler公式就不能用了。凸模固定在固定板中的一段，已与固定板铆合或压配合而成为一个刚体，其长短Euler公式算不出。在不给定固定板厚度的情况下，要用Euler公式总出凸模总长度，可能出现的结果，于结构设计不利。因为凸模总长度算定而凸模嵌装在固定板内长度没有定。固定板厚度不是一个定值，往往选用标准件，按JB/T7643.2-1994《冲模模板、矩形固定板》现行机械行业标准，其厚度H=10mm～45mm，共13个规格。使凸模在固定板以外的、可利用的结构长度，波动很大。而用于非标准冲模固定板，更难确定凸模这段长度，给模芯设计造成困难，纵弯核校也失去意义。德国著名学者·冲压专家，Eugen Kaczmarek在其早年著作中，也曾用Euler公式计算凸模的总长度。但他给定冲模固定板厚度为凸模总长度的25%为前提条件。也许这一点对我们使用的Euler公式验算凸模刚度有所启示。防止细长凸模折断的结构措施（1）加固对冲小孔的凸模杆部加粗，使其成为二台阶或三台阶式凸模，见图1。
推荐凸模的长度尺寸分割比例： a、刃口工作段L1与冲孔直径d关系 L1＜5d，一般取L1=（3.5～4.5）d b、凸模装入固定板的长度L与凸模总长度L∑的比例 L≥25%L∑ 加固结构的选择： a、按冲孔直径d的大小选择 d≥1.1mm～3mm选用三台阶，图1a)、b) d＞3mm选用二台阶，图1c) d＞30mm，δ＜4.76mm选用直通式，不必加固 D≤10mm，δ≤3mm 应予加固 D≤15mm，δ≤4.75mm应予加固。 b、按冲孔面积兼顾刃口断面形状加固非圆孔凸模，见图1d)、e)。按冲孔面积F计算F≤7mm2的冲孔凸模，见图1d)、e)型式加固。（2）加护套给细长小凸模加护套，是在冲孔模或有冲孔工位的连续模结构设计中，经常采用的防护措施。图2所示为各种细长小凸模经常使用的各种护套结构型式。图2a)～e)为冲圆孔凸模的常用护套及其结构型式。图2d)、e)是全行程护套。图2a)～c)所示的一般护套，还有多种结构型式，多数大同小异。图2f)所示为群孔凸模的各种护套及类护套，包括夹板、夹块、群孔套等结构型式。图2j)所示为非圆孔凸模用夹板、夹块加固防护的方法与型式。（3）用超短凸模采用超短小孔凸模冲制小孔，比采用凸模护套更简便、经济。图3所示是用超短小凸模在4mm料厚上冲制φ2mm群孔的一种冲模结构。
作者： 张正修 中联西北工程设计研究院工艺所/李欠娃 西安仪表集团工模具厂