摘要：通过对冲模在剪板机上合理应用的分析、研究，成功地设计出了适用于长条多孔厚板冲压加工的新工艺，详细地介绍了冲孔模的结构、工作原理、参数计算和主要零件设计技术方法，这对于拓宽非冲压设备的使用范围具有重要意义。
关键词：模具设计；厚板冲压；剪板机

一、前言

图1所示横梁是某重型设备的重要零件，材料为A3钢，数量较多。工艺技术分析表明：(1)横梁外形简单，材料屈服强度低，冲压工艺性能好；(2)该零件的几何特征是细长、孔多、料厚，在普通压力机上只能采用单孔或多孔(≤3孔)冲模冲制，生产效率，尺寸精度不易保证，工艺经济性很差；(3)剪板机、折板机等非冲压设备工作平台尺寸足够(尤其是长度方向)，力量较大，探索和研究用其来完成长条多孔厚板零件的冲压工作，对于挖掘设备使用潜力，提高工艺加工质量都具有重要意义。

图1横梁

根据本厂实际情况，现采用Q11-13×2500型剪板机作为工艺试验设备。

二、模具结构与工作原理

1.模具结构

长条多孔厚板冲孔模如图2所示。模具安装调试前，需将剪板机下压头及附件拆去，在上刀架和工作平台上加工出安装螺钉孔。

图2长条多孔厚板冲孔模
1.上模座2.垫板3.凸模4.导料侧板(卸料板)
5.工件6.凹模7.固定板8.导套9.导柱10.下模座

2.工作原理

长条多孔厚板冲孔模的工作原理是［1，2］：当模具处于上极限待工作位置时，可将毛坯条料(B＝800-0.5)从机床一侧放置在凹模6上，并依靠导料侧板4及定位销(图2中未示出，安装在凹模6上)。模具工作时，上模随剪板机上刀架下行，凸模3即可完成工件各孔的冲制工作，废料从凹模孔中落下。最后，上模达下死点并随上刀架开始向上运动，凸模3退出凹模6。同时，刚性卸料组件(即导料侧板4)强迫卡在凸模3上的工件脱模。至此，横梁冲压工作完成。

三、参数计算

1.机床允许的最大冲裁力

迄今为止，国内出版的专业图书，对冲裁力的计算都用P＝L.t.τ，有的加大30%的安全系数，演变成Pmax＝1.3Ltτ。实验已经证明：当用平刃口普通全钢冲裁模冲裁时，其最大冲裁力是发生在凸模挤入板料约1/3料厚处。凸、凹模刃口处材料应力超过材料屈服极限σs结束塑性变形，且应力值达到材料剪切强度τ时，在凸、凹模刃口处产生裂纹并剪断分离。因此，产生最大Pmax的位置是在凸模挤入料厚1/3处，用P＝Ltτ公式计算不够准确。推荐用Timmerbeil公式计算厚料(δ≥4mm)冲裁时的最大冲裁力［1］：

式中P机max——机床最大冲裁力，N
L——冲裁线长度，mm
t——冲件厚度，mm
t′——冲裁开始的最初阶段，凸模挤入板料深度，mm
τ——冲件抗剪强度极限，MPa

根据Timmerbeil介绍，(1-t/t)是一个与冲件材料屈强比1-t/t有关的系数，并可用Timmerbeil给出的诺谟图求得1-t/t=0.66值，它们之间大致成1∶1线性关系(图3)。

图3 1-t/t系数诺谟图

已知Q11-13×2500型剪板机可剪切板料最大厚度13mm，最大宽度2500mm，板料抗拉强度极限≤500MPa，屈服强度极限≤260MPa，抗剪强度极限≤240MPa。据此，可将L＝2500mm、t＝13mm、τ＝240MPa、1-t/t=0.66(取下限)，代入式(1)可计算出：P机max＝4056kN。

2.工件需要的最大冲裁力

如图1所示，用A3钢制作的横梁，有σb＝470MPa、σs＝240MPa。因此，可将L＝π×20×38＝2386.4mm、t＝10mm、τ＝380MPa、1-t/t=0.66代入式(1)中，可得到工件最大冲裁力：P工max＝5985.091kN。

四、主要零件设计

1.凸模

厚板冲压时，冲模工作零件即凸、凹模要承受更大的压应力，尤其是非圆断面凸模的尖角、凸耳、折线交点等处，接触应力远大于平均压应力，显著降低使用寿命。因此，必须采用高合金工具钢来制作工作零件。冲孔凸模材料可推荐Cr12MoV钢，热处理硬度58～62HRC。为满足P工max＜P机max，有两种凸模结构形式可供选择［3，4］：

(1)斜刃口或波浪刀口凸模结构，可使常规平刃口的刚性面冲击、线冲切变成点接触的斜刃和圆弧刃剪切，有良好的减噪效果。一般要求斜刃高与波浪弧顶高取(1-2)t，最大应≤3t。实测这类冲模降噪2～13dB，降低冲裁力40%～80%。但由于横梁冲孔直径较小，高度过大，不仅制作困难，而且凸模受力不均易折断，还会造成材料在受压力作用时产生滑移，使工件产生翘曲、扭曲变形，影响工件质量，故较少采用。

(2)台阶式凸模结构(图4)，具有降低冲裁力和消减噪声的双重效果。设计时，将凸模分成两组，按模具横向对称间隔布置，可实现P工max′＝P工max/2＜P机max。最后我们决定采用此种台阶式凸模结构型式。

图4 台阶式凸模结构

2.凹模

由于模具横向尺寸较大，故应将凹模设计为组合件，即采用凹模套与凹模座组成。这样既可以节约贵重材料，又能简化加工工艺，易保证尺寸精度及使用要求，便于安装与维修。凹模座可用45钢制造，热处理硬度28～32HRC；凹模套仍推荐采用Cr12MoV钢，热处理硬度58～62HRC。

五、结束语

(1)工艺试验证明，长条多孔厚板冲孔模设计是成功的，具有使用价值及推广意义，拓宽了非冲压设备使用范围。
(2)采用台阶式凸模结构，可以实现P工max′＜P机max，从而高效优质地完成横梁的冲孔工作。
(3)因剪板机的最大封闭高度较小，因此，在保证使用方便、强度足够的前提下，应尽量减小模具几何尺寸。

作者简介：黄春峰男，39岁，高级工程师
作者单位：黄春峰(中国航空燃气涡轮研究所621703)

参考文献
［1］张正修.厚板冲压技术.模具技术.1997(4)：62～68
［2］黄春峰.支承座三工序复合冲压模具.燃气涡轮研究与试验.1996(8)：25～28
［3］梁炳文.实用板金冲压工艺图集，第1集.北京：机械工业出版社，1992：56～57
［4］冯炳尧.模具设计与制造简明手册.上海：上海科学技术出版社，1985：90～96

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