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汽车大型模具设计及工艺


冲压工艺与模具设计

2008年

冲压工艺与模具设计 概述

6.1覆盖件的结构特征与成形特点
6.2覆盖件冲压成形设计工艺 6.3覆盖件成形模具的典型结构和主要零件 的设计
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覆盖件的含义:
覆盖件主要指覆盖汽车发动机和底

盘、构成驾驶室及构 成车身的一些零件,如轿车的挡泥板、顶盖、车门外板、发 动机盖、水箱盖、行李箱盖、骨架等。 覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形 状,它既是外观装饰性零件,又是封闭薄壳的受力零件。覆 盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。 覆盖件表面一般都具有装饰性,除考虑好用、好修、好 造外,要求美观大方。 覆盖件与一般冲压件的区别: 材料薄、形状复杂(多为立体曲面),结构尺寸大,尺 寸精度高,因此冲压工艺编制、冲模设计、冲模制造工艺都 有一些特殊的要求,冲压设计中常把他作为一种特殊类型研 2008年 究。

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覆盖件应满足的条件:
1.良好的表面质量; 2.符合要求的几何尺寸和曲面形状; 3.要有足够的刚性; 4.良好的工艺性。

覆盖件主要冲压工序:
覆盖件的主要冲压工序有:落料、拉深、校形、修边、 切断、翻边、冲孔等。其中最关键的工序是拉深工序。

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1-发动机罩前支撑板; 2-固定框架; 3-前群板; 4-前框架; 5-前翼子板; 6-地板总成;7- 门槛; 8-前门;9-后门; 10-车轮挡泥板; 11-后翼子板; 12-后围板; 13-行李舱盖; 14-后立柱; 15-后围上盖板; 16- 后窗台板; 17-上边梁; 18-顶盖; 19-中立柱; 20-前立柱; 21-前围侧板; 22-前围板; 23-前围上盖板; 24-前挡泥板; 25-发动机罩; 26-门窗框 2008年

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6.1覆盖件的结构特征与成形特点
6.1.1覆盖件的结构特征(如图6.1.1) 分类:按功能和部位分类,可分为外部覆盖件、内部 覆盖件和骨架件(结构件)三类。外部覆盖件和骨架类覆 盖件的外观质量有特殊要求,内部覆盖件的形状往往更复 杂。 按成形性质分: 深拉深成形(油箱)、胀形拉深成形(翼子板)、浅 拉深成形(外门板)、弯曲成形(支架、立柱)、弯曲成 形(消音器隔板)。

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6.1覆盖件的结构特征与成形特点 6.1.1覆盖件的结构特征(如图6.1.1)
特征:和一般冲压件相比,覆盖件具有材料薄、形状 复杂、 多为空间曲面且曲面间有较高的连接要求、结构 尺寸较大、表面质量要求高、刚性好等特点。 汽车覆盖件的形状看成是由若干个“基本形状”(或其一 部分)组成的。 这些“基本形状”有:直壁轴对称形状(包括变异的直壁 椭圆形状)、曲面轴对称形状、圆锥体形状及盒形形状等。而 每种基本形状都可分解成由法兰形状、轮廓形状、侧壁形状、 底部形状组成,图6.1.1。
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(a)

(b)

(c)

(d)

图6.1.1 覆盖件的基本形状 (a)法兰形状;(b) 轮廓形状;(c) 侧壁形状;(d) 底部形状

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6.1.2覆盖件的成形特点
1)结构尺寸大; 2 )形状复杂;3 )相对厚度小 。
( 翼子板的多处翻边)

1.成形工序多:拉深为关键工序; 2.拉深是复合成形 :常采用一次拉深; 3.拉深时变形不均匀:工艺补充、拉深筋; 4.大而稳定的压边力:双动压床; 5.高强度、高质量、抗腐蚀的钢板; 6. 覆盖件图样和主模型为依据。
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覆盖件拉深过程

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图6.1.2 覆盖件拉深过程示意图 a) 坯料放入;b) 压边;c) 板料与凸模接触;d) 材料拉入; e) 压型;f) 下止点;g) 卸载

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成形特点:
1)汽车覆盖件冲压成形时,内部的毛坯不是同时贴模,而是 随着冲压过程的进行而逐步贴模。 2)成形工序多。覆盖件的冲压工序一般要4~6道工序,多的 有近10多道工序。 拉深、修边和翻边是最基本的三道工序。 3)覆盖件拉深往往不是单纯的拉深,而是拉深、胀形、弯曲 等的复合成形。不论形状如何复杂,常采用一次拉深成形。 4)拉深时变形不均匀,主要成形障碍是起皱和拉裂。为此, 常采用加工艺补充面和拉深筋等控制变形的措施。 5)需要较大和较稳定的压边力。所以,广泛采用双动压力机。 6)材料多采用如08钢等冲压性能好的钢板,且要求钢板表面 质量好、尺寸精度高。 7)制定覆盖件的拉深工艺和设计模具时,要以覆盖件图样和 2008年主模型为依据。

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6.1.3覆盖件的成形分类
汽车覆盖件的冲压成形分类以零件上易破裂或起皱部位材料的 主要变形方式为依据,并根据成形零件的外形特征、变形量大小、变 形特点以及对材料性能的不同要求,可将汽车覆盖件冲压成形分为五 类:

深拉深成形类、胀形拉深成形类、浅拉深成形类、弯 曲成形类和翻边成形类。

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6.1.4覆盖件的主要成形障碍及其防止措施
由于覆盖件形状复杂,多为非轴对称、非回转体的复杂 曲面形状零件,因而决定了拉深时的变形不均匀,所以拉深 时的起皱和开裂是主要成形障碍。 1.起皱及防皱措施 原因: 覆盖件的拉深过程中,当板料与凸模刚开始接触,板面 内就会产生压应力,随着拉深的进行,当压应力超过允许值 时,板料就会失稳起皱(如图6.1.2)。 防皱措施: 解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋。
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2.开裂及防裂措施 原因: 是由于局部拉应力过大造成的,由于局部拉应力过大导 致局部大的胀形变形而开裂。 位置: 开裂主要发生在圆角部位,开裂部位的厚度变薄很大如 凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等都有可能导致 材料局部胀形变形过大而开裂 。 防裂措施: 为了防止开裂,应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设 计多方面采取相应的措施。

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覆盖件的成形障碍的防止措施
(1) 覆盖件的结构上,可采取的措施有: 各圆角半径最好大一些、曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些、各 处深度均匀一些、形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。 (2)拉深工艺方面,可采取的主要措施有: 拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大、合理的压料面形状和压边力 使压料面各部位阻力均匀适度、降低拉延深度、开工艺孔和工艺切口等 (如图6.1.3)。 (3)模具设计上 可采取设计合理的拉深筋、采用较大的模具圆角、使凸模与凹模间隙合 理等措施。

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图6.1.3工艺孔和工艺切口

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6. 2覆盖件冲压成形工艺设计
6.2.1确定冲压方向 覆盖件的冲压工艺包括拉深、修边、翻边等多道工序, 确定冲压方向应从拉深工序开始,然后制定以后各工序的冲 压方向。应尽量将各工序的冲压方向设计成一致。 1.拉深方向的选择 (1)拉深冲压方向对拉深成形的影响 凸模能否进入凹模、对破裂和起皱的影响等。 (2)拉深方向选择的原则 ①保证能将拉深件的所有空间形状(包括棱线、肋条、 和鼓包等)一次拉深出来,不应有凸模接触不到的死角或死 区。
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如图a,若选择冲压方向A,则凸模不能全部进入凹模,造成零件右下 部的a区成为“死区”,不能成形出所要求的形状。选择冲压方向B后,则可 以使凸模全部进人凹模,成形出零件的全部形状。 图b)是按拉深件底部的反成形部分最有利干成形面确定的拉深方向, 若改变拉深方向则不能保证90°角。

图6.1.4 拉深方向确定实例

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图6.1.4 拉深方向确定实例
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②有利于降低拉深件的深度。 拉深深度太深,会增加拉深成形的难度,容易产生破裂、起 皱等质量问题;拉深深度太浅,则会使材料在成形过程中得不 到较大的塑性变形,覆盖件刚度得不到加强。 ③尽量使拉深深度差最小。 以减小材料流动和变形分布的不均匀性(如图6.2.2)。

图6.2.2 拉深深度与拉深方向
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④保证凸模开始拉深时与拉深毛坯有良好的接触状态。 开始拉深时凸模与拉深毛坯的接触面积要大,接触面 应尽量靠近冲模中心(如图6.2.3)。

a) b) c) d) 图 6.1.6 凸模开始拉深时与拉深毛坯的接触状态示意图
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2.修边方向的确定及修边形式 (1)修边方向的确定 所谓修边就是将拉深件修边线以外的部分切掉。 理想的修边方向: 是修边刃口的运动方向和修边表面垂直。 (2)修边形式 修边形式可分为垂直修边、水平修边和倾斜修边三种, 如图6.2.4所示。

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图6.2.6 修边形式示意图 a) 垂直修边 b) 水平修边 c) 倾斜修边

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3.翻边方向的确定及其翻边形式 (1)翻边方向的确定 翻边工序对于一般的覆盖件来说是冲压工序的最后成形 工序,翻边质量的好坏和翻边位置的准确度,直接影响整个 汽车车身的装配和焊接的质量。 合理的翻边方向应满足下列两个条件: ①翻边凹模的运动方向和翻边凸缘、立边相一致; ②翻边凹模的运动方向和翻边基面垂直。 (2)翻边形式 按翻边凹模的运动方向,翻边形式可分为垂直翻边、水 平翻边和倾斜翻边三种(如图6.2.6)。

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图6.2.6
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典型覆盖件翻边

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6.2.2 拉深工序的工艺处理
1.工艺补充部分的设计 为了实现覆盖件的拉深,需要将覆盖件的孔、开口、压料面等结构根 拉深工序的要求进行工艺处理,这样的处理称为工艺补充。如图6.2.9中 的工艺补充。 工艺处理的内容包括:确定压料面形状、工艺补充、翻边的展开、冲 工艺孔和工艺切口等内容,是针对拉深工艺的要求对覆盖件进行的工艺 处理措施。 工艺补充设计的原则: (1)内孔封闭补充原则(为防止开裂采用与冲孔或工艺切口除外); (2)简化拉深件结构形状原则(如图6.2.8); (3)对后工序有利原则(如对修边、翻边定位可靠,模具结构简单)。

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图6.2.7工艺补充示意图
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a)

b)

c)

a)简化轮廓形状;b)增加局部侧壁高度;c)简化压料面形状 图6.2.8简化拉深件结构形状

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2.压料面的设计
压料面是工艺补充部分组成的一个重要部分,即凹模 圆角半径以外的部分。压料面的形状不但要保证压料面上 的材料不皱,而且应尽量造成凸模下的材料能下凹以降低 拉深深度,更重要的是要保证拉入凹模里的材料不皱不裂。 因此,压料面形状应由平面、圆柱面、双曲面等可展面组 成,如图6.2.10所示。 确定压料面形状必须考虑以下几点: (1)降低拉深深度 图6.2.12所示是降低拉深深度的示意图。 (2)凸模对毛坯一定要有拉伸作用 只有使毛坯各部分在拉深过程中处于拉伸状态,并能 均匀地紧贴凸模,才能避免起皱,如图6.2.13。
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图6.2.10压料面形状 1-平面;2-圆柱面;3-圆锥面;4-直曲面
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图6.2.11 压料面与冲压方向的关系 1-压边圈;2-凹模;3-凸模

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3.工艺孔和工艺切口 在制件上压出深度较大的局部突起或鼓包,有时靠从外 部流入材料已很困难,继续拉深将产生破裂。这时,可考 虑采用冲工艺孔或工艺切口,以从变形区内部得到材料补 充。如图6.1.3所示。 工艺孔或工艺切口必须设在拉应力最大的拐角处,因 此冲工艺孔或工艺切口的位置、大小、形状和时间应在调 整拉深模时现场试验确定。

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4.覆盖件拉深件图的绘制 (1)拉深件图的要求 ①按照拉深件的冲压位置绘制,而不是像产品图那样按 照零件在车身上的装配位置来绘制。 ②拉深件图上不仅要标注拉深件的轮廓尺寸、不同位 置的深度等。而且要标注拉深件在汽车坐标系中的定位尺 寸,拉深方向与坐标系的关系,后面工序示意线及尺寸等。 有时还标注后面工序的冲压方向,但不标注拉深件外轮廓 尺寸。 ③当拉深件的法兰面为复杂曲面形状时,还可以在法 兰面上标注上凸、凹模和压料圈型面按工艺模型仿制、配 研的技术要求。
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(2)拉深件图的画法 ①依据产品图绘制 对于不是很复杂的零件,可以依据产品 图确定冲压方向,进行工艺补充,绘制出拉深件图。 ②依据实物绘制 对于结构形状很复杂零件,由于产品图也 不能将零件的每一个尺寸都表示出来,所以在绘制拉深件图时, 要依据零件实物或主模型确定冲压方向及压料面。然后进行实际 测绘,并借助于主图板测量断面尺寸,画出拉件图。 ③计算机绘图 在利用计算机进行产品计时,可利用零件产 品数据直接进行拉深件图的设计,但还需要用工艺模型和主图板 进行验证,不符之处要进行修正。

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注:表示载重汽车覆盖件在汽车上的位置时,上下位置是以车架上翼面为基准,上方为正,下方为负;前后 位置以前轮轴线为基准,前方为正,后方为负。因此,图中标出的1500线和800线分别表示该位置在前轮 中心前1500㎜和车架上翼面的上方800㎜处。 2008年

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6.2.3 拉深、修边和翻边工序间的关系
覆盖件成形各工序间不是相互独立而是相互关联的, 在确定覆盖件冲压方向和加工艺补充部分时,还要考虑修 边、翻边时工序件的定位和各工序件的其它相互关系等问 题。 拉深件在修边工序中的定位有三种: (1)用拉深件的侧壁形状定位。 (2)用拉深筋形状定位。 (3)用拉深时冲压的工艺孔定位。 修边件在翻边工序中的定位,一般用工序件的外形、 侧壁或覆盖件本身的孔定位。

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冲压工艺与模具设计 6.3覆盖件成形模具的典型结构和主要零件的 设计
6.3.1覆盖件拉深模
1.拉深模的典型结构 覆盖件拉深设备有单动压力机和双动压力机,形状复杂 的覆盖件必须采用双动压力机拉深 根据设备不同,覆盖件拉深模也可分为单动压力机上覆 盖件拉深模和双动压力机上覆盖件拉深模。(如图所示)所示 分别为单动压力机上和双动压力机上覆盖件拉深模的典型结 构示意图。

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2.拉深模主要零件的设计 (1)拉深模结构尺寸 教材表6.3.1是拉深模壁厚尺寸。由于覆盖件拉深模形状 复杂,结构尺寸一般都较大,所以凸模、凹模、压边圈和固定 座等主要零件都采用带加强肋的空心铸件结构,材料一般合金 铸铁、球墨铸铁和高强度的灰铸铁(HT250、HT300)。 (2)凸模设计 除工艺补充、翻边面的展开等特殊工艺要求部分外,凸模 的外轮廓就是拉深件的内轮廓,其轮廓尺寸和深度即为产品图 尺寸。凸模工作表面和轮廓部位处的模壁厚比其它部位的壁厚 要大一些,一般为70~90(如图6.3.1、6.3.2)。为了保证凸 模的外轮廓尺寸,在凸模上沿压料面有一段40~80的直壁必须 加工(如图6.3.3)。为了减少轮廓面的加工量,直壁向上用 45°斜面过渡,缩小距离为15~40。
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图6.3.3凸模外轮廓

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(3)凹模设计 拉深毛坯是通过凹模圆角逐步进入凹模型腔,直至拉深成凸模的形状。

凹模结构可分为闭口式凹模结构和通口式凹模结构。
闭口式凹模结构的凹模底部是封闭的,在拉深模中,绝大多数是闭口 式凹模结构。如图6.3.4所示为微型汽车后围拉深模,该模具采用的是闭口式

凹模结构,在凹模的型腔上直接加工出成形的凸、凹槽部分。
图6.3.5是汽车门里板拉深模。模具的凹模底部是通的,通孔下面加模 座,反成形凸模紧固在模座上。这种凹模底部是通的凹模结构称为通口式凹 模结构。

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1、7-起重棒;2-定位块;3、11-通气孔;4-凸模;5-导板;6-压边圈; 8-凹模;9-顶件装置;10-定位键;12-到位标记;13-耐磨板;14-限位板 图6.3.4 采用闭口式凹模结构的微型汽车后围拉深模
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1、7-耐磨板;2-凹模;3-压边圈;4-固定板;5-凸模;6-通气孔;8-下底板; 9-拉深筋;10-反成形凸模镶块;11-反成形凹模镶块;12-顶出器 图6.3.5 采用通口式凹模结构的汽车门里板拉深模

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(4)拉深筋设计 拉深筋的作用是增大全部或局部材料的变形阻力,以控 制材料的流动,提高制件的刚性。同时利用拉深筋控制变形 区毛坯的变形的大小和变形的分布,控制破裂、起皱、曲面 畸变等质量问题。 如图6.3.6所示,设置在压料面上的筋状结构就是拉深筋。 拉深筋有圆形、半圆形和方形三种结构,如图6.3.7。

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图6.3.6
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图6.3.7
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(5)覆盖件拉深模具的导向 ①导柱、导套导向 导柱导套导向不能承受较大的侧向力,常用于中小型模具的导向。 ②导向块导向 导块导向与导板导向的使用方式相同。导块设置在模具对称中心线上时, 导块应为三面导向;如设置在模具的转角部位时,导块应为两面导向。导块 模适用于平面尺寸大深度小的拉深件及中大批量生产(图6.3.8、图6.3.9)。 ③导板导向 导板导向常用于覆盖件拉深、弯曲、翻边等成形模具。其结构相对简单、 造价低,常安装在凸模、凹模、压边圈上,应用比较广泛。(图6.3.10、图 6.3.11)。

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图6.3.10导板导向布置图

a) 凸模导板结构;b)压边圈导板结构 6.3.11 凸模和压边圈之间的导向

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凹模和压边圈之间的导向(图6.3.12)。这种导向方式称为外导向,它 的结构特点是凸台与凹槽的配合。其作用与一般冲模导柱与导套相似,但间 隙较大,一般为0.3 mm。导板材料为T8A或T10A,其淬火硬度为52~ 56HRC,为使导板能容易的进入导向面,其一端制成30°,导板可根据标准 选用(图6.3.13)。 (6)拉深模具的排气 上模排气设置时要加出气管或加盖板以防止杂质落入,如图6.3.14。

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图6.3.12 凹模和压边圈之间的导向 a) 凸台在凹模上;b)凸台在压边圈上
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图6.3.13 导板结构尺寸
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图6.3.14 排气孔的设置

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6.3.2覆盖件修边模 覆盖件修边模就是特殊的冲裁模,与一般冲孔、落料模 的主要区别是:所要修边的冲压件形状复杂,模具分离刃口 所在的位置可能是任意的空间曲面;冲压件通常存在不同程 度的弹性变形;分离过程通常存在较大的侧向压力等。 1.修边模具的结构 (1)修边模具的分类 覆盖件修边模可分为垂直修边模(图6.3.15)、水平修 边模和倾斜修边模(图6.3.16)。 (2)典型的修边模具 图 6.3.17是汽车后门柱外板垂直修边冲孔模。

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图6.3.15垂直修边模
1-下模;2-凸模镶块;3-上模; 4-凹模镶块;5-卸件器
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6.3.16水平修边模和倾斜修边模
1、15-复位弹簧;2-下模;3-、16滑块;4、17-修边凹模;5、12-斜楔;6、13凸模镶块;7上模;8-卸件器; 10-螺钉;9-弹簧;11、14防磨板;18-背靠快
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图 6.3.17汽车后门柱外板 垂直修边冲孔模 1-上模座;2-卸料螺钉; 3-弹簧;4-卸料板; 5-导板;6-凹模镶块组; 7-导柱; 8-导套; 9-下模座;10-顶出器; 11-顶出气缸;12-凸模镶块组;

13-废料刀组;14-限位器

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2.修边凸模与凹模镶件 修边凸模和凹模刃口结构形式有两种:一是采用堆焊形式, 即在主模体或模板上堆焊修出刃口,二是采用凸模、凹模镶件 拼合而成。按修边制件图绘制凸模和凹模镶件图时,不标注整 体尺寸。在凸模镶件图上注明“按修边样板加工”;在凹模镶 件图上,则注明“按凸模镶件配制,考虑冲裁间隙”。 (1)镶件分块的原则 ①小圆弧部分单独作为一块,接合面距切点5~10mm。大圆 弧、长直线可以分成几块,接合面与刃口垂直,并且不宜过长, 一般取12~15mm.; ②凸模上和凹模上的接合面应错开5~10 mm,以免产生毛 剌;
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③易磨损比较薄弱的局部刃口,应单独做成一块,以 便于更换; ④凸模的局部镶块用于转角、易磨损和易损坏的部位, 凹模的局部镶块装在转角和修边线带有突出和凹槽的地方。 各镶块在模座组装好后,再进行仿形加工,以保证修边形状 和刃口间隙的配做要求。 (2)镶件固定与定位 图6.3.18所示为修边镶件的一般结构。 图 6.3.19所示是两种常用的镶件固定形式的示意图。

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图 6.3.19 镶件的固定形式

图6.3.18修边镶件结构及刃口拼合面

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3.废料刀的设计 覆盖件的废料外形尺寸大,修边线形状复杂,不可能采用 一般卸料圈卸料,需要先将废料切断后卸料才方便和安全。有 些零件在修边时不能用制件本身形状定位的零件,则可用废料 刀定位。 (1)废料刀的结构: 废料刀也是修边镶块的组成部分,镶块式废料刀是利用 修边凹模镶块的接合面作为一个废料刀刃口,相应地在修边凸 模镶块外面装废料刀作为另一个废料刀刃口组成镶块式废料刀 (如图6.3.20、图6.3.21所示)。
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(2)废料刀的布置 ①为了使废料容易落料下,废料刀的刃口开口角通常取10°,且应顺 向布置,如图6.3.22所示。 ②为了使废料容易落下,废料刀的垂直壁应尽量避免相对布置。当 不得不相对布置时,可改变刃口角度,如图 6.3.23所示。 另外修边线上有凸起部分时,为了防止废料卡住,要在凸起部位配置 切刀,如图6.3.22所示。

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1-废料刀;2-凸模图 6.3.22废料刀顺向布置

图 6.3.23 废料刀相对布置

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6.3.3覆盖件翻边模
根据翻边模的结构特点和复杂程度,覆盖件的翻边模 可分为以下六种类型。 (1)垂直翻边模 (2)斜楔翻边模 (3)斜模两面开花翻边模 (4)斜楔圆周开花翻边模 (5)斜楔两面向外翻边模 (6)内外全开花翻边模

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2.翻边模结构设计示例 (1)双斜楔窗口插入式翻边凸模扩张模具结构 图6.3.25所示为利用覆盖件上的窗口,插入凸模扩张斜楔。 (2)翻边凸模缩小与翻边凹模扩张的模具结构 图6.3.26所示为覆盖件窗口向外翻边的模具结构。 (3)斜楔两面开花翻边模 图6.3.27翻边模属两面开花式结构。 (4)气缸复位的翻边模 图6.3.28所示为气缸复位的翻边模。

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冲压工艺与模具设计

图6.3.25 窗口插入式翻边凸模扩张结构
1、4-斜楔座;2、13-滑板;3、6-斜楔块;5-限位板; 7、12-复位弹簧; 8、11-滑块;9-翻边凸模;10-翻边凹模
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冲压工艺与模具设计

图6.3.26 翻边凸模收缩与翻边凹模扩张结构 1、15-限位块;2-压块;3、4-斜楔块;5-滑块;6、12-弹簧;7-顶杆;8-翻边凸模; 9-压板;10-斜楔;11-翻边凹模;13-活动底板;14-下模座

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冲压工艺与模具设计

图6.3.27斜楔两面开花式结构 1、7、9-斜楔;2-滑板;3-滑块;4、5、16-弹簧;6-轴销;8-活动翻边凸模; 10-键;11-导套;12固定块;13-压件器;14-凸模座;15-定位块; 17-螺钉;18-导柱;19上模座;20-翻边凹模
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冲压工艺与模具设计

图6.3.28气缸复位的翻边模 1-压件器;2-翻边凸模;3-翻边凹模;4-滑块;5-滑块座; 6-气缸固定板;7-气缸;8-斜楔
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