《精密冲压模具设计》课件

精密冲压模具设计精密冲压模具设计是现代制造业的核心技术之一，在汽车、电子、航空航天等高端制造领域发挥着至关重要的作用本课程将系统介绍精密冲压模具的设计原理、工艺流程、结构优化和质量控制等关键技术通过理论学习与实践案例相结合的方式，学生将掌握从产品分析、工艺设计到模具结构设计的完整流程课程涵盖材料选择、精度控制、设备选型、成本优化等多个维度，培养学生具备解决复杂精密冲压问题的综合能力考核方式包括理论考试、课程设计和实践操作三个部分，注重培养学生的创新思维和工程实践能力，为进入精密制造行业奠定坚实基础冲压工艺与模具技术概述冲压基本概念冲压与模具的联系冲压是利用安装在压力机上的模具是冲压工艺的核心工具，模具对材料施加压力，使其产决定了产品的形状、精度和表生分离或塑性变形，从而获得面质量冲压工艺的实现完全所需零件的加工方法这种工依赖于模具的精确设计和制艺具有高效率、低成本、精度造，两者密不可分，相互影高等显著优势响广泛应用场景冲压工艺广泛应用于汽车车身、家电外壳、电子元件、建筑五金等领域从日常生活用品到高端工业产品，冲压技术都发挥着不可替代的作用精密冲压在产业中的作用汽车行业应用电子行业应用在汽车制造中，精密冲压技术用于生产车身覆盖件、底盘结构电子产品中的连接器、屏蔽罩、散热片、手机外壳等都需要精密件、发动机零部件等关键组件典型产品包括车门内板、翼子冲压技术随着电子产品小型化、集成化发展，对冲压件的精度板、刹车片支架等，这些零件要求极高的尺寸精度和表面质量要求达到微米级别全球电子精密冲压市场年增长率保持在8%以上，中国作为电子汽车行业对精密冲压件的年需求量超过1000万吨，市场价值达制造大国，在这一领域具有显著的技术和成本优势，已成为全球到2000亿元人民币，是精密冲压最大的应用领域重要的供应基地冲压模具分类单工序模在一次行程中只完成一个工序的模具，结构简单，制造成本低，适用于形状简单、批量不大的零件加工典型工序包括冲孔、落料、弯曲等复合模在压力机一次行程中，在同一工位上同时完成两个或两个以上工序的模具能够提高生产效率，保证工序间的相对位置精度，适用于中等复杂程度的零件连续模具有多个工位，材料沿一定方向依次通过各工位，在每个工位完成不同工序，最终获得成品的模具生产效率最高，适用于大批量精密零件生产精密与普通模具区别精密模具的制造精度达到微米级，采用特殊材料和热处理工艺，配备高精度导向和定位系统，模具寿命和产品一致性远超普通模具冲压产品的主要特点高效率生产低成本优势高精度一致性冲压工艺采用机械化除模具制造成本外，精密冲压可实现或自动化生产，单件单件加工成本极低，±

0.01mm的尺寸精生产时间通常在几秒材料利用率可达80-度，表面粗糙度可达到几十秒之间，生产95%，无需后续机加Ra

0.8μm，批量生产效率比传统机加工提工处理，综合制造成的产品一致性极好，高10-50倍，特别适合本比其他工艺降低30-合格率通常超过大批量制造60%

99.5%复杂结构实现通过合理的工艺设计，可以一次成形具有复杂几何形状的零件，包括弯曲、拉深、翻边等多种成形要素的组合结构精密冲压与普通冲压的对比±5μm精密冲压精度达到微米级精度控制±50μm普通冲压精度精度相对较低95%精密模具材料利用率优化排样设计万次500精密模具寿命是普通模具的5-10倍精密冲压在产品质量、模具寿命、材料利用率等方面都显著优于普通冲压精密冲压的断面质量可达到80%以上的光亮带，而普通冲压通常只有30-50%表面粗糙度方面，精密冲压可控制在Ra

0.4-

0.8μm，普通冲压通常为Ra

1.6-

3.2μm虽然精密冲压的初期投资较高，但其优异的产品质量和较长的模具寿命使得综合经济效益更加显著，特别适用于对精度要求极高的高端制造领域冲压工艺流程总览工艺分析分析零件图纸，确定冲压工艺方案排样设计优化材料布局，提高利用率模具制造精密加工模具零部件试模调试验证工艺参数，优化模具结构批量生产稳定生产并实施质量控制冲压工艺流程的每个阶段都设有严格的质量控制节点工艺分析阶段需要评估材料的冲压性能和成形极限；排样设计阶段要考虑材料方向性和废料处理；模具制造阶段重点控制加工精度和表面质量；试模阶段需要验证工艺参数的合理性；批量生产阶段则建立完善的质量监控体系，确保产品质量的稳定性金属板料材料选择SPCC冷轧钢板最常用的冲压材料，具有良好的冲压性能和表面质量，厚度范围

0.5-

3.2mm，抗拉强度270-370MPa，延伸率38-42%，适用于一般精度要求的零件不锈钢材料

304、316等奥氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性和冲压性能，但冲压力较大，模具磨损相对严重，主要用于食品、医疗、化工等特殊环境的精密零件铝合金板料

5052、6061等铝合金具有重量轻、导电性好、耐腐蚀等优点，但冲压时容易产生粘模现象，需要特殊的润滑和表面处理，广泛用于电子和汽车轻量化零铜合金材料件黄铜、磷青铜等具有优异的导电性和抗疲劳性能，冲压性能良好，主要用于电子连接器、开关触点等精密电子元件的制造材料利用与排样原则直线排样斜线排样结构简单，制造方便提高材料利用率•适用于形状简单的零件•零件旋转一定角度排布•材料利用率70-85%•材料利用率可提高5-15%•模具结构相对简单•需要考虑材料方向性通料与断料选择套裁排样平衡效率与质量最大化材料利用•通料适用于连续生产•小零件套在大零件废料中•断料适用于高精度要求•材料利用率可达90-95%•根据零件特点合理选择•工艺复杂，模具制造难度大冲裁工艺原理与特点弹性变形阶段凸模开始接触板料时，材料首先发生弹性变形，应力分布均匀，变形可完全恢复这个阶段的变形量很小，通常只占板料厚度的1-3%塑性变形阶段随着冲压力增加，材料进入塑性变形阶段，在凸凹模刃口附近产生剪切应力集中，材料开始流动，形成塑性变形区，变形不可恢复裂纹萌生扩展当剪切应力达到材料强度极限时，在凸凹模刃口处萌生裂纹，裂纹迅速扩展并贯通，完成材料分离，形成冲裁断面的特征结构冲裁断面通常分为四个区域圆角带、光亮带、断裂带和毛刺其中光亮带的比例直接反映冲裁质量，精密冲裁可使光亮带达到80%以上，而普通冲裁通常只有30-50%冲裁力的大小主要取决于材料强度、板料厚度、冲裁周长等因素精密冲裁工艺原理预压阶段精密冲裁压边圈对板料施加预压力，消除材料间在压边力作用下进行冲裁，凸凹模间隙隙，确保材料稳定定位，为后续精密冲极小（通常为板厚的1-3%），材料在三裁创造良好条件预压力通常为冲裁力向压应力状态下变形，获得高质量断的10-20%面叠料冲裁整修工序将多层板料叠放一起进行冲裁，提高生对冲裁件进行精密整修，去除微小毛产效率需要严格控制叠料厚度、对齐刺，进一步提高尺寸精度和表面质量，精度和冲裁参数，确保各层产品质量一使产品达到精密加工的技术要求致冲裁模基本结构组成工作零件凸模、凹模、卸料板导向机构导柱、导套、定位装置弹性元件弹簧、橡胶、氮气缸固定装置上下模座、固定板标准件螺钉、销钉、垫圈等精密冲裁模的设计要求各零部件配合精度高，工作零件采用优质工具钢制造，硬度达到HRC58-62导向机构的精度直接影响产品质量，导柱导套配合间隙通常控制在

0.005-

0.01mm标准件的选用要考虑强度、精度和互换性要求，优先采用国家标准或行业标准件冲裁间隙的计算与选用材料厚度mm软钢间隙%硬钢间隙%不锈钢间隙%铝合金间隙%

0.5-

1.04-66-86-103-

51.0-

2.05-77-98-124-

62.0-

3.06-88-1010-145-

73.0-

5.07-99-1112-166-8冲裁间隙是影响冲裁质量的关键参数，间隙过小会导致凸凹模磨损加剧，冲裁力增大；间隙过大则会产生较大毛刺，影响断面质量精密冲裁的间隙通常比普通冲裁小30-50%，以获得更好的断面质量间隙的选择还需考虑模具制造精度、材料性能变化、模具磨损等因素在实际生产中，通常先按经验公式计算理论间隙，再通过试模验证和调整，最终确定最佳间隙值凸模与凹模刃口尺寸确定基准尺寸确定根据零件图纸要求和公差等级，确定冲裁件的基准尺寸对于精密冲裁，通常要求IT7-IT9精度等级，某些特殊零件可达到IT6精度磨损系数计算考虑模具在使用过程中的磨损情况，引入磨损系数进行修正凸模磨损后尺寸减小，凹模磨损后尺寸增大，需要在设计时预留磨损余量制造公差分配将零件公差合理分配给凸模和凹模，通常凸模取较紧公差，凹模取较松公差同时要考虑模具制造工艺的可实现性和经济性试模验证调整通过试模检验刃口尺寸的合理性，根据实际冲裁效果调整刃口尺寸，确保产品质量满足技术要求，建立稳定的生产工艺冲裁力与压力中心计算其中F为冲裁力N，L为冲裁周长mm，t为板料厚度mm，τs为材料抗剪强度MPa，K为修正系数

1.2-

1.5压力中心概念防倾斜措施压力中心是冲裁力合力的作用点，对于形状复杂的零件，压力中当压力中心偏移较大时，需要采取结构措施防止模具倾斜常用心可能偏离几何中心如果压力中心与模具导向中心不重合，会方法包括增设平衡冲孔、调整导向机构位置、采用倾斜导柱产生偏心载荷，导致模具倾斜和异常磨损等压力中心的计算采用静力矩原理，将复杂轮廓分解为简单几何图对于连续模，还可以通过合理安排各工位的相对位置，使总的压形，分别计算各部分的压力中心，然后合成总的压力中心位置力中心位于模具几何中心附近，确保模具工作平稳，延长使用寿命排样设计与材料节约排样方案对比某汽车支架零件，采用传统直线排样材料利用率为72%，改用优化斜线排样后提高到85%，每吨材料可多生产180个零件，年节约材料成本15万元排样软件应用现代排样设计广泛使用CAD/CAM软件，如AutoCAD、UG NX等，通过算法优化自动生成最佳排样方案软件可以快速计算材料利用率，生成加工程序利用率计算方法材料利用率=有效材料面积/总材料面积×100%计算时需考虑工艺余料、安全距离、定位孔等因素一般要求材料利用率达到75%以上废料再利用对于形状规则的废料，可以设计专门的小零件进行套裁利用建立废料回收分类系统，不同材质的废料分别收集，提高整体材料利用效率典型冲裁模结构实例单工序模复合模连续模结构简单，制造成本低，调试方便适用在一次冲压行程中完成多个工序，提高生生产效率最高，可实现自动化生产材料于形状简单、批量中等的零件模具寿命产效率，保证工序间位置精度结构较复连续送进，依次完成各工序结构最复长，维修方便，但生产效率相对较低，需杂，制造成本高，但产品质量稳定，适用杂，制造成本最高，但单件成本最低，适要多次装夹于中批量生产用于大批量生产典型冲裁模零部件设计冲头材质选择采用Cr12MoV、SKD11等优质工具钢热处理工艺淬火+回火达到HRC58-62硬度表面处理TiN涂层提高耐磨性和寿命精密冲头的刃口倒角设计至关重要，通常采用

0.05-

0.1mm的微小倒角，既保证锋利度又避免崩刃表面粗糙度要求达到Ra

0.4μm以上，采用精密研磨和抛光工艺冲头的受力分析显示，冲裁过程中承受压应力、弯曲应力和冲击载荷的复合作用寿命设计方面，精密冲头通常要求达到100-500万次冲压寿命，通过优化几何参数、改善热处理工艺、采用表面强化技术等手段来实现定期检测刃口磨损情况，建立预防性维护制度，可有效延长模具使用寿命精密模具导向与定位结构导柱导套精度导向润滑配合间隙

0.005-

0.01mm，直线度≤

0.005mm，表面粗糙度Ra

0.4μm采用轴采用自润滑轴承或定期注入润滑脂，减少磨损导向面镀硬铬或氮化处理，提承钢制造，热处理硬度HRC58-62，确保长期使用精度稳定高耐磨性和耐腐蚀性，延长使用寿命精密定位销圆形定位销精度IT6级，配合间隙

0.002-

0.008mm菱形定位销用于消除过定位，保证零件装配精度采用渗碳淬火工艺提高耐磨性精密模具的导向系统是保证产品质量的关键导向精度直接影响凸凹模的同轴度，进而影响冲裁间隙的一致性高精度导向系统可以将重复定位精度控制在±

0.002mm以内，满足精密冲压的技术要求脱料与卸料结构设计弹性脱料优势刚性脱料特点弹性脱料板在冲裁过程中对材料施加预压力，改善材料的受力状刚性脱料结构简单，制造成本低，脱料力大，适用于厚板材料和态，提高断面质量同时具有导向功能，保证凸模与材料的正确大尺寸零件但无法对材料施加预压力，断面质量相对较差，主接触，减少偏心载荷对模具的影响要用于对精度要求不高的普通冲裁弹性脱料适用于板厚较薄、精度要求较高的零件脱料力的大小复杂脱料装置结合了弹性和刚性脱料的优点，在不同冲压阶段发直接影响脱料效果，通常设定为冲裁力的10-20%脱料板的刚挥不同作用设计时需要考虑脱料行程、脱料力分配、结构紧凑度设计要保证在脱料力作用下变形最小性等多个因素，确保可靠脱料和较长使用寿命精密冲压模具的装配要求精度配合标准装配顺序装配精度IT6-IT7级严格按工艺规程执行•凸凹模同轴度≤

0.01mm•先装配导向系统•导柱导套配合H7/h6•再安装工作零件•工作面平行度≤

0.005mm•最后调整脱料机构质量记录试模要点建立完整档案全面验证模具性能•装配过程记录•空载试验检查运动•检测数据归档•负载试验验证功能•问题处理跟踪•连续试验确认稳定性冲压模具零件标准化及选用标准件类型标准代号精度等级主要规格导柱导套GB/T2851IT6-IT7φ16-φ50mm弹簧GB/T1972普通级压缩比30-50%螺钉GB/T

52826.8-

8.8级M6-M20定位销GB/T119IT6级φ3-φ16mm模具标准化是提高设计效率、降低制造成本的重要手段标准冲头规格涵盖圆形、方形、异形等多种形状，直径从φ

0.5mm到φ100mm，长度从10mm到300mm标准件的采用率通常要求达到70%以上选用标准件时需要考虑载荷条件、精度要求、使用环境等因素对于特殊要求的零件，可以在标准件基础上进行适当修改，既保证了互换性又满足了特殊需求建立标准件库存管理制度，确保供应及时、质量可靠冲裁设备类型及选择机械压力机采用曲柄连杆机构传动，行程速度高，生产效率好适用于一般精度冲裁，公称力范围从25吨到2500吨具有结构简单、维护方便、价格相对较低的优点液压压力机行程长度和压力大小可调，适用于深拉深和精密成形工作平稳，噪音小，但生产效率相对较低公称力可达万吨级，主要用于大型零件加工伺服压力机采用交流伺服电机驱动，速度和位置精确可控可实现复杂的运动曲线，提高成形质量节能效果显著，是精密冲压的理想设备选择高速冲床行程次数达到200-2000次/分钟，适用于小型精密零件的大批量生产配备自动送料和收料装置，实现无人化生产主要用于电子、通讯等行业精密冲压专用设备参数±

0.01mm重复定位精度滑块位置控制精度

0.1-10mm/s可调速度范围满足不同工艺需求1000kN最大压力满足大型零件加工

99.5%产品合格率稳定的质量控制精密冲压压力机具有高精度、高稳定性的特点工作台面采用精密研磨加工，平面度控制在

0.02mm以内导向系统采用直线导轨和滚珠丝杠，消除间隙和爬行现象压力检测系统实时监控冲压力变化，当超出设定范围时自动停机保护设备还配备了先进的监控系统，可以记录每次冲压的压力、位移、速度等参数，为质量分析和工艺优化提供数据支持模具保护系统能够检测异常载荷和过载情况，有效防止模具损坏，延长使用寿命校核与选型流程冲压力计算根据零件几何参数和材料性能，计算所需冲压力考虑安全系数

1.5-

2.0，确保设备有足够的承载能力同时计算脱料力、推件力等辅助力工作空间校核验证模具外形尺寸与设备工作台面的匹配性检查滑块行程、模具高度、开口高度等尺寸是否满足要求确保模具安装和调试的便利性精度要求分析根据零件精度要求选择相应精度等级的设备精密冲压通常要求设备重复定位精度≤

0.01mm，滑块平行度≤

0.02mm实例验证某汽车零件冲压力需求800kN，模具尺寸400×300mm，精度要求±

0.05mm选用1000kN伺服压力机，工作台面500×400mm，重复精度±

0.005mm，满足生产要求精密冲压模具设计步骤零件工艺性分析分析零件的几何形状、尺寸精度、材料性能和技术要求评估冲压工艺的可行性，确定是否需要修改零件设计制定初步的工艺方案和质量控制标准工艺方案制定确定冲压工序数量和顺序，选择合适的模具类型计算工艺参数，包括冲压力、材料利用率、生产节拍等进行成本效益分析，优化工艺方案模具结构设计设计模具总体结构，确定各零部件的形状和尺寸进行强度校核和寿命估算，选择合适的材料和热处理工艺绘制详细的装配图和零件图制造与调试按照设计图纸加工模具零件，进行精密装配通过试模验证设计的正确性，根据试模结果调整模具结构建立标准化的生产工艺和质量控制流程典型工业产品精冲件分析精冲齿圈精密压板电子连接器汽车变速箱齿圈要求齿形精度IT6级，表面用于高端机械设备的压板零件，平面度要微型电子连接器对尺寸精度要求极高，公粗糙度Ra

0.8μm采用精冲工艺可以实现求≤

0.02mm，孔径精度IT7级通过精密差范围通常在±

0.01mm以内模具设计齿面无需后续加工，直接达到使用要求冲裁和整形工艺，可以保证几何精度和表必须采用高精度导向系统和微小间隙配模具设计需要考虑齿形的精确成形和材料面质量，避免了昂贵的机械加工工序合，确保产品的一致性和可靠性流动控制精密冲裁产品质量分析精密冲压结构优化实例断料口设计去毛刺工艺优化断料口的几何形状和尺寸，采用渐设计专用的去毛刺模具，采用精密剃切变过渡设计，减少应力集中通过有限原理去除微小毛刺工艺参数优化包括元分析确定最佳的断料口位置和角度，剃切间隙、剃切角度和剃切深度的精确最大程度降低毛刺产生控制，确保去毛刺效果稳定整修模设计精密整形针对特殊要求的零件，设计专用整修模通过整形模具对冲裁件进行二次精密加具通过精密的机械加工原理，对冲裁工，修正尺寸偏差和形状误差整形力3件的关键部位进行精密整修，达到机加通常为冲裁力的20-30%，可以显著提工的精度水平高产品的几何精度冲压模具常见失效形式刃口磨损最常见的失效形式，表现为刃口钝化、尺寸变化主要原因包括材料硬度不够、热处理不当、润滑不良等预防措施包括选用优质模具钢、优化热处理工艺、改善润滑条件断裂失效由于应力集中、材料缺陷或过载引起的突然断裂常发生在尖角、薄壁等应力集中部位通过优化结构设计、消除应力集中、控制冲压力可以有效预防塌角崩刃刃口局部缺损，影响产品质量和模具寿命主要原因是刃口过于锋利、材料韧性不足、冲击载荷过大改善措施包括适当倒角、提高材料韧性、控制冲压速度变形失效模具在使用过程中发生弹性或塑性变形，导致精度下降原因包括强度不足、刚度不够、受力不均通过强度校核、增加支撑、改善受力状态可以避免精密冲压件尺寸误差分析系统误差由设备、模具精度引起随机误差材料性能波动、环境因素操作误差人员技能、工艺执行材料误差厚度公差、力学性能环境误差温度、湿度、振动误差控制措施包括建立完善的检测体系，采用SPC统计过程控制方法；定期校准测量设备，确保检测精度；建立标准化作业程序，减少人为误差；控制车间环境条件，保持温度湿度稳定；选用高质量原材料，建立供应商质量管理体系检验标准遵循国家标准GB/T13480和行业标准，采用抽样检验与全检相结合的方式关键尺寸要求100%检验，一般尺寸按AQL标准进行抽样检验建立质量追溯体系，记录每批产品的检验数据和质量状态精密模具寿命设计材料因素模具钢的化学成分、硬度、韧性直接影响寿命优质工具钢如SKD

11、DC53等具有良好的耐磨性和韧性平衡热处理工艺正确的淬火回火工艺确保获得最佳的硬度和韧性匹配真空热处理可避免脱碳和氧化表面处理TiN、TiCN涂层可提高表面硬度和耐磨性氮化处理形成高硬度表面层维护管理定期检查、清洁、润滑是延长模具寿命的重要措施建立预防性维护制度精密模具的设计寿命通常为100-500万次，高端模具可达1000万次以上影响寿命的关键因素包括工作载荷、摩擦磨损、疲劳强度等通过有限元分析可以预测应力分布和疲劳寿命，指导结构优化设计更换周期根据生产计划和模具状态确定，一般按累计冲次或产品质量下降程度判断备件管理采用ABC分类法，A类关键零件保持一定库存，B类零件按需采购，C类通用零件统一管理建立模具履历卡，记录使用状况和维修历史。