CN207534962U - 碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具及系统，它解决了现有技术中对刀具磨损大的问题，具有便于冲压加工，减小变形，降低毛边的产生的有益效果，其方案如下：上模包括上模座，与压力机可拆卸连接；凸模固定板，设于上模座下表面，开有若干通孔；至少一排用于冲裁零件内部小孔的冲孔凸模，冲孔凸模下表面带有两个冲孔凸起，冲孔凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排落料凸模呈波浪形设置；至少一排用于冲裁零件外轮廓的落料凸模，落料凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排落料凸模呈波浪形设置。

Description

碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具及系统

技术领域

本实用新型涉及压力加工领域，尤其涉及碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具及系统。

背景技术

近年来，碳纤维材料满足市场对材料的特性提出一定的要求，因此，应用碳纤维材料成为一种潮流。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维复合材料耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，铺层取向可以在很宽的范围进行调整；柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度；抗震性能好，具有较高的固有频率，同时复合材料集体纤维界面具有较大的吸收震动能量的能力，因而材料的阻尼较高；碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，尺寸稳定性好；耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好；纤维的密度低，质量轻，X射线透过性好；具有良好的温敏性；但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。目前，碳纤维复合材料应用范围很广泛，如：CFRP在大飞机上的大量应用可使其自身质量大大减轻，可有效增加航程或有效载荷。并能提高隐身飞机隐身性能；碳纤维复合材料应用于颈枕，包括颈枕骨架、骨架衬里和骨架护套，其利用碳纤维复合材料制作成颈枕的骨架，使得整体结构轻便、舒适、有效；深海油田对于能够承受恶劣海洋气候的需求不断扩大，因此碳纤维在深海油气田开发中得到广泛的应用；在非织造设备中的梳理机、交叉铺网机、卷绕机等，碳纤维也得到了广泛应用。

同时，碳纤维复合材料是一种难切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工时容易出现分层、撕裂、毛刺等问题。碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相或多相结构，其力学性能呈各向异性，机械加工条件比较恶劣，碳纤维复合材料切削加工的主要特点如下：

(1)材料易产生分层破坏。分层是复合材料铺层之间脱胶而形成的一种破坏现象，当切削参数不合理时会使层间受力过大而导致分层，分层会严重降低材料的性能甚至使零件报废，即使是微小的分层也是非常严重的安全隐患。

(2)刀具磨损严重、耐用度低。切削区温度高且集中于刀具切削刃附近很窄区域内，纤维的回弹及粉术状的切屑又加重了擦伤刃口和后刀面，加之碳纤维的硬度非常高，故刀具磨损严重，后刀面产生沟状磨损，耐用度低。

(3)产生残余应力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易达到要求，容易产生残余应力。这主要是因为切削温度较高，增强纤维和基体树脂的热膨胀系数相差太大。由于复合材料呈现各向异性，层间强度低，切削时在切削力的作用下容易产生分层、撕裂等缺陷，钻孔时尤为严重，加工质量难以保证。

(4)切削温度高。碳纤维复合材料切屑形成过程是一个基体破坏和纤维断裂相互交织的复杂过程，在此过程中，碳纤维作为切削硬质点连续磨耗刀具，因碳纤维断裂和基体剪切，以及切屑与前刀面、后刀面与已加工表面之间的摩擦而产生大量的切削热，加之碳纤维复合材料导热性差等原因，切削热主要传向刀具和工件，导致刀具的快速磨损。

经检索，专利号为ZL2015202447490公开其实用新型级进模的结构，以及该级进模的特点。级进模冲压效率高，操作安全简单，模具使用寿命长，其能够完成产品成形的全部工序，克服了简单模多次定位带来的操作不便以及累积误差。用级进模加工材料，能够降低产品生产成本，提高产品的生产效率、质量和精度。

经检索，专利号ZL201610191125.6公开了一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法，根据模具母体以外的凸凹模结构要素，确定母体的优化区域。采用有限元分析方法对分离工序进行数值模拟，获得冲压过程中模具的受力。基于变密度法对模具母体结构进行拓扑优化，并根据优化结果对模具母体进行设计并检验所设的模具是否满足变形约束条件。该实用新型可以提高模具刚度及冲压件冲压质量的稳定性，降低模具结构变形对冲压件质量的影响，减少修模次数，减轻模具重量，缩短模具生产制造周期，降低加工成本。

经检索，专利号为2016109128476研究碳纤维时，提及到碳纤维具有较强的耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐磨损的特征，能够应用制作密封垫片。

综上所述，从检索的文献来看，已知技术都没有对碳纤维这种各项异性材料进行压力加工，特别是碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型，根据目前的加工方式，切削加工碳纤维复合材料不易保证零件的轮廓表面精度，加工成本高，并对刀具损坏较大。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，该上模可实现碳纤维双孔成型，降低对凸模与上模座的冲击，用冲压加工取代传统的切削加工，对碳纤维材料进行加工，从而降低产品的生产成本、提高产品的质量、精度与生产效率。

碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模的具体方案如下：

碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，包括：

上模座，与压力机可拆卸连接；

凸模固定板，设于上模座下表面，开有若干通孔，通过通孔的设置可便于更换损坏的凸模；

至少一排用于冲裁零件内部小孔的冲孔凸模，冲孔凸模下表面带有两个冲孔凸起，冲孔凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排冲孔凸模呈波浪形设置；

至少一排用于冲裁零件外轮廓的落料凸模，落料凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排落料凸模呈波浪形设置，落料凸模设于冲孔凸模后方。

在该上模中，冲孔凸模与落料凸模的起点与终点各自在同一水平直线上，呈波浪形的冲孔凸模或者落料凸模的纵向顶点之间的距离与单挑波浪形的最高点与最低点之间的距离可以根据需要进行调整，这样的设置，凸模单元横向距离不变，在纵向均布排开，使得凸模的排布在允许范围内尽可能分散，不仅便于冲压加工，减小变形，降低毛边的产生，而且凸、凹模的制造简单方便，降低加工成本，减少废件的产生；

这样设置是为了实现在合理冲压间隙以及保证一定加工精度的条件下，使得材料利用率最大化，同时还具有较高的加工效率。

进一步地，所述上模座开有开孔，开孔内设置模柄，模柄包括底板和从底板凸出设置的连轴，模柄与所述的压力机连接，底板为圆形，底板通过螺钉与上模座固定。

进一步地，上模还包括用于切除边料的切边凸模，切边凸模呈圆柱形，设于所述落料凸模的后方，且切边凸模下方设置挡料销，切边凸模将挡料销抵住的边料切除，使板料继续前进，切边凸模设有两个，两个切边凸模位于第二列和第六列，落后同一列的落料凸模4.5倍进距。

设置切边凸模的原因是在冲压加工过程中，为防止板料受冲裁力作用发生变形，影响冲裁件尺寸和形状，在排样中相邻冲裁件之间以及冲裁件与板料边缘设置搭边。在冲裁完成后，搭边成为板料上两孔之间的条形废料。随着板料送进，搭边运动到切边凸模下方的挡料销处，被挡料销抵住从而限制板料向前送进的距离，达到定位作用。在切边凸模向下运动的过程中，可以将被挡料销抵住的搭边部分切断，从而使板料可以进一步向前送进，进行下一次冲裁。

模柄设置在上模座中心位置，冲孔凸模与切边凸模偏离中心位置，冲孔凸模受冲裁力较切边凸模大，因此冲孔凸模距离中心位置比切边凸模近，切边冲裁力将冲孔冲裁力与对中心的力矩平衡一部分，避免上模座产生倾斜，加大与导柱之间的摩擦，使上模部分运动更平稳。本次设计距离同列落料凹模4.5倍进距，可根据实际冲裁力分配进行调节。

进一步地，上模座与凸模固定板之间设有用于防止落料凸模与冲孔凸模变形的垫板，垫板作用是为了防止凸模在工作过程中与上模座挤压造成变形和破坏。

进一步地，一排所述落料凸模中相邻两列的间距为1.5倍进距；

一排所述冲孔凸模中相邻两列的间距为1.5倍进距，每排冲孔凸模超前落料凸模3倍进距，冲孔凸模设于落料凸模前方。

进一步地，落料凸模与冲孔凸模均与零件外轮廓一致，两边为半圆柱形，而且冲孔凸模与落料凸模顶部尺寸大于通孔的尺寸，且落料凸模下表面设置定位销。

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，包括下模，该下模与所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模配合，下模包括：

下模座，与压力机工作台可拆卸连接；

凹模固定板，设于下模座上表面，开有若干凹槽，通过凹槽的设置可便于更换损坏的凹模；

至少一排与所述冲孔凸模配合的冲孔凹模，冲孔凹模穿过凹槽设置；

至少一排与所述落料凸模配合的落料凹模，落料凹模穿过凹槽设置；

导柱，设于凹模固定板的四角，以限定上模座的移动方向，导柱设有四根，与上模座的四角定位孔相配合，用于限定上模座的移动方向，提高加工精度，冲孔凹模与落料凹模中各自设有凹孔，以与相应的凸模配合。

所述凹模固定板侧部设置起到支撑作用的进料撑板，以使板料水平前进；

进一步地，在凹模固定板的上表面设置用于限定板料位置的卸料板，卸料板用于防止由于板料变形卡住凸模随凸模一起上抬，卸料板下表面设置导向槽用于容纳板料，且卸料板表面开有与落料凸模、切边凸模和冲孔凸模外轮廓一致的孔。

进一步地，所述下模还包括切边凹模，落料凹模设于切边凹模与冲孔凹模之间。切边凹模与切边凸模配合。

进一步地，所述卸料板至少一侧设置用于第一次冲裁板料时限定板料前进的初始挡料销，初始挡料销包括初始挡料销支板和初始挡料销弹簧，初始挡料销支板呈L形，长边安装在卸料板侧边的通孔中，初始挡料销弹簧一端固定在初始挡料销支板短边上，另一端卸料板固定。

为了克服现有技术的不足，本实用新型还提供了一种全自动送料加工系统，包括所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具和送料单元，送料单元向上模与下模之间连续送料；

进一步地，送料单元包括前后设置的两组辊轴，前组辊轴包括上下设置的两个辊轴，后组辊轴包括一个在上、两个在下呈三角形排列的三个辊轴，其中前组辊轴中上辊轴与驱动电机连接。

此外，驱动电机为步进电机，辊轴通过辊轴座进行支撑，后组辊轴可包括三个辊轴，一个辊轴在上，两个在下，呈三角形排列，保持板料水平，此外，在辊轴座下部设置底座，底座将送料轧辊部分固定在压力机工作台上，保证送料方向与模具中板料前进方向对齐，料板穿过五个辊轴后到达凹模的顶部，料板前进一次的距离等于凸模分布中单个长方形单元的宽。

工作过程中，先将板料固定在初始挡料销之中，并利用初始挡料销、步进电机的制动作用、双套轧辊的进给作用进行简单定位；利用辊轴使得板料压紧在凹模上，实现压料的目的；随后压力机启动，凸模工作，凸凹模结合完成第一次冲压，凸模先上移脱离碳纤维材料，而卸料板辅助卸料，防止凸模粘连材料，后与碳纤维材料分离，凹模中的废料随导料孔落入下方并被收集，实现挡料的作用，一次冲孔过程结束，在冲孔的同时由于料板未进入到落料凸模下，落料凸模空作用一次，然后板料在送料结构的作用下再次进给一个进距后，重复上述冲裁过程。

若设置两排7个冲孔凸模，两排7个落料凸模则：第一次冲裁实现三对冲孔，第二次冲裁实现三对冲孔，第三次实现完整冲7对孔，同理需再三次实现完整落料7个双孔连接件，即共需六次冲裁能实现所有凸模工作，整个过程需送料机构送料5个进距，即5次进给。之后即可同时完成冲孔和落料加工。

其中，冲孔凸模与落料凸模的分布方式如下：将凸模固定板均匀分割成若干等大的长方形小块，其分割方式和排列方式均与冲裁件的排样方式相同。在第一列选定一个小方块安置第一个落料凸模，第二列的凸模单元超前第一列的1.5倍进距，第三列的凸模单元落后第二列1.5倍进距，与第一列凸模单元同行。这样以此类推，安置落料凸模，起始凸模与终点凸模位于同一水平线上，落料凸模整体排布也成波浪式分布，幅度大于冲裁件排样的波浪幅度，同理，冲孔凸模单元每行超前落料凸模3倍进距，均匀分布于落料凸模单元之前。两个切边凸模位于第二列和第六列，落后同一列的落料凸模 4.5倍进距。

综上，本装置整体安排为两排冲孔凸模，两排落料凸模(即四排凸模，两排波浪式凸模)和一排切边凸模，共三级凸模。

该加工系统由控制系统(PLC控制器)控制运转，可实现连续自动进料，进料的同时，步进电机可实现暂停作用，以便冲压机进行冲压；在单次冲压过程中，步进电机在控制系统信号的控制下可转动一定角度，从而控制送料行程。压力机冲压过程中与送料单元通过行程开关配合运作。

此外，所述冲孔凸模或落料凸模的长度根据如下公式进行计算：

L＝H_固+H_卸+H_导+Y

式中：L—凸模长度，mm；

H_固—凸模固定板厚度，mm；

H_卸—固定卸料板厚度，mm；

H_导—侧面导料板厚度，mm；

Y—增长量，即加工修磨量、凸模压进凹模的距离、凸模固定板与卸料板之间的长度总和；

上模的总冲裁力F_z根据如下公式进行计算：

F_z＝F₁+F₂+F₃

F₁＝K₁F_落总 F₂＝nK₂F_落总 F₃＝K₃F_落总

F_落总＝N₂F_落料 F_落料＝KL₂tτ_b

式中：N₂—为一次性落料个数；

F_落料—冲裁力，N；

F_落总—一次落料总冲裁力，N；

K—安全系数；

L₂—冲裁件落料的周长，mm；

t—板料厚度，mm；

τ_b—材料抗剪强度，MPa

K₁、K₂、K₃，分别为卸料力、推件力、顶件力系数；

F₁、F₂、F₃分别为卸料力、推件力、顶件力；

F_z—总冲裁力。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中镶嵌式凸模由独立式凸模、凸模固定板和垫板组成。此种结构垫板主要用于保护凸模，减少冲压时凸模与上模座的冲击作用，可以采用强度、硬度低于凸模的普通材料加工。

本实用新型中独立式凸模主要用于冲压加工，对强度、硬度、精度等要求比较高，可以采用较高强度的材料利用电火花加工，并且采用定位销和挡料销定位，保证冲压的准确性与稳定性。

本实用新型中布置方式实现在合理冲压间隙以及保证一定加工精度的条件下，使得材料利用率最大化，同时还具有较高的加工效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1双孔连接件级进模冲压加工系统轴测图。

图2双孔连接件级进模冲压加工系统主视图。

图3双孔连接件级进模冲压加工系统俯视图。

图4复制成型模具主视图。

图5复制成型模具阶梯剖主视图。

图6复制成型模具俯视图。

图7零件图。

图8复制成形排样示意图。

图9凸模排版示意图。

图10-a、10-b、10-c、10-d、10-e、10-f、10-g加工流程图。

图11上模部分轴测图。

图12上模部分爆炸图。

图13下模部分轴测图。

图14下模部分爆炸图。

图15送料轧辊部分轴测图。

图16送料轧辊部分爆炸图。

图17Ⅰ－9冲孔凸模左视图。

图18Ⅰ－9冲孔凸模轴测图。

图19Ⅰ－7落料凸模左视图。

图20Ⅰ－7落料凸模轴测图。

图21Ⅰ－1、Ⅰ－2挡料销及切边凸模左视图。

图22Ⅰ－1、Ⅰ－2挡料销及切边凸模轴测图。

图23Ⅱ－7冲孔凹模剖视图。

图24Ⅱ－7冲孔凹模轴测图。

图25Ⅱ－8落料凹模剖视图。

图26Ⅱ－8落料凹模轴测图。

图27Ⅱ－9切边凹模剖视图。

图28Ⅱ－9切边凹模轴测图。

图29Ⅰ－4上模座俯视图。

图30Ⅰ－3凸模固定板俯视图。

图31Ⅱ－2卸料板俯视图。

图32Ⅱ－5凹模固定板俯视图。

图33Ⅱ－6下模座俯视图。

图34Ⅱ－11初始挡料销示意图。

图35冲裁间隙示意图。

图36冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态图。

图37落料和冲孔时的凸、凹模刃口尺寸、公差与冲裁件尺寸及其公差的关系图。

其中，附图的符号表示为：

Ⅰ上模部分：

Ⅰ－1挡料销，Ⅰ－2切边凸模，Ⅰ－3凸模固定板，Ⅰ－4上模座，Ⅰ－5模柄，Ⅰ－ 6螺钉，Ⅰ－7落料凸模，Ⅰ－8定位销，Ⅰ－9冲孔凸模，Ⅰ－10垫板，Ⅰ－11沉头螺钉。

Ⅱ下模部分：

Ⅱ－1导柱，Ⅱ－2卸料板，Ⅱ－3进料撑板，Ⅱ－4撑板紧固螺钉，Ⅱ－5凹模固定板，Ⅱ－6下模座，Ⅱ－7冲孔凹模，Ⅱ－8落料凹模，Ⅱ－9切边凹模，Ⅱ－10螺钉，Ⅱ－ 11初始挡料销，Ⅱ－12初始挡料销支板，Ⅱ－13初始挡料销弹簧。

Ⅲ送料单元部分

Ⅲ－1步进电机，Ⅲ－2辊轴座，Ⅲ－3第一传动齿轮，Ⅲ－4带轮，Ⅲ－5皮带，Ⅲ－6第一前辊轴，Ⅲ－7第二前辊轴，Ⅲ－8第二传动齿轮，Ⅲ－9第一后辊轴，Ⅲ－10第三传动齿轮，Ⅲ－11第二后辊轴，Ⅲ－12底座，Ⅲ－13第三后辊轴。

Ⅳ板料。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具及系统。

本申请的一种典型的实施方式中，本实用新型提供了碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，该模具包括上模和下模，上模包括以下内容：

挡料销Ⅰ－1：通过抵住前面冲裁后留下的边料达到定位作用；

切边凸模Ⅰ－2：与切边凹模Ⅱ－9配合，将挡料销抵住的边料切除，使板料继续前进；

凸模固定板Ⅰ－3：内部设有与凸模排布位置对应的通孔，限定凸模的排放位置，同时便于更换损坏的凸模；

上模座Ⅰ－4：支撑上模部分，并通过模柄Ⅰ－5与压力机相连；

模柄Ⅰ－5：固定在上模座Ⅰ－4上，与压力机相连；

螺钉Ⅰ－6：将模柄Ⅰ－5固定在上模座Ⅰ－4上；

落料凸模Ⅰ－7：与落料凹模Ⅱ－8配合，在冲孔基础上冲裁零件外轮廓以得到零件；

定位销Ⅰ－8：位于落料凸模Ⅰ－7下方，与冲孔形成的孔相配合起到定位作用；

冲孔凸模Ⅰ－9：与冲孔凹模Ⅱ－7配合，将板料冲裁出零件内部的两个小孔；

垫板Ⅰ－10：防止凸模在工作过程中与上模座Ⅰ－4挤压造成变形和破坏；

沉头螺钉Ⅰ－11：将凸模固定板Ⅰ－3、垫板Ⅰ－10固定在上模座Ⅰ－4上；

进一步的，所述下模部分组成及各作用为：

导柱Ⅱ－1：与上模座Ⅰ－4四角定位孔相配合，限定上模部分移动方向，提高加工精度；

卸料板Ⅱ－2：限定板料位置，防止由于板料变形卡住凸模随凸模一起上抬；

进料撑板Ⅱ－3：设于凹模固定板Ⅱ－5侧部，在模具的前侧，起支撑作用，使板料Ⅳ水平前进；

撑板紧固螺钉Ⅱ－4：固定进料撑板Ⅱ－3；

凹模固定板Ⅱ－5：内部设有与凹模排布位置对应的凹槽，限定凹模的排放位置，便于更换损坏的凹模；

下模座Ⅱ－6：支撑下模部分，固定在压力机工作台上；

冲孔凹模Ⅱ－7：与冲孔凸模Ⅰ－9配合，将板料冲裁出零件内部的两个小孔；

落料凹模Ⅱ－8：与落料凸模Ⅰ－7配合，在冲孔基础上冲裁零件外轮廓以得到零件；

切边凹模Ⅱ－9：与切边凸模Ⅰ－2配合，将挡料销Ⅰ－1抵住的边料切除，使板料继续前进；

螺钉Ⅱ－10：将卸料板Ⅱ－2、凹模固定板Ⅱ－5和下模座Ⅱ－6固定在一起；

初始挡料销Ⅱ－11：由初始挡料销支板Ⅱ－12和初始挡料销弹簧Ⅱ－13组成，在第一次冲裁板料时限定板料前进位置；

进一步的，所述的上模座Ⅰ－4、凸模固定板Ⅰ－3、卸料板Ⅱ－2、凹模固定板Ⅱ－5在水平方向上相互平行，且相互之间通过导柱相连；所述的凹模设置在凹模固定板Ⅱ－5上并与所述的凸模相对；在所述的凹模的上方用螺栓固定有卸料板。

参数的确定：

根据冲裁件生产批量大、材料利用率要求高、冲裁件的形状精度要求较高、毛边少的特点以及双孔连接件的厚度等条件，查阅《冲压模具实用手册》可查T300碳纤维的搭边值a，外搭边值a1。若排样搭边值不满足的要求，则容易导致材料变形和破坏，并且在设计时应考虑到凸模加工制造问题。

由于凸模的尺寸较小，所以卸料板同时具有保护凸模和导向的作用。为了方便更换，将凸模设计成镶块式结构，材料选择冷作模具钢(C_r12MoV)，采用由螺钉固定，定位销定位。板材宽度、厚度为可根据所需双孔连接件的具体条件以及数量选材，材质为T300 碳纤维，要求冲压生产出的倒角尽可能的小，故冲裁件精度取IT7级，模具制造精度取 IT5～IT6级。根据《冲压模具实用手册》可查阅加工碳纤维T300的搭边a、a1。根据材料厚度等条件，冲裁件的切断面的表面粗糙度R_a取适当值。冲孔的关键形状为直径为d_小孔的圆形，加工难点在于使加工后工件的圆角尽可能的小。

一个进距内材料利用率η₁为：

A—一个冲裁件的面积，mm²；

n—一个进距内的冲裁件数量；

B—条料宽度，mm；

S—进距，mm。

整块板料总的材料利用率η为：

A—一个冲裁件的面积，mm²；

n—一个进距内的冲裁件数量；

B—条料宽度，mm；

L—板料长度，mm。

间隙值Z：

式中：Z—双面间隙值，mm；

T—板料厚度，mm；

h₀—产生裂纹时凸模压入材料的深度，mm；

—产生裂纹时凸模压入材料的相对深度，mm；

β—剪裂纹与垂线的夹角。

从式(2-1)可以看出，合理的间隙值Z与材料厚度t、相对压入深度剪裂纹方向(角度)β有关。而β又与材料的性质有关，因此影响间隙值的主要因素是材料的性质和材料厚度，因为查阅得碳纤维T300属于硬钢。

凸模的尺寸决定冲孔时孔径的尺寸，冲孔模的以凸模为设计基准。先确定凸模的刃口尺寸，再根据间隙值确定凹模的刃口尺寸。由于凸、凹模在使用过程中会出现磨损现象，凸模的刃口磨损会使冲孔孔径尺寸变小，凹模刃口的磨损会使落料件的尺寸增大。故设计本模具时，凸模刃口尺寸的基本尺寸应该取公差范围之内的尽可能较大的尺寸。这样就能保证凸、凹模在被磨损一段时间之内仍然能够冲裁出合格的工件。

本次模具设计由于加工工艺的限制所以选择凸模与凹模单独加工的方法。在加工模具时，先在图样上标注凸模和凹模的刃口尺寸和公差，再将凸模和凹模分别按照图纸加工，为了保证合理间隙值，必须满足下列关系：

T_p+T_d≤Z_max-Z_min (2-2)

或者取T_p＝0.4(Z_max-Z_min) (2-3)

T_d＝0.6(Z_max-Z_min) (2-4)

冲孔凸模刃口基本尺寸

冲孔模凹模刃口基本尺寸

落料模凸模刃口基本尺寸

冲孔模凸模刃口基本尺寸

本次冲裁力大小的影响因素很多，主要有：

(1)碳纤维材料的力学性能；

(2)材料厚度；

(3)双孔连接件的轮廓周长；

(4)冲裁间隙；

(5)刃口的锐利程度；

(6)冲裁速度和润滑情况等等。

综合考虑各类因素后可计算冲裁力的大小。

冲孔冲裁力的计算

本设计凸模采用平刃冲裁模的冲裁力计算：

F_冲孔＝kL₁tτ_b (3-1)

式中F_冲孔—冲裁力，N；

K—安全系数；

L₁—冲裁件冲裁孔的周长，mm；

t—板料厚度，mm；

τ_b—材料抗剪强度，MPa。取材料强度极限σ_b=1429.9MPa的80％，即τ_b＝0.8σ_b。

T300的抗拉强度σ_b为1429.9MPa，故τ_b＝0.8σ_b＝143.92MPa。

故可按照上式计算冲单个孔所需的冲裁力。

根据排样可知一次冲孔的总数，所以总冲裁力为

F_冲总＝N₁F_冲孔 (3-2)

式中N₁—为一次性冲孔个数。

在设计冲裁模具和选择冲压设备时，需要校核压力机的功率。当计算的冲裁力大于压力机的公称压力时，可采用一些措施降低冲裁力，但是冲裁功却并不会减小，故可能出现压力机满足冲裁力的要求却在冲裁功方面过载的现象，当压力机在功率方面出现过载时，会产生迟滞现象，导致飞轮的转速会急剧降低，使压力机过载而发生损坏。

所以单个孔的冲裁功为

总冲裁功为

W_冲总＝N₁W_冲孔 (3-4)

由此可看出冲裁功很小，故可以不进行验算。

冲裁结束时，落下的料一般在径向会胀大，由于材料的弹性变形和弯曲回弹的作用，料板上的孔在径向会产生弹性收缩，同时料板力图恢复成原来的平直状态，导致料板上的孔紧箍在凸模上，料板下落的部分紧卡在凹模内，因此，为了使冲裁连续进行，在设计冲裁模具时，还需要计算的其他力有卸料力、推件力和顶件力。这些力的计算可根据经验公式：

(1)卸料力F₁从凸模上将工件或者废料取下来所需要的力。

F₁＝K₁F_冲总 (3-5)

(2)推件力F₂从凹模内将工件或者废料顺着冲裁力的方向推出的力。

F₂＝nK₂F_冲总 (3-6)

式中n为同时梗塞在凹模内的制件或废料数量；n＝h/t,h为凹模直壁刃口高度，mm，t为料厚，mm。

(3)顶件力F₃从凹模内将工件或者废料逆着冲裁力方向顶出的力。

F₃＝K₃F_冲总 (3-7)

其中K₁、K₂、K₃，分别为卸料力、推件力、顶件力系数，

本实用新型决定采用弹性卸料装置和下出料的方式，所以总冲裁力F_z为：

F_z=F₁+F₂+F₃ (3-9)

落料冲裁力的计算

本设计落料凸模采用平刃冲裁模的冲裁力计算：

F_落料＝KL₂tτ_b (3-10)

式中F_落料—冲裁力，N；

K—安全系数；

L₂—冲裁件落料的周长，mm；

t—板料厚度，mm；

τ_b—材料抗剪强度，MPa。取材料强度取材料强度极限σ_b＝1429.9MPa的80％，即τ_b＝0.8σ_b。T300的抗拉强度σ_b为1429.9MPa，故τ_b＝0.8σ_b＝143.92MPa

故可根据已知条件计算冲单个落料所需的冲裁力。

根据排样可知一次落料的总数，所以总冲裁力为

F_落总＝N₂F_落料 (3-11)

式中N₂—为一次性落料个数。

在设计冲裁模具和选择冲压设备时，需要校核压力机的功率。当计算的冲裁力大于压力机的公称压力时，可采用一些措施降低冲裁力，但是冲裁功却并不会减小，故可能出现压力机满足冲裁力的要求却在冲裁功方面过载的现象，当压力机在功率方面出现过载时，会产生迟滞现象，导致飞轮的转速会急剧降低，使压力机过载而发生损坏。

所以单个双孔连接件的落料功为

总冲裁功为

W_落总＝N₂W_落料 (3-13)

由此可看出冲裁功很小，故可以不进行验算。

冲裁结束时，落下的料一般在径向会胀大，由于材料的弹性变形和弯曲回弹的作用，料板上的孔在径向会产生弹性收缩，同时料板力图恢复成原来的平直状态，导致料板上的孔紧箍在凸模上，料板下落的部分紧卡在凹模内，因此，为了使冲裁连续进行，在设计冲裁模具时，还需要计算的其他力有卸料力、推件力和顶件力。这些力的计算可根据经验公式：

(1)卸料力F₁从凸模上将工件或者废料取下来所需要的力。

F₁＝K₁F_落总 (3-14)

(2)推件力F₂从凹模内将工件或者废料顺着冲裁力的方向推出的力。

F₂＝nK₂F_落总 (3-15)

式中n为同时梗塞在凹模内的制件或废料数量；n＝h/t，h为凹模直壁刃口高度，mm，t为料厚，mm。

(3)顶件力F₃从凹模内将工件或者废料逆着冲裁力方向顶出的力。

F₃＝K₃F_落总 (3-16)

其中F₁、F₂、F₃分别为卸料力、推件力、顶件力，本实用新型决定采用弹性卸料装置和下出料的方式，所以总冲裁力F_z为：

F_z＝F₁+F₂+F₃ (3-17)

在计算完冲孔与落料的总的冲裁力后进行比较，得出较大的冲裁力，为压力机的选择提供一定的参数支持。

由于本次冲裁采用的是自动送料的大批量生产，加上原材料的外形尺寸较大，所以决定采用开式曲柄压力机。由于压力机的冲裁力要保留有充分的余地，加上冲裁的速度较快，所以冲裁过程中各种力的总和不能超过压力机标称压力的1.3倍。根据本次计算的较大冲裁力计算结果，可选择适当型号的压力机。

根据本次冲压的特点，决定采用普通式凸模，分为安装部分与固定部分。模具结构及其组成决定了凸模的长度，凸模的加工修磨量、固定板和卸料板之间的长度等因素也会影响凸模的长度。凸模长度不够则无法插入凹模刃口对材料进行冲裁；过长会降低凸模工作的稳定性，容易发生弯曲或折断等损坏。

首先为设计凸模先计算单个工序冲裁模的凸模长度，单工序凸模长度确定公式：

L＝H_固+H_卸+H_导+Y (4-1)

式中：L—凸模长度，mm；

H_固—凸模固定板厚度，mm；

H_卸—固定卸料板厚度，mm；

H_导—侧面导料板厚度，mm；

Y—增长量(包括相应的加工修磨量、凸模压进凹模的距离、凸模固定板跟卸料板之间的长度等。当凸模和固定板铆接时，加上铆头部分的增长量1～2mm。)，mm。

若选用标准凸模，按照上述方法算得的凸模长度后，还应根据冲模标准中的凸模长度系列选取最接近的标准长度作为实际凸模的长度。

凸模强度的验算：

(1)压应力校验

给凸模的最大压应力不能大于凸模的许用压应力，即：

式中：P—最大冲裁力，N；

F—凸模刃口截面积，mm²；

[σ_压]—凸模进行淬火处理后的许用压应力，MPa。取决于材料、热处理和模具的结构，由《冲压模具实用手册》查得[σ_压]＝2000～2200MPa。

①冲孔压应力校验

冲孔最大冲裁力P_冲

凸模刃口截面面积为A_冲

时保证冲孔凸模的安全。

②落料压应力校验

由前文知最大冲裁力P_落，

凸模刃口截面积为A_落，

时保证落料凸模的安全。

本次冲裁属于大批量冲裁工艺，而且对冲裁件的精度要求较高，所以凹模的设计必须满足制造方便精度高的要求。本实用新型的凹模刃口有斜度，有固定的高度h，由于刃口下部的漏料处逐渐扩大，故凹模工作部分强度较差，上部容易积聚余料，然而该种凸模适用于废料顺冲压方向下落的模具，冲裁件的尺寸精度高，制作方便，所以应用范围很广泛。

刃口直壁高度h与被冲料厚t有关，一般当t≤1mm时取h≤4mm，时，t＞1mm取 h＝4～8mm。因此可根据料厚确定刃口直壁高度。根据参考文献《冲压模具实用手册》查得凹模具体厚度。

冲裁间隙是指模具中凸模和凹模刃口之间的空隙。凸模与凹模两侧间隙的和称之为双面间隙，用Z表示，分为最大间隙和最小间隙。冲裁间隙对冲裁工件的断面质量，凸、凹模的使用寿命，冲裁力等具有很大的影响。碳纤维材料易产生毛边，为防止毛边的产生以及凹凸模使用寿命等，本实用新型采用理论确定间隙法，主要依据是保证上下裂纹重合，并相交于一条直线，来获得无毛边的较好的断面质量。

落料和冲孔时的凸、凹模刃口尺寸，公差与冲裁件尺寸及其公差的关系如图37所示。

图中：D_d—落料模凹模刃口的基本尺寸，mm；

D_p—落料凸模刃口的基本尺寸，mm；

d_d—冲孔模凹模刃口的基本尺寸，mm；

d_p—冲孔模凸模刃口的基本尺寸，mm；

D_max—落料件的最大极限尺寸，mm；

d_min—冲孔孔径的最小极限尺寸，mm；

Δ—冲裁件公差；

Z_min—最小双面合理间隙，mm；

Z_max—最大双面合理间隙，mm(图中未标出)；

T_d—凹模刃口制造公差；

T_d—凸模刃口制造公差；

K—系数；

为了避免冲裁件尺寸全部偏向极限尺寸，应使冲裁件实际尺寸接近公差带的中间尺寸。 K值分布在0.5～1.0之间，并与冲裁件的精度等级有关经查阅《冲压模具实用手册》，确定系数K、最小双面合理间隙Z_min、冲裁件公差Δ、冲孔凸模刃口、制造公差T_p、凹模刃口制造公差T_d、落料凸模刃口制造公差T_p、凹模刃口制造公差等具体值。

冲压过程具体分为a、b、c、d、e、f、g七步：如图10-a所示第一次冲压，开始将板料放入两送料轧辊之间的夹缝中，按下卸料板两侧的初始挡料销，板料在轧辊的带动下进入卸料板与下模板之间的间隙，在初始挡料销的阻碍下停止向前运动，板料所在位置即初始冲孔位，此时轧辊停止向前送料，凸模向下运动，冲出三组孔，凸模上移至初始位置，步进电机带动轧辊将板料向前送进，送进距离为一个冲压进程，凸模下移开始第二次冲孔，如图10-b。重复上述过程，到第四次冲孔时，如图10-d，初始冲出的孔到达落料位置，落料凸模下端的定位销与冲孔配合完成定位，之后凸模继续下移完成冲孔、落料。重复上述过程，到达第七次冲孔时，如图10-g，七组落料凸模全部进入工作状态，之后重复上述过程，冲孔、落料可同时完成。

其中，初始挡料销支板呈L形，长边安装在卸料板侧边的通孔中，初始挡料销弹簧一端固定在初始挡料销支板短边上，另一端固定在卸料板上。卸料板下表面设有限定板料送进时左右位置的导向槽，导向槽的宽度为板料宽度，导向槽的深度为板料厚度的1.5倍。板料在第一次送进模具前人工将初始挡料销向里推，初始挡料销支板长边沿通孔进入导向槽，在导向槽侧边形成凸起，阻碍板料继续前进。板料经送料轧辊沿导向槽向前送进，遇初始挡料销支板停止运动，此时板料定位在冲孔凸模中前三组凸模下方，经冲压后得到如图10-a所示三组共六个孔。在第一次冲压结束后松开初始挡料销支板，在弹簧的作用下初始挡料销支板退回，板料在送料轧辊带动下向前运动一个进距，准备下一次冲压。之后的冲压过程不需要使用初始挡料销。

凸模单元分布方式是：如图9，将凸模固定板均匀分割成若干等大的长方形小块，其分割方式和排列方式均与冲裁件的排样方式相同。在第一列选定一个小方块安置第一个落料凸模单元，第二列的凸模单元超前第一列的1.5倍进距，第三列的凸模单元落后第二列1.5倍进距，与第一列凸模单元同行。这样以此类推，安置落料凸模，起始凸模单元与终点凸模单元位于同一水平线上，落料凸模整体排布也成波浪式分布，幅度大于冲裁件排样的波浪幅度，同理，冲孔凸模单元每行超前落料凸模3倍进距，均匀分布于落料凸模单元之前。两个切边凸模位于第二列和第六列，落后同一列的落料凸模4.5倍进距。

为了克服现有技术的不足，本实用新型还提供了一种全自动送料加工系统，包括所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具和送料单元，送料单元向上模与下模之间连续送料；

进一步地，送料单元包括前后设置的两组辊轴，前组辊轴包括上下设置的两个辊轴，后组辊轴包括一个在上、两个在下呈三角形排列的三个辊轴，其中前组辊轴中上辊轴与驱动电机连接。

此外，驱动电机为步进电机Ⅲ－1，辊轴通过辊轴座Ⅲ－2进行支撑，后组辊轴可包括三个辊轴，一个辊轴在上，两个在下，呈三角形排列，保持板料水平，此外，在辊轴座下部设置底座Ⅲ－12，底座Ⅲ－12将送料轧辊部分固定在压力机工作台上，保证送料方向与模具中板料前进方向对齐，料板穿过五个辊轴后到达凹模的顶部，料板前进一次的距离等于凸模分布中单个长方形单元的宽，如图15和图16所示，步进电机通过皮带Ⅲ－5、带轮Ⅲ－4、第一传动齿轮Ⅲ－3、第二传动齿轮Ⅲ－8和第三传动齿轮Ⅲ－10带动第一前辊轴Ⅲ－6，第二前辊轴Ⅲ－7，第一后辊轴Ⅲ－9，第二后辊轴Ⅲ－11，第三后辊轴Ⅲ－13的旋转。

综上，本加工系统整体安排为两排冲孔凸模，两排落料凸模(即四排凸模，两排波浪式凸模)和一排切边凸模，共三级凸模。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，其特征在于，包括：

上模座，与压力机可拆卸连接；

凸模固定板，设于上模座下表面，开有若干通孔；

至少一排用于冲裁零件内部小孔的冲孔凸模，冲孔凸模下表面带有两个冲孔凸起，冲孔凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排冲孔凸模呈波浪形设置；

至少一排用于冲裁零件外轮廓的落料凸模，落料凸模穿过凸模固定板的通孔而设置，且同一排落料凸模呈波浪形设置，落料凸模设于冲孔凸模后方。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，其特征在于，所述上模座开有开孔，开孔内设置模柄，模柄包括底板和从底板凸出设置的连轴，模柄与所述的压力机连接。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，其特征在于，还包括用于切除边料的切边凸模，切边凸模呈圆柱形，设于所述落料凸模的后方，且切边凸模下方设置挡料销。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模，其特征在于，一排所述落料凸模中相邻两列的间距为1.5倍进距；

一排所述冲孔凸模中相邻两列的间距为1.5倍进距；

进一步地，落料凸模与冲孔凸模均与零件外轮廓一致，且落料凸模下表面设置定位销。

5.碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，其特征在于，包括下模，该下模与根据权利要求1-4中任一项所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型上模配合，下模包括：

下模座，与压力机工作台可拆卸连接；

凹模固定板，设于下模座上表面，开有若干凹槽；

至少一排与所述冲孔凸模配合的冲孔凹模，冲孔凹模穿过凹槽设置；

至少一排与所述落料凸模配合的落料凹模，落料凹模穿过凹槽设置；

导柱，设于凹模固定板的四角，以限定上模座的移动方向。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，其特征在于，所述凹模固定板侧部设置起到支撑作用的进料撑板；

进一步地，在凹模固定板的上表面设置用于限定板料位置的卸料板。

7.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，其特征在于，所述下模还包括切边凹模，落料凹模设于切边凹模与冲孔凹模之间，切边凹模与切边凸模配合。

8.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具，其特征在于，所述卸料板至少一侧设置用于第一次冲裁板料时限定板料前进的初始挡料销，初始挡料销包括初始挡料销支板和初始挡料销弹簧，初始挡料销支板呈L形，长边安装在卸料板侧边的通孔中，初始挡料销弹簧一端固定在初始挡料销支板短边上，另一端卸料板固定。

9.一种全自动送料加工系统，其特征在于，包括根据权利要求5-8中任一项所述的碳纤维复合材料双孔连接件冲压成型模具和送料单元，送料单元向上模与下模之间连续送料；

进一步地，送料单元包括前后设置的两组辊轴，前组辊轴包括上下设置的两个辊轴，后组辊轴包括一个在上、两个在下呈三角形排列的三个辊轴，其中前组辊轴中上辊轴与驱动电机连接。