1、第 2 章 冲 裁从表 1.1 可见，分离工序(广义冲裁 )包括落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口、整修等，其中冲裁(落料、冲孔) 应用最多。生产实际中往往对冲裁与广义冲裁不加区分。冲裁得到的制件可以是最终零件，也可以作为弯曲、拉深、成形等其他工序的坯料/工序件/ 半成品。2.1 冲裁变形过程如图 2.1 所示，冲裁需要用到的凸模 1(实体) 与凹模 2(型孔)工作部分( 刃口)的水平投影轮廓按所需制件轮廓形状制造，但尺寸有微小差别(需要一定间隙) 。当压力机滑块把凸模推下时，板料就受到凸 -凹模的剪切作用而沿一定的轮廓互相分离。(a) (b)图 2.1 普通冲裁示意图1凸模；2凹模2.1.1
2、 冲裁变形的 3 个阶段板料的分离是瞬间完成的，冲裁变形过程大致可分成 3 个阶段(如图 2.2 所示) 。(1) 弹性变形阶段(如图 2.2(a)所示)当凸模开始接触板料并下压时，板料发生弹性压缩和弯曲。板料略有挤入凹模洞口的现象。此时，以凹模刃口轮廓为界，轮廓内的板料向下弯拱，轮廓外的板料则上翘。凸-凹模间隙愈大，弯拱和上翘愈严重。随着凸模继续下压，直到材料内的应力达到弹性极限，弹性变形阶段结束，进入塑性变形阶段。(2) 塑性变形阶段(如图 2.2(b)所示) 当板料的应力达到屈服点，板料进入塑性变形阶段。凸模切入板料，板料被挤入凹模洞口。在剪切面的边缘，由于凸凹模间隙存在而引起的弯曲和拉
3、伸作用，形成塌角面，同时由于剪切变形，在切断面上形成光亮且与板面垂直的断面。随着凸模的继续下压，应力不断加大，直到应力达到板料抗剪强度，塑性变形阶段结束。(3) 断裂分离阶段(如图 2.2(c)所示)当板料的应力达到抗剪强度后，凸模继续下压，凸、凹模刃口附近产生微裂纹不断向板料内部扩展。当上下裂纹重合时，板料便实现了分离。由于拉断结果，断面上形成一个粗糙的区域。凸模继续下行，已分离的材料克服摩擦阻力，从板料中推出，完成整个冲裁过程。冲压工艺与模具设计44图 2.2 冲裁时板料的变形过程2.1.2 冲裁变形区及受力由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、凹模刃口
4、连线为中心而形成的纺锤形区域为最大(如图 2.3(a)所示)，即从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图 2.3(b)所示 )。其变形性质是以塑性剪切变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与横向挤压等变形。图 2.3 冲裁变形区1凸模；2压料板；3板料；4凹模；5纺锤形区域；6已变形区无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图 2.4 所示。其中：P 1，P 2凸、凹模对板料的垂直作用力；P3，P 4凸、凹模对板料的侧压力；P1，P 2凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般在间隙合理或偏小
5、的情况下指向模具的刃口；P3，P 4凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。由图 2.4 可知，板料由于受到模具表面的力偶作用而弯曲上翘，使模具表面和板料的接触面仅局限在刃口附近的狭小区域，接触面宽度约为板厚的 0.20.4 倍。且此垂直压力的分布并不均匀，随着向模具刃口的逼近而急剧增大。由 于 冲 裁 时 板 料 弯 曲 的 影 响 ， 其 变 形 区 的 应 力 状 态 是 复 杂 的 ， 且 与 变 形 过 程 有 关 。 图 2.5 为无压边装置冲裁过程中塑性变形阶段变形区的应力状态，其中：第 2 章 冲裁 45图 2.4 冲裁时作用于板料上的力 图 2.5 冲裁应力状态图1凹模；2板料；3凸模
6、A 点(凸模侧面 ) 为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力，切向应力 为板料弯 曲 引 起 的 压1 2应 力 与 侧 压 力 引 起 的 拉 应 力 的 合 成 应 力 ， 为 凸 模 下 压 引 起 的 轴 向 拉 应力。3B 点(凸模端面 )凸模下压及板料弯曲引起的三向压应力。C 点(切割区中部) 为板料受拉伸而产生的拉应力， 为板料受挤压而产生的压应力。1 3D 点(凹模端面) ， 分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力， 为凹模挤压板料产2 3生的轴向压应力。E 点(凹模侧面 ) ， 为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力的合成应力，该合成12应力是拉应力还是压应力与间
7、隙大小有关，一般为拉应力； 为凸模下压引起的轴向拉应力。32.1.3 冲裁断面的 4 个特征区由于冲裁变形的特点，冲裁断面可明显分成 4 个特征区，即塌角带、光亮带、断裂带和毛刺(如图 2.6所示) 。塌角带产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面，是由于板料受弯曲、拉伸作用而形成的。材料塑性愈好、凸-凹模之间间隙愈大，形成的塌角也愈大。光亮带是由于板料塑性剪切变形所形成的。光亮带表面光洁且垂直于板平面。凸-凹模之间的间隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮带高度愈高。断裂带是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙，并带有 36的斜度。材料塑性愈差、凸-凹模之间间隙愈大则断裂带高度愈高，斜度愈
8、大。毛刺的形成是由于板料塑性变形阶段后期在凸模和凹模刃口附近产生裂纹，由于刃口正面材料被压缩，刃尖部分为高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而会在刃口侧面距刃尖不远的地方产生，裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度。刃尖磨损，刃尖部分高静水压应力区域范围变大，裂纹产生点和刃尖的距离也变大，毛刺高度必然增大，所以普通冲裁产生毛刺是不可避免的。如图 2.7 所示。图 2.6 冲裁件的断面状况 图 2.7 刃口磨损对裂纹产生点的影响1毛刺；2断裂带；3光亮带；4塌角带综上所述，冲裁件的断面不是很整齐的，仅光亮带一段是柱体。若忽略弹性变形的影响，则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸，而落料件
9、光亮带的柱体尺寸约等于凹模尺寸，由此可得出以下重要的关系式：落料尺寸 = 凹模尺寸冲孔尺寸 = 凸模尺寸这是计算凸、凹模刃口尺寸的重要依据。冲压工艺与模具设计462.2 冲裁件的质量分析及控制衡量冲裁件的质量主要有 4 个方面尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度。2.2.1 尺寸精度冲裁件的尺寸精度与许多因素有关，如冲模的制造精度、材料性质、模具结构、冲裁间隙和冲裁件形状等。1. 冲模的制造精度可以说，冲裁件的尺寸精度直接由冲模的制造精度所决定。冲模精度愈高冲裁件尺寸精度愈高。一般情况下，冲裁件所能达到的精度比冲模精度低 13 级。模具制造精度与冲裁件精度的关系见表 2.1。表 2.1 冲裁
10、件的精度板料厚度 t/mm冲模制造精度0.5 0.8 1.0 1.5 2 3 4 5 6 8IT6 IT7 IT8 IT8 IT9 IT10 IT10 IT7 IT8 IT9 IT10 IT10 IT12 IT12 IT12 IT9 IT12 IT12 IT12 IT12 IT12 IT14 IT14第 2 章 冲裁 472. 材料性质及模具结构由于冲裁过程中材料会产生一定的弹性变形，因此冲裁件会产生“回弹”现象。使冲孔件与凸模、落料件与凹模尺寸不符，从而影响其精度。一般地讲，比较软的材料，弹性变形量小，冲裁后的“回弹”值也小，因而制件精度较高。反之，硬的材料，情况与此正好相反。同种材料，在模
11、具结构上增设压料板及顶件器，如图 2.8 所示，冲裁后的“回弹”值也会减小，制件精度相应提高。图 2.8 弯拱及预防措施1压料板；2顶件器3. 冲裁间隙冲裁间隙对冲裁件的尺寸精度也有一定影响。在冲裁过程中，当间隙适当时，板料的变形区在比较纯的剪切作用下分离；当间隙过大时，板料除受剪切外，还产生较大的拉伸与弯曲变形；当间隙过小时，除剪切外板料还会受到较大的挤压作用。因此，间隙合理时，冲孔件最接近凸模尺寸，落料件最接近凹模尺寸；间隙偏大，冲孔件尺寸会大于凸模尺寸，落料件尺寸会小于凹模尺寸；间隙过小，冲孔件尺寸会小于凸模尺寸，落料件尺寸会大于凹 模 尺 寸 。 如 图 2.9、 2.10 所 示 ，
12、 冲 裁 间 隙 对 冲 裁 件 尺 寸 精 度 的 影 响 还 和 板 料的 轧 制 方 向 有 关。图 2.9 冲裁间隙对冲孔尺寸精度的影响 图 2.10 冲裁间隙对落料尺寸精度的影响1轧制方向；2垂直轧制方向 1轧制方向；2垂直轧制方向4. 冲裁件的形状冲裁件的形状愈简单，其冲裁精度愈高。这主要是因为对形状简单的冲裁件，其冲模的加工精度愈容易保证。总之，提高冲裁件尺寸精度的最直接措施就是提高冲模的制造精度。当然，合理的模具结构也是保证冲模制造精度和直接提高冲裁件尺寸精度的主要措施之一。冲压工艺与模具设计482.2.2 形状误差由 2.2.1 中对冲裁变形区及受力分析得知，材料在冲裁过程中
13、会受到弯曲力偶的作用，因此冲裁件会出现弯拱现象，如图 2.8(a)所示。加工硬化指数大的材料，弯拱较大。凹模间隙愈大，弯拱也愈大。预防和减少弯拱的措施是：对于冲孔件在模具结构上增设压料板；对于落料件，则在凹模孔中加顶件板；如图 2.8(b)、(c) 所示。2.2.3 断面质量在 2.1.3 节中已阐明，同种材料，对断面质量起决定作用的是冲裁间隙。这是因为当间隙过大时(如图2.11(a)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向里移动一个距离，板料受拉伸弯曲的作用加大，光亮带高度缩短，断裂带高度增加，斜度也加大；当间隙过小(如图 2.11(b)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向外移动
14、一个距离，上下裂纹不重合，产生第二次剪切，从而在剪切面上形成第二光亮带，在光亮带与第二光亮带之间夹有残留的断裂带；当间隙适中时(如图 2.11(c)所示)，凸模与凹模产生的裂纹接近重合，所得冲裁件断面有一较小的塌角带和正常且与板面垂直的光亮带，其断裂带虽然也粗糙但比较平坦，斜度也不大。当然希望得到塌角带、断裂带小，光亮带长的冲裁断面，但结合控制毛刺和延长冲模寿命等因素综合考虑，图 2.11(c)所示的断面质量才是正常合理的。图 2.11 间隙大小对制件断面质量的影响1凸模；2凹模提高断面质量的主要措施是将模具凹、凸模之间的间隙控制在合理范围内，并使间隙均匀分布。同时，对硬质材料，冲裁加工前要进
15、行退火处理，以提高材料的塑性。还可以通过增加整修工序(参见 2.8.2 节) 来提高断面质量。2.2.4 毛刺高度毛刺的形成原因在 2.1.3 中已作分析，由分析可知，冲裁件产生微小毛刺是不可避免的。正常冲裁件允许的毛刺高度见表 2.2。表 2.2 毛刺的允许高度 mm 板料厚度 t 生产时 试模时0.3 0.04 0.0150.30.5 0.05 0.020.51.0 0.08 0.031.01.5 0.12 0.051.52.0 0.15 0.08第 2 章 冲裁 492.0 0.15 0.10一般情况下，毛刺高度超过表 2.2 生产时的规定，即被认为是出现了不正常毛刺。不正常毛刺可分为两
16、类间隙毛刺和刃口磨损毛刺。(1) 间隙毛刺间隙过大与间隙过小都会使冲裁裂纹发生点偏离刃尖的距离加大(参见图 2.7)，从而出现不正常毛刺。间隙过大形成的不正常毛刺称为拉断毛刺，其特征是高而厚，难以去除，出现这种情况应及时停止生产。间隙过小形成的不正常毛刺称为挤出毛刺，其特征是高而薄，这种毛刺较易去除，如有后续去毛刺工序仍可继续生产。(2) 刃口磨损毛刺冲 模 在 冲 裁 一 定 次 数 后 ， 凸 、 凹 模 刃 口 刃 尖 会 磨 损 。 刃 尖 磨 损 是 产 生 毛 刺 的 主 要 原 因 。 凸 模 刃 尖 磨损 后 (如 图 2.12(a)所 示 )， 会 在 落 料 件 上 端 产
17、 生 毛 刺 ； 凹 模 刃 尖 磨 损 后 (如 图 2.12(b)所示) ，会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；当凸模和凹模刃口同时磨损后，则冲裁件上下端分别产生毛刺。刃口磨损产生的毛刺根部很厚，并且随着磨损量的增大，毛刺会不断地增高，因此出现这种情况，应及时停止生产。图 2.12 凸模和凹模刃口磨损时的毛刺1毛刺；2凸模磨损；3凹模磨损控制刃口磨损毛刺高度的主要措施是：及时刃磨模具的凹、凸模刃口；提高模具工作零件和导向零件的制作质量，以保证模具在使用中，凹、凸模之间的间隙不发生变化；增加后续去毛刺工序，如滚动光饰、离心光饰等工序；对于薄而软的冲压件，可采用振动光饰来降低毛刺的高度。2.3 冲
18、裁 力冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必需的数据。冲压工艺与模具设计502.3.1 冲裁力的计算冲压过程中，冲裁力是不断变化的，图 2.13 为冲裁力-凸模行程曲线。曲线 1 中 AB 段相当于弹性变形阶段，凸模接触材料后，载荷急剧上升，一旦凸模刃口挤入材料，即进入了塑性变形阶段，此时载荷上升就缓慢下来，如 BC 段所示。虽然，由于凸模挤入材料，使承受冲裁力的面积减少，但只要材料加工硬化的影响超过了受剪面积减少的影响，冲裁力就继续上升，当两者影响相等的瞬间，冲裁力达到最大值，即图中 C 点。此后，凸模再向下压，材料内部产生裂纹，并迅速扩展，冲裁力急剧下降，如图中 CD 段，此阶段为
19、冲裁的断裂阶段。到达 D 点后，上下裂纹重合，板料已经分离，DE 段所示压力，仅是克服摩擦阻力，推出已分离的废料或制件。图 2.13 冲裁力-凸模行程曲线1间隙正常的塑性材料；2间隙偏小的塑性材料；3间隙偏大的塑性材料；4间隙正常的脆性材料以上讨论的冲裁力-凸模行程曲线，是指塑性材料，且凸凹间隙适中的情况。对于间隙偏小、偏大的情况及脆性材料，冲裁力-凸模行程曲线会有一些改变，如图中曲线 2、3、4 所示。由于冲裁加工的复杂性和变形过程的瞬间性，使得建立十分精确的冲裁力理论计算公式相对困难。通常所说的冲裁力是指作用于凸模上的最大抗力，即图 2.13 中的 C 点所对应的力。如果视冲裁为纯剪切变形
20、，冲裁力可按下式计算：P=1.3Lt (2-1)式中：P冲裁力；L冲裁件受剪切周边长度(mm)；t冲裁件的料厚(mm) ；材料抗剪强度(MPa)， 值可在设计资料及有关手册中查到。在一般情况下，材料 1.3 。为计算方便冲裁力也可用下式计算：1P=Lt (2-2)12.3.2 降低冲裁力的措施冲裁力计算出来以后，如果其数值大于能提供使用的设备吨位时，可采取以下 3 种方法来降低冲裁力。(1) 加热冲裁把材料加热后冲裁，可以大大降低其抗剪强度，从而降低冲裁力。但加热冲裁操作复杂，降低了制件表面质量，且准备工作困难，故应用并不广泛。(2) 斜刃冲裁如图 2.14 所示，将凸模或凹模刃口做成斜刃口，
21、整个刃口不是与冲裁件同时接触，而是逐步切入，所以冲裁力可以减小。为了获得平整的冲裁件，落料时应将斜刃做在凹模上，如图 2.14(a)所示；冲孔时应将斜刃做在凸模上，如图 2.14(b)所示。第 2 章 冲裁 51斜刃冲裁的减力程度，由斜刃高度 H 和角度 决定。斜刃冲裁力按下式计算：fPs=kP (2-3)式中：P s斜刃冲裁力；P平端刃口冲裁力；k斜刃冲裁减力系数，当 H=t 时，k=0.40.6 ；H=2t 时，k=0.20.4 ；H =3tk=0.10.25。角度 的设计可按如下经验数据选取：t3mm、H =2t 时， 5；t=(310)mm、H=t 时， 8；f f f一般情况下 不大
22、于 12。斜刃冲裁的优点是压力机能在柔和的条件下工作，从而减轻冲裁过程中的冲击、振动和噪音。当冲裁件尺寸很大时，降低冲裁力的效果很明显。缺点是模具制造难度提高，刃口修磨困难，废料弯曲会影响冲裁件的平整，废料也难以再利用。(3) 阶梯冲裁在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同高度，呈阶梯状布置，使各凸模冲裁力的最大值不在同一个时刻出现，从而降低冲裁力，如图 2.14(c)所示。图 2.14 降低冲裁力的设计各凸模高度的相差量与板料厚度有关。对于薄料 H=t，对于厚料(t3mm)H=0.5t。采用阶梯布置凸模的设计时应注意：一般先冲大孔再冲小孔，这样可以使小直径凸模做得短一些，同时也可以避免小直径凸模承
23、受材料流动挤压力作用而产生倾斜或折断。阶梯凸模冲裁的缺点是长凸模插入凹模较深，容易磨损。此外修磨刃口也比较麻烦。2.3.3 卸料力、推件力和顶件力冲裁时材料在分离前存在着弹性变形，一般情况下，冲裁后的弹性恢复使落料件/冲孔废料梗塞在凹模内，而板料/冲孔件则紧箍在凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须及时将 箍 在 凸 模 上 的 板 料 /冲 孔 件卸 下 ， 将 梗 塞 在 凹 模 内 的 落 料 件 /冲 孔 废 料 向 下 推 出 或 向 上 顶 出。从凸模上卸下板料/冲孔件所需的力称为卸料力 P 卸 ；从凹模内向下推出落料件/废料所需的力称为推件力 P 推 ；从凸模内向上顶出落料件/冲孔
24、废料所需的力称为顶件力 P 顶 (如图 2.15 所示) 。在生产实践中，P 卸 、P 推 和 P 顶 常用以下经验公式 计算：P 卸 = K 卸 P (2-4)P 推 = nK 推 P (2-5)P 顶 = K 顶 P (2-6)式中：P冲裁力；K 卸 卸料力系数；K 推 推件力系数；K 顶 顶件力系数；n梗塞在凹模内的冲件数(n= h/t)；h凹模直壁洞口的高度。K 卸 、K 推 和 K 顶 可分别由表 2.3 查取。当冲裁件形状复杂、冲裁间隙较小、润滑较差、材料强度高时，图 2.15 卸件力、推件力和顶件力冲压工艺与模具设计52应取较大值；反之则应取较小值。表 2.3 卸料力、推件力和顶
25、件力系数板料厚度 t/mm K 卸 K 推 K 顶0.1 0.060.09 0.10 0.140.10.5 0.040.07 0.065 0.080.52.5 0.0250.06 0.05 0.062.56.5 0.020.05 0.045 0.05钢6.5 0.0150.04 0.025 0.03铝、铝合金 0.030.08 0.030.07 0.030.07纯铜、黄铜 0.020.06 0.030.09 0.030.092.3.4 总冲压力冲裁时，所需总冲压力为冲裁力、卸料力、推件力和顶件力之和。这些力在选择压力机时是否要考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待。采用刚性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：P 总 =P+P 推 (2-7)采用弹性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：P 总 =P+P 卸 +P 推 (2-8)采用弹性卸料装置和上出料方式的总冲压力为：P 总 =P+P 卸 +P 顶 (2-9)
