成型机械与模具设计 第八章 冲裁工艺与冲裁模设计

分离过程大致可分为3个阶段。
图8.1为无弹压板的金属板料分离过程
弹性变形阶段
塑性变形阶段
断裂分离阶段
图8.1 冲裁变形过程
1．弹性变形阶段
凸模对板料施压，使材料产生弹性变形。板料稍微挤入凹模口。板料与凸、 凸模对板料施压，使材料产生弹性变形。板料稍微挤入凹模口。板料与凸、 凹模接触处形成很小的塌角。由于凸、凹模之间存在间隙， 凹模接触处形成很小的塌角。由于凸、凹模之间存在间隙，板料同时受到弯 曲和拉伸的作用，凸模下的板料产生弯曲，凹模上的板料开始上翘。 曲和拉伸的作用，凸模下的板料产生弯曲，凹模上的板料开始上翘。
② 考虑磨损规律和为了提高模具的使用寿命，
应使冲模刃口的基本尺寸具有最大实体状态， 即：对落料件凹模刃口的基本尺寸取工件的最 小极限尺寸；对于冲孔件，凸模刃口的基本尺 寸取工件的最大极限尺寸。
③ 冲模刃口尺寸制造偏差方向采取单向向金 属实体内部标注，即凹模（内表面）刃口尺 寸取正值（+δd）；凸模（外表面）刃口尺 寸取负值（-δp）；
2．塑性变形阶段
凸模继续压到一定深度时，材料内部应力达到屈服点， 在与凸模、 凸模继续压到一定深度时，材料内部应力达到屈服点，板料开始 在与凸模、 凹模的刃口接触处产生塑性剪切变形。凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内。 凹模的刃口接触处产生塑性剪切变形。凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内。 在板料剪切面处形成塌角，同时在切断面上形成一小段光亮且与板料垂直的表面。 在板料剪切面处形成塌角，同时在切断面上形成一小段光亮且与板料垂直的表面。 随着冲压过程的继续，应力不断增加，材料的变形程度便不断增加， 随着冲压过程的继续，应力不断增加，材料的变形程度便不断增加，变形区向板 材的深度方向发展、扩大，同时硬化加剧，变形抗力也不断上升， 材的深度方向发展、扩大，同时硬化加剧，变形抗力也不断上升，应力也随之增 直至凸、凹模刃口处达到极限应力和应变值，这就意味着塑性变形结束， 加，直至凸、凹模刃口处达到极限应力和应变值，这就意味着塑性变形结束，材 料即产生微小裂纹。 料即产生微小裂纹。
8.2.2 合理冲裁间隙值的确定
通常选择一个合适的间隙范围，在这个范 围内能得到质量令人满意的冲裁件，并且满 足冲裁力较小、模具有较高的使用寿命的要 求。 我们称这个合适的间隙范围为合理间隙， 它是一个范围值 上限为最大合理间隙Zmax 下限为最小合理间隙Zmin。
间隙值的选择主要考虑冲裁断面的质量 模具 冲裁断面的质量和模具 冲裁断面的质量 寿命这两个方面。 寿命 根据工件和生产上的具体要求可按如下原则 原则选取 原则 间隙值。 ① 工件的断面质量无严格要求时 无严格要求时，选取较大的 无严格要求时 间隙值。 ② 工件的断面质量及制造精度较高时 精度较高时，选取较 精度较高时 小的间隙值。 ③ 在设计计算冲模刃口尺寸时，考虑模具在使 用过程中因磨损而导致间隙增大，应当按Zmin来 应当按 min来 计算。 计算。 确定间隙值的方法有理论计算法、经验确定法 理论计算法、 理论计算法 经验确定法。 实际生产中常用经验数表或经验公式确定，其中 经验数表法应用最广。 经验数表法
计算间隙值的经验公式为 Z = mt t——材料厚度； m——系数，与材料厚度、性质有关，不同的行业也有 差异。
表8.4 冲裁模刃口初始双面间隙Z（较低精度）（mm）
注：冲裁皮革、石棉、纸板时，间隙取08钢的25%。
8.3 冲裁模刃口尺寸的计算
8.3.1 尺寸计算的原则
生产实践证明：
1．冲裁件断面都带有锥 ． 度。 光亮带是测量和使用 部位， 部位，落料件的光亮带 处于大端尺寸，冲孔件 处于大端尺寸， 的光亮带处于小端尺寸； 的光亮带处于小端尺寸； 且落料件的大端（光面） 且落料件的大端（光面） 尺寸等于凹模尺寸， 尺寸等于凹模尺寸，冲 孔件的小端（光面） 孔件的小端（光面）尺 寸等于凸模尺寸。 寸等于凸模尺寸。 2．凸模轮廓越磨越小， ．凸模轮廓越磨越小， 凹模轮廓越磨越大， 凹模轮廓越磨越大，结 果使间隙越用越大。 果使间隙越用越大。
（8.3）
由刃口尺寸计算原则，分开加工时凸、凹模 刃口尺寸的计算公式如下 ① 冲孔（设工件孔的尺寸为d0+Δ），以凸模为 基准计算凹模，则 d p =(d +x∆)0 −δ （8.4） （8.5） dd = (d p + Z min )0 +δ = (d + x∆ + Z min )0 +δ
p
d d
min
−
p
式中
dp、dd——分别为冲孔时凸、凹模刃口尺寸（mm）； Dp、Dd——分别为落料时凸、凹模刃口尺（mm）； D、d——分别为落料外径和冲孔件孔的基本尺寸
4．毛刺区
毛刺，是由于刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静水压应力状态， 微裂纹的起点在模具侧面距刃尖不远的地方发生而产生 。
由上可知 ： 冲裁 是通过凸、凹模的刃口像剪子一
样将板料剪断分离，这就决定了其断面 粗糙且有斜度 等弊端。 所以，通过提高模具和冲床的精度、刚度，以及采用合 理凸、凹模间隙、等措施，可以改善断面质量。
3．间隙对模具寿命的影响
模具寿命分为刃磨寿命和模具总寿命。 模具失效的原因一般有：磨损、变形、崩刃、折断 和胀裂。 小间隙将使磨损增加，甚至使模具与材料之间产生粘结 现象，并引起崩刃、凹模胀裂、小凸模折断、凸凹模相 互啃刃等异常损坏。
间隙越小，摩擦越严重，模具寿命越短。 较大的间隙，不仅可以减小磨损，也可以缓解间 隙不均匀的影响，从而提高模具的寿命
间隙过小
间隙合适
间隙过大
间隙大小对断面质量的影响
（2）间隙对冲裁件尺寸精度的影响
冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与 基本尺寸的差值。 这个差值包含两个方面的偏差： 一是冲裁件相对凸模或凹模刃口尺寸的偏差 二是模具本身的制造偏差。
一 冲裁间隙是决定弹性恢复量大小的重要因素。
当间隙较大 间隙较大时，材料的拉变形大，冲裁后，弹性恢复使落料件 间隙较大 外径收缩，使冲孔孔径扩张，结果是落料件尺寸小于凹模尺寸， 冲出的孔径大于凸模尺寸 当间隙较小 间隙较小时，材料的侧向挤压变形大，冲裁后弹性恢复 间隙较小 使落料件外径扩张，使冲出的孔径收缩，结果是落料件尺 寸大于凹模尺寸，冲孔孔径小于凸模直径。
二 冲裁件的尺寸精度主要取决于模具本身的制造精度
表8.2 冲裁件的尺寸精度与冲模的制造精度
（3）间隙对弯曲度的影响
间隙对弯曲度的影响是：
间隙愈大，弯曲愈严重。为了减小弯曲度， 可在模具上加压料板或另外加校平工序。
2．间隙对冲裁力的影响
间隙愈小
冲裁变形区的压应力成分越大，拉应力成分越小， 材料变形抗力大，冲裁力越大
第八章 冲裁工艺及冲裁模设计
冲裁是利用冲模使板料的一部分沿一定轮
廓形状与另一部分分离的冲压工序。
从广义上讲 广义上讲
从狭义上讲
冲裁是冲孔、 落料、 冲裁是指冲孔和落料 冲裁是冲孔 、 落料 、 切断、切口、剖切 等分离工序的总称
冲孔
冲裁的目的是为了获 得具有所需内孔形状 的零件
落料
冲裁的目的是为了获 得具有所需外形轮廓 的零件
图8.3 冲裁间隙
8.2.1 冲裁间隙对冲裁工序的影响
1．冲裁间隙对冲裁件质量的影响
冲裁件质量包括冲裁断面质量、尺寸精度 和弯曲度三个方面。
（1）间隙对冲裁件断面质量的影响
间隙过小时，上、下裂纹不能相遇重合，板料将被第 二次剪切，断面会产生两个光亮带，并造成夹层，毛 刺被拉长。 间隙合理时，上、下表面产生的初始裂纹能相遇重 合，光亮带较大，塌角带、断裂带、毛刺区都较小， 锥度也比较小。 间隙过大时，上、下裂纹仍然不重合，因应力状态中的 拉应力成分增大，材料容易产生裂纹、使塑性变形较早 结束。 所以光亮带变窄，断裂带、圆角带增大，毛刺相对较大， 锥度也较大。
一般把断面分为四个特征区 即塌角带 圆角带）、光亮带、 ）、光亮带 一般把断面分为四个特征区:即塌角带（圆角带）、光亮带、 四个特征区 即塌角带（
塌角带
断裂带和毛刺区. 断裂带和毛刺区.
光亮带
断裂带 毛刺
光亮带 塌角带
图8.2冲裁区应力、变形和冲裁件正常的断面状况
a）冲孔件 b）落料件
1.塌角带
塌角带发生是由于金属材料的弯曲与拉伸变形而形成的。弹性初 始塌角随着凸模的下降而进入塑性变形阶段，从而成为永久性的 塌角留在断面上，塑性好的材料塌角大。 塑性好的材料塌角大。 塑性好的材料塌角大
在确定冲裁模刃口尺寸及公差时，应该遵循下列基本原则：
① 首先区分冲裁部位是冲孔还是落料 是冲孔还是落料
如果是落料，则以凹模刃口尺寸为计算基准， 凸模刃口基本尺寸按凹模刃口基本尺寸减去最小 合理间隙（Zmin）来满足； 如果是冲孔，则以凸模刃口尺寸为计算基准， 凹模刃口基本尺寸按凸模刃口基本尺寸加上最小 合理间隙（Zmin）来满足。
冲裁模
冲裁所用的模具
冲裁可以分为两类：
一类是以破坏方式实现分离的普通冲裁
另一类是以变形方式实现分离的精密冲裁。
本章仅讲述在生产中广泛应用的普通冲裁
8.1 普通冲裁的基本原理
8.1.1 板料的分离过程
冲裁时材料的分离过程 由于有间隙存在，材 料受垂直方向压力、剪切 力、横向挤压力、弯矩和 拉力的共同作用，除主要 的剪切变形外，还要产生 弯曲、过深、挤压等附加 变形。
② 落料（设工件的尺寸为D
0），以凹模为基 -∆
准计算凸模，则 （8.6） D = ( D − Z ) δ = ( D − x∆ − Ζ ) δ (8.7） ③ 在同一工步冲制两个以上的孔，其凹模孔中 心距Ld：Ld=L±∆/8 （8.8）
0 0 p d min −
p
+ D d = ( D − x∆ ) 0 δ d
2．光亮带
光亮带产生于塑性变形阶段，金属产生塑剪变形时，由于，材料 在与模具侧面接触中被模具侧面挤光而形成的光亮垂直的断面。 所以断面光滑、平整、且与板料平面垂直，是断面质量最好的一 段。通常，光亮带占断面的1/2～1/3，塑性好的材料，光亮带所 占的比例更大。