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1、第二篇 冲压工艺与模具设计,第四章 冲压工艺基础 第五章 冲裁工艺与模具设计 第六章 弯曲成形工艺与模具设计 第七章 拉深工艺及模具设计 第八章 其他板料成形工艺及模具设计,第五章 冲裁工艺与模具设计,第一节 冲裁工艺分析 第二节 冲裁间隙 第三节 冲裁模刃口尺寸的计算 第四节 冲裁件的排样与搭边 第五节 冲裁力分析及计算 第六节 冲裁工艺设计 第七节 冲裁模结构设计 第八节 精密冲裁及其他冲裁工艺、模具简介 第九节 冲裁模制造简介,第一节 冲裁工艺分析,一、冲裁变形过程 如图5-1所示,随着压机滑块下行,凸模和凹模刃尖压入板料,在两刃尖连线两侧狭小区域内(图中虚线所示范围),产生逐渐增强的塑
2、性变形,而其他部分仅发生了程度不等的轻微塑性变形或弹性变形。凸模逐渐靠近凹模,最终使板料分离,其变形过程大致可分为弹性、塑性和断裂分离三个阶段。,图5-1 冲裁断面变形过程,第一节 冲裁工艺分析,一、冲裁变形过程 1.弹性(压缩塑性)变形阶段 当凸模下行接触到材料表面时,由于凸、凹模之间存在一定间隙,使板料在凸模主动力和凹模被动力作用下产生弹性弯曲,在凸、凹模刃口附近极小的区域中,板料受剪切而产生压缩变形,而其余部分基本处于自由状态。凸模继续下行,将部分材料挤入凹模口内,凸、凹模间隙的存在使板料产生弯曲和拉伸。凸模下的板料凸向冲裁方向产生弯曲,凹模上的材料逆冲裁方向产生翘曲。由于上下刃口对材料
3、施力的作用线不一致,凸、凹模之间的间隙越大,这种弯曲和翘曲越严重。在这一阶段,与凹模内侧刃和凸模外侧刃接触的板料表面因受弯曲和拉伸而形成较小的圆角。,第一节 冲裁工艺分析,一、冲裁变形过程 2.塑性(剪切)变形阶段 板料在凸、凹模刃口附近受到不同方向的压缩而产生剪切变形,内部应力达到屈服点时,开始进入塑性变形阶段。随凸、凹模刃尖挤入板料,剪切区材料开始产生宏观滑移,形成光亮的剪切断面。刃口附近材料在拉应力作用下,不能承受更大变形而产生裂纹。由于刃尖部分的静水压应力较高,裂纹起点通常产生在刃尖侧面附近的某一区域。 3.断裂分离阶段 凸模继续压入使上下刃口附近的裂纹扩大、发展,如果间隙合理,上下裂
4、纹相遇重合,由于拉断使断面上形成了一个粗糙的区域,冲落部分克服摩擦阻力从板料中推出,冲裁结束。,第一节 冲裁工艺分析,一、冲裁变形过程 4.变形过程中的受力分析 冲裁开始阶段,变形是在以上、下刃口连线为中心的纺锤形区中进行的。从刃口尖附近开始向板料厚度中心逐步扩大。凸模挤入材料一定深度之后,变形区被此前已经变形硬化了的区域所包围。 如图5-2所示,由于冲裁过程中凸模下面及凹模上面的板料分别产生弯曲变形和翘曲,使得变形区的应力状态非常复杂,且随变形过程瞬时变化。其中:,图5-2 冲裁变形区应力分布,第一节 冲裁工艺分析,一、冲裁变形过程 4.变形过程中的受力分析 A点(凸模侧面):1为板料弯曲与
5、凸模侧压力引起的径向压应力;切向应力2为板料弯曲引起的周向压应力与侧压力的合成应力;3为凸模下压形成的轴向拉应力。 B点(凸模端面):凸模下压及板料弯曲内侧径向受压引起三向压缩应力。 C点(断裂区中部):1为因凸、凹模间隙使板料受拉而产生的拉应力;3为板料轴向受挤压而产生的压应力。 D点(凹模端面):1、2分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力;3为凹模端面阻止材料轴向移动挤压板料产生的轴向压应力。 E点(凹模侧面):1、2分别为由板料弯曲外侧的切向拉应力与凹模侧压力引起的压应力,其形成与间隙大小有关,3为凸模下压引起的轴向压应力。,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 1.冲裁断面的
6、特征及形成 由于板料在冲裁过程中所经历的变形过程及凸、凹模间隙的影响,冲裁件断面与板料上下表面不垂直且粗糙不光滑。一般的冲裁断面常呈现如图5-3所示圆角带、光亮带、断裂带和毛刺4种特征表面。,图5-3 冲裁件断面质量,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 1.冲裁断面的特征及形成 (1)圆角带 冲裁断面上的圆角是变形初期与刃口非接触区板坯受拉伸弯曲后自由移动所形成的。 (2)光亮带 凸、凹模刃尖附近的板料开始发生塑性变形时,在圆角带终了处开始产生剪切变形,被剪断板料沿冲压方向受到凹模刃口侧壁强烈的摩擦挤压,形成光亮垂直的新生表面,这种光亮带的高度通常占整个断面高度的1/31/2。 (3)断
7、裂带 在凸模下行拉力作用下,刃尖附近板料微裂纹尖点沿变形抗力最弱的方向产生撕裂,撕裂纹不断扩展形成表面粗糙且带斜度的断裂面,其表面显现出经过强烈塑性变形后的金属色。 (4)毛刺 从产生撕裂裂纹开始,凸、凹模间隙内的板料在冲裁方向上始终受到拉力作用,同时,还因凸、凹模刃尖交错而具有弯曲变形的趋势。,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 2.影响冲裁断面质量的因素 冲裁断面质量是由上述4种特征表面所占比例大小来衡量的。从产品的使用角度来看,通常认为光亮带比例越大,撕裂带、圆角带和毛刺所占比例越小并且断面斜度越小,则断面质量越好。冲裁件断面质量受材料性能、模具间隙及刃口状态等多重因素影响,是冲裁
8、工艺分析及模具设计必须考虑的重要内容。 (1)材料性能的影响 通常认为冲裁时塑性较好的板料被拉入凹模口深度较深,冲裁断面上形成的圆角带比例大。又由于塑性好使得裂纹出现得较迟,板料被剪切的深度相对大,因而断面上光亮面比例大,撕裂面比例小。,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 2.影响冲裁断面质量的因素 （2）模具间隙的影响,图5-4 凸、凹模间隙对断面质量的影响,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 2.影响冲裁断面质量的因素 （2）模具间隙的影响 间隙适当时,如图5-4a所示,刃尖附近沿最大切应力方向产生的裂纹可能汇合成一条线。此时,尽管断面与材料表面不垂直,但比较平滑,毛刺较小,制
9、件的断面质量较好。 冲裁间隙过小,如图5-4b所示,上、下裂纹不重合。 间隙过大,如图5-4c所示,凸、凹模刃尖处的裂纹较正常间隙向外、内错开一段距离,上下裂纹也不重合。,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 2.影响冲裁断面质量的因素 （2）模具间隙的影响 由图5-5所示凸、凹模间隙与剪切面高度的近似关系可知,间隙较小时,变形区内静水压力高,由塑性变形创成的剪切面增加。,图5-5 冲裁间隙与剪切面高度的近似关系,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 2.影响冲裁断面质量的因素 (3)模具刃口的影响 1)刃口状态的影响。模具的刃口锋利,冲裁时切入迅速,产生的圆角带和毛刺相对小。而刃口磨
10、钝时,材料与工作刃口的接触面积增加,较大的挤压变形延缓了裂纹的产生,断面上圆角大、光亮带宽,但容易产生较大的毛刺。 2)摩擦的影响。冲裁过程中,局部板料与凸、凹模工作刃口之间的摩擦较大时,使得产生断裂位置的凸模压下行程以及断面中剪切面高度增加。,第一节 冲裁工艺分析,二、冲裁件质量分析 3.影响冲裁件尺寸精度的因素 无论是冲孔或是落料工序,工件上垂直于冲裁方向的尺寸都有大、小两个部分。对于冲孔件来说,尺寸小的部分(恰好是光亮带)与凸模刃口尺寸接近;对于落料件来说,尺寸大的部分(也是光亮带)接近于凹模刃口尺寸,也是可测的落料件外廓尺寸(包容尺寸)。 (1)模具精度的影响 一般,冲裁制件的尺寸精度
11、要比模具精度低24级。 (2)凸、凹模间隙的影响 凸、凹模间隙对冲裁件尺寸精度的影响,主要来自于冲裁结束后制件产生的翘曲和弹性回复。 (3)板料性能和板厚的影响 材料性能对冲裁精度的影响比较复杂,一般认为弹性模量大、屈服强度小的材料变形后弹性回复较小,当凸、凹模间隙适当时,冲裁件的尺寸精度相对较高。,第二节 冲裁间隙,一、冲裁间隙对冲裁工艺性及模具的影响 板料冲裁时,发生在凸、凹模间隙附近的板料局部变形,不仅影响到冲裁件的断面质量和尺寸精度,而且还将涉及变形力和摩擦变形对模具使用寿命的影响。 1.凸、凹模间隙对冲裁力及其他辅助外力的影响 (1)间隙对冲裁力的影响 凸、凹模间隙较大时,刃尖附近的
12、材料产生的拉应力成分增加,而总变形抗力降低使材料容易断裂分离。因此,可降低最大冲裁力。 (2)间隙对卸料力、推件力等的影响 冲裁结束后,卸除箍在凸模外廓或挤胀在凹模口内的制件与废料所需的卸料力、推件力或顶件力等,都与凸、凹模间隙大小有关。,第二节 冲裁间隙,一、冲裁间隙对冲裁工艺性及模具的影响 2.间隙对模具寿命的影响 凸、凹模间隙较大时,随着冲裁力和卸料力降低,工作刃口的磨损减轻,可相应提高模具使用寿命。但间隙过大或过小,冲裁时板料在工作刃口面上产生拉伸变形并生成较大毛刺,会使刃尖的磨损加剧,甚至产生崩刃现象。 如果间隙过小,板料在凸、凹模刃尖附近产生较大的挤压变形,引起刃口压缩疲劳、磨损加
13、剧。冲孔废料或落料件挤在凹模口内产生的胀裂力,对模具使用寿命也有很大的影响。,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 所谓合理冲裁间隙,是指可以获得较好断面质量和形状尺寸精度的冲压制件、降低冲裁力并提高模具使用寿命的凸、凹模间隙。,图5-6 冲裁间隙计算简图,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 1.合理间隙的计算 一般认为,冲裁过程中凸、凹模刃尖附近产生的两个裂纹如能直线相接,这种凸、凹模间隙应为最佳间隙值。根据图5-6所示的简单几何关系,双面合理间隙可表示为 （5-1） 式中 h0产生裂纹时凸模刃口切入板料的深度(mm); 上下裂纹接合线与凸模运动方向间的夹角()。,第二节 冲裁间隙
14、,二、合理冲裁间隙的确定 通常将h0/t0称做相对切入深度,软质材料h0/t0值较大,间隙值相对要取小些。板料越厚,h0/t0值越小,则间隙值应取得大些。裂纹倾角一般由实验得出。表5-1给出了关于h0/t0及的实验测试值,可供参考使用。,表5-1 h0/t0与的实验测试值,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 2.合理间隙的查表法 经过实践检验的合理间隙值因行业、冲裁件的用途以及材料性能、板厚、冲裁件形状大小等不同而有所差异。表5-2、表5-3、表5-4分别给出了汽车拖拉机工业、电器仪表工业以及机电工业常用材料合理冲裁间隙的参考值。,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 3.根据经验确
15、定合理间隙 对于一些精度要求不是很高的冲裁件,确定凸、凹模间隙时,有时可以根据生产实践经验进行估算。估算的主要依据是冲裁件的形状尺寸、要求的冲裁精度及板料的冲压性能和板厚等。表5-5给出了冲压生产中常用合理间隙经验估算的部分参考取值范围。,表5-5 冲裁间隙的经验估算,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 4.确定冲裁间隙的基本原则 1)对形状复杂的大型冲裁件,考虑到模具制造困难,可适当放宽冲裁间隙;随冲裁件尺寸减小,应适当减小凸、凹模间隙,但需保证导向精度;冲裁间隙通常随板料厚度增加而相应增大;相同工艺条件下,具有曲线轮廓的非圆形冲裁件所取间隙应略大于圆形冲裁件凸、凹模间隙;冲孔模间隙比
16、落料模间隙略大。 2)软质材料的冲裁间隙可相应取小些;考虑到崩刃的可能性,硬质材料的冲裁间隙也不宜过大。,第二节 冲裁间隙,二、合理冲裁间隙的确定 3)为退料方便,直壁凹模的冲裁间隙应大于锥壁凹模;电火花加工的凹模刃口间隙,可比磨削的刃口间隙小0.5%2%。 4)使用导向精度不高的压力设备进行冲裁生产时,不能仅靠减小凸、凹模间隙来提高冲裁件质量,首先需保证模具具有足够导向精度,然后才能适当减小冲裁间隙。 5)对精度要求不是很高的冲裁件,应适当增大冲裁间隙,以利于提高模具使用寿命。 6)高速冲压生产时刃口频繁工作,可适当加大冲裁间隙。据资料介绍,压机行程超过200次/min时,冲裁间隙应增大10%左右;加热冲裁的凸、凹模间隙可比相应条件下的冷冲间隙略小些。,第三节 冲裁模刃口尺寸的计算,一、凸、凹模刃口尺寸的计算原则 (1)计算依据以冲裁变形规律为基准 (2)考虑冲裁精度和刃口磨损规律 考虑磨损时刃口尺寸的预留量常用x 表示,其中, 为冲裁件尺寸的标注公差,x为刃口磨损系数,与冲裁件的精度要求及预估刃磨量有关,其值通常在0.251范围内
