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1、模块二 冲裁模设计本模块教学载体：a) 完成图示落料件的模具设计。已知：材料10钢，料厚0.8mmb) 完成图示落料冲孔件的模具设计。已知：材料Q235，料厚2mm本模块学生任务：学生分成5个学习小组，每组下发1个较简单落料件模具设计任务。在本章学习过程中学生要按照教师要求及时完成各项设计任务，在本章学习结束后需完成下发零件模具装配图的绘制工作，并进行答辩。第1组设计任务：第2组设计任务：第3组设计任务：第4组设计任务：第5组设计任务：学习项目一 概述一、 冲裁的概念与应用1. 概念冲裁是利用模具使板料沿一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它包括冲孔、落料、切口、切边、剖切等多种分离工序。2
2、. 分类根据变形机理的差异，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。通常所说的冲裁是指普通冲裁。3. 应用冲裁的应用非常广泛，它既可直接冲制零件，又可为弯曲、拉深、成形等其他工序制备坯料。二、 冲裁模的分类与组成1.冲裁模的分类冲裁所使用的模具叫冲裁模，它是冲裁过程必不可少的工艺装备。凸、凹模刃口锋利，间隙小。其常见分类方法见下表。序号分类方法模具名称模具特点一按工序性质分1落料模沿封闭轮廓将冲件与板料分离，冲下来的部分为冲件2冲孔模沿封闭轮廓将冲件与废料分离，冲下来的部分为废料3切边模将冲件多余的边缘切掉4切口模沿敞开的轮廓将冲件冲出切口，但冲件不完全分离5整修模切除冲裁件的粗糙边缘，获得光洁垂直的工
3、件断面6精冲模利用带齿的压料板，在工作时强行压入材料，造成材料的径向压力，通过一次冲压行程获得高精度、断面质量好的冲件的模具二按工序的组合程度分1单工序模在一副模具中只能完成一个工序的模具2级进模在一副模具的不同位置上同时完成多道工序3复合模在一副模具的同一位置上同时完成多道工序三按上、下模导向情况分1敞开模模具本身无导向装置，工作完全靠压力机及滑块导轨起作用2导板模用导板来保证冲裁时凸、凹模的准确位置3导柱模上、下模分别装有导柱、导套，靠其配合精度来保证凸、凹模的准确位置2.冲裁模的组成任何一副冲裁模的基本结构都可看成由上模和下模两部分组成，都可将其组成零件按用途进行分类。设计模具时，可根据
4、各类零件的用途和要求，在结构及几何参数的设计计算上找到共同的规律。冲裁模的组成零件按其用途可分为工艺零件与结构零件两大类。工艺零件直接参与完成冲压工艺过程，并和坯料直接发生作用。结构零件不直接参与完成冲压工艺过程，也不和坯料直接发生作用，只对模具完成工艺过程起保证作用或对模具的功能起完善作用。根据作用功能的不同，冲裁模零件可细分成工作零件、定位零件、卸料及出件零件、导向零件、固定零件和标准件等六类，模具具体结构见下图。学习项目二 冲裁变形分析一、 冲裁变形时板料变形区受力情况分析右图是无压边装置的模具对板料进行冲裁时的情形。凸模1与凹模2都是具有与冲件轮廓一样形状的锋利刃口，凸、凹模之间存在一
5、定间隙。当凸模下降至与板料接触时，板料就受到凸、凹模的作用力，其中：F1、F2为凸、凹模对板料的垂直作用力；F3 、 F4为凸、凹模对板料的侧压力；F1、F2为凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般从模具刃口指向外；, F3 、F4为凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。从图中可看出，由于凸、凹模之间存在间隙，F 1、F2不在同一垂直线上，故板料受到弯矩M作用，从而使板料弯曲并从模具表面上翘起，使模具表面和板料的接触面仅限在刃口附近的狭小区域。另外，接触面间相互作用的垂直压力并不均匀，随着向模具刃口的逼近而急剧增大，因此，工作零件的刃口部分成为受力最大的易损部位。二、 冲裁时的板料变
6、形过程板料的分离过程是在瞬间完成的。整个冲裁变形分离过程大致可分为三个阶段。1. 弹 性 变 形 阶段 如右图a所示，在凸 、凹 模 压 力 的 作 用 下，使 板 料 产 生 弹 性 压 缩、拉伸和弯曲等变形。凸模下部略微挤入板料，凹模口部的材料略微挤入凹模口内。凹模上的板料上翘，凸模下的材料拱弯。材料越硬，间隙越大，上翘和拱弯越严重。该阶段的变形，材料内部的应力没有超过屈服点，所以压力去掉之后，材料立即恢复原状。2. 塑性变形阶段 当凸模继续下压时，材料内的应力达到屈服点，板料进入塑性变形阶段，如图b 所示。材料产生塑性变形的同时，因间隙存在，还伴有弯曲拉伸和侧向挤压变形。随着凸模的压入，
7、材料的变形程度不断增加，变形区的材料加工硬化逐渐加剧，变形抗力不断上升，冲裁力也相应增大，直到应力集中的刃口附近出现剪裂纹。此时塑性变形基本结束。3.断裂分离阶段 如图c 、d所示，当凸模继续压入时，金属板料内的应力达到抗剪强度，剪裂纹不断地向板料内部扩展，当上、下裂纹相遇时，则板料被拉断分离，冲裁变形过程便告结束。三、冲裁件质量及其影响因素冲裁件质量是指断面状况、尺寸精度和形状误差。断面状况尽可能垂直、光滑、毛刺小；尺寸精度应该保证在图样规定的公差范围之内；零件外形应该满足图样要求：表面尽可能平直，即拱弯小。1. 冲裁件断面质量及其影响因素由于冲裁变形的特点，冲裁件的断面明显地分成四个特征区
8、，即塌角带、光亮带、断裂带与毛刺区，如下图所示，光亮带越宽，说明断面质量越好。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 塌角带a 该区域的形成是当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入间隙的结果。光亮带b 该区域发生在塑形变形阶段，当刃口切入材料后，材料与凸、凹模刃口的侧表面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/2l/3。断裂带c 该区域是在断裂阶段形成。是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。毛刺区d 毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口
9、正面材料被压缩，刃尖部分是压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度，在普通冲裁中毛刺是不可避免的。冲裁件的四个特征区域的大小和在断面上所占的比例大小并非一成不变，而是随着材料的力学性能、模具间隙、刃口状态等条件的不同而变化。(1) 材料力学性能的影响 材料塑性好，冲裁时裂纹出现得较迟，材料被剪切的深度较大，所得断面光亮带所占的比例就大，圆角也大；而塑性差的材料，容易拉断，材料被剪切不久就出现裂纹，使断面光亮带所占的比例小、圆角小，大部分是粗糙的断裂面。(2) 模具间隙的影
10、响 冲裁时，断裂面上下裂纹是否重合，与凸、凹模间隙值的大小有关。其具体影响见下表。间隙情况切断面质量间隙合适凸、凹模刃口附近产生的裂纹在冲裁过程中能会合成一条线，此时尽管断面与材料表面不垂直，但还是比较平直、光滑、毛刺较小，冲件的断面质量较好。间隙偏大材料内的拉应力增大，使得拉伸断裂发生早，于是断裂带变宽，光亮带变窄，弯曲变形增大，因而塌角和拱弯也增大。另外，材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹向外错开，不能重合。零件在第二次拉裂产生的断裂层的斜度增大，冲件的断面出现二个斜角，断面质量不理想。间隙偏小变形区内弯矩小、压应力成分大。材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹向内错开，当裂纹进入压应力区域时停止
11、扩展，裂纹不能重合，在两条裂纹之间发生第二次剪切，在断面中部出现夹层，两头呈光亮带，在端面有挤出薄而高的毛刺。当间隙过小时，虽然塌角小、拱弯小，但断面质量是不理想的。间隙对剪切裂纹与断面质量的影响）间隙过小 ）间隙合理 ）间隙过大 (3) 模具刃口状态对质量的影响 模具刃口状态对冲裁过程中的应力状态及冲件的断面质量有较大影响。当刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，所以冲件塌角带和光亮带增大。同时，材料中减少了应力集中现象而增大了变形区域，产生的裂纹偏离刃口，凸、凹模间金属在剪裂前有很大的拉伸，这就使冲裁断面上产生明显的毛刺。当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺；当凹模刃口磨钝时，则会在冲孔件
12、的孔口下端产生毛刺；当凸、凹模刃口同时磨钝时，则冲裁件上、下端都会产生毛刺。凸、凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况a) 凹模磨钝 b) 凸模磨钝 c) 凸、凹模均磨钝 2冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度，是指冲裁件的实际尺寸与公称尺寸之差。差值越小，精度越高。这个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。冲裁件的尺寸精度与许多因素有关。其主要影响因素有：(1) 冲模的制造精度 冲模的制造精度对冲裁件尺寸精度有直接影响。冲模的精度越高，冲裁件的精度亦越高。(2) 材料的性质 材料的性质对该材料在冲裁过程中的弹性变形量有很大影响。对于比较软的材料，弹性
13、变形量较小，冲裁后的回弹值亦小，因而零件精度高。而硬的材料，情况正好与此相反。(3) 冲裁间隙 当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离，使落料件的尺寸等于凹模尺寸；冲孔件尺寸等于凸模的尺寸。如间隙过大，板料在冲裁过程中除受剪切外还产生较大的拉伸与弯曲变形，冲裁后因材料弹性恢复，将使冲裁件尺寸向实际方向收缩。对于落料件，其尺寸将会小于凹模尺寸；对于冲孔件，其尺寸将会大于凸模尺寸。但因拱弯的弹性恢复方向与以上相反，故偏差值是二者的综合结果。如间隙过小，则板料的冲裁过程中除剪切外还会受到较大的挤压作用，冲裁后，材料的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体的反方向胀大。对于落料件，其尺
14、寸将会大于凹模尺寸；对于冲孔件，其尺寸将会小于凸模尺寸。3. 冲裁件的形状误差 冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。冲裁件呈曲面不平现象称之为翘曲。它是由于间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的，另外材料的各向异性和卷料未校正也会产生翘曲。冲裁件呈扭歪现象称之为扭曲。它是由于材料的不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的。学习项目三 冲裁间隙冲裁间隙是指冲裁模中凸、凹模刃口横向尺寸的差值（见右图）。双面间隙用Z表示，单面间隙为Z/2。间隙值对冲裁件质量、冲裁力和模具寿命均有很大影响，是冲裁工艺与冲裁模设计中的一个非常重要的工艺参数。一、 间隙对冲压力的影响试验表明
15、，间隙对冲压力有明显的影响，特别是对卸料力的影响更为显著。随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，容易断裂分离，因此冲裁力减小；但若继续增大间隙，因裂纹不重合，冲裁力下降缓慢。由于间隙增大，使光亮带变窄以及材料的弹性变形，使落料件尺寸小于凹模孔口尺寸，冲孔尺寸大于凸模尺寸，因而使卸料力、推件力或顶件力随之减小。二、 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。刃磨寿命是用两次刃磨之间的合格冲件数表示。总寿命是用模具失效为止的总的合格冲件数表示。模具失效的形式一般有：磨损、变形、崩刃、折断和涨裂。冲裁过程中模具与材料的接触压力随间隙的减小而增大，这不仅使得模具的磨损速度加快，而且还会引起刃口的压缩疲劳破坏，使之崩刃。此外，小间隙还会产生凹模胀裂，小凸模折断，凸、凹模相互啃刃等异常损坏。因此，为了提高模具寿命，一般需要选用较大间隙。若采用小间隙，就必须提高模具硬度、精度，减小
