第2章 冲裁工艺及冲裁模设计.doc

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1、第2章 冲裁工艺及冲裁模设计本章学习要求： 1. 掌握冲裁模刃口尺寸计算方法和排样设计； 2. 掌握冲裁工艺性分析、工艺设计和工艺计算； 3. 掌握冲裁模典型结构的特点和模具主要零部件的设计； 4. 熟悉冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤； 5. 了解冲裁变形规律和冲裁件质量的影响因素； 6. 了解冲压模具标准。 冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。根据变形机理的差异，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。通常我们说的冲裁是指普通冲裁，它包括落料、冲孔、切口、 剖切 、修边等。冲裁所使用的模具称为冲裁模，如落料模、冲孔模、切边模、冲切模等。冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛，它可

2、为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯，也可直接制作零件图 2.0.1所示的模具是冲压一板状零件的冲裁模。 冲裁工艺与 冲裁模在生产 中使用广泛，它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯，也可直接制作零件图 2.0.1所示的模具是冲压一板状零件的冲裁模。 1下模座；2、15销钉；3凹模；4套；5 导柱 ；6 导套 ；7 上模座 ；8卸料板 9橡胶；10 凸 模 固定板 ；11垫板；12卸料螺钉；13 凸 模；14 模柄 ；16、17螺钉图 2.01 冲裁模典型结构与模具总体设计尺寸关系图2.1 冲裁变形分析 冲裁变形分析对了解冲裁变形机理和变形过程，掌握冲裁时作用于板材上的力态，应用冲裁

3、工艺，正确设计模具，控制冲裁件质量有着重要意义。 2.1.1 冲裁变形时板料变形区力态分析 图 2.1.1是模具对板料进行冲裁时的情形，当凸模下降至与板料接触时，板料受到凸模、凹模端面的作用力。由于凸模、凹模之间存在冲裁间隙，使凸模、凹模施加于板料的力产生一个力矩 M，其值等于凸模、凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂a的乘积。在无压料板压紧装置冲裁时，力矩使材料产生弯曲，故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触宽度约为板厚的0.20.4。并且，凸模、凹模作用于板料垂直压力呈不均匀分布，随着向模具刃口靠近而急剧增大 (见图2.1.1)。其中 FP1、FP2 凸模、凹模对板料的垂直作用力；

4、 F1、F2凸模、凹模对板料的侧压力；FP1、FP2凸模端面与板料间摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口；F1、F2凸模、凹模侧面与板料间的摩擦力。冲裁时，由于板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。对于无压料板压紧材料的冲裁，其变形区应力状态如图 2.1.2所示，其中： 1-凸模；2-材料；3-凹模图2.1.1 冲裁是作用于材料上的力 图2.1.2 冲裁时板料的应力状态图 A点(凸模侧面)：凸模下压引起轴向拉应力3，板料弯曲与凸模侧压力引起径向压应力1，而切向应力为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力。 ? B点(凸模端面)：凸模下压及板料弯曲

5、引起的三向压缩应力 。 ? C点(断裂区中部)：沿径向为拉应力，垂直于板平面方向为压应力3。 ? D点(凹模端面)：凹模挤压板料产生轴向压应力，板料弯曲引起径向拉应力1和切向拉应力2。 ? E点(凹模侧面)：凸模下压引起轴向拉应力，由板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起压应力合成产生应力1与2，该合成应力可能是拉应力，也可能是压应力，与间隙大小有关。一般情况下，该处以拉应力为主。 2.1.2冲裁时板料的变形过程 冲裁是分离变形的冲压工序。当凸模、凹模之间的设计间隙合理时，工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终，如图 2.1.3所示。 图 2.1.3 冲裁变形过程( 一

6、)弹性变形阶段 由于凸模加压于板料，使板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸 (ABAB)等变形，板料底面相应部分材料略挤入凹模洞口内。此时，凸模下的板料略有拱弯(锅底形)，凹模上的板料略有上翘。间隙越大，拱弯和上翘越严重。在这一阶段中，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，当凸模卸载后，板料立即恢复原状。 (二)塑性变形阶段 当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服极限时，板料开始产生塑性剪切变形。 凸 模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内，形成光亮的剪切断面。同时，因 凸 、凹模间存在间隙，故伴随着弯曲与拉伸变形 (间隙愈大，变形亦愈大)。随着 凸 模的不断压入，材料的变形程度便不断增加，同时硬化加剧，变形

7、抗力也不断上升，最后在 凸 模和凹模的刃口附近，达到极限应变与应力值时，材料就产生微小裂纹，这就意味着破坏开始，塑性变形结束。 (三)断裂分离阶段 裂纹产生后，此时凸模仍然不断地压入材料，已形成的微裂纹沿最大剪 应变速度方向向材料内延 伸，向楔形那样发展，若间隙合理，上下裂纹则相遇重合，板料就被拉断分离。由于拉断的结果，断面上形成一个粗糙的区域。当 凸模再 下行， 凸模将 冲落部分全部挤入凹模洞口，冲裁过程到此结束。 2.1.3 冲裁力与凸模行程曲线 图 2.1.4 冲裁力与凸模行程曲线 图2.1.4为冲裁时冲裁力与 凸 模行程曲线。图中 AB段相当于冲裁的弹性变形阶段， 凸模接触材料后，载何

8、急剧上升，当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段后，载荷的上升就缓慢下来，如 BC段所示。虽然由于 凸 模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减小，但只要材料加工硬化的影响超过 受剪面积 减小的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相等影响的瞬间，冲裁力达最大值，即图中的 C点。此后， 受剪面积 的减少超过了加工硬化的影响，于是冲裁力下降。 凸模继续 下压，材料内部的微裂纹迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图 CD段所示，此为冲裁的断裂阶段。 2.1.4冲裁件断面质量及其影响因素 ( 一 )断面特征 冲裁件正常的断面特征如图 26所示。它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。a圆角带；b光亮带;

9、c断裂带; d毛刺2.1.5冲裁件的断面特征 （1）圆角带 该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。? （2）光亮带 该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/21/3。（3）断裂带 该区域是在断裂阶段形成，是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下，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。? （4）毛刺 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，刃口正面材料被压缩，刃尖部分处于高静水压应力状态，使微裂纹的起点不会

10、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。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。 在四个特征区中，光亮带剪切面的质量最佳。各个部分，在整个断面上所占的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。2. 材料的性能对断面质量的影响 ? 对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大。所以得到的光亮带所占比例大，圆角和穹弯较大，断裂带较窄。而塑性差的材料，当剪切开始不久材料便被拉裂，光亮带所占比例小，圆角小，穹弯小，而大部分是带有斜度的粗糙断裂带。 3. 模具冲裁间隙大小对断面质量的影响? 冲裁单面间隙是

11、指凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半，常称冲裁间隙。用c表示。间隙值的大小，影响冲裁时上、下形成的裂纹会合；影响变形应力的性质和大小。 ? 当间隙过小时，如图 2.1.6 a所示，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带 (夹层)。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压力作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。 ? 当间隙过大时，如图 2.1.6 c所示，上、下裂纹仍然不重合。

12、因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大， 拱弯翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面出现2个斜度，断面质量也不理想。? 当间隙适中时，上、下裂纹会合成一条线。尽管断面有斜度，但断面较平直，圆角和毛刺均不大，有较好的综合断面质量。这种间隙是设计选用的合理间隙，图2.1.6 b所示。 当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现 部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件断面质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。图 2.1.6 间隙大小对冲裁件断面质量

13、的影响a)间隙过小；b)间隙合适；c)间隙过大 4. 模具刃口状态对断面质量的影响 刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。图 2.1.7 模具刃口状态对断面质量的影响2.2 冲裁模具间隙 从上述的分析可知，冲裁凸模和凹模间的间隙，对冲裁件断面质量有极其重要的影响。此外，冲裁间隙还影响着模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，冲裁间隙是冲裁工艺与冲裁模设计的一个非常重要的工艺参数。2.2.1间隙对冲裁件尺寸精度的影

14、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，差值越小，则精度越高，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。 图 2.2.1 间隙对冲裁件精度的影响 a)黄铜t4mm；b)15钢t=3.5mmc)45钢tmm；2c 冲裁件相对于 凸 、凹模尺寸的偏差，主要是制件从凹模推出 (落料件)或从 凸模上 卸下(冲孔件 )时， 因材料 所受的挤压变形、纤维伸长、 穹弯等 产生弹性恢复而造成的。偏差 值可能 是正的，也可能是负的。影响这个偏差值的因素有： 凸 、凹模间隙，材料性质，工件形状与尺寸。其中主要因素是 凸 、凹模间隙值。当凸 凹模间

15、隙较大时，材料所受拉伸作用增大，冲裁结束后， 因材料 的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体方向收缩，落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径 (图2.2.1)。图中曲线与的横轴交点表明制件 尺寸与模具尺寸完全一样。当间隙较小时，由于材料受 凸 、凹模挤压力大，故冲裁完后，材料的弹性恢复使落料件尺寸增大，冲孔孔径变小。尺寸变化量的大小与材料性质、厚度、轧制方向等因素有关。材料性质直接决定了材料在冲裁过程中的弹性变形量。软钢的弹性变形量较小，冲裁后的弹性恢复也就小；硬钢的 弹性恢复量较大。上述因素的影响是在一定的模具制造精度这个前提下讨论的。若模具刃口制造精度低，则冲裁件的 制造精度也就无法保证。所以， 凸 、凹模刃口的制造公差一定要按工件的尺寸要求来决定。此外，模具的结构形式及定位方式对孔的定位尺寸精度也有较大的影响，这将在模具结构中阐述。冲模制造精度与冲裁