第二章 冲裁

1、第二章 冲 裁 冲裁是利用模具使板料分离的一种冲压工艺。它包括切断、落料、冲孔、修边、切口等多种工序，其中又以落料、冲孔应用最为广泛。从板料上冲下所需形状的零件(或毛坯)称落料，在工件上冲出所需形状的孔(冲去的为废料)叫冲孔。冲裁既可以得到平板零件，也可为弯曲、拉深、成形等 。第一节 冲裁过程变形分析第一节 冲裁过程变形分析一、冲裁过程二、变形过程力学分析一、冲裁过程 冲裁变形过程可分为三个阶段：第一阶段：弹性变形阶段(图2一la)图2-1 冲裁变形过程凸模与材料接触后，先将材料压平，继而凸模及凹模刃口压人材料中，由于弯矩M的作用，材料不仅产生弹性压缩且略有弯曲，随着凸模的继续压入，材料在刃口

2、部分所受的应力逐渐增大，直到h 深度时，材料内应力达到弹性极限，此为材料的弹性变形阶段。 图 2-2 凸模压力与冲裁过程 A压平材料之应力 OC弹性区域 B材料弹性变形之应力 CD塑性区域 C屈服应力 E整个板厚被切断 D材料最大强度第二阶段：塑性变形阶段(图21b)凸模继续压人，压力增加，材料 内的应力达到屈服点，产生塑性变形。随着塑性变形程度的增大，材料内部的拉应力和弯矩随之增大，变形区材料硬化加剧，当压入深度达到h 时，刃口附近材料的应力值达到最大值，此为塑性变形阶段。第三阶段：断裂阶段(图2一1c)凸模压入深度达到h 时，先后在凹、凸模刃口侧面产生裂纹，裂纹产生后沿最大切应力方向向材料

3、内层发展，当凹、凸模刃口处的裂纹相遇重合时，材料便被切断分离。冲裁变形的三个阶段，可以在剪切曲线图中得到验证，如图22所示。料厚为4.8mm。板料切断后，冲裁件与孔断面的形状，如图23所示。现将切断面各部分加以说明。图23中的口塌角约为5t，t为板料厚度。它是凸模压人材料时，刃口附近的材料被牵连拉入变形的结果：b为光亮带，约为1/3t，其表面光滑，断面质量最 佳；c为剪裂带，约为62t，表面倾斜且粗糙；d为毛刺，其高度约为(5l0)t，它是在出现裂纹时形成的。 二、变形过程力学分析 在无压边装置冲裁时，材料所受外力如图24所示。主要包括：、 凸、凹模对板材的垂直作用力；凸、凹模对板材的侧压力；

4、凸、凹模端面与板材间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口，其中， 是摩擦系数，下同。凸、凹模侧壁与板材问的摩擦力。 图2-3 冲裁时孔壁和冲裁件切断面图 2-4 模具刃口作用于板材上之力a) 孔壁切断面 b)冲裁件四周切断面 1凹模刃口2板材3凸模刃口由图可见，板材由于受到模具刃口的力偶作用而弯曲、翘起，使模具表面的板材的接触面仅局限在刃口的狭小区域，宽度约为板厚的0.20.4。接触面间相互作用的垂直压力分布是不均匀的它随着向模具刃口逼近而急剧增大。冲裁时，板材的变形是以凸模与凹模刃口连线为中心而形成的纺锤形区域内最大，如图25a所示。凸模压人材料一定深度后，变形区可按纺锤来考虑

5、，但变形区被在此以前已经变形并加工硬化了的区域所包围(图25b)。由于冲裁时板料弯曲的影响。变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关，对于无压料的冲裁，塑性变形阶段的应力状态如图26所示。从A、B、C、D、E各点的应力状态可看出，凸模与凹模端面的B、D处的静水压力高于侧面的A、E点处。即凸模与凹模侧面处的静水压力较低，且凹模侧面处的静水压力最低，所以冲裁过程中，首先在凹模刃口处的材料中产生裂纹，继而才在凸模刃口侧面处产生裂纹，上、下裂纹会合后材料便切断分离。在裂纹形成的同时，冲件上就形成了毛刺。 图2-5 冲裁变形区图 2-6 变形区应力状态图第二节 冲裁间隙 一、间隙的影响二、间隙的确定在

6、冲裁过程中，材料受到弯矩的作用，工件产生穹弯，而不平整。由于冲裁变形的特点，在冲裁断面上具有明显的4个特征区(图23)，即“a一塌角、b一光亮带、c一断裂带和d一毛刺。冲裁件的4个特征区在整个断面上所占比例的大小并非一成不变，而是随着材料的力学性能冲裁问隙、刃口状态等条件的不同而变化的。冲裁问隙的大小对冲裁件质量、模具寿命、计中的一个重要的工艺参数。冲裁间隙系指冲裁模的凸模与凹模刃口之间的间隙，单面间隙用 c表示双面间隙隙用z表示(图27)。图 2-7 冲裁间隙示意图一、间隙的影响 1对冲裁质量的影响冲裁什的质量主要是指断面质量、尺寸精度和弯曲度。(1)对断面质量的影响 冲裁断面应平直、光洁、

7、圆角小；光亮带应有一定的比例，毛刺较小，冲裁件表面应尽可能平整，尺寸应在图样规定的公差范围之内。影响冲裁件质量的因素有：凸、凹模间隙值大小及其分布的均匀性，模具刃口锋利状态，模具结构与制造精度、材料性能等。其中。间隙值大小与分布的均匀程度是主要因素。冲裁时，间隙合适，可使上下裂纹与最大切应力方向重合，此时产生的冲裁断面比较平直、光洁、毛刺较小，制件的断面质量较好(图28b)。间隙过小或过大将导致上、下裂纹不重合。间隙过小时，上、下裂纹中间部分被第二次剪切，在断面上产生撕裂面，坪形成第二个光亮带(图28a)，在端面出现挤长毛刺。间隙过大板料所受弯曲与拉伸均变大，断面容易撕裂，使光亮带所占比例减小

8、产生较大塌角，粗糙的断裂带斜度增大，毛刺大而厚，难于除去使冲裁断面质量下降(图2 8c)。图 2-8 间隙对工件断面质量的影响a) 间隙过小 b) 间隙合适 c) 间隙过大1断面带 2光亮带 3圆角带(2)对尺寸精度的影响 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，精度越高。该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之偏差，二是模具本身的制造偏差。冲裁件对于凸模或凹模尺寸的偏差。主要是由于冲裁过程中，材料受到拉伸、挤压、弯曲等作用而引起的变形，在工件脱模后产生的弹性恢复造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这一偏差值的因素主要是凸、凹模间隙。当间隙值较大时

9、，材料受拉伸作用增大，冲裁完毕后，因材料的弹性恢复，冲件尺寸向实体方向收缩，使落料件尺寸小于凹模尺寸，而冲孔件的孔径则大于凸模尺 寸；当间隙较小时，材料的弹性恢复使落料件尺寸增大，而冲孔件的孔径则变小。冲裁件的尺寸变化量的大小还与材料性能、厚度、轧制方向、冲件形状等因素有 关。模具制造精度及模具刃口状态也会影响冲裁件质量。 (3)对弯曲的影响 冲裁过程中由于材料受到弯矩作用而产生弯曲，若变形达到弹性弯曲冲裁件脱模后即使回弹工件仍残留有一定弯曲度。这种弯曲程度随凸、凹模间隙的大小、材料性能及材料支撑方法而异。图29为1.6mm厚的钢板上冲制 mm的冲件的实验所求得的凸、凹模刃口双面间隙与冲件曲率

10、半径的关系。 图29 间隙与冲裁曲率半径的关系 2对模具寿命的影响 冲裁模具的寿命是以冲出合格制品的冲裁次数来衡量的，可再分为两次刃磨间的寿命与全磨损后总的寿命。 在冲裁过程中，模具刃口处所受的压力非常大使模具刃口和板材的接触面之间出现局部附着现象，产生附着磨损，其磨损量与接触压力相对滑动距离成正比，与材料屈服强度成反比。它被认为是模具磨损的主要形式。 当间隙减小时，接触压力(垂直力、侧压力、摩擦力)会增大，摩擦距离增长，摩擦发热严重，导致模具磨损加剧(图210)， 使模具与材料之间产生粘结现象还会引起刃口的压缩疲劳破坏，使之崩刃。间隙过大时板料弯曲拉伸相对增加，使模具刃口端面上的正压力增大，

11、容易产生崩刃 或产生塑性变形，使磨损加剧。可见间隙过小与过大都会导致模具寿命降低。因此，间隙合适或适当增大模具问隙，可使凸、凹模侧面与材料间摩擦减小，并减缓间 隙不均匀的不利因素，从而提高模具寿命。 从图210可 看出，凹模端面磨损比凸模大，这是因为凹模端面上材料的滑动比较自由，而凸模下面的材料沿板面方向滑动受到限制的原因。而凸模侧面的磨损最大，是因为凸模 侧面受到卸料作用的长距离摩擦，加剧了侧壁的磨损。若采用较大间隙，可使孔径在冲裁后的回弹增大，减小卸料时与凸模侧面的摩擦。从而减小凸模侧面的磨损。板厚t/mm图2-10 间隙与磨损的关系 模具刃口磨损，导致刃口的钝化和间隙增加，使制件尺寸精度

12、降低冲裁能量增大，断面粗糙，毛刺增大。为了提高模具寿命一般需采用较大间隙若制件要求精 度不高时采用合理大间隙，模具寿命可以提高。若采用小间隙，就必须提高模具硬度与制造精度，对冲模刃口进行充分润滑，以减少磨损。3对冲裁力的影响 一般认为。增大间隙可以降低冲裁力，而小间隙则使冲裁力增大。当间隙合理时，上下裂纹重合，最大剪切力较小。而小间隙时，材料所受力矩和拉应力减小，压应 力增大，材料不易产生撕裂上下裂纹不重合又产生二次剪切，使冲裁力、冲裁功有所增大；增大间隙时材料所受力矩与拉应力增大，材料易于剪裂分离，故最大冲 裁力有所减小，如对冲裁件质量要求不高，为降低冲裁力、减少模具磨损，倾向于取偏大的冲裁

13、间隙。二、间隙的确定 由以上分析可见，冲裁间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大的影响，设计模具时应选用合理间隙值。但分别符合这些要求的合理间隙值并不相同，只是彼此接近。生产中通常是选择一个适当的范围作为合理间隙。这个范围的最小值称为最小合理间隙( )，最大值称最大合理间隙( )。考虑到生产过程中的磨损使间隙变大，故设计与制造模具时，通常采用最小合理间隙 值。确定合理间隙值有两种方法：1理论确定法理论确定法的主要依据是保证裂纹重合，以获得良好的冲裁断面。图21l是冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。图 211 合理冲裁间隙的确定由图中几何关系可得出计算合理间隙的公式： （2-1）式中 t板

14、料厚度(mm)；产生裂纹时凸模相对压入深度(mm)； 裂纹与垂线间的夹角。由上述可知，间隙z与板材厚度、相对压入深度 、裂纹方向角 有关。而 、 又与材料性质有关，表21为常用材料的 与 的近似值。由表可知，影响间隙值的主要因素是板材力学性能及其厚度，板料越厚、越硬或塑性越筹， 值越小，合理间隙值越大。材料越软 值越大合理间隙值越小。表2-1 与 的值(单位： mm)材料（） t1t= 12t =24t4软钢7570706565555040 中硬钢6560605555484535 硬钢5447474544383525因为计算法在生产中使用不方便，故目前普遍使用查表选取法。2查表选取法综上所述，

15、间隙的选取主要与材料的种类、厚度有关，由于多种冲压件对其断面质量和尺寸精度的要求不同，以及生产条件的差异，在实际生产中很难有一种统一的 间隙数值而应区别情况、分别对待，在保证冲裁件断面质量和尺寸精度的前提下，使模具寿命最高。国内工厂常用的间隙值见表22、表23、表24。表22表24给出了汽车、拖拉机、电器仪表和机电行业推荐的几种间隙值。 表2-2 冲裁模初始双面间隙 (单位：mm)材料厚度08、10、09Mn、Q235A、B3 16Mn40,5065Mn小于0.5极 小 间 隙0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.5 1.75 2.0 2.1 2.5 2.75 3.0 3

16、.5 4.0 4.5 5.5 6.0 6.5 8.0 0.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.126 0.132 0.220 0.246 0.260 0.360 0.400 0.460 0.540 0.640 0.720 0.940 1.0800.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.240 0.320 0.360 0.380 0.500 0.560 0.640 0.740 0.880 1.000 1.280 1.4400.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170

17、 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.680 0.780 0.840 0.940 1.2000.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.240 0.320 0.380 0.400 0.540 0.60 0.660 0.780 0.920 0.960 1.100 1.200 1.300 1.6800.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.

18、780 0.980 1.1400.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.230 0.320 0.380 0.400 0.540 0.600 0.660 0.780 0.920 1.040 1.320 1.5000.040 0.048 0.064 0.064 0.090 0.0900.060 0.072 0.092 0.092 0.126 0.126 注：1.冲裁皮革、石棉和纸板时，间隙取08钢的25 2.“c”为单面间隙表2-3 冲裁模初始双面间隙 材料厚度软铝紫铜、黄铜、软钢（ 0.080.2）杜拉铝、中等硬钢（ 0.30.4）硬钢（ 0.50.

19、6）0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 1.00.008 0.012 0.016 0.020 0.024 0.028 0.032 0.036 0.0400.012 0.018 0.024 0.030 0.036 0.042 0.048 0.054 0.0600.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.0500.014 0.021 0.028 0.035 0.042 0.049 0.056 0.063 0.0700.012 0.018 0.024 0.030 0.036 0.042 0.048 0.054 0.0600.

20、016 0.024 0.032 0.040 0.048 0.056 0.064 0.072 0.0800.014 0.021 0.028 0.035 0.042 0.049 0.056 0.063 0.0700.018 0.027 0.036 0.015 0.054 0.063 0.072 0.081 0.0901.2 1.5 1.8 2.00.060 0.075 0.090 0.1000.084 0.105 0.126 0.1400.072 0.090 0.108 0.1200.096 0.120 0.144 0.1600.084 0.105 0.126 0.1400.108 0.135 0

21、.162 0.1800.096 0.120 0.144 0.1600.120 0.150 0.180 0.2002.2 2.5 2.8 3.00.132 0.150 0.168 0.1800.176 0.200 0.224 0.2400.154 0.175 0.196 0.2100.198 0.225 0.252 0.2700.176 0.200 0.224 0.2400.220 0.250 0.280 0.3000.198 0.225 0.252 0.2700.242 0.275 0.308 0.3303.5 4.0 4.5 5.00.245 0.280 0.315 0.3500.315 0

22、.360 0.405 0.4500.280 0.320 0.360 0.4000.350 0.400 0.450 0.5000.315 0.360 0.405 0.4500.385 0.440 0.495 0.5500.350 0.400 0.450 0.5000.420 0.480 0.540 0.6006.0 7.0 8.0 9.0 10.00.480 0.560 0.720 0.810 0.9000.600 0.700 0.880 0.990 1.0000.540 0.630 0.800 0.990 1.1000.660 0.770 0.960 1.080 1.2000.600 0.70

23、0 0.880 0.990 1.1000.720 0.840 1.040 1.170 1.3000.660 0.770 0.960 1.080 1.2000.780 0.910 1.120 1.260 1.400注：1.初始间隙的最小值相当于间隙的公称函数值。 2. 初始间隙的最大值是考虑到凸模和凹模的制造公差所增加的数值。 3.在使用过程中，由于模具工作部分的磨损，间隙将有所增加，因而间隙的 使用最大数值要超过列表值。 4.“c”为单面间隙。表2-4 冲裁模刃口双面间隙 (单位:mm)表2-5是原机械工业部的冲裁间隙指导性年纪书文件（JB/Z2711986）推荐的间隙值。该文件将间隙分成三类

24、。其中第一类适用于对断面质量与冲裁件精度 均要求高的工件，但模具寿命较低。第二类适用于断面质量，冲裁件精度要求一般，及需继续变形的工件。第三类适用于断面质量、冲裁精度均要求不高的工件，但模具寿命较长。表2-5冲模单面间隙比值c/t （单位）注：1.本表适用于厚度为10mm以下的金属材料。考虑到料厚对间隙比值的影响，将料厚分为0.11.0mm；1.23.0mm，3.56mm；7.010mm四当，当料厚为0.11.0mm时，各类间隙比值取下限值。并以次为基数，随着料厚的增加，再逐挡递增（0.51.0）%t（有色金属和低碳钢取小值，中碳钢和高碳钢取大值。） 2. 凸、凹模的制造偏差和磨损均使间隙变大

25、，故新模具应取最小间隙值。 3. 其它金属材料的间隙比值可参照表中抗剪切强度相近的材料选取。 4. 非金属材料：红纸板、胶、胶布板的间隙比值分二类；相当于表中类时，取（0.52）%t；相当于类时，取（24）%t。纸、皮革、云母纸的间隙比值取（0.250.75）%t。第三节 冲 裁 力 一、 冲裁力的计算二、卸料力、推件力和顶件力一、 冲裁力的计算 冲裁力是指冲裁过程中的最大剪切抗力，计算冲裁力的目的是为了合理选择压力机和设计模具。各种形状刃口冲裁力的基本计算公式见表2-6。考虑到模具刃口 的磨损、凸模与凹模的间隙不均、材料性能的波动和材料厚度偏差等因素，实际所需冲裁力应比表列公式计算的值增加3

26、0%。表 2-6 冲裁力的计算公式及举例注：1. 为材料之抗剪强度。由表849查得： =440Mpa2.双斜刃凸模和凹模的主要参数 列于表2-7中表27 斜刃凸模和凹模的主要参数材料厚度t/mm斜刃高度h/mm 斜刃倾角平均冲裁力为平刃的百分比33102tt50.10.50.52.52.56.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03铝、铝合金、纯铜、黄铜0.0250.08 0.020.060.30.070.030.09注：卸料力系数K卸在冲多孔、大搭边和

27、轮廓复杂说取上限值。冲裁时之冲压力为冲裁力、卸料力和推件力之和，这些力在选择压力机时是否考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待，即：采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时为： = + + 采用刚性卸料装置和下出料方式的冲模为: = + 采用弹性卸料装置和下出料方式的冲模为: = + + 【例】 采用落料-冲孔复合模冲裁垫圈(图2-12),计算冲裁力、推件力和卸料力。图212 落料-冲孔复合模和垫圈解 由表查出 =304373MPa;取 =343MPa。=1.3 =1.33.14353343=147013（N）=1.3 =1.33.1412.53343=52504（N）= + =147013+5

28、2504=199517（N）卸料力计算：由表2-8查出 =0.3= =0.03147013=4410 （N）推件力计算：由表2-8查出 =0.045，凹模刃口直壁高度 =6mm = = =2 = =20.04552504-4725 (N)总的冲压力： = + + =147013+52504+4410+4725=208652 第四节材料的经济利用一、材料的利用率二、排样方法三、搭边及条料宽度在冲压生产过程中，冲裁件在板、条等材料上的布置方法称为排样，排样是否合理直接影响到材料的经济利用。一、材料的利用率 冲压生产的成本中，毛坯材料费用占60以上，排样的目的就是在于合理利用材料。评价派样经济性、合

29、理性的指标是材料的利用率。其计算公式如下：一个进距内的材料利用率为= 100条料的材料利用率为 = 100板料的材料利用率为100式中 F冲裁件面积（mm ）b条件宽度（mm）h送料进距（mm）个进距内冲件总数；板料上冲件总数；L条料长度（m）板料长度（mm）板料宽度（mm）条料冲裁时，所产生的废料包括工艺废料和结构废料两种，要提高条料利用率就必须减少废料面积。二、排样方法 根据条料的利用情况及冲压件的不同几种形状，可得出相适合的排样类型，而根据排样内省又可分为有搭边与无搭边两种，其具体情况见表2-9，表2-10。表 29 零件外形分类方形梯形三角形圆及多边形半圆及三字形椭圆及盘形十字形丁字形

30、角尺形表210 常用的排样类型【例】计算圆形工件在条料上为多行交错排列的材料利用率。图2-13a为三行排列，三个相邻圆心的连线四等边三角形。解： 图中 为两相邻圆心之间的搭边， 侧搭边，d为工件直径，计算条料宽度b:b=2 ( +d)+d+2 若 = 则b=2.237d+3.723 由图2-13b可知，材料利用率 随 /d的增大而降低，随行数n的增多而提高。图2-13c为 = 时，行数n与 之关系曲线。圆形工件为n行排列的条料宽度b及材料利用绿之计算公式为：100= 100 = 100三、搭边及条料宽度 对一般金属材料的搭边值见表2-11（适用于大零件）或表2-12。表2-11 冲裁金属材料的搭边值材料厚度t 手工送料自动送料圆形非圆形往复送料11.51.521.532大于1221.52.523.52.532大于232.5232.543.5大于3432.53.535443大于4543546554大于5654657665大于686576877