冲压及冲裁模具设计课件2-3章

冲压工艺与模具设计

主讲人：苏春建机电学院材料成型专业内容简介：1）通过学习，掌握影响冲裁质量的几个因素，重点掌握冲裁模间隙对模具寿命、冲裁力的影响，如何确定合理的冲裁模间隙，能计算凸、凹工作部分的尺寸；2）能合理排样提高板料的利用率，并能计算板料的利用率；3）掌握冲裁的工艺分析和设计。

冲裁是最基本的冲压工序。本章是本课程的重点章。在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上，介绍冲裁工艺计算、工艺方案制定。涉及冲裁变形过程分析、冲裁件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲裁力与压力中心计算、冲裁工艺性分析与工艺方案制定等。

学习目的和要求：

课程内容：（1）识记：排样、搭边、整修、精密冲裁。（2）领会：冲裁模间隙对模具寿命、冲裁力的影响；冲裁力的计算与降低冲裁力的方法；冲裁的工艺设计方法。（3）综合应用：合理冲裁模间隙的确定；凸、凹模刃口尺寸计算。（1）冲裁变形机理(冲裁变形过程、冲裁件断面特征)；（2）凸模与凹模之间的间隙(间隙对尺寸精度的影响、间隙对冲裁力的影响、确定合理间隙的理论依据、合理间隙的选择)；（3）凸、凹模刃口尺寸的计算(计算原则、凸凹模分开加工时尺寸与公差的确定、凸凹模配合加工时尺寸与公差的确定)；（4）冲裁力的计算与降低冲裁力的方法(冲裁力的计算、卸料力、推件力与顶件力的计算)；（5）材料的经济利用(排样、搭边、条料宽度的确定)；（6）冲裁的工艺设计(冲裁件的工艺性分析、冲裁工艺方案的确定)；（7）其他冲裁法(整修、精密冲裁、非金属材料的冲裁)。考核知识点和考核要求

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重点：（1）冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；（2）刃口尺寸计算原则和方法；（1）冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；（2）刃口尺寸计算原则和方法；（3）冲裁工艺性分析与工艺方案制定；难点

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本节内容冲裁概念2.1冲裁变形机理一、冲裁变形时板材变形区受力情况分析二、冲裁变形过程三、冲裁时变形区的应力状态四、冲裁件断面的形状2.2凸模与凹模之间的间隙一、冲裁件质量及其影响因素二、冲裁模间隙冲裁概念：冲裁：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。包括落料、冲孔、切边、剖切、整修、精密冲裁等。冲裁基本工序一、落料落料是在平板的毛坯上沿封闭轮廓进行冲裁，余下的就是废料。落料常用于制备工序件。

二、冲孔冲孔是以落料件或其他成型件为工序件，完成各种形状孔的冲孔冲裁加工。

冲裁基本工序三、修边修边：对成型件边缘进行冲裁，以获得工件要求的形状和尺寸成为修边。四、冲槽冲槽：在板料上或成型见上冲切出窄而长的槽，称为冲槽。

冲裁基本工序五、冲缺口冲缺口：在板条，型材或弯曲成形的长条形工序件的侧边，冲掉一小块角形废料，称为冲缺口。六、切断 切断：对板条，型材，棒料，管材等沿横向进行冲切分离加工，称为切断。七、剖切剖切：将以成形的立体形状的工序件分割为两件，称为剖切。2.1冲裁变形机理了解和掌握冲裁变形规律，有利于冲裁工艺与冲裁模设计，控制冲裁件质量。

一、冲裁变形时板材变形区受力情况分析1.凸模2.材料3.凹模无压紧装置冲裁时材料的受力图力不均匀性：冲裁工序是利用凸模和凹模组成上、下刃口，将材料置于凹模上，凸模下降使材料变形，直至分离。因凸模与凹模之间存在间隙，故凸模、凹模作用于材料的力呈不均匀分布，主要集中于凸、凹模刃口。四组力：1.P1、P2为凸模与凹模对材料的垂直作用力，因为不在同一直线上，产生弯矩2.F1、F2为凸、凹模对材料的侧压力4.μF1、μF2为凸、凹模侧面对材料的摩擦力3.μP1、μP2为凸、凹模端面对材料的摩擦力二、冲裁变形过程间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程可分为三个阶段：1．弹性变形阶段

凸模开始对材料加压，由于弯矩的作用，材料不仅产生弹性压缩变形而且有穹弯，并稍有压入凹模腔口。此阶段变形区内部材料应力小于屈服应力，应力状态未满足塑性条件，处于弹性变形阶段。2．塑性变形阶段

因毛坯的弯曲，凸模沿环形带b继续对材料加压，当变形区内部材料应力大于屈服应力时，便产生塑性变形。在塑剪变形的同时还伴有纤维的弯曲和拉伸。随着变形的增加，刃口附近产生应力集中，直到应力达到最大值。3．断裂分离阶段

变形区内部材料应力大于强度极限。裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面凸模刃口附近的侧面上、下裂纹扩展相遇材料分离

材料内裂纹首先在凹模刃口附近，继而在凸模刃口侧面产生，其原因与冲裁时材料内的应力状态有关，因为冲裁过程中只有塑性变形达到一定值时，断裂才能开始。而极限塑性应变值除与材料性能有关外，还与应力状态及应力值大小有关。它随静水压应力(球压张量)的增大而增大。三冲裁时变形区的应力状态冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内。

图a表示初始冲裁时的变形区由刃口向板料中心逐渐扩大，截面呈纺锤形。材料的塑性越好、硬化指数大，则纺锤形变形区的宽度将越大。

图b表示变形区随着凸模切入板料深度的增加面逐渐缩小，但仍保持纺锤形。其周围己变形的材料比初始冲裁时己被严重加工硬化了，因此冲裁断面存在加工硬化现象。冲裁时板料的应力状态：σ1σ1σ1σ1σ2σ2σ2σ2σ3σ3σ3σ3σ3为凸模下降产生的轴向拉应力，σ1为凸模侧压力F1与材料弯曲引起的径向压应力，σ2为材料弯曲引起的压应力与侧压力F1引起的拉应力合成的切向应力由凸模下压及材料弯曲引起的三向压应力状态σ3为凹模挤压材料产生的压应力，σ1

和σ2为材料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力σ3为凸模下压产生的轴向拉应力，σ1为径向应力，σ2为切向应力凸模和凹模端面靠近刃口区域为压应力区；凸模和凹模侧面靠近刃口区域为拉应力区。冲裁件断面的形状：塌角：也称为圆角带。是冲裁过程中由于纤维的弯曲与拉伸形成的，软材料比硬材料的圆角大。光亮带：也称为剪切面，是塑性变形时，在毛坯一部分相对于另一部分移动过程中，凸、凹模侧压力F将毛坯压平而形成的光亮垂直的短面，通常占1/2-1/3断裂带：也称为撕裂带，是由刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，使冲裁体断面粗糙不光滑且有斜度。毛刺：间隙存在，裂纹产生不在刃尖，毛刺不可避免。此外，间隙不正常、刃口不锋利，还会加大毛刺。D2.2凸模与凹模之间的间隙一、冲裁件质量及其影响因素冲裁件质量：垂直、光洁、毛刺小等图纸规定的公差范围内外形满足图纸要求；表面平直，即穹弯小指断面状况、尺寸精度和形状误差。影响因素：1.冲裁件断面质量影响因素：(１)材料性能的影响(２)模具间隙的影响：间隙小，出现二次剪裂，产生第二光亮带；间隙大，出现二次拉裂，产生二个斜度(３)模具刃口状态的影响：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。2.冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度：指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。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的偏差；二是模具本身的制造偏差。影响因素：（1）冲模的制造精度（零件加工和装配）（2）材料的性质（3）冲裁间隙

3.冲裁件形状误差及其影响因素冲裁件的形状误差：指翘曲、扭曲、变形等缺陷。翘曲：冲裁件呈曲面不平现象。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矫正也会产生翘曲。扭曲：冲裁件呈扭歪现象。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。变形：由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因，因胀形而产生的。可以看出：间隙是影响冲裁件质量的主要因素。二、冲裁模间隙1、间隙对冲裁的影响冲裁间隙Z：指冲裁模中凹模刃口横向尺寸DA与凸模刃口横向尺寸dT的差值。

（1）间隙对冲裁件质量的影响：间隙是影响冲裁件质量的主要因素。间隙对冲裁件断面质量的影响间隙对尺寸精度的影响（2）间隙对冲裁力的影响：随间隙的增大冲裁力有一定程度的降低，但影响不是很大。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大，卸料力和推件力都将减小。（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、折断和涨裂。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。

间隙对模具寿命的影响分析所以，为了延长模具寿命，在保证冲裁件质量的前提下适当采用较大的间隙值是十分必要的。2、冲裁模间隙值的确定在冲压实际生产中，主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这三个因素综合考虑，给间隙规定一个范围值。考虑到在生产过程中的磨损使间隙变大，故设计与制造新模具时应采用最小合理间隙Zmin（1）理论法确定法（2）经验确定法较小间隙值（表2.3）较大间隙值（表2.4）总结作业：查读文章《精冲工艺的大变形弹塑性有限元分析》赵震上海交通大学模具MAD国家工程研究中心,上海200030天气冷了多穿衣服！静水压应力（球压张量）？？？？球压张量间隙对剪切裂纹与断面质量的影响ａ）间隙过小ｂ）间隙合理ｃ）间隙过大

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、下端都会产生毛刺凹模刃口锐钝与毛刺的关系刃口锐剪切刃口钝撕裂间隙对冲裁件断面质量的影响裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面凸模刃口附近的侧面上、下裂纹沿最大剪应力方向扩展相遇裂纹重合材料分离冲裁时材料断裂过程

上下裂纹是否重合与凸凹模间隙值的大小有关，间隙在一定合理范围内，由凸、凹模刃口沿最大剪应力方向产生的裂纹将互相重合，此时冲出的制件端面虽有一定的斜度，但比较平直、光亮，毛刺很小，且冲裁力小。(间隙过小)(间隙合适)(间隙过大)

当间隙过小时，材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹不重合。由凹模刃口附近产生的裂纹进入凸模下面的压应力区而停止发展，由凸模刃口附近产生的裂纹进入凹模上面的压应力区而停止发展。此时，在两条裂纹相距最近的地方发生第二次拉裂。使得断面中部留下撕裂面。上裂纹表面压压入凹模时，受到凹模壁的挤压，产生上面的光亮带，下裂纹表面受到凸模壁的挤压，产生下面的光亮带。特点：中间有撕裂面，两头呈光亮带，在断面出现挤长的毛刺。

当间隙过大时，材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹也不重合。也将产生二次拉裂。二次拉裂产生的断裂层的斜度增大，冲裁面出现第二个斜度，致使圆角与断裂斜度都增大，光亮带减小，毛刺大而厚，难以去除。Z=14%~24%t间隙对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公称尺寸的差值。间隙与落料件尺寸偏差的关系。间隙与冲孔件尺寸偏差的关系。

间隙大小可以使落料件小于或大于凹模尺寸。原因是由于冲裁时随着间隙的不同，板料变形区的应力状态产生不同的变化，因而其回弹情况也不同。

间隙小时，冲孔件尺寸小于凸模尺寸。间隙大时，冲孔件尺寸大于凸模尺寸间隙对模具寿命的影响

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。附着磨损被认为是模具磨损的主要形式。

当间隙过小时，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，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