第二章 冲裁工艺及模具设计

第二章冲裁工艺及模具设计第1页，课件共72页，创作于2023年2月第二章冲裁工艺及模具设计

本章教学目的：了解冲裁变形过程、变形机理以及冲裁间隙对冲裁工艺的影响；掌握冲裁模工作部分刃口尺寸的计算方法；掌握冲裁力、卸料力及推件力的计算及降低冲裁力的方法；了解冲裁件的排样方法和冲裁工艺分析方法；了解普通冲裁和精密冲裁的区别。

2023/9/13第2页，课件共72页，创作于2023年2月

冲裁（Blanking）工艺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。

分类：普通冲裁和精密冲裁。通常所说的冲裁是指普通冲裁，它包括落料（Blanking）、冲孔（Punching）、切口、剖切（Parting）、修边等（但一般所指是落料和冲孔）。

用途：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。

从板料上冲下所需形状的零件（或毛坯）叫落料；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。

Play2023/9/13第3页，课件共72页，创作于2023年2月§2-1冲裁变形机理一、冲裁变形时板料变形区力学分析

受力情况

假设：①刃口锋利；②间隙合理。

共四对力凸、凹模间隙存在，产生弯矩M。

2023/9/13第4页，课件共72页，创作于2023年2月冲裁时的应力状态

凸模下压引起轴向应力σ３板料弯曲与凸模侧压力引起径向应力σ1切向应力σ２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2023/9/13第5页，课件共72页，创作于2023年2月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

弹性变形阶段塑性变形阶段断裂分离阶段二、冲裁变形过程

Play2023/9/13第6页，课件共72页，创作于2023年2月冲裁时的变形区

冲裁时，材料的变形量是由受力状态所决定的，以上、下刃尖连线为中心的纺锤形区域为主要变形区，从模具刃尖向材料中心变形区逐渐扩大。当凸模挤入板料后，新形成的纺锤形变形区被以前已变形而冷作硬化了的区域所包围。

冲裁力-凸模行程曲线OA段——冲裁的弹性变形阶段AB段——冲裁的塑性变形阶段

BC段——冲裁的断裂阶段2023/9/13第7页，课件共72页，创作于2023年2月冲裁件质量尺寸精度形状误差断面状况三、冲裁件质量及其影响因素

垂直、光洁、毛刺小

图纸规定的公差范围内

外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小2023/9/13第8页，课件共72页，创作于2023年2月1、冲裁件断面质量及其影响因素

断面（thecuttingcross-section）特征

圆角带（rolloverzone）a：光亮带（smoothshearedzone）b：断裂带（fracturezone）c：毛刺区（burrzone）d：刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形。塑性剪切变形。质量最好的区域。通常占全断面1/3─1/2。裂纹形成及扩展。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。要想提高冲裁件的断面质量，可通过增加光亮带的高度或采用整形工序来实现。增加光亮带高度的关键是通过延长塑性变形阶段，推迟裂纹的产生来达到，这可以通过增加金属塑性和减少刃口附近的变形与应力集中来实现。

2023/9/13第9页，课件共72页，创作于2023年2月影响冲裁断面质量的因素材料性能

冲裁间隙（blankingclearance）

模具刃口状态

塑性好的材料：光亮带所占比例大，圆角大，穹弯大，断裂带较窄；塑性差的材料：光亮带所占比例小，圆角小，穹弯小，而大部分是有斜度的粗糙断裂带。

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。2023/9/13第10页，课件共72页，创作于2023年2月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：

冲模的制造精度（零件加工和装配）材料的性质冲裁间隙

2023/9/13第11页，课件共72页，创作于2023年2月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。2023/9/13第12页，课件共72页，创作于2023年2月§2-2冲裁间隙（间隙的大小和间隙的均匀程度）2023/9/13第13页，课件共72页，创作于2023年2月一、冲裁间隙对冲裁工艺的影响

对冲裁件质量的影响：间隙是影响冲裁件质量的主要因素。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。对模具寿命的影响：

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。

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。2023/9/13第14页，课件共72页，创作于2023年2月随着模具间隙的减小，冲裁力增大，这是因为间隙小，弯矩M减小，材料所受拉应力减小，而压应力增大。增大间隙，冲裁力减小，但继续增大间隙值，由于从凸、凹模刃口产生的裂纹不重合，所以冲裁力下降变缓。冲裁模具的寿命通常以保证获得合格产品的冲裁次数表示。冲裁过程中模具的损坏是磨钝、崩刃和凹模刃口涨裂—凸、凹模的磨损形式。2023/9/13第15页，课件共72页，创作于2023年2月二、冲裁间隙值的确定

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，给间隙规定一个合适的范围值（Zmin∽

Zmax），分别称为最小合理间隙和最大合理间隙。

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。理论法确定法经验确定法目前常用

2023/9/13第16页，课件共72页，创作于2023年2月

经验确定法选用合理间隙值的原则是：对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件应选用较小间隙值，对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大间隙值。采用大间隙值时要注意：①为了保证制件平整，一定要有压料与顶件装置；②为了防止凸模将废料带出凹模表面，应在凸模上开通气孔或装弹性顶件针。

间隙的方向：

设计落料模时，以凹模为基准，将间隙取在凸模上；

设计冲孔模时，以凸模为基准，将间隙取在凹模上。2023/9/13第17页，课件共72页，创作于2023年2月刃口尺寸计算的作用：凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸大小。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。

一、凸、凹模刃口尺寸计算原则§2-3凸模和凹模的刃口尺寸计算

落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定

设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。

考虑冲裁中凸、凹模的磨损

设计落料模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。这样，在凸、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格制件。

凸、凹模间隙则取最小合理间隙值。

2023/9/13第18页，课件共72页，创作于2023年2月

冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差，落料件上偏差为零，下偏差为负；冲孔件上偏差为正，下偏差为零。

确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求

如果对刃口精度要求过高（即制造公差过小），会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低（即制造公差过大），则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。

制件精度与模具制造精度间存在一定的关系。若制件没有标注公差，则对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”IT14级处理，冲模则可按IT11级制造；对于圆形件，一般可按IT7～6级制造模具。2023/9/13第19页，课件共72页，创作于2023年2月二、凸、凹模刃口尺寸计算方法凸模与凹模分开加工

采用这种方法，是指凸模和凹模分别按图纸加工至尺寸；要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差（凸模δp、凹模δd）；它适用于圆形或简单形状的制件。为了保证初始间隙值小于最大合理间隙Zmax，必须满足下列条件：

δp+δd≤Zmax－Zmin

或取

δp＝0.4（Zmax－Zmin）

δd＝0.6（Zmax－Zmin）

凸模和凹模配合加工

对于形状复杂或薄板工件的模具，为了保证冲裁凸、凹模间有一定的间隙值，必须采用配合加工。这种方法不仅容易保证凸、凹模间隙很小，而且还可放大基准件的制造公差，使制造容易，故目前一般工厂采用此种方法。2023/9/13第20页，课件共72页，创作于2023年2月1、凸模与凹模分开加工落料：冲孔：孔心距：设冲孔尺寸为设工件尺寸为磨损系数工件制造公差具有互换性、制造周期短，但Z

min不易保证，需提高加工精度，增加制造难度。

2023/9/13第21页，课件共72页，创作于2023年2月【例2-1】如图所示零件，材料Q235钢，料厚t=0.5mm。计算冲裁凸、凹模刃口尺寸及公差。

解：该零件属于无特殊要求的一般冲孔、落料件。

外形由落料获得，和18±0.09由冲孔同时获得。则：查表2-5得，2023/9/13第22页，课件共72页，创作于2023年2月由表2-11查得：x=0.75；x=0.5；材料厚度t（mm）非圆形圆形10.750.50.750.5工件公差Δ（mm）＜11~22~4＞4≤0.16≤0.20≤0.24≤0.300.17~0.350.21~0.410.25~0.490.31~0.59≥0.36≥0.42≥0.50≥0.60＜0.16＜0.20＜0.24＜0.30≥0.16≥0.20≥0.24≥0.30由表2-10查得：δpδdδp+δdZmax－Zmin是否满足条件取值0.020.020.040.02不满足δp=0.008δd=0.0120.020.030.050.02不满足δp=0.008δd=0.0122023/9/13第23页，课件共72页，创作于2023年2月冲孔落料孔距尺寸2023/9/13第24页，课件共72页，创作于2023年2月2、凸模与凹模配合加工

配合加工就是先按设计尺寸制出一个基准件（凸模或凹模），然后根据基准件的实际尺寸再按最小合理间隙配制另一件。

设计时，基准模的刃口尺寸及制造公差应详细标注，而配制件上只标注公称尺寸，不注公差，但在图纸技术要求上注明:凸（凹）模刃口按凹（凸）模实际刃口尺寸配制，保证双面合理间隙值Zmin～Zmax”。特点：

模具的间隙由配制保证，工艺比较简单，不必校核的条件，并且还可放大基准件的制造公差，使制造容易。Zmin易保证，无互换性、制造周期长。

2023/9/13第25页，课件共72页，创作于2023年2月

根据磨损后轮廓变化情况，正确判断出模具刃口尺寸类型：即：磨损后变大，变小还是不变。

基准件的刃口尺寸需要按不同方法计算：第一类（A类）：凸模或凹模磨损会增大的尺寸；第三类（C类）：凸模或凹模磨损后基本不变的尺寸。

第二类（B类）：凸模或凹模磨损后会减小的尺寸；2023/9/13第26页，课件共72页，创作于2023年2月落料件尺寸落料凹模刃口尺寸A类：

B类：

磨损后凹模刃口尺寸C类：

2023/9/13第27页，课件共72页，创作于2023年2月冲孔冲孔件尺寸凸模刃口尺寸磨损后凸模刃口尺寸A类：

B类：

C类：

2023/9/13第28页，课件共72页，创作于2023年2月计算冲裁凸、凹模刃口尺寸及制造公差。解：该冲裁件属落料件，选凹模为设计基准件，只需要计算落料凹模刃口尺寸及制造公差，凸模刃口尺寸由凹模实际尺寸按间隙要求配作。

由表2-5查得：【例2-2】如图所示零件，材料10钢，料厚t=1mm。2023/9/13第29页，课件共72页，创作于2023年2月落料凹模的基本尺寸计算如下：材料厚度t（mm）非圆形圆形10.750.50.750.5工件公差Δ（mm）＜11~22~4＞4≤0.16≤0.20≤0.24≤0.300.17~0.350.21~0.410.25~0.490.31~0.59≥0.36≥0.42≥0.50≥0.60＜0.16＜0.20＜0.24＜0.30≥0.16≥0.20≥0.24≥0.30由表2-11查得：第一类尺寸：磨损后增大的尺寸

（A3）（B）（A2）（C）（A1）2023/9/13第30页，课件共72页，创作于2023年2月第二类尺寸：磨损后减小的尺寸第三类尺寸：磨损后基本不变的尺寸

落料凸模的基本尺寸与凹模相同，分别是79.79mm，39.75mm，34.75mm，22.07mm，14.94mm，不必标注公差，但要在技术条件中注明：凸模实际刃口尺寸与落料凹模配制，保证最小双面合理间隙值2023/9/13第31页，课件共72页，创作于2023年2月

电火花加工中，一般是用成型磨削的方法加工凸模与电极，然后用尺寸与凸模相同或相近的电极（有时直接用凸模作为电极）在电火花机床上加工凹模。它属于配合加工法。无论是冲孔还是落料，均在凸模上标注尺寸和制造公差，凹模只注明：“与凸模配做，保证双面最小间隙值”。因为对电火花加工而言，制造公差只适用于凸模，对于凹模不存在机械加工的制造公差，而只有加工时放电间隙的误差，它的尺寸精度主要靠电极精度来保证。

注意：

冲孔时：

落料时：

2023/9/13第32页，课件共72页，创作于2023年2月一、冲裁力的计算用普通平刃口模具冲裁时，冲裁力F一般按下式计算：§2-4冲裁力、卸料力及推件力的计算及降低冲裁力的方法

材料抗剪强度材料厚度冲裁周边长度系数，一般取K＝1.3或：材料抗拉强度2023/9/13第33页，课件共72页，创作于2023年2月二、辅助力的计算从凸模上卸下箍着的料所需要的力。推件力：将梗塞在凹模内的料顺着冲裁方向推出所需要的力。顶件力：逆着冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力。

卸料力：卸料力推件力顶件力凹模洞口的直刃壁高度板料厚度2023/9/13第34页，课件共72页，创作于2023年2月三、压力机公称压力的确定

压力机的公称压力必须大于或等于各种冲压工艺力的总和Fz

采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时：

采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时：

采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时：与模具结构有关2023/9/13第35页，课件共72页，创作于2023年2月【例2-3】计算冲裁图示零件所需的总冲压力。材料为Q235钢，料厚t=2mm，采用弹性卸料装置和下出料方式，凹模刃口直壁高度h=6mm。（设材料的抗剪强度τ＝340MPa，，）解：冲裁力的计算

2023/9/13第36页，课件共72页，创作于2023年2月四、降低冲裁力的措施

阶梯凸模冲裁

斜刃冲裁

加热冲裁（红冲）

分步冲裁从中加以分析2023/9/13第37页，课件共72页，创作于2023年2月一、材料利用率材料利用率：冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比。

一个步距内的材料利用率§2-5冲裁件的排样

排样：冲裁件在板、条料等上的布置方法。排样的目的在于合理利用原材料。通过材料利用率来衡量排样的经济性和合理性。2023/9/13第38页，课件共72页，创作于2023年2月一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率料尾

2023/9/13第39页，课件共72页，创作于2023年2月冲裁所产生的废料：一类是结构废料；另一类是工艺废料。二、冲裁废料1—结构废料2—工艺废料一种是由零件的形状特点产生的废料，称为结构废料。一般不能改变，但可利用大尺寸的结构废料冲制小尺寸的零件；有时，在使用条件许可下，改变工件的结构形状，也是提高材料利用率的重要途径。

另一种是由零件之间和零件与条料侧边之间的废料，以及料头、料尾所产生的废料，称为工艺废料。搭边和余料属工艺废料。

2023/9/13第40页，课件共72页，创作于2023年2月根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为三种：

有废料排样（图a）

少废料排样（图b）

无废料排样（图c）三、排样方法2023/9/13第41页，课件共72页，创作于2023年2月

搭边

排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料。四、搭边和料宽补偿定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件；是增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率；搭边还可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉人模具间隙，从而提高模具寿命。搭边的作用2023/9/13第42页，课件共72页，创作于2023年2月影响搭边值的因素

材料的力学性能

硬材料的搭边值可小一些；软材料、脆材料的搭边值要大一些。

材料厚度

材料越厚，搭边值也越大。

冲裁件的形状与尺寸

零件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值取大些。

送料及挡料方式

用手工送料，有侧压装置的搭边值可以小一些；用侧刃定距比用挡料销定距的搭边小一些。

卸料方式

弹性卸料比刚性卸料的搭边小一些。

查表确定搭边值2023/9/13第43页，课件共72页，创作于2023年2月

有侧压装置时条料的宽度

条料宽度的确定条料下料剪切公差侧面搭边条料宽度方向零件轮廓的最大尺寸

无侧压装置时条料的宽度条料与导料板之间的间隙（即条料的可能摆动量）

2023/9/13第44页，课件共72页，创作于2023年2月

有定距侧刃时条料的宽度侧刃个数侧刃余料，金属材料取1～2.5mm，非金属材料取1.5～4mm(薄材料取小值，厚料取大值)导料板之间的距离为

侧刃冲切后条料与导料板之间的间隙，常取0.1～0.2mm。薄料取小值，厚料取大值。2023/9/13第45页，课件共72页，创作于2023年2月

一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸、条料长度L、板料厚度t、端距l、步距S、工件间搭边和侧搭边a；并习惯以剖面线表示冲压位置。

排样图2023/9/13第46页，课件共72页，创作于2023年2月减少工艺废料的措施有：设计合理的排样方案；选择合适的板料规格和合理的裁板法；（减少料头、料尾和边余料）；利用废料作小零件等。利用结构废料的措施有：

当材料和厚度相同时，在尺寸允许的情况下，较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来。在使用条件许可下，也可以改变零件的结构形状，提高材料利用率。五、提高材料利用率的方法2023/9/13第47页，课件共72页，创作于2023年2月普通冲裁：工件剪切面上有塌角、断裂面和毛刺，还带有明显的锥度，同时制件尺寸精度较低，一般为IT10～IT11。精密冲裁：在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的优质精冲零件。§2-6精密冲裁

光洁冲裁小间隙小圆角凸（凹）模2023/9/13第48页，课件共72页，创作于2023年2月负间隙冲裁2023/9/13第49页，课件共72页，创作于2023年2月齿圈压板冲裁（精冲）三向压应力状态消除应力集中2023/9/13第50页，课件共72页，创作于2023年2月精冲过程2023/9/13第51页，课件共72页，创作于2023年2月整修外缘整修内孔整修用压力机和模具切削加工

利用整修模沿冲裁件外缘或内孔刮削掉一薄层金属，以获得高精度、低粗糙度制件的工艺方法。整修后零件的尺寸精度可达IT7～IT8，表面粗糙度Ra值为1.6～0.8。2023/9/13第52页，课件共72页，创作于2023年2月

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。

即冲裁件的结构、形状、尺寸及公差等技术要求是否符合冲裁加工的工艺要求。工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大的影响。

冲裁工艺性好是指能用普通冲裁方法，在正常模具寿命和生产率较高、成本较低的条件下得到质量合格的冲裁件。

一、冲裁件的工艺性§2-7冲裁工艺设计及模具结构2023/9/13第53页，课件共72页，创作于2023年2月

冲裁件内形及外形的转角冲裁件的结构工艺性冲裁件上凸出的悬臂和凹槽

冲裁件的孔边距与孔间距

在弯曲件或拉深件上冲孔时

冲裁件的形状2023/9/13第54页，课件共72页，创作于2023年2月用无导向凸模和有导向的凸模所能冲制的最小孔径，分别为无导向凸模最小尺寸d:

钢:d≥（1.0～1.5）t

铜、铝:d≥（0.8～0.9）t

有导向的凸模最小尺寸d:

钢:d≥0.5t

铜、铝:d≥（0.3～0.35）t

冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小，否则凸模易折断或压弯。2023/9/13第55页，课件共72页，创作于2023年2月冲裁件的精度一般可分为精密级与经济级两类。

冲裁件的经济公差等级不高于IT11级，一般要求落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。

冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度冲裁件尺寸标注冲裁件尺寸的基准应尽可能与其冲压时定位基准重合，并选择在冲裁过程中基本上下不变动的面或线上。

2023/9/13第56页，课件共72页，创作于2023年2月

冲裁工序的组合二、冲裁工艺方案的确定

根据生产批量来确定

根据冲裁件尺寸和精度等级来确定

根据对冲裁件尺寸形状的适应性来确定

根据模具制造安装调整的难易和成本的高低来确定

根据操作是否方便与安全来确定第57页，课件共72页，创作于2023年2月

冲裁顺序的安排级进冲裁顺序的安排先冲孔或冲缺口，最后落料或切断，将冲裁件与条料分离。采用定距侧刃时，定距侧刃切边工序安排与首次冲孔同时进行，以便控制送料进距。

多工序冲裁件用单工序冲裁时的顺序安排先落料使坯料与条料分离，再冲孔或冲缺口。冲裁大小不同、相距较近的孔时，为减少孔的变形，应先冲大孔后冲小孔。

套料级进冲裁按由里向外的顺序，先冲内轮廓，后冲外轮廓。第58页，课件共72页，创作于2023年2月单工序冲裁模：在压力机一次行程内只完成一个冲压工序的冲裁模。

落料模

①

无导向单工序落料模②导板式单工序落料模三、冲裁模结构

2023/9/13第59页，课件共72页，创作于2023年2月③导柱式单工序落料模

2023/9/13第60页，课件共72页，创作于2023年2月