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（时间：4次课，8学时）教学目标：本章介绍冷冲压模具设计的重要内容，也是最基础的内容。通过本章的学习，将达到能设计中等复杂程度冲裁模具的水平。为此，应了解冲裁变形过程及冲裁端面的特征；掌握冲裁间隙对冲裁件精度和模具的影响；掌握确定合理冲裁间隙的方法；掌握排样方法，学会确定条料宽度；掌握冲裁力及压力中心的计算。教学重点和难点：各种模具及其组成零件的结构及特点；冲裁模的设计步骤及模具刃口尺寸的计算。案例导入：要大批量冲制如下图所示的工件(材料为08F，材料厚度为2mm，制件精度为IT14级)，应选择何种模具？如何提高板料的材料利用率？凸模和凹模的间隙应是多少？如何计算凸模和凹模刃口尺寸和公差？模具主要零件的结构及尺寸如何设计？如何选择标准模架和选用压力机？://www.wenyuan.com.cn/webnew/第2章冲裁工艺与模具设计2.1冲裁变形过程分析2.2冲裁间隙2.3冲裁模刃口尺寸计算2.4冲压力及压力中心计算2.5冲裁件的工艺性2.6排样2.7精密冲裁2.8模具设计2.9冲裁模的设计步骤2.10冲裁模设计实训习题与练习2.1.1冲裁变形过程2.1.2冲裁断面特征冲裁是利用模具在压力机上使板料沿一定轮廓形状产生分离的一种冲压工序。它包括落料、冲孔、切口、切边、剖切等多种工序。根据变形机理的不同，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁两种。通常所说的冲裁是指普通冲裁。落料和冲孔是两种最基本的冲裁形式。从板料上冲下所需形状的零件(或毛料)叫落料；在工件上冲出所需形状的孔(冲去部分为废料)叫冲孔。例如冲制一个如图2-1所示的平板垫圈，冲其外形称为落料，冲其内孔称为冲孔。落料与冲孔的变形性质相同，但在进行模具工作部分设计时，是不一样的。冲裁的应用非常广泛，它可以直接冲出成品零件，也可为弯曲、拉深、成形等其他工序制备毛料。所以，熟练掌握冲裁工艺和冲裁模的设计是非常必要的。://www.wenyuan.com.cn/webnew/2.1.1冲裁变形过程如图2-2所示是用无压边装置的模具对板料进行冲裁时的变形过程。如果模具间隙正常，冲裁变形过程大致可分为如下3个阶段。1.弹性变形阶段见图2-2(a)。在凸模和凹模压力的作用下，板料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形，凸模下部略微挤入板料上部，板料的下部则略微挤入凹模洞口。由于未采用压边装置，凹模上的板料则向上翘曲，间隙越大，弯曲和上翘越严重。在这一变形阶段中，材料内的应力未超过材料的弹性极限，所以当凸模卸载后，板料将立即恢复原状。2.塑性变形阶段见图2-2(b)。当凸模继续压入时，压力增加，若材料内的应力达到屈服强度，便开始进入塑性变形阶段。凸模挤入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形抗力不断增大，直到刃口附近侧面的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段便告终，此时冲裁变形抗力达到最大值。由于凸、凹模间存在有间隙，故在这个阶段中板料还伴随着弯曲和拉伸变形。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。3.断裂分离阶段见图2-2(c)、(d)、(e)。由于在冲裁过程中板料内部各点的应力状态是不同的，内裂纹首先在凹模刃口附近的侧面产生，紧接着才在凸模刃口附近的侧面产生。已形成的上下微裂纹随凸模继续压入沿最大切应力方向不断向材料内部扩展，当上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。随后，凸模将分离的材料推入凹模洞口。由上述分析可知，板料冲裁过程的变形是很复杂的，除了剪切变形外，还存在拉伸、弯曲、横向挤压等变形。整个冲裁过程受凸模和凹模之间的间隙影响很大，冲裁后板料也因翘曲而不平整。://www.wenyuan.com.cn/webnew/2.1.2冲裁断面特征圆角带a：由于凸模和凹模之间存在间隙，塑性变形不可能是纯剪切，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，形成圆角带。材料的塑性越好、凸模和凹模的间隙越大，圆角带也越大。光亮带b：该区域发生在塑形变形阶段，当刃口切入材料后，材料受到凸模和凹模剪切应力τ和挤压应力σ的作用而形成光亮垂直的断面。通常光亮带占整个断面的1/2~1/3。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，使冲裁件断面粗糙不光滑，且略带有斜度。毛刺区d：毛刺的形成是由于微裂纹产生的位置不是正对刃口，而是在刃口附近的侧面上，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。2.2.1冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响2.2.2冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响2.2.3冲裁间隙对冲裁力、卸料力、推料力、顶件力的影响2.2.4冲裁间隙对模具寿命的影响2.2.5合理间隙值的确定://www.wenyuan.com.cn/webnew/2.2冲裁间隙图2-4冲裁间隙如前所述，冲裁件的断面具有圆角带、光亮带、断裂带与毛刺区4个特征区域。在4个特征区中，光亮带越宽，断面质量越好。但4个特征区域的大小及其在断面上所占的比例大小并非一成不变，而是随着材料性能、刃口状态、模具间隙等条件的不同而变化。塑性较差的材料容易断裂，材料被剪切不久就会出现裂纹、分离，使断裂带增宽，而光亮带和圆角带所占的比例较小，毛刺也较小。反之，材料塑性较好，冲裁时裂纹出现得较晚，材料被剪切的深度较大，光亮带所占的比例就大，圆角和毛刺也大。一般来说，模具刃口有一定的圆角将对材料的挤压作用增大，使冲裁件断面光亮带增大，圆角和毛刺也大。冲裁间隙对冲裁件断面的影响如图2-5所示。当冲裁间隙合适时(如图2-5(b)所示)，凸模和凹模刃口附近产生的裂纹将相互重合，冲裁件的断面呈一定的斜度，但还是比较平直、光滑、毛刺较小，制件的断面质量较好。当间隙过小时(如图2-5(a)所示)，凸模刃口附近产生的裂纹比正常间隙时向外错开一段距离，上、下裂纹延伸后不重合，两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上产生第二光亮带，断面中部出现断裂夹层，两头呈光亮带，并在端面有挤长的毛刺。此时，毛刺虽比正常间隙时有所增加，但较薄易去除，而且断面的斜度和圆角较小，故只要中间撕裂不是很深，仍可应用。当间隙过大时(如图2-5(c)所示)，凸模刃口附近产生的裂纹比正常间隙时向里错开一段距离，因为材料的弯曲和拉伸增大，拉应力增大，材料容易产生裂纹，使塑性变形较早结束，所以，冲裁断面光亮带变窄，断裂带和圆角带增大，而且断面斜度增大，毛刺又高又厚，难以去除，断面质量下降。因此，在设计和制造模具时，应使冲裁间隙保持在一个合理的范围之内。另外，在装配模具时也必须保证间隙均匀，避免局部出现间隙过大和过小的现象。://www.wenyuan.com.cn/webnew/2.2.2冲裁间隙对冲裁件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图纸上的基本尺寸之差。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。、卸料力、推料力、顶件力的影响随着间隙的增大，材料在冲裁时所受的拉应力将增大，材料容易断裂分离，冲裁力有一定程度的降低。但在正常情况下，间隙对冲裁力的影响并不很大。试验证明，当单面间隙介于材料厚度的5%~20%范围内时冲裁力的降低不超过5%~10%。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。一般当单面间隙增大到材料厚度的15%~25%时，卸料力几乎降到零。但间隙继续增大时会引起毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力的迅速增大。冲模失效的形式一般有磨损、崩刃、变形、胀裂和折断。冲裁时，由于材料产生弯曲变形，使冲裁力主要集中在凸模和凹模的刃口部分。如果间隙小，冲裁力及摩擦力都增大，使刃口所受应力增大，造成刃口变形和端面磨损加剧，甚至崩刃。而侧向力也随间隙的减小而增大，使凸、凹模侧面磨损严重。间隙过小时的二次剪切产生的金属碎屑又加剧了刃口侧面磨损。冲裁后卸料与推件时模具与板料之间的滑动摩擦也造成凸、凹模的侧面磨损。小间隙有时还会产生凹模胀裂、小凸模折断的现象。所以为了减少凸、凹模的磨损，延长模具使用寿命，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。若采用小间隙，就必须提高模具的硬度和耐磨性，提高模具的制造精度，冲裁时采用良好的润滑，以减小磨损。由以上分析可见，间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命等都有很大的影响。但很难找到一个固定的间隙值能同时满足冲裁件质量最佳、冲模寿命最长，冲裁力最小等各方面的要求。因此，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。只要间隙在这个范围内，就能得到质量合格的冲裁件和较长的模具寿命。这个间隙范围就称为合理间隙，这个范围的最小值称为最小合理间隙(Zmin)，最大值称为最大合理间隙(Zmax)。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。确定合理间隙值有理论确定法和经验确定法两种。1.理论确定法2.经验确定法2.3.1凸、凹模刃口尺寸计算原则2.3.2凸、凹模刃口尺寸的计算凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。所以，正确确定凸、凹模刃口尺寸和公差，是冲裁模设计中的一项重要工作。、凹模刃口尺寸计算原则由前述可知，由于在冲裁时凸、凹模之间存在间隙，使冲裁件的断面带有锥度。在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光面的尺寸为基准。落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的，其尺寸大小等于凹模刃口尺寸，而孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的，其尺寸大小等于凸模刃口尺寸。在模具的使用过程中，凸模和凹模的