第2 章 冲裁工艺与冲裁模

第2章冲裁工艺与冲裁模(BlankingProcessandBlankingDie)教学目标理解冲裁变形过程分析，掌握冲裁件工艺性分析、排样与搭边、冲裁间隙、冲裁工序力、压力中心的确定方法及凸、凹模刃口尺寸计算原则和方法，掌握冲裁模的典型结构、组成、工作过程分析和零部件的结构设计。应该具备的能力：具备中等复杂程度冲裁件的工艺分析、工艺计算、典型结构选择及零部件结构设计的能力。教学要求能力目标知识要点权重自测分数熟悉冲裁变形过程分析冲裁工艺概念、冲裁变形过程及断面特征10%掌握冲裁模典型结构冲裁模典型结构组成、种类、工作过程分析及典型结构选择20%掌握冲裁工艺设计冲裁件的工艺性分析、排样与搭边、冲裁间隙、冲裁工序力、压力中心的确定方法及凸、凹模刃口尺寸计算原则和方法35%掌握冲裁模零部件结构设计工作零件、定位装置、卸料与推件、顶件装置、固定零件、导向零件、闭合高度等的设计35%引例冲裁加工是冲压加工中的基本工序，如下图所示各种常用工具和电动机硅钢片就是采用冲裁加工而成。这些工具的共同特点：平板类零件，形状比较简单，使用量大，生产批量大。思考这些工具加工的方法有哪些？如果采用模具生产，如何完成模具设计？模具设计与制造·20··20·2.1冲裁工艺设计基础(BasicofBlankingProcessDesign)2.1.1冲裁工艺(BlankingProcess)1．冲裁工艺概念冲裁是指利用装在压力机上的模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工艺。它可以直接冲出所需形状的零件，也可为其他工序制备毛坯(如弯曲、拉深等工序)。主要有冲孔、落料、切边、切口等工序。冲裁工艺分为普通冲裁和精密冲裁两大类。这里只介绍普通冲裁。2．冲裁工序分类冲裁工序的种类很多，昀常用的是冲孔和落料。板料经过冲裁以后，分为冲落部分和带孔部分，如图2.1所示。从板料上冲下所需形状的零件(毛坯)叫落料；在工件上冲出所需形状的孔叫冲孔(冲去部分为废料)。如图2.2所示垫片冲裁件。冲制外形属于落料；冲制内形属于冲孔。图2.1冲裁件示意图2.2垫片冲裁件2.1.2冲裁变形过程(DeformationProcessinBlanking)普通冲裁过程如图2.3所示，当冲裁间隙正常时，板料的冲裁变形过程可以分为以下3个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂阶段。图2.3冲裁变形过程1．弹性变形阶段如图2.3(a)所示，当凸模开始接触板料并下压时，变形区内产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形，这时凸模和凹模刃口分别略微挤入板料中。当凸模切入深度达到一定程度时，板料内应力达到弹性极限(此时sPσ)。现象：凸模下面的板料略有弯曲，凹模上面的板料开始上翘，若卸去凸模压力，板料第2章冲裁工艺与冲裁模·21··21·能够恢复原状，不产生永久变形。(只到弹性变形的极限，无塑性变形)2．塑性变形阶段如图2.3(b)所示，凸模继续下压，板料的内应力达到屈服极限，板料在与凸、凹模刃口接触处产生塑性变形，此时凸模切入板料，板料挤入凹模，产生塑性剪切变形，形成光亮的剪切断面。随着塑性变形加大，变形区的材料硬化加剧，冲裁变形力不断增大，当刃口附近的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，标志着塑性变形阶段结束(此时sPστ≤)。现象：凸模和凹模都切入板料，形成光亮的剪切断面。(发生塑性剪切变形，形成光亮带，但没有产生分离，没有裂纹，板料还是一个整体)3．断裂阶段如图2.3(c)所示，凸模继续下压，当板料的内应力达到强度极限(Pτ≥)时，在凸模、凹模的刃口接触处，板料产生微小裂纹。现象：应力作用下，裂纹不断扩展，当上、下裂纹汇合时，板料发生分离；凸模继续下压，将已分离的材料从板料中推出，完成冲裁过程。2.1.3冲裁件的断面特征(FractureSurfaceCharacteristicofBlankingPart)冲裁件的断面具有明显的区域性特征，在断面上明显地区分为圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个部分。如图2.4所示为冲孔件和落料件断面的四个区域。图2.4冲裁件断面1．圆角带(塌角区)圆角带是板料在弹性变形时，刃口附近的板料被牵连，产生弯曲和拉深变形而形成的。它在弹性变形时产生，塑性变形时定形。软材料比硬材料的圆角带大。2．光亮带光亮带是板料在塑性剪切变形时，凸、凹模刃口侧压力将毛料压平而形成的光亮垂直的断面，通常光亮带在整个断面上所占的比例小于1/3，是断面质量昀好的区域。板料的塑性越好，冲裁间隙越大，光亮带的宽度就越宽。3．断裂带断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，在断裂阶段产生的。断裂带是断面质量较差的区域，表面粗糙，且有斜度。塑性越差，冲裁间隙越大，断裂带越宽且斜度越大。模具设计与制造·22··22·4．毛刺(又称环状毛刺)毛刺是因为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，加之凸、凹模之间的间隙及刃口不锋利等因素，使金属拉断成毛刺而残留在冲裁件上。普通冲裁件的断面毛刺难以避免。凸模刃口磨钝后，在落料件边缘产生较大毛刺；凹模刃口磨钝后，在冲孔件边缘会产生较大毛刺；间隙不均匀，会使冲裁件产生局部毛刺。圆角带、光亮带、断裂带、毛刺四个部分在整个断面上所占比例不是固定的，随着材料的机械性能、凸模和凹模之间的间隙、模具结构等不同而变化。2.1.4冲裁件的工艺性(ProcessabilityofBlankingPart)1．冲裁件的结构工艺性(1)形状设计应力求简单、对称，同时应减少排样废料。如图2.5所示，如果图2.5(a)所示零件的外形要求不高，只有三个孔位要求较高，就可改为图2.5(b)所示形状，仍能保证三个孔的位置精度，这样冲裁时就可以节省材料。(a)(b)图2.5冲裁件形状对工艺性的影响(2)外形和内孔应避免尖角，用圆弧过渡。这样可便于模具加工，减少热处理变形或冲压时的模具工作零件的开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。过渡圆弧的昀小圆角半径rmin见表2-1。表2-1冲裁件的最小过渡圆角半径rmin零件种类黄铜、纯铜、铝合金钢软钢备注落料交角≥90°90°0.18t0.35t0.35t0.70t0.25t0.50t≥0.25mm≤0.50mm冲孔交角≥90°＜90°0.20t0.40t0.45t0.90t0.30t0.60t≥0.30mm≤6mm注：t为材料厚度，当t＜1mm时，均以t=1mm计。(3)要保证冲裁件的强度、凸模和凹模的强度。冲裁件尽量避免狭长的槽与过长的悬壁。图2.6所示的凸起和凹槽的宽度应保证b＞2t。若b值太小，则相应的凸模很薄，强度不足，甚至无法生产。应保证孔与孔之间的距离c′≥1.5t，孔与边缘之间的距离c≥t，否则会严重降低凹模的强度。第2章冲裁工艺与冲裁模·23··23·图2.6冲裁件的结构工艺性(4)冲孔时，孔径不能太小，以防止凸模折断或弯曲。可冲压的昀小的孔径有两种情况：表2-2所示为无导向凸模冲孔的昀小孔径；表2-3所示为带保护套凸模冲孔的昀小孔径。表2-2无导向凸模可冲孔的最小孔径材料圆形孔(直径d)方形孔(孔宽b)长圆形孔(直径d)矩形孔(孔宽b)钢，τ＞700MPa钢，τ=400～700MPa钢τ＜400MPa黄铜、铜铝、锌纸胶板、布胶板纸d≥1.5td≥1.3td≥1.0td≥0.9td≥0.8td≥0.7td≥0.6tb≥1.35tb≥1.2tb≥0.9tb≥0.8tb≥0.7tb≥0.7tb≥0.5td≥1.1td≥0.9td≥0.7td≥0.6td≥0.5td≥0.4td≥0.3tb≥1.2tb≥1.0tb≥0.8tb≥0.7tb≥0.6tb≥0.5tb≥0.4t注：τ为材料抗剪强度。表2-3带保护套凸模可冲孔的最小孔径材料圆形孔(直径d)矩形孔(孔宽b)硬钢软钢及黄铜铝、锌d≥0.5td≥0.35td≥0.3tb≥0.4tb≥0.3tb≥0.28t2．冲裁件的尺寸精度和表面粗糙度(1)尺寸精度。金属冲裁件的经济精度不高于IT11级。对于经济精度要求高的制件，外形尺寸应低于IT10级；内形尺寸应低于IT9级。内形尺寸精度取决于凸模刃口尺寸，制造容易一些，尺寸精度可比外形尺寸的精度高一级。冲裁件的尺寸公差、孔中心距的公差及孔对外缘轮廓的偏移公差分别见表2-4、表2-5、表2-6。非金属冲裁件内、外形的经济精度为IT14、IT15级。模具设计与制造·24··24·表2-4冲裁件内外形所能达到的经济精度基本尺寸/mm材料厚度t/mm≤33～66～1010～1818～500≤1IT11～IT13IT11＞1～2IT14IT12～IT13IT11＞2～3IT14IT12～IT13＞3～5—IT14IT12～IT13表2-5两孔中心距公差孔距基本尺寸/mm一般精度较高精度材料厚度t/mm≤5050～150150～300≤5050～150150～300≤1＞1～2＞2～4＞4～6±0.10±0.12±0.15±0.20±0.15±0.30±0.25±0.30±0.20±0.30±0.35±0.40±0.03±0.04±0.06±0.08±0.05±0.06±0.08±0.10±0.08±0.10±0.12±0.15表2-6孔中心与边缘距离尺寸公差孔距基本尺寸(孔中心与边缘距离)/mm材料厚度t/mm≤5050～120120～220220～360≤1＞1～2＞2～4±0.05±0.06±0.08±0.05±0.06±0.08±0.05±0.06±0.08±0.08±0.10±0.12(2)断面表面粗糙度。冲裁件的断面粗糙度一般为Ra=12.5～50mμ，昀高为50mRa=μ，见表2-7。表2-7一般冲裁件断面的表面粗糙度材料厚度t/mm≤11～22～33～44～5断面表面粗糙度mRa/μ3.26.312.525503．尺寸标注尺寸标注应符合冲压工艺的要求，如图2.7所示。图2.7(a)的标注形式不合理，因为两孔位置尺寸会随模具磨损而增大，孔心距误差会随着模具的磨损而增大；图2.7(b)标注形式，孔心距不受模具磨损的影响，比较合理。第2章冲裁工艺与冲裁模·25··25·图2.7尺寸标注示意2.2冲裁模典型结构(TypicalStructureofBlankingDie)2.2.1冲裁模的结构组成(StructureCompositionofBlankingDie)根据零部件在模具中的作用，冲裁模具结构一般由以下5个部分组成，如图2.8所示。1．工作零件工作零件指实现冲裁变形，使板料分离，保证冲裁件形状的零件。包括：凸模、凹模、凸凹模。工作零件直接影响冲裁件的质量，并且影响模具寿命、冲裁力和卸料力等。2．定位零件定位零件指保证条料或毛坯在模具中的位置正确的零件。包括：导料板、挡料销、导正销、侧刃、固定板(半成品的定位)等。3．卸料及推件零件卸料及推件零件指将冲裁后由于弹性回复而卡在凹模孔口内或紧箍在凸模上的工件或废料脱卸下来的零件。(1)紧箍在凸模上的工件或废料，用卸料板(刚性卸料或弹性卸料)。(2)卡在凹模孔口内的工件或废料，用推件装置或顶件装置。4．导向零件导向零件指保证上模和下模正确位置和运动导向的零件。一般由导柱和导套组成。采用导向装置可保证冲裁时，凸模和凹模之间间隙均匀，有利于提高冲裁件质量和模具寿命。5．连接固定类零件连接固定类零件是指将凸、凹模固定于上、下模座以及将上、下模座固定在压力机上的零件。如固定板(凸模、凹模)，上、下模座，模柄，推板，紧固件等。典型冲裁模结构一般由上述五部分零件组成，但不是所有的冲裁模都包含这五部分零件。冲模的结构取决于工件的要求、生产批量、生产条件和模具制造技术水平等诸多因素，因此模具结构是多种多样的，作用相同的零件其形状也不尽相同。模具设计与制造·26··26·图2.8导柱式单工序冲裁模1—下模座；2，15—销；3—凹模；4—销套；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；15，16，17—螺钉2.2.2冲裁模典型结构(TypicalStructureofBlankingDie)冲