第二章冲裁工艺及冲裁模具的

第二章冲裁工艺及冲裁模具的设计（重点）主要内容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。重点、难点重点：冲裁变形的过程冲裁件的工艺性分析，确定冲裁件工艺方案冲裁模凸、凹模刃口尺寸计算原则和方法冲裁模的典型结构、组成、工作过程分析。难点：冲裁件的工艺性分析，确定冲裁件工艺方案冲裁模凸、凹模刃口尺寸计算原则和方法冲裁模的工作过程分析。教学要点【目的要求】1、冲裁变形的过程2、冲裁断面的四个区域3、冲裁间隙与冲裁断面质量的关系4、合理冲裁间隙的确定2.1冲裁基本概念教学要点【重点】1、冲裁变形的过程2、冲裁断面的四个区域3、冲裁间隙与冲裁断面质量的关系【难点】1、冲裁间隙与冲裁断面质量的关系冲裁---用冲模沿封闭轮廓曲线冲切，使材料一部分相对于另一部分发生分离，从而获得一定形状及尺寸的工件或半成品的冲压工序。冲裁可分为冲孔和落料。若冲裁的目的是为获取有一定外形轮廓和尺寸的冲落部分叫落料；若冲裁的目的是为获取一定形状和尺寸的内孔则是冲孔。分类:普通冲裁、精密冲裁a)弹性变形阶段b）塑性变形阶段c）断裂分离阶段一、冲裁变形过程板（带）料在凸、凹模之间被剪切、使板料产生分离的变形过程，称冲裁变形过程。变形过程可分为三个阶段。见下图。a)弹性变形阶段如图(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。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)。b）塑性变形阶段如图(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)c）断裂分离阶段如图(c)所示，凸模继续下压，当板料的内应力达到强度极限时，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。二、冲裁件的剪切断面特征由于冲裁变形的特点，不仅使冲出的制件或孔有毛刺，而且使其剪切断面具有四个部分。圆角带a：是塑性变形阶段纤维的拉伸与弯曲所形成的，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。光亮带b：是塑性变形阶段凸模挤入材料，材料挤入凹模所形成的，其断面光亮垂直，通常占全断面的1/2～1/3。材料塑性好，模具间隙小，光亮带所占比例大。断裂带c：是断裂阶段凸凹模刃口处的微裂扩展而形成的，其断面粗糙、有斜度。塑性越差，冲裁间隙越大，断裂带越宽且斜度越大。毛刺带d：是断裂阶段材料拉断后的纤维延伸而形成的，毛刺太大影响冲件质量。图2-2冲裁断面状态三、冲裁间隙与冲裁断面质量的关系1、模具间隙冲裁凸模与凹模之间的间隙又称冲裁间隙。是指凹模与凸模刃口横向尺寸的差值。凹模与凸模每一侧的间隙称单边间隙；两侧间隙之和称双边间隙，无特殊说明时，冲裁间隙指双边间隙，通常用Ｚ表示。dDpDZ=Dd-DpＺ＝Ｄd-Dp式中：Ｚ———双面间隙Ｄd——凹模刃口尺寸dp——凸模刃口尺寸凸、凹模间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响。因此，冲裁间隙是一个非常重要的工艺参数。dDpD2、间隙对冲裁断面质量和模具寿命的影响当间隙过小时，如图2-4）所示，上、下裂纹互不重合，两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带，造成潜伏裂纹（夹层）。摩擦磨损严重，模具寿命低（冲硬质材料更为突出）。光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度、曲翘、穹弯等弊病都有所减小，制件质量较高。合理间隙间隙过小间隙过大当间隙过大时，上，下裂纹仍然不重合，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，断裂带、圆角带增宽，毛刺和斜度较大，穹弯、翘曲现象显著。对于厚材料，圆角带增宽更为突出，毛刺更长。因弹性回复会使外尺寸缩小，内尺寸增大：推料力与卸料力大为减小，甚至为零。模具寿命较高。合理间隙间隙过小间隙过大3、间隙对冲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基本尺寸的差值。包括两个方面的偏差，一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，一是模具本身的制造偏差。当凸、凹模间隙较大时，材料所受拉伸作用增大，冲裁完成后落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径。（实体产生收缩）当凸、凹模间隙较小时，由于材料受凸、凹模压力大。使落料件尺寸增大，冲孔孔径变小。（实体产生扩张）dDpD四、合理间隙的确定由以上分析可见，凸、凹模间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响。因此，设计模具时一定要选择一个合理的初始间隙。初始间隙：为模具制造成功时所存在的间隙，也是设计时所选用的间隙。1.间隙的确定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。2.合理间隙的取值与许多因素有关，其中最主要的是材料的机械性能和板料度。3.确定合理间隙的方法：1）经验确定法（例）2）查表法。（例）考虑到模具制造中的偏差和模具的磨损情况，生产中通常选择一个适当的范围作为合理的初始间隙，只要初始间隙在这个范围内，就可冲出良好的制件这个范围称为最小初始间隙Zmin和最大初始间隙Zmax。1)经验确定法Zmin=ct式中，Zmin——最小冲裁间隙，mm；c——系数(当t3mm时，c=6%～12%；当t3mm时，c=15%～25%。材料软时，取小值；材料硬时，取大值。目的是为了减小冲裁力)；t——板料厚度，mm。2)查表法教学要点【目的要求】1、冲裁件的工艺分析2、凸、凹模刃口尺寸计算3、冲裁排样与定位元件4、冲压力5、模具压力中心的计算2.2冲裁模设计与有关工艺计算教学要点【重点】1、冲裁件的工艺分析2、凸、凹模刃口尺寸计算方法3、冲裁件排样【难点】1、凸、凹模刃口尺寸计算方法2、模具压力中心一、冲裁件的工艺分析冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。所谓冲裁工艺性好是指能用普通冲裁方法，在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。一般情况下，对冲裁件工艺性影响最大是几何形状、尺寸、精度要求。良好的冲裁件工艺性能满足材料省、工序少、产品质量稳定、模具较易加工、操作方便且寿命较高等要求，从而显著降低冲裁件的制造成本。冲裁件的结构工艺性冲裁件的工艺性，是指冲裁件对冲压工艺的适应性。冲裁件的工艺性对冲裁件质量、材料经济利用、生产率、模具制造及使用寿命等都有很大影响。因此，在设计中应尽可能提高其工艺性。冲裁件的工艺性主要包括以下几个方面。冲裁件的形状和尺寸裁件的尺寸精度与表面粗糙度冲裁件尺寸标注冲裁材料1.冲裁件的形状和尺寸冲裁件的形状应尽可能简单、对称应尽量避免窄长的悬臂和凹槽冲裁件上孔与孔之间、孔到零件边缘的距离，一般要求b≥1.5t;b1≥2t冲裁件的内、外形转角处应避免尖锐的转角，应有适当的圆角普通冲裁模的最小冲孔直径应大于板材的厚度t1.冲裁件的形状和尺寸1）冲裁件的形状应尽可能简单、对称，以圆形、矩形等规则几何形状组成的几何图形较佳，这样使排样时废料最少。2）冲裁件上应尽量避免窄长的悬臂和凹槽，最好b2t、l≤5t。3)冲裁件上孔与孔之间、孔到零件边缘的距离，一般要求b≥1.5t;b1≥2t.4）冲裁件的内、外形转角处应避免尖锐的转角，应有适当的圆角，一般应有r0.5t(t为板料厚度)的圆角。5)因受凸模强度和稳定性的限制，冲裁件的孔不能太小,普通冲裁模的最小冲孔直径应大于板材的厚度t。说明:冲裁件形状应尽可能设计成简单、对称，使排样时废料最少。问题：a）好？b好？端头圆弧尺寸的腰鼓形冲压件，，如若采用两侧无废料排样，如图2-19所示，R=b/2时，当条料出现正偏差就会使两端产生台阶（图2-19b）因而最好取R(b+Δ)/2（图2-19c）。在弯曲件或拉深件上冲孔时，其孔壁与工件壁之间应保持一定的距离（图2-20），若距离太小，冲孔时会使凸模受水平推力而折断。2、裁件的尺寸精度与表面粗糙度冲裁件的精度一般可分为精密级与经济级两类。精密级是指冲压工艺在技术上所允许的最高精度；而经济级是指模具达到最大许可磨损时，其所完成的冲压加工在技术上可以实现而在经济上有最合理的精度。为降低冲压成本，获得最佳的技术经济效果，在不影响冲裁件使用要求的前提下，应尽可能采用经济精度。（1）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。（2）冲裁件的断面粗糙度与材料塑性、材料厚度、冲裁模间隙、刃口锐钝及冲模结构等有关。当冲裁厚度为2mm以下的金属板料时，其断面粗糙度Ra一般可达12.5~3.2μm。3、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。4、冲裁材料取决于零件要求尽可能“廉价代贵重，薄料代厚料，黑色代有色”采用国家标准规格材料典型案例分析1）垫圈：无悬臂狭槽，孔边距较大，无尖锐转角，孔径较大；制件尺寸精度较低，无粗糙度要求；材料为普通碳素钢，冲裁性能较好，但容易产生毛刺。2）电机定子：制件结构复杂，形状对称，无悬臂狭槽，孔边距较大；材料为电工硅钢，材料具有一定的脆性。电机定子外形R3圆弧处锐角3）录音机机芯暂停杆展开件：材料为镀锌20F制件结构复杂，形状不对称；孔边距较小；制件转角未注半径为0.3mm。录音机机芯转录杆展开件课堂作业及讨论材料：Q235厚度：2生产纲领：大批量凸凹模最小壁厚：2完成下图工件的工艺性分析二、凸、凹模刃口尺寸计算1、凸、凹模刃口尺寸计算原则在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔件孔径是以小端尺寸为基准。由于凸、凹模之间存在间隙，所以冲裁件断面都是带有锥度的，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲裁件的小端尺寸等于凸模尺寸。冲裁过程中，凸、凹模要与冲裁零件或废料发生摩擦，凸模越磨越小，凹模越磨越大，结果使间隙越用越大，故计算时取最小间隙。确定冲模刃口制造公差时,应与冲裁件的尺寸精度相适应，偏差值按“入体”原则标注单向公差。1-落料工件2-落料凹模3-凹模磨损线4-材料5-落料凸模图2-67冲裁件与凸、凹模尺寸的关系（1）落料模先确定凹模尺寸其标称尺寸应取接近或者等于制件的最小极限尺寸，以保证凹模磨损到一定尺寸范围内，也能冲出合格制件，凸模刃口的标称尺寸比凹模小一个最小合理间隙。minZDDdp公称工件工件公称maxminDDDd6-冲孔凸模7-凸模磨损线8-冲孔工件9-冲孔凹模图2-67冲裁件与凸、凹模尺寸的关系（2）冲孔模先确定凸模刃口尺寸，其标称尺寸应接近或者等于制件的最大极限尺寸，以保证凸模磨损到一定尺寸范围内，也能冲出合格的孔。凹模刃口的标称尺寸应比凸模大一个最小合理间隙。minZddpd公称工件工件公称minmaxdddp（3）选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，既要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。一般冲裁件精度较工件精度高2～3级。若零件没有标注公差，则按国家标准非配合尺寸的IT10-14级精度来处理2、凸、凹模冲裁间隙的获得1）分开加工法（互换法加工）：互换性：通过零件的精度来保证装配精度的一种装配方法。装配时零件不需要进行任何选择、修配或调节就可以达到规定的装配精度要求.特点：装配工作简单，生产率高，有利于产品的维修。适用