第2章 冲裁工艺与模具设计

冲压工艺与模具设计StampingTechnologyandMouldDesign第2章冲裁工艺与模具设计2冲裁是使板料沿封闭曲线相互分离的一种冲压工序。冲裁变形过程冲裁主要是指落料和冲孔两种工序：落料——冲裁后封闭曲线以内的部分为零件，即落下的部分为零件。落料模冲孔——冲裁后封闭曲线以外的部分为零件，即落下的部分为废料。冲孔模冲裁是冲压生产中的主要工序之一，有两种用途：直接冲制成品零件为弯曲、拉深、翻边、胀形等其它成形工序制备毛坯第2章冲裁工艺与模具设计3【主要内容】冲裁变形机理冲裁件质量及影响因素冲裁模间隙的确定冲裁模刃口尺寸的确定冲裁力的计算及降低冲裁力的措施冲裁件排料【重点】冲裁变形机理冲裁件质量及影响因素冲裁模刃口尺寸的确定第2章冲裁工艺与模具设计4一、冲裁时材料所受的力和变形区1．受力情况无压紧装置冲裁时板料的受力图：2.1冲裁变形机理5由图可知，冲裁时板料受到如下力的作用：-凸、凹模端面对板料的压力（垂直作用力），产生剪切作用；-由于凸、凹模之间的间隙的存在，不在同一垂直线上而产生的弯矩，产生弯曲作用；-凸、凹模对板料的侧压力，产生横向挤压作用；-凸模端面与侧面的摩擦力；-凹模端面与侧面的摩擦力。2.1冲裁变形机理21FF、21FF、M21FF、11FF、22FF、6由于间隙的存在，剪切面发生偏转，如图所示：剪切面上除剪切力外，还有拉力作用。2.1冲裁变形机理由上面分析可知：冲裁时板料受到垂直方向压力(产生剪切力)、横向挤压力、摩擦力、弯矩和拉力的作用，因此其变形是比较复杂的，变形不是纯剪切过程，还有弯曲、拉伸和挤压等附加变形。72．冲裁时的变形区冲裁-变形过程以上、下刃口连线为中心的纺锤形区域是主要变形区，从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。当凸模挤入板料后，新形成的纺锤形变形区被已经变形而硬化了的区域所包围。2.1冲裁变形机理8二、冲裁变形过程从凸模接触板料到板料被一分为二的过程即板料的冲裁变形过程，是在瞬间完成的。这个过程可分为三个阶段：弹性变形阶段塑性变形阶段断裂分离阶段冲裁-变形过程裂纹的起点是在刃口侧面距刃尖很近的板料处，裂纹先从凹模一侧开始，然后才在凸模刃口侧面产生。2.1冲裁变形机理9三、冲裁时的应力状态分析A、B、D、E四个特征点：2.1冲裁变形机理A点：－板料内层弯曲与凸模侧压力引起径向压应力；－板料内层切向弯曲引起的压应力与侧压力在切向引起的拉应力所合成的压应力；－凸模下压引起的轴向拉应力。——A点处于三向应力状态，平均应力为拉应力。123102.1冲裁变形机理B点：－板料内层弯曲引起的径向压应力；－板料内层切向弯曲引起的压应力；－凸模下压引起的轴向压应力。——B点处于三向压应力状态，平均应力为压应力。123112.1冲裁变形机理123D点：－板料外层弯曲引起的径向拉应力；（较小）－板料外层切向弯曲引起的拉应力；（较小）－凹模端面挤压板料引起的轴向压应力。（较大）——D点处于三向应力状态，平均应力为压应力。123122.1冲裁变形机理123E点：－板料外层弯曲在径向引起的拉应力与凹模侧压力在径向引起的压应力的合成，可能是拉应力或压应力，取决于间隙大小；（趋向于拉）－板料外层弯曲在切向引起的拉应力与凹模侧压力在切向引起的压应力的合成，可能是拉应力或压应力，取决于间隙大小；（趋向于拉）－凸模下压引起的轴向拉应力（凹模侧面的摩擦力）。——E点为三向应力，平均应力为拉应力。123132.1冲裁变形机理由上述分析可知：剪切区不同部位的应力状态是不同的，这也就决定了剪切区不同部位不是同时满足塑性条件，也不是同时达到材料的破坏应力而产生裂纹的。在这四个部位中，A、E两点的平均应力为拉应力，因此裂纹应在这两点处产生。另外，由于板料弯曲使A点的材料在切向、径向受到两向压缩，而使E点的材料在切向、径向受到两向拉伸，从而使E点的平均拉应力大于A点的平均拉应力，故裂纹首先在凹模刃口侧面(E处)产生。14四、冲裁断面特征冲裁断面具有明显的区域性特征，可分为圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区：2.1冲裁变形机理152.1冲裁变形机理圆角带——刃口附近的材料被牵连拉入产生弯曲和伸长变形的结果。光亮带——模具挤压、切入材料使其产生塑性变形而形成的，是整个断面上质量最好的部分。断裂带——刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展断裂而形成的，其表面粗糙且带有锥度。毛刺——断裂带周边上形成的不规则的撕裂毛边。162.1冲裁变形机理◇各部分所占比例随材料的机械性能、料厚、刃口锋利程度、模具结构及凸、凹模间隙等方面的不同而变化。塑性差的材料，断裂倾向严重，断裂带增宽，光亮带、圆角带所占比例较小，毛刺也小。塑性好的材料则相反。◇要提高冲裁件断面质量，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实现。17冲裁件质量指标包括：断面质量、尺寸精度及形状误差。冲裁断面应平直，光亮带应占较大的比例，尺寸及制件外形应满足图纸要求，表面尽可能平整。一、影响断面质量的因素影响因素很多，主要因素有：间隙大小及分布均匀性材料性质模具刃口锋利程度模具制造精度2.2影响冲裁件质量的因素182.2影响冲裁件质量的因素1.材料性能的影响塑性好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，光亮带所占比例大，圆角、毛刺和穹弯也较大，而断裂带则窄一些。对塑性差的材料则相反。2．模具间隙的影响间隙是影响断面质量的主要因素。间隙对断面质量的影响分析：冲裁-断面质量断面质量与裂纹的走向有关。只有当凸、凹模间隙适当时，上、下两条裂纹才重合，此时零件断面斜度很小，比较平直、光滑，毛刺小，且无裂纹分层。192.2影响冲裁件质量的因素当间隙过小时，凸模刃口附近的裂纹位置比正常间隙时向外错开一段距离，上、下裂纹产生后，各自进入凸、凹模端面的压应力区而停止发展，并且上、下裂纹之间的材料随凸模继续下压将产生第二次剪切，出现第二光亮带——双光亮带。在两个光亮带之间形成断裂带。当间隙过大时，凸模刃口处的裂纹位置较正常间隙向里错开一段距离，上、下裂纹也不重合，且随凸模的下压，裂纹之间的材料产生第二次拉裂，断面上便出现了两个锥度——双锥度。202.2影响冲裁件质量的因素另外，若模具间隙不均匀，在间隙不合理处将出现较大毛刺，断面质量差。因此设计、制造与安装模具时必须保证间隙分布均匀。3．模具刃口锋利情况的影响当模具刃口磨损成圆角而变钝时，刃口与材料接触的面积增加，应力集中效应减轻，挤压作用增大，从而延缓了裂纹的产生，因此制件圆角大，光亮带宽，但毛刺高度也加大。212.2影响冲裁件质量的因素二、影响尺寸精度的因素主要因素：模具制造精度与磨损、冲裁间隙及材料性能等。1.模具制造精度与磨损由于落料件尺寸取决于凹模刃口尺寸，冲孔件尺寸取决于凸模刃口尺寸，因此模具的尺寸要求必须根据零件的尺寸精度要求来定，否则得不到所要求的零件。222.2影响冲裁件质量的因素一般模具的制造精度要比零件精度高2～4级，设计时可参考下表：232.2影响冲裁件质量的因素2．间隙的影响间隙对冲裁件尺寸的影响规律与间隙大小变化时变形区应力状态产生不同变化有关：变形区应力状态不同，弹性回复的大小和方向也就不同。间隙对零件尺寸精度影响的一般规律及原因分析：冲裁-尺寸精度242.2影响冲裁件质量的因素当时，冲孔件尺寸凸模尺寸、落料件尺寸凹模尺寸。这是因为间隙较大时，变形区材料的径向拉应力较大，冲裁时伸长弹变大，冲裁后必然回缩。当时，冲孔件尺寸凸模尺寸、落料件尺寸凹模尺寸。这是因为间隙较小时，变形区材料的径向压应力较大，冲裁时压缩弹变大，冲裁后必然伸展。0ZZ0ZZ252.2影响冲裁件质量的因素3.材料性质、轧制方向及料厚的影响影响到冲裁时弹性变形量的大小。塑性越好，弹性变形量越小，冲裁后误差越小。平行于轧制方向的误差小于垂直于轧制方向的误差。零件的厚度越大，弹性变形量越小，冲裁后误差越小。262.2影响冲裁件质量的因素三、影响形状精度的因素冲裁件的形状误差主要是指工件的平面度和圆形工件的圆度。影响圆形轮廓工件圆度的原因主要是凸凹模间隙不均匀、模具刃口形状误差及板料的各向异性等。影响工件平面度的原因主要是冲裁过程中板料的残余弯曲变形（穹弯），而残余弯曲变形的大小与材料性质及模具间隙有很大关系，大、大、小→残余弯曲变形大。采用压料装置及对凸模下方的板料加反向压力，可以有效减小穹弯。Zns272.3冲裁模间隙的确定冲裁模间隙是制定冲裁工艺及设计模具时要确定的一个非常重要的参数。确定方法——理论确定法和经验确定法。1．理论确定法（计算法）依据——保证上、下裂纹重合，连成一条线，以获得良好的冲裁断面。图示为冲裁过程中产生微裂纹的瞬时状态:由几何关系可得：tan12tan2ththtZ282.3冲裁模间隙的确定由此可知：合理间隙大小与材料厚度、相对压入深度以及裂纹方向角有关。而相对压入深度以及裂纹方向角又与材料性质有关，因此，影响间隙值的主要因素是材料的性质和板料厚度。2．经验确定法——分类按使用要求及材料性质、板料厚度确定一个适当的范围作为合理间隙值。只要凸、凹模之间的间隙在此范围内，就能冲裁出合格的冲压件。设计和制造冲裁模时，应考虑到模具在使用中因磨损而使间隙增大，故应按最小合理间隙值作为模具的初始间隙。292.4凸、凹模刃口尺寸的计算——冲裁模设计中的一项重要工作一、计算原则1．保证冲出合格的零件（——考虑冲裁变形规律）①冲孔时应以凸模为基准件，落料时应以凹模为基准件。②冲孔模间隙取在凹模上，落料模间隙取在凸模上。2．保证模具有一定使用寿命（——考虑磨损规律）①新模具的间隙应是最小的合理间隙，磨损到最大合理间隙。②对落料模，凹模刃口尺寸应等于或接近零件的最小极限尺寸；对冲孔模，凸模刃口尺寸应等于或接近孔的最大极限尺寸。302.4凸、凹模刃口尺寸的计算3.合理确定模具的尺寸精度（——考虑冲模制造成本）模具刃口尺寸公差的确定可参照表2-10。一般情况下可取为工件相应公差的1/3～1/4。若工件为未注公差，对于非圆形件冲模按制造；对于圆形件,因模具刃口制造容易,可按确定。11IT7~6IT312.4凸、凹模刃口尺寸的计算二、计算方法制造冲模的关键是控制凸、凹模刃口尺寸及其合理间隙。按加工方法不同分为两种:1．凸模与凹模分别加工适用于圆形或简单规则形状的冲裁件，其计算公式如下：冲孔时：凸模刃口尺寸（基准件）凹模刃口尺寸（偏差按入体原则布置）0minTppxddTddZxdd0minmin322.4凸、凹模刃口尺寸的计算落料时：凹模刃口尺寸（基准件）凸模刃口尺寸－磨损量-工件尺寸公差磨损系数值在之间，与零件制造精度有关。注意：采用分别加工法时，需分别标注凸、凹模刃口尺寸及公差。为保证合理间隙，凸、凹模刃口尺寸公差必须满足下列条件：或取TddxDD0max0minmaxTppZxDDx1~5.0minmaxZZTTdpminmax4.0ZZTpminmax6.0ZZTdx332.4凸、凹模刃口尺寸的计算若需一次冲制有孔心距要求的多个孔，由于孔心距的尺寸精度由凹模孔心距保证，而磨损并不影响孔心距的变化，故凹模孔心距的基本尺寸直接取为工件孔心距尺寸的平均值，公差取为工件孔距公差值的1/4，按对称偏差布置：工件孔心距的标注凹模孔心距的标注342.4凸、凹模刃口尺寸的计算2．凸模与凹模配合加工——配制配合加工——先按设计尺寸制造基准件，然后再根据基准件的实际尺寸按要求的间隙值配制另一件。——模具间隙由配制保证，模具公差不受间隙的限制，因而模具的制造容易。（1）基准件尺寸的确定对于形状复杂的冲裁件，磨损后刃口尺寸变化情况不一致，有变大、变小及不变三种情况，应注意区分，区别对待。352.4凸、凹模刃口尺寸的计算◆冲孔模基准件为凸模图a)为冲孔尺寸，对应的凸模刃口尺寸如b)图所示：36