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第3章冲裁工艺及冲裁模具设计3.1冲裁过程与冲裁件质量3.2冲裁模间隙内容简介：冲裁是最基本的冲压工序，本章是本课程的重点。在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上，介绍冲裁工艺计算、工艺方案制定和冲裁模设计。涉及冲裁变形过程分析、冲裁件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲裁力与压力中心计算、冲裁工艺性分析与工艺方案制定、冲裁典型结构、零部件设计及模具标准应用、冲裁模设计方法与步骤等。学习目的与要求：1．了解冲裁变形规律、变形过程；2．了解冲裁件质量及影响因素；重点：1．冲裁变形过程及变形规律；2．冲裁件断面质量；3．冲裁间隙及合理间隙的确定。难点：1．冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；2．冲裁件的质量及影响因素；3．合理间隙的确定。冲裁是冷冲压技术中的一项重要内容，它在冲压生产中所占的比例非常大，有着非常重要的地位。冲裁不仅可以直接在平板毛坯上进行，还可在弯曲、拉伸等半成品上进行，作为这些工序的后续工序。冲裁：就是指利用模具在压力机上使材料与制件沿一定的轮廓线产生相互分离的工序。广义上来讲，冲裁包括了所有的分离工序。但一般情况下，冲裁主要是指冲孔和落料两大工序。落料：是指材料沿封闭的轮廓线产生完全的分离，冲裁轮廓线以内的部分为制件，以外的部分为废料；冲孔：材料沿封闭的轮廓线产生完全的分离，冲裁轮廓线以外的部分为制件，以内的部分为废料。如冲压内径为d、外径为D的垫圈制件，获得内径d的过程为冲孔，获得外径D的过程为落料。所以一个简单的垫圈制件是由落料与冲孔两个工序结合而成的。3.1冲裁过程与冲裁件质量3.1.1冲裁变形过程图3-1冲裁过程示意1—模柄2—凸模3—条料4—凹模5—下模座冲裁过程如图3-1所示。当条料送入凸模与凹模之间后，凸模下压，在凸模和凹模共同作用下，使材料产生分离。整个过程可以分为三个阶段：1.弹性变形阶段：当凸模施加给材料的作用力没有超过材料的屈服极限时，此时，如果凸模回程，板料即恢复平直的原始状态，此阶段为弹性变形阶段。图3-2Ⅰ2.塑性变形阶段：凸模继续下行，施加于材料的作用力超过了材料的屈服极限，这时，凸模挤入材料一圈，同时，材料也挤入凹模，由于材料反抗凸模及凹模的挤入，产生弯矩M，在弯矩M的作用下材料产生弯曲，材料各部分应力状态如图3-2Ⅱ。图3-2冲裁变形过程3.断裂分离阶段：随着施加于材料力的不断增大，凹模刃口附近材料所受应力首先达到最大值，因而出现裂纹，但这时凸模刃边处的材料还处于塑性状态，因此，凸模继续挤入材料。如图3-2Ⅲ当此处材料所受力也达到材料的抗剪强度时，也会产生裂纹。如果间隙适当时，上下裂纹扩展并重合，直到材料分离，从而获得制件。如图3-2Ⅳ。最后，凸模继续下行，将制件推下。如图3-2Ⅴ从上述过程可以看出，任何一种材料的冲裁，都要经过弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段，只是由于冲裁条件的不同，三种变形所占的时间比例各不相同。3.1.2冲裁件断面分析冲裁过程的材料变形是很复杂的，由图3-2可以看出，冲裁除剪切变形外，还有拉伸、弯曲、横向挤压等变形。由于它的复杂应力与应变，而造成了冲裁件断面的变化。一般来说，冲裁断面可划分为四个区域：塌角、光面、毛面、毛刺。下面以普通冲裁时的落料件为例说明各区的分布情况。如图3-3所示1.塌角：由于模具间隙的存在，冲压时，材料进入凹模时产生弯曲力矩，从而在制件上产生弯曲圆角区。2.光面：由于冲裁时存在塑性变形，凸模挤压切入材料，在制件断面形成表面光洁平整的光面。光面是制件质量最好的部分，是制件测量的基准。图3-3冲裁区应力、变形情况及冲裁断面状况a—塌角b—光面c—毛面d—毛刺σ—正应力τ—剪切应力3.毛面：由于裂纹扩展而使材料撕裂产生分离，从而形成表面粗糙并带有一定锥度的断裂区。4.毛刺：在凸模与凹模刃口处首先产生的微裂纹随着凸模的下降而形成毛刺，凸模继续下降，毛刺拉长，最后残留在制件上。一般毛刺的高度应控制在料厚的10%以下为合适，精度要求高的制件应控制在5%以下。落料时各区域的位置与冲孔正好相反。冲裁断面的四个区域在断面上所占的比例不是一成不变的，随着材料性质、厚度、模具结构及使用情况的不同而变化。3.2冲裁模间隙3.2.1间隙的概念如图3-4所示，凸模与凹模工作部分的尺寸之差称为间隙。冲裁模间隙都是指的双面间隙。间隙值用字母Z表示。Z=DA－DT（3-1）式中Z—冲裁间隙，单位为mm；DA－凹模尺寸，单位为mm；DT—凸模尺寸，单位为mm；图3-4冲裁模间隙3.2.2冲裁间隙的重要性1.冲裁间隙对冲裁件质量的影响冲裁件质量包括断面质量、尺寸精度、表面平直度等。影响质量的因素有很多，如材料的性能、模具制造的精度、冲裁间隙、冲裁条件等。本部分主要讨论冲裁间隙对冲裁件质量的影响。图3-5间隙大小对工件断面质量的影响（1）间隙对断面质量的影响由冲裁变形过程的分析可知，冲裁时上下裂纹不一定从两刃口同时发生。冲裁间隙值的大小对冲裁时上下裂纹的重合与否有直接的影响。模具间隙合理时，凸模与凹模处的裂纹（上下裂纹）在冲压过程中相遇并重合，此时断面如图3-5（b）所示，其塌角较小，光面所占比例较宽，对于软钢板及黄铜约占板厚的三分之一左右，毛刺较小，容易去除。断面质量较好；间隙过大时，凸模刃口处的裂纹较合理间隙时向内错开一段距离，如图3-5（c）所示，上下裂纹未重合部分的材料将受很大的拉伸作用而产生撕裂，使塌角增大，毛面增宽，光面减少，毛刺肥而长，难以去除，断面质量较差；间隙过小时，凸模与凹模刃口处的裂纹较合理间隙时向外错开一段距离，如图3-5（a）所示，上下裂纹中间的一部分材料，随着冲裁的进行将进行二次剪切，从而使断面上产生二个光面，并且，由于间隙的减小而使材料受挤压的成分增大，毛面及塌角都减少，毛刺变少，断面质量最好。因此，对于普通冲裁来说，确定正确的冲裁间隙是控制断面质量的一个关键。图3-6间隙与弹性变形的关系（2）冲裁间隙对尺寸精度的影响冲裁加工时，由于冲压力的影响，凹模刃口部分不可能严格维持无载荷的形状和尺寸。同时，从前述的分析也知，材料在冲裁过程中会产生各种变形，从而在冲裁结束后，会产生回弹，使制件的尺寸不同于凹模和凸模刃口尺寸。其结果，有的使制件尺寸变大，有的则减小。其一般规律是间隙小时，落料件尺寸大于凹模尺寸，冲出的孔径小于凸模尺寸；间隙大时，落料件尺寸小于凹模尺寸，冲出的孔径大于凸模尺寸。其尺寸变化量的大小与材料性质、料厚及轧制方向等因素有关。图3-6显示了在一定条件下模具间隙与弹性变形的关系：在图a中，当间隙小于5%时，制件尺寸随间隙的增大而减小；当间隙为5~25%时，则其尺寸变化不大；当间隙天于25%时，其尺寸再次变小。然而，当间隙小于2%时，制件尺寸比凹模刃口大。同时，在一般情况下，间隙越小，制件的尺寸精度也越高，如图3-7所示。2.冲裁间隙对冲压力的影响冲裁力随着间隙的增大虽然有一定程度的降低，但当单边间隙在5%~10%料厚时，冲裁力降低并不明显，因此，一般来说，在正常冲裁情况下，间隙对冲裁力的影响并不大，但间隙对卸料力、推件力的影响却较大。间隙较大时，卸料及推料时所需要克服的摩擦阻力小，从凸模上卸料或从凹模内推料都较为容易，当单边间隙大到15%~20%料厚时，卸料力几乎等于零。图3-7间隙与冲裁件精度的关系3.冲裁间隙对冲模寿命的影响间隙是影响模具寿命的主要因素，由于冲裁时，凸模与凹模之间，材料与模具之间都存在摩擦。而间隙的大小则直接影响到摩擦的大小。间隙越小，摩擦造成的磨损越严重，模具寿命就越短，而较大的间隙，可使摩擦造成的磨损减少，从而提高了模具的寿命。综上所述，冲裁间隙较小，冲裁件质量较高，但模具寿命短，冲压力有所增大；而冲裁间隙较大，冲裁件质量较差，但模具寿命长，冲压力有所减少。因此，选择合理的间隙值的总的原则是：在满足冲裁件质量的前提下，间隙值一般取偏大值，这样可以降低冲裁力和提高模具寿命。1．合理间隙的确定因为间隙对冲裁件质量、冲裁力、模具寿命都有影响。因此，在设计和制造模具时，一定要选择一个合理间隙值。考虑到模具制造的精度及使用过程中的磨损，生产中通常是选择一个适当的范围作为合理间隙。这个范围的最小值称最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙。只要在这个范围内的间隙，都能冲出合格的制件。由于模具在使用中的磨损使间隙增大，故设计与制造时要采用最小合理间隙值。确定合理间隙值的方法有理论计算法、经验确定法二种。（1）理论计算法该方法的理论依据是保证上下裂纹重合，以获得良好的断面质量。根据图3-7的几何关系可得：图3-8冲裁时产生裂纹的瞬时状态表3-1h0/t与β值材料h0/tβ退火硬化退火硬化软钢、紫铜、软黄铜中硬钢、硬黄铜硬钢、硬黄铜0.50.30.20.350.20.16°5°4°5°4°4°Z=2(t-h0)tgβ=2t(1-th0)tgβ(3-2)式中t—料厚（mm）h0—产生裂纹时凸模挤入的深度（mm）h0/t—产生裂纹时凸模挤入的相对深度，查表3-1β—最大剪应力方向与垂线间的夹角，查表3-1由上式可知：间隙值的大小Z主要与材料厚度t、相对切入深度h0/t及裂纹方向β有关。而h0和β又与材料性质有关，材料越硬，h0/t越小，因此，影响间隙值的主要因素是材质与料厚。材料越硬越厚，其所需合理间隙值越大。反之则越小。由于理论计算法在生产中使用不方便，故目前广泛使用经验公式及查表确定。（2）经验确定法根据使用经验，在确定间隙值时要根据要求分类使用。如电子电器行业，对制件的质量要求较高，因此，其合理间隙值取得偏小；而对于汽车拖拉机行业来说，对制件的质量相对来说要求不是很高，这时，应以降低冲裁力，提高模具寿命为主，其合理间隙值取得偏大一些。采用大间隙时应注意：为了保证制件平整，一定要有压料与顶件装置；为了防止凸模夹带废料，最好在凸模上开通气孔或装弹性顶件钉。根据实际情况,合理间隙可查冲压设计资料。3．3凸模与凹模刃口尺寸的确定学习目的与要求：1．掌握冲裁模刃口尺寸计算原则；2．掌握冲裁模刃口尺寸计算方法。重点：1．凸模与凹模刃口尺寸计算原则；2．刃口尺寸计算原则和方法。难点：配合加工法计算凸模与凹模刃口尺寸。3.3凸模与凹模刃口尺寸的确定冲裁件的尺寸精度主要是由冲模的制造精度决定的。即取决于凸模与凹模的刃口尺寸。因此，正确确定凸模和凹模的刃口尺寸和公差，是冲裁模设计的一项重要工作。3.3.1凸模与凹模刃口尺寸确定的原则我们已经知道，冲裁件的断面有圆角、光面、毛面和毛刺四个部分。而在冲裁件的测量与使用中，都是以光面的尺寸为基准的。根据观察与分析，落料件的尺寸接近于凹模尺寸，而冲孔件的尺寸接近于凸模尺寸。故计算凸模与凹模刃口尺寸时，应按落料与冲孔两种情况分别进行。其计算原则如下：1.落料时以凹模尺寸为基准，即先确定凹模尺寸。考虑到凹模尺寸在使用过程中因磨损而增大，故落料件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸，而落料凸模的基本尺寸，则按凹模基本尺寸减最小初始间隙。2.冲孔时以凸模尺寸为基准，即先确定凸模尺寸。考虑到凸模尺寸在使用过程中因磨损而减小，故冲孔件的基本尺寸应取工件尺寸公差范围内的较大尺寸，而冲孔凹模的基本尺寸，则按凸模基本尺寸加最小初始间隙。3.凸模与凹模刃口的制造公差根据工件的精度要求而定。一般取比工件精度高二到三级的精度。考虑到凹模比凸模加工稍难，凹模比凸模低一级。3.3.2凸模与凹模刃口尺寸的计算方法凸模与凹模刃口尺寸的计算，与加工方法有关。加工方法可分为：图3-9冲孔落料时刃口尺寸与公差的关系a）落料b）冲孔1.分开加工这种加工方法凸模与凹模间隙的均匀性纯靠加工精度保证，目前多用于圆形或简单规则形状的工件。冲模刃口与工件尺寸及公差分布如图3-8所示。其计算公式如下根据计算原则可以导出：落料时：DA=(Dmax-xΔ)+0δA(3-3)DT=(DA-Zmin)0-δT=(Dmax-XΔ-Zmin)0-δT(3-4)冲孔时：dT=(dmin+xΔ)0-δT(3-5)dA=(dT+Zmin)+0δA=(dmin+XΔ+Zmin)+0δA(3-6)式中DA、DT—落料凹模尺寸