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1 第三章 冲裁工艺 第一节 冲裁过程分析 第二节 冲裁件的质量分析 第三节 冲裁间隙 第四节 凸模和凹模工作部分尺寸的计算 第五节 冲裁力 第六节 冲裁工件的排样 2 使板料或工序件分离的冲压工艺称为 冲裁 。 冲裁工艺的种类很多，常用的有切断、落料、冲孔、切边、切口、 剖切等。所以冲裁是分离工序的总称，其中尤以落料、冲孔应用 最多。从板料上冲下所需形状的工件（或毛坯）称为落料。在工 件上冲出所需形状的孔（冲去的为废料）称为冲孔。落料和冲孔 的变形性质完全相同，但在进行模具工作部分设计时，要分开加 以考虑。图所示的垫圈即由落料与冲孔二道工序完成。 根据冲裁变形机理的不同，冲裁工艺可以分为普通冲裁和精密 冲裁两大类。所谓普通冲裁是由凸、凹模刃口之间产生剪裂缝的形 式实现板料分离。而精密冲裁则是以变形的形式实现板料的分离。 前者冲出的工件断面比较粗糙，精度较低。后者冲出的工件不但断 面比较光洁而且精度也较高，但需要有专门的精冲设备及精冲模具。 精密冲裁是一种正在不断发展与完善的冲压新工艺。本章主要讨论 普通冲裁的有关问题。 垫圈的落料与冲孔 ）落料 ）冲孔 3 第一节 冲裁过程分析 一、弹性变形阶段 二、塑性变形阶段 三、剪裂阶段 4 冲裁过程如图 -所示。凸模与凹模具有与工件轮 廓一样的刃口。凸、凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块 把凸模推下时，便将放在凸、凹模中间的板料冲裁成所需的工 件。 冲裁过程是在瞬间完成的。为了控制冲裁件的质量，研究 冲裁的变形机理，就需要分析冲裁时板料分离的实际过程。如 图 -所示是金属板料的冲裁变形过程。当模具间隙正常时 这个过程大致可分为三个变形阶段。 5 当凸模开始接触板料并 下压时，凸模与凹模刃口周 围的板料产生应力集中现象， 使材料产生弹性压缩、弯曲、 拉伸等复杂的变形。板料略 有挤入凹模洞口的现象。此 时，凸模下的材料略有弯曲， 凹模上的材料则向上翘。间 隙愈大，弯曲和上翘愈严重。 随着凸模继续压入，直到材 料内的应力达到弹性极限。 如图 -所示。 一、弹性变形阶段 6 二、塑性变形阶段 当凸模继续压入，板料 内的应力达到屈服点，板料 与凸模和凹模的接触处产生 塑性剪切变形。如图 - 所示。凸模切入板料，板料 挤入凹模洞口。在板料剪切 面的边缘由于弯曲、拉伸等 作用形成塌角，同时由于塑 性剪切变形，在切断面上形 成一小段光亮且与板面垂直 的断面。纤维组织产生更大 的弯曲和拉伸变形。随着凸 模的下压，应力不断加大， 直到分离变形区的应力达到 抗剪强度，塑性变形阶段结 束。 7 三、剪裂阶段 当板料的应力达到抗 剪强度后，凸模再向下压， 则在板料与凸模和凹模的 刃口接触处分别产生裂纹， 如图 -所示。随着凸 模下压，裂纹逐渐扩大并 向材料内延伸。当上、下 裂纹重合时，板料便被分 离。凸模再下压，将已分 离的材料克服摩擦阻力从 板料中推出，完成冲裁过 程。 8 材料在冲裁时其变形区的应力与变形情况如图 -所示。 从图中可以看到， b段是冲裁件的光亮部分。由于在变形过 程中，此部分主要受切应力 和压应力 的作用，是在塑性状 态下实现剪切变形的，因而能获得较光洁、平整的光亮部分。 图中 c段由于凸、凹模间隙的影 响，除了受切应力 的作用以外，还 有正向拉应力 ，这种应力状态促 使冲裁变形区的塑性下降，最终必 然产生裂纹而在分离面上形成粗糙 的断裂部分。从图中还可以看到， 裂纹产生的位置并非对着刃口，而 是在离刃口不远的侧面上。这是因 为模具的刃口不可能是绝对锋利的。 因此，从冲裁原理上说，冲裁件必 然有一定的毛刺存在。不过，间隙 合适时，毛刺的高度很小。 冲裁变形区的应力 与变形情况 9 由此可见，冲裁件的断面不很整齐，仅短短的一段 光亮带是柱体。若不计弹性变形的影响，则板料孔的光 亮柱体部分尺寸，近似等于凸模尺寸；落料的光亮柱体 部分，近似等于凹模尺寸。对于板料孔，决定与轴类零 件配合性质的是它的最小尺寸，即其光亮柱体部分尺寸； 对于落料件，决定与孔类零件配合性质的是它的最大尺 寸，也是它的光亮柱体部分尺寸。于是，可以得出如下 重要的关系式 落料尺寸凹模尺寸 （ -） 冲孔尺寸凸模尺寸 （ -） 这是计算凸模和凹模尺寸的主要依据。 10 第二节 冲裁件的质量分析 一、尺寸精度 二、断面质量 三、毛刺 11 冲裁件的尺寸精度 ： 指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差 。 该 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 。 影响因素： （ 1） 冲模的制造精度 （ 零件加工和装配 ） （ 2） 材料的性质 （ 3） 冲裁间隙 一、尺寸精度 12 .冲模的制造精度 冲模的制造精度对冲裁件的尺寸精度有直接影响。 冲 模的精度愈高，冲裁件的精度亦愈高。 表 -所示为当 冲模具有合理间隙与锋利刃口时，其制造精度与冲裁件 精度的关系。 13 .材料性质 由于冲裁过程中材料产生一定的弹性变形，冲裁件产生 “ 回弹 ”现象，使冲裁件的尺寸与凸模和凹模尺寸不符，从而 影响其精度。 材料的性质对该材料在冲裁过程中的弹性变形量有很大的 影响。对于 比较软的材料，弹性变形量较小，冲裁后的回弹值 也少，因而零件精度较高 。而硬的材料，情况正好与此相反。 .冲裁间隙 冲裁间隙对于冲裁件精度也有很大的影响。当间隙适当 时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被 分离，冲裁后的回弹较小，冲裁件相对凸模和凹模尺寸的偏 差也较小。 .冲裁件的形状 冲裁件的形状越简单其精度越高 。 14 3.冲裁件质量及其影响因素 （ 1）冲裁件断面质量及其影响因素 A.断面组成 圆角带 a： 光亮带 b： 断裂带 c： 毛刺区 d： 刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形 。 塑性剪切变形 。 质量最好的区域 。 通常占全断面 1/3 1/2 。 裂纹形成及扩展 。 间隙存在 ， 裂纹产生不在刃尖 ， 毛刺不可避免 。 此外 ， 间隙不正常 、 刃口不锋利 ， 还会加大 毛刺 。 15 B.模具间隙的影响 16 二、断面质量 对于断面质量，起决定作用的是冲裁间隙 。 当间隙过大或过小时，就会使上、下裂纹不能重合。如 间隙过大，如下图 c所示，使凸模产生的裂纹相对于凹模产 生的裂纹向里移动一个距离。板料受拉伸、弯曲的作用加大， 使剪切断面塌角加大，光亮带的高度缩短，断裂带的高度增 加，锥度也加大，有明显的拉断毛刺，冲裁件平面可能产生 穹弯现象。 如 间隙过小 ，如下图 a所示，会使凸模产生的裂纹向外 移动一个距离。上、下裂纹不重合，产生第 二次剪切 ，从而 在剪切面上形成了略带倒锥的 第二个光亮带 。在第二个光亮 带下面存在着潜伏的裂纹。由于间隙过小，板料与模具的挤 压作用加大，在最后被分离时，冲裁件上有 较尖锐的挤出毛 刺。 由上可知，观察与分析断面质量是判断冲裁过程是否合 理、冲模的工作情况是否正常的主要手段。 17 B.模具间隙的影响 间隙小 ， 出现二次 剪裂 ， 产生第二 光亮带 间隙大 ， 出现二次 拉裂 ， 产生二个斜度 C.模具刃口状态的影响 当凸模刃口磨钝时 ， 则会在落料件上端产生毛刺； 当凹模刃口磨钝时 ， 则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺； 当凸 、 凹模刃口同时磨钝时 ， 则冲裁件上 、 下端都会产 生毛刺 。 18 (3)冲裁件形状误差及其影响因素 冲裁件的形状误差 ： 指翘曲 、 扭曲 、 变形等缺陷 。 翘曲 ： 冲裁件呈曲面不平现象 。 它是由于间隙过大 、 弯矩增 大 、 变形拉伸和弯曲成分增多而造成的 ， 另外材料的各向异 性和卷料未矫正也会产生翘曲 。 扭曲 ：冲裁件呈扭歪现象 。 它是由于材料的不平 、 间隙不均 匀 、 凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的 。 变形 ：由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因 ， 因胀形而产 生的 。 19 三、毛刺 由冲裁过程的分析可知，冲裁件产生微小的毛刺是不可 避免的。若产品要求不允许存在微小毛刺，则在冲裁后应增 加去除毛刺的辅助工序。正常冲裁中允许的毛刺高度见表 - 。 若冲裁过程不正常，毛刺就会明显增大，这是不允许的。 产生毛刺的原因主要有两个，其一是冲裁间隙不合理。如上所 述，间隙过大，会产生明显的拉断毛刺；间隙过小，会产生尖 锐的挤出毛刺。显然，若间隙值合理而分布不均匀，则依然会 在冲件上产生局部毛刺。其二是凸模或凹模磨钝后，其刃口处 形成圆角，这是产生毛刺的主要原因。 20 第三节 冲裁间隙 冲裁间隙是指冲裁凸模和凹模之间工作部分的尺寸之差。 如无特殊说明，冲裁间隙一般是指双边间隙 。 21 1.冲裁间隙对冲裁工艺的影响 (1)间隙对冲裁件质量的影响： 间隙是影响冲裁件质量 的主要 因素。 (2)间隙对冲裁力的影响： 随间隙的增大冲裁力有一定程 度的降低，但影响不是很大。 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。 (3)间隙对模具寿命的影响： 小间隙将使磨损增加 ， 甚 至使模具与材料之间产生粘结现象 ，并 引起崩刃 、 凹模胀裂 、 小凸模折断 、 凸凹模相互啃刃等异常损坏。 为了延长模具寿 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。 22 2.冲裁模间隙值的确定 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。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。 （ 1）理论法确定法 t a n12t a n2 00 t hthtZ （ 2）表格法 （表 2.3） （ 3）经验公式法 23 综合因素的影响可以看出，材料厚度对间隙的 综合影响并不是简单的正比关系。但是，概括地说， 板料愈厚，塑性愈差，则间隙愈大；材料愈薄，塑 性愈好，则间隙愈小。 24 第四节 凸模和凹模工作部分尺寸的计 算 一、尺寸计算的原则 二、凸模和凹模分别加工时的尺寸的计算 三、凸模和凹模单配加工时的尺寸的计算 四、用单配加工法时，凸模和凹模间的尺 寸换算 25 刃口尺寸计算的作用 ： 凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸大小。 模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。 1.凸、凹模刃口尺寸计算原则 ( )设计落料模先确定凹模刃口尺寸。 以凹模为基准，间 隙取在凸模上，即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得。 设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸。以凸模为基准，间隙 取在凹模上，冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得。 一、 凸模和凹模的刃口尺寸计算 26 ( )由于凸模在使用中越磨越大，凹模在使用中则越磨越 小，因此在设计落料模时，凹模基本尺寸应取接近或等于工 件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则取接近 或等于工件孔的最大极限尺寸。 模具磨损预留量与工件制造 精度有关。 ( )冲裁（设计）间隙一般选用最小合理间隙值（ Zmin）。 ( )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，即要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间 隙值。 ( )工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应 按 “ 入体 ” 原则标注为单向公差。但对于磨损后无变化的尺 寸，一般标注双向偏差。 27 2.凸、凹模刃口尺寸计算方法 （ 1）分开加工 具有互换性、制造周期短，但 Zmin不易保证，需提高加 工精度，增加制造难度。 （ 2）配合加工 Zmin易保证，无互换性、制造周期长。 28 二、凸模和凹模分别加工时的尺寸的计算 A.落料 AxDD A 0m a x 0m i nm a x0m i n TT ZxDZDD AT （ 3） 凸模与凹模分开加工 29 （ 3） 凸模与凹模分开加工 B.冲孔 0m i n Txdd T AA ZxdZdd TA 0m i nm i n0m i n C.孔心距 dL =L 81 30 为了保证可能的初始间隙不超过 Zmax，即 AT +Zmin Zmax， 选取必须满足以下条件： AT m i nm a x ZZ 凸、凹模的制造公差，可按级来选取。 但需校核。或取 T m i nm a x4.0 ZZ A m i nm a x6.0 ZZ 31 例 3-1冲制如图 -所示垫圈，材料为钢。分别计算 落料和冲孔的凸模和凹模工作部分的尺寸。 32 三、凸模和凹模单配加工时的尺寸的计算 在计算复杂形状的凸模和凹模工作部分的尺寸时，往往可以发现 在一个凸模或凹模上会同时存在着三类不同性质的尺寸需要区别对待。 第一类：凸模或凹模在磨损后会增大的尺寸； 第二类：凸模或凹模在磨损后会减小的尺寸； 第三类：凸模或凹模在磨损后基本不变的尺寸。 33 34 四、用单配加工法时，凸模和凹模间的尺寸换算 在实际生产中，由于设备、加工方法、生产习惯等原因，某些 工厂在模具制造中，不分落料还是冲孔，有的习惯于先做凸模，这 时，如果是落料的话，就必须将落料凹模的尺寸换算到凸模上去； 也有的习惯于先做凹模，这时，如果是冲孔的话，就必须将冲孔凸 模的尺寸换算到凹模上去。下面分别讨论这两种换算方法。 （）落料时，把凹模尺寸换算到凸模的尺寸计算 由于先做凸 模，凹模是按凸模以一定的间隙配制的，所以凹模的尺寸与公差 决定于凸模的尺寸与公差以及在配制时间隙的变动范围。 35 36 例 3-3 冲制图 -所示冲裁件，某厂习惯先做凸模（采用成形 磨削法），凹模根据凸模尺寸配作。计算模具的工作部分尺寸。冲裁 件材料为钢，板料厚度为 .。 解 ： （略） 37 38 第五节 冲裁力 一、冲裁力的计算 二、降低冲裁力的措施 三、卸料力、推件力和顶件力 四、压力机所需总冲压力的计算 39 一、冲裁力的计算 冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必须的数据。 40 二、降低冲裁力的措施 当板料较厚或冲裁件较大，所产生的冲裁力过大或压力机吨位 不够时，可采用以下三种方法来降低冲裁力： .加热冲裁 .斜刃冲裁 .阶梯冲裁 斜刃冲裁的优点是压力机能在柔和条件下工作，当冲裁件很大 时，降低冲裁力很显著。缺点是模具制造难度提高，刃口修磨也困 难，有些情况下模具刃口形状还要修正。冲裁时，废料的弯曲在一 定程度上会是影响冲裁件的平整，这在冲裁厚料时更严重。因此它 适用于形状简单、精度要求不高、料不太厚的大件冲裁。在汽车、 拖拉机等大型覆盖件的落料中应用较多。 阶梯冲裁的优点是不但可降低冲裁力，而且还能适当减少振 动，工件精度不受影响，可避免与大凸模相距甚近的小凸模的倾 斜或折断（当所有凸模等高时，与大凸模接近的小凸模在冲孔时 受大凸模冲裁所引起的材料流动的影响，很易使小凸模倾斜或折 断）。缺点是修磨刃口比较麻烦。主要用于有多个凸模而其位置 又较对称的模具。 41 三、卸料力、推件力和顶件力 冲裁时材料在分离前存在着弹性变形，在一般冲裁条件下，冲 裁后材料的弹性恢复，使落件或冲孔废料梗塞在凹模内，而板料则 紧箍在凸模上，为了使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的板 料卸下，将梗塞在凹模内的工件或废料向下推出或向上顶出。从凸 模上卸下板料所需的力称为卸料力 F卸 ；从凹模内向下推出工件或 废料所需的力称为推件力 F推 ；从凹模内向上顶出工件或废料所需 的力称为顶件力 F顶 ，如图 -所示。 42 四、压力机所需总冲压力的计算 43 第六节 冲裁工件的排样 一、排样原则 二、排样方法 三、搭边 四、送料步距与条料宽度的计算 五、排样图 44 一、排样原则 图中列出了五种排样方案 方案一：直排。 方案二：斜对排。 方案三：直对排。 方案四：另一种直对排。 方案五：在保证冲件使用性能的前提下， 适当改变其形状后，仍采用直排。 排样原则如下： ）提高材料利用率 。 ）使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动 强度。 ）使模具结构简单、模具寿命较高。 ）排样应保证冲裁件的质量。 冲件的多种排样法 45 二、排样方法 .有废料排样法 .少废料排样法 .无废料排样法 46 三、搭边 .搭边的作用 ）起补偿条料的剪裁误差、送料步距误差以及补偿由于条料与 导料板之间有间隙所造成的送料歪斜误差的作用。若没有搭边则可 能发生工件缺角、缺边或尺寸超差等废品。 ）使凸、凹模刃口双边受力。由于搭边的存在，使凸、凹模 刃口沿整个封闭轮廓线冲裁，受力平衡，合理间隙不易破坏，模具 寿命与工作断面质量都能提高。 ）对于利用搭边拉条料的自动送料模具，搭边使条料有一定的 刚度，以保证条料的连续送进。 .搭边的数值 搭边过大，浪费材料。搭边太小，起不到上述应有的作用。过 小的搭边还可能被拉入凸模和凹模的间隙，使模具容易磨损，甚至 损坏模具刃口。 47 四、送料步距与条料宽度的计算 .送料步距 A .条料宽度 B 有侧压装置时条料宽度的确定 导料板 凹模 48 五、排样图 排样图是排样设计最终的表达形式。 49