第2章冲裁 从表1.1可见,分离工序(广义冲裁)包括落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口、整修 等,其中冲裁(落料、冲孔)应用最多。生产实际中往往对冲裁与广义冲裁不加区分 冲裁得到的制件可以是最终零件,也可以作为弯曲、拉深、成形等其他工序的坯料/ 序件/半成品。 2.1冲裁变形过程 如图2.1所示,冲裁需要用到的凸模1(实体)与凹模2(型孔)工作部分(刃口)的水平投影 轮廓按所需制件轮廓形状制造,但尺寸有微小差别(需要一定间隙)。当压力机滑块把凸模 推下时,板料就受到凸-凹模的剪切作用而沿一定的轮廓互相分离 图2.1普通冲裁示意图 1一凸模:2凹模 2.1.1冲裁变形的3个阶段 板料的分离是瞬间完成的,冲裁变形过程大致可分成3个阶段(如图22所示) (1)弹性变形阶段(如图2.2(a)所示) 当凸模开始接触板料并下压时,板料发生弹性压缩和弯曲。板料略有挤入凹模洞口的 现象。此时,以凹模刃口轮廓为界,轮廓内的板料向下弯拱,轮廓外的板料则上翘。凸 凹模间隙愈大,弯拱和上翘愈严重。随着凸模继续下压,直到材料内的应力达到弹性极限, 弹性变形阶段结東,进入塑性变形阶段 (2)塑性变形阶段(如图2.2(b)所示) 当板料的应力达到屈服点,板料进入塑性变形阶段。凸模切入板料,板料被挤入凹模 洞口。在剪切面的边缘,由于凸一凹模间隙存在而引起的弯曲和拉伸作用,形成塌角面, 同时由于剪切变形,在切断面上形成光亮且与板面垂直的断面。随着凸模的继续下压,应 力不断加大,直到应力达到板料抗剪强度,塑性变形阶段结束
第 2 章 冲 裁 从表 1.1 可见，分离工序(广义冲裁)包括落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口、整修 等，其中冲裁(落料、冲孔)应用最多。生产实际中往往对冲裁与广义冲裁不加区分。 冲裁得到的制件可以是最终零件，也可以作为弯曲、拉深、成形等其他工序的坯料/工 序件/半成品。 2.1 冲裁变形过程 如图 2.1 所示，冲裁需要用到的凸模 1(实体)与凹模 2(型孔)工作部分(刃口)的水平投影 轮廓按所需制件轮廓形状制造，但尺寸有微小差别(需要一定间隙)。当压力机滑块把凸模 推下时，板料就受到凸-凹模的剪切作用而沿一定的轮廓互相分离。 (a) (b) 图 2.1 普通冲裁示意图 1—凸模；2—凹模 2.1.1 冲裁变形的 3 个阶段 板料的分离是瞬间完成的，冲裁变形过程大致可分成 3 个阶段(如图 2.2 所示)。 (1) 弹性变形阶段(如图 2.2(a)所示) 当凸模开始接触板料并下压时，板料发生弹性压缩和弯曲。板料略有挤入凹模洞口的 现象。此时，以凹模刃口轮廓为界，轮廓内的板料向下弯拱，轮廓外的板料则上翘。凸- 凹模间隙愈大，弯拱和上翘愈严重。随着凸模继续下压，直到材料内的应力达到弹性极限， 弹性变形阶段结束，进入塑性变形阶段。 (2) 塑性变形阶段(如图 2.2(b)所示) 当板料的应力达到屈服点，板料进入塑性变形阶段。凸模切入板料，板料被挤入凹模 洞口。在剪切面的边缘，由于凸—凹模间隙存在而引起的弯曲和拉伸作用，形成塌角面， 同时由于剪切变形，在切断面上形成光亮且与板面垂直的断面。随着凸模的继续下压，应 力不断加大，直到应力达到板料抗剪强度，塑性变形阶段结束
中压工艺与模具设计 (3)断裂分离阶段(如图22(c)所示) 当板料的应力达到抗剪强度后,凸模继续下压,凸、凹模刃口附近产生微裂纹不断向 板料内部扩展。当上下裂纹重合时,板料便实现了分离。由于拉断结果,断面上形成一个 粗糙的区域。凸模继续下行,已分离的材料克服摩擦阻力,从板料中推出,完成整个冲裁 过程 a)弹性变形阶段 (b)塑性变形阶段 (c)断裂分离阶段 图2.2冲裁时板料的变形过程 21.2冲裁变形区及受力 由上述冲裁变形过程的分析可知,冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸 凹模刃口连线为中心而形成的纺锤形区域为最大(如图2.3a)所示),即从模具刃口向板料中 心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后,变形区域也同样按纺锤形区域来考虑,但 变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图23b)所示)。其变形性质是以塑性剪切 变形为主,还伴随有拉伸、弯曲与横向挤压等变形。 图2.3冲裁变形区 凸模:2—压料板:3—板料:4—凹模:5—纺锤形区域:6-已变形区 无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图24所示。 其中:P1,P2凸、凹模对板料的垂直作用力 P3,P4凸、凹模对板料的侧压力 uP1,μP2-—凸、凹模端面与板料间的摩擦力,其方向与间隙大小有关,一般 在间隙合理或偏小的情况下指向模具的刃口 uP4-—凸、凹模侧面与板料间的摩擦力 由图24可知,板料由于受到模具表面的力偶作用而弯曲上翘,使模具表面和板料的 接触面仅局限在刃口附近的狭小区域,接触面宽度约为板厚的0.2~04倍。且此垂直压力 分布并不均匀,随着向模具刃口的逼近而急剧增大
44 冲压工艺与模具设计 (3) 断裂分离阶段(如图 2.2(c)所示) 当板料的应力达到抗剪强度后，凸模继续下压，凸、凹模刃口附近产生微裂纹不断向 板料内部扩展。当上下裂纹重合时，板料便实现了分离。由于拉断结果，断面上形成一个 粗糙的区域。凸模继续下行，已分离的材料克服摩擦阻力，从板料中推出，完成整个冲裁 过程。 图 2.2 冲裁时板料的变形过程 2.1.2 冲裁变形区及受力 由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、 凹模刃口连线为中心而形成的纺锤形区域为最大(如图 2.3(a)所示)，即从模具刃口向板料中 心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但 变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图 2.3(b)所示)。其变形性质是以塑性剪切 变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与横向挤压等变形。 图 2.3 冲裁变形区 1—凸模；2—压料板；3—板料；4—凹模；5—纺锤形区域；6－已变形区 无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图 2.4 所示。 其中：P1，P2——凸、凹模对板料的垂直作用力； P3，P4——凸、凹模对板料的侧压力； μP1，μP2——凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般 在间隙合理或偏小的情况下指向模具的刃口； μP3，μP4——凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。 由图 2.4 可知，板料由于受到模具表面的力偶作用而弯曲上翘，使模具表面和板料的 接触面仅局限在刃口附近的狭小区域，接触面宽度约为板厚的 0.2~0.4 倍。且此垂直压力的 分布并不均匀，随着向模具刃口的逼近而急剧增大
第2章冲裁 由于冲裁时板料弯曲的影响,其变形区的应力状态是复杂的,且与变形过程有关。 图25为无压边装置冲裁过程中塑性变形阶段变形区的应力状态,其中: 图2.4冲裁时作用于板料上的力 图2.5冲裁应力状态图 1—凹模:2—板料;3—凸模 A点(凸模侧面)—a1为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力,切向应力a2为板 料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力,σ1为凸模下压引起的轴向拉应力 B点(凸模端面)—凸模下压及板料弯曲引起的三向压应力 C点(切割区中部1为板料受拉伸而产生的拉应力,σ3为板料受挤压而产生的压 应D点四模端面,分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力,为 模挤压板料产生的轴向压应力 E点(凹模侧面—a1,σ2为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力的合 成应力,该合成应力是拉应力还是压应力与间隙大小有关,一般为拉应力;σ3为凸模下压 引起的轴向拉应力。 2.1.3冲裁断面的4个特征区 由于冲裁变形的特点,冲裁断面可明显分成4个特征区,即塌角带、光亮带、断裂带 和毛刺(如图26所示) 塌角带产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面,是由于板料受弯曲、拉伸作用而形 成的。材料塑性愈好、凸-凹模之间间隙愈大,形成的塌角也愈大 光亮带是由于板料塑性剪切变形所形成的。光亮带表面光洁且垂直于板平面。凸-凹模 之间的间隙愈小、材料塑性愈好,所形成的光亮带高度愈高 断裂带是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙,并带有3°~6°的斜度 材料塑性愈差、凸-凹模之间间隙愈大则断裂带高度愈高,斜度愈大 毛刺的形成是由于板料塑性变形阶段后期在凸模和凹模刃口附近产生裂纹,由于刃口 正面材料被压缩,刃尖部分为高静水压应力状态,使裂纹的起点不会在刃尖处发生,而会 在刃口侧面距刃尖不远的地方产生,裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度。刃尖磨 损,刃尖部分高静水压应力区域范围变大,裂纹产生点和刃尖的距离也变大,毛刺高度必
第 2 章 冲裁 45 由于冲裁时板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。 图 2.5 为无压边装置冲裁过程中塑性变形阶段变形区的应力状态，其中： 图 2.4 冲裁时作用于板料上的力 图 2.5 冲裁应力状态图 1—凹模；2—板料；3—凸模 A 点(凸模侧面)——1 为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力，切向应力 2 为板 料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力， 3 为凸模下压引起的轴向拉应力。 B 点(凸模端面)——凸模下压及板料弯曲引起的三向压应力。 C 点(切割区中部)——1 为板料受拉伸而产生的拉应力， 3 为板料受挤压而产生的压 应力。 D 点(凹模端面)——1 ， 2 分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力， 3 为凹 模挤压板料产生的轴向压应力。 E 点(凹模侧面)——1 ， 2 为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力的合 成应力，该合成应力是拉应力还是压应力与间隙大小有关，一般为拉应力； 3 为凸模下压 引起的轴向拉应力。 2.1.3 冲裁断面的 4 个特征区 由于冲裁变形的特点，冲裁断面可明显分成 4 个特征区，即塌角带、光亮带、断裂带 和毛刺(如图 2.6 所示)。 塌角带产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面，是由于板料受弯曲、拉伸作用而形 成的。材料塑性愈好、凸-凹模之间间隙愈大，形成的塌角也愈大。 光亮带是由于板料塑性剪切变形所形成的。光亮带表面光洁且垂直于板平面。凸-凹模 之间的间隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮带高度愈高。 断裂带是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙，并带有 3°~6°的斜度。 材料塑性愈差、凸-凹模之间间隙愈大则断裂带高度愈高，斜度愈大。 毛刺的形成是由于板料塑性变形阶段后期在凸模和凹模刃口附近产生裂纹，由于刃口 正面材料被压缩，刃尖部分为高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而会 在刃口侧面距刃尖不远的地方产生，裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度。刃尖磨 损，刃尖部分高静水压应力区域范围变大，裂纹产生点和刃尖的距离也变大，毛刺高度必
中压工艺与模具设计 然增大,所以普通冲裁产生毛刺是不可避免的。如图2.7所示。 裂纹产生点 凸模 凸模 (a)刃口正常时 (b)刃口磨损 2.6冲裁件的断面状况 图2.7刃口磨损对裂纹产生点的影响 -毛刺:2—断裂带:3—光亮带:4—塌角带 综上所述,冲裁件的断面不是很整齐的,仅光亮带一段是柱体。若忽略弹性变形的影 响,则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸,而落料件光亮带的柱体尺寸约等于凹模尺寸, 由此可得出以下重要的关系式 落料尺寸=凹模尺寸 冲孔尺寸=凸模尺寸 这是计算凸、凹模刃口尺寸的重要依据。 2.2冲裁件的质量分析及控制 衡量冲裁件的质量主要有4个方面——尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度。 22.1尺寸精度 冲裁件的尺寸精度与许多因素有关,如冲模的制造精度、材料性质、模具结构、冲裁 间隙和冲裁件形状等 1.冲模的制造精度 可以说,冲裁件的尺寸精度直接由冲模的制造精度所决定。冲模精度愈高冲裁件尺寸 精度愈髙。一般情况下,冲裁件所能达到的精度比冲模精度低1~3级。模具制造精度与冲 裁件精度的关系见表21。 表2.1冲裁件的精度 冲模制造精度 板料厚度lmm 0.5 1.0 IT6~7 88m9m0m10 IT7-IT8 IT12 IT12IT12 IT12 IT12IT14IT14
46 冲压工艺与模具设计 然增大，所以普通冲裁产生毛刺是不可避免的。如图 2.7 所示。 图 2.6 冲裁件的断面状况 图 2.7 刃口磨损对裂纹产生点的影响 1—毛刺；2—断裂带；3—光亮带；4—塌角带 综上所述，冲裁件的断面不是很整齐的，仅光亮带一段是柱体。若忽略弹性变形的影 响，则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸，而落料件光亮带的柱体尺寸约等于凹模尺寸， 由此可得出以下重要的关系式： 落料尺寸 = 凹模尺寸 冲孔尺寸 = 凸模尺寸 这是计算凸、凹模刃口尺寸的重要依据。 2.2 冲裁件的质量分析及控制 衡量冲裁件的质量主要有 4 个方面——尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度。 2.2.1 尺寸精度 冲裁件的尺寸精度与许多因素有关，如冲模的制造精度、材料性质、模具结构、冲裁 间隙和冲裁件形状等。 1. 冲模的制造精度 可以说，冲裁件的尺寸精度直接由冲模的制造精度所决定。冲模精度愈高冲裁件尺寸 精度愈高。一般情况下，冲裁件所能达到的精度比冲模精度低 1~3 级。模具制造精度与冲 裁件精度的关系见表 2.1。 表 2.1 冲裁件的精度 冲模制造精度 板料厚度 t/mm 0.5 0.8 1.0 1.5 2 3 4 5 6 8 IT6～IT7 IT8 IT8 IT9 IT10 IT10 — — — — — IT7～IT8 — IT9 IT10 IT10 IT12 IT12 IT12 — — — IT9 — — — IT12 IT12 IT12 IT12 IT12 IT14 IT14
第2章冲裁 2.材料性质及模具结构 由于冲裁过程中材料会产生一定的弹性变形,因此冲裁件会产生“回弹”现象。使冲 孔件与凸模、落料件与凹模尺寸不符,从而影响其精度。一般地讲,比较软的材料,弹性 变形量小,冲裁后的“回弹”值也小,因而制件精度较高。反之,硬的材料,情况与此正 好相反。 同种材料,在模具结构上增设压料板及顶件器,如图2.8所示,冲裁后的“回弹”值 也会减小,制件精度相应提高。 (b)冲孔件设压料板 (c)落料件设顶件器 图2.8弯拱及预防措施 1—压料板:2—项件器 3.冲裁间隙 冲裁间隙对冲裁件的尺寸精度也有一定影响。在冲裁过程中,当间隙适当时,板料的 变形区在比较纯的剪切作用下分离;当间隙过大时,板料除受剪切外,还产生较大的拉伸 与弯曲变形;当间隙过小时,除剪切外板料还会受到较大的挤压作用。因此,间隙合理时, 冲孔件最接近凸模尺寸,落料件最接近凹模尺寸;间隙偏大,冲孔件尺寸会大于凸模尺寸, 落料件尺寸会小于凹模尺寸:间隙过小,冲孔件尺寸会小于凸模尺寸,落料件尺寸会大于 凹模尺寸。如图29、210所示,冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响还和板料的轧制方向有关。 -0.04 n-008 n-0.08 10152025 Z/2r(%) Z/2(%) 图2.9冲裁间隙对冲孔尺寸精度的影响 图2.10冲裁间隙对落料尺寸精度的影响 轧制方向:2—垂直轧制方向 1—轧制方向:2垂直轧制方向 冲裁件的形状 冲裁件的形状愈简单,其冲裁精度愈高。这主要是因为对形状简单的冲裁件,其冲模 的加工精度愈容易保证。 总之,提高冲裁件尺寸精度的最直接措施就是提高冲模的制造精度。当然,合理的模 具结构也是保证冲模制造精度和直接提高冲裁件尺寸精度的主要措施之
第 2 章 冲裁 47 2. 材料性质及模具结构 由于冲裁过程中材料会产生一定的弹性变形，因此冲裁件会产生“回弹”现象。使冲 孔件与凸模、落料件与凹模尺寸不符，从而影响其精度。一般地讲，比较软的材料，弹性 变形量小，冲裁后的“回弹”值也小，因而制件精度较高。反之，硬的材料，情况与此正 好相反。 同种材料，在模具结构上增设压料板及顶件器，如图 2.8 所示，冲裁后的“回弹”值 也会减小，制件精度相应提高。 图 2.8 弯拱及预防措施 1—压料板；2—顶件器 3. 冲裁间隙 冲裁间隙对冲裁件的尺寸精度也有一定影响。在冲裁过程中，当间隙适当时，板料的 变形区在比较纯的剪切作用下分离；当间隙过大时，板料除受剪切外，还产生较大的拉伸 与弯曲变形；当间隙过小时，除剪切外板料还会受到较大的挤压作用。因此，间隙合理时， 冲孔件最接近凸模尺寸，落料件最接近凹模尺寸；间隙偏大，冲孔件尺寸会大于凸模尺寸， 落料件尺寸会小于凹模尺寸；间隙过小，冲孔件尺寸会小于凸模尺寸，落料件尺寸会大于 凹模尺寸。如图 2.9、2.10所示，冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响还和板料的轧制方向有关。 图 2.9 冲裁间隙对冲孔尺寸精度的影响 图 2.10 冲裁间隙对落料尺寸精度的影响 1—轧制方向；2—垂直轧制方向 1—轧制方向；2—垂直轧制方向 4. 冲裁件的形状 冲裁件的形状愈简单，其冲裁精度愈高。这主要是因为对形状简单的冲裁件，其冲模 的加工精度愈容易保证。 总之，提高冲裁件尺寸精度的最直接措施就是提高冲模的制造精度。当然，合理的模 具结构也是保证冲模制造精度和直接提高冲裁件尺寸精度的主要措施之一