2.7　冲裁变形过程与凸凹模刃口尺寸计算

2.7.1 冲裁变形过程及冲件断面质量

１、冲裁的变形过程

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。见图2-64。

图2-64冲裁变形过程

弹性变形阶段：凸模与板料接触并压下板料，板料产生上翘，下拱。但板料内部应力小于屈服极限。在板料与凸模、凹模接触处出现微痕为止。卸载后，板料能恢复原状。

塑性变形阶段：，板料内部应力达到并超过屈服极限，此时凸模挤入材料。材料挤入凹模洞口。直到应力达到强度极限，板料与凸、凹模接触处出现微裂为止。

剪裂阶段：板料内部应力大于强度极限后，第二阶段产生的微裂逐渐扩大，上、下裂纹重合，板料产生分离。

2、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，见图2-65。

图2-65 冲裁断面状态

圆角带a：是塑性变形阶段纤维的拉伸与弯曲所形成的，软料比硬料圆角大。

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。

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。

2.7.2 冲裁凸模与凹模之间的间隙

冲裁凸模与凹模之间的间隙又称冲裁间隙。是指凹模刃口横向尺寸的差值，通常用Ｚ表示。其值可为正，也可为负，但在普通冲裁模中均为正值。

1、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2-66 a）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。

当间隙过大时，如图2-66 c）所示，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。

图2-66 间隙对冲裁断面的影响

2、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，差值越小，则精度越高，这个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，材料所受拉深作用增大，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。

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。

3、间隙大小的确定

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。

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Z_min，和{zd0}初始间隙Z_max 。

确定初始间隙的方法一般用经验确定法。

根据近年来的研究与使用经验，在确定初始间隙值时要按使用要求分类选用。对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件，应选用较小初始间隙值。如表2-12所示。对于断面垂直度与尺寸精度不高的制件，应以降低冲裁力，提高模具寿命为主，可采用较大初始间隙值。

2.7.3 冲裁凸、凹模刃口尺寸计算

凸模和凹模刃口尺寸直接决定工件的尺寸和模具间隙的大小，是模具上最重要的尺寸。

1、刃口尺寸计算的基本原则：

1）由于冲孔落料件都是测量其光亮带部分的尺寸，而冲孔的光亮带是凸模挤入而形成。落料的光亮带是落料件挤入凹模型孔形成。故冲孔时孔的尺寸由凸模决定，落料时的外形尺寸由凹模决定。（见图2-67）

1-落料工件2-落料凹模3-凹模磨损线 4-材料5-落料凸模 6-冲孔凸模

7-凸模磨损线 8-冲孔工件 9-冲孔凸模图

图2-67 冲裁件与凸、凹模尺寸的关系

2）由于冲裁时凸、凹模的磨损，使凸、凹模实体尺寸变小，故在设计凸、凹模尺寸时应考虑凸、凹模的磨损方向，使其磨损之后还能保证冲件尺寸的要求。

3）考虑凸、凹模制造公差的方向、确定凸、凹模的基本尺寸。

2、凸模间隙的获得方法

1）分开加工法：

分开加工法是分别给定凸、凹模的基本尺寸和制造公差，将凸、凹模分别进行加工，各自保证凸、凹模的基本尺寸和公差要求，相应就获得了凸、凹模的间隙。此法是目前模具加工中常用的一种方法。其凸、凹模制造公差由

δ_凸+δ_凹≤ΔZ, δ_凸=0.4ΔZ,δ_凹=0.6ΔZ          (2-23)

2）配制法：

配制法是过去加工设备精度不高，难以保证凸模间隙而采取的一种放宽加工精度，并且能够保证间隙的一种加工措施。此法要先将基准件xx做好后才能制造配制件。故此法生产周期长，管理也麻烦，目前一般不用。由于线切割加工中的凸、凹模可以采用同一基本尺寸编制程序，补偿获取凸、凹模间隙的方法。故采用线切割加工的凸、凹模借用了配制法进行标注。其公差为δ_凸=δ_凹=1/4Δ。它的标注方法是：标注基准件（冲孔为凸模、落料为凹模）的基本尺寸和公差（线切割加工的凸、凹模也可以不注公差）。配制件既不标注基本尺寸、也不标注制造公差，只在配制件的技术要求中注明：与 凸( 凹 )模成Z_min的双面间隙制造。

3、凸、凹模刃口尺寸的计算方法

1）一般零件的磨损状态：

由于刃口尺寸计算与凸凹模的磨损状态有着很重要的关系，故确定刃口尺寸之前必须考虑凸凹模的磨损状态。

冲孔时研究凸模的磨损状态（见图2-68）：

图2-68冲孔时凸模的磨损状态示意图

落料时研究凹模的磨损状态（见图2-69）：

图2-69 落料时凹模的磨损状态示意图

从冲孔、落料的磨损状态中可以获得以下三类尺寸

2）刃口尺寸计算公式：

由以上的几类尺寸分别解剖后可以获得以下公式：

（1）    冲孔磨后变小（图2-70）的公式：

                       (2－24)

                       (2－25)

（2）    落料磨后变大（图2-71）的公式：

                       (2－26)

                       (2－27)

      图2-70 冲孔刃口尺寸计算图             图2-71 落料刃口尺寸计算图

按上（1）、（2）之法可得出：

（3）    冲孔磨后变大的公式

                       (2－28)

                       (2－29)

落料磨后变小的公式

                      (2－30)

                       (2－31)

C 是磨后不变的尺寸、其公式为：

（5） C_凸=C_凹=（Cmin+Δ/2）                        (2－32)

式中：

b_凸、b_凹、A_凹、A_凸-------凸凹模基本尺寸

A_max、b_min-------{zd0}、最小极限尺寸

Z_min---------------最小初始间隙

Δ----------------工件公差

x------------------精度等级系数：

(高于)IT11 --- X=1

       IT11~IT13  --- X=0.75

       (低于)IT13  --- X=0.5

δ_凸、δ_{凹  ---}   凸凹模制造公差

[例2-1] 用分开制造计算图2-72所示零件的凸凹模刃口尺寸。

       图2-72  零件图

解：1、确定基本工序

 内形：冲孔。外形：落料

 2、画磨损曲线

① 冲孔 画凸模刃口的磨损曲线如图2-73

1-磨损前尺寸      2-磨损后尺寸

图2-73凸模刃口磨损曲线

② 落料 画凹模刃口的磨损曲线。如图2-74

1-磨损前尺寸  2-磨损后尺寸

图2-74  凹模刃口及磨损曲线

3、找出各类尺寸，列于下表

4、具体计算：

（1）查表确定初始间隙：

      Zmin=0.16×1.5=0.24

      Zmax=0.22×1.5=0.33

ΔZ=Zmax-Zmin=0.33-0.24=0.09、

（2）计算凸凹模制造公差。

δ_凸=0.4ΔZ=0.4×0.09=0.036

δ_凹=0.6ΔZ =0.6×0.09=0.054

（3）代入公式计算各尺寸：

尺寸Ⅰ； 2-Φ4.5 为冲孔磨后变小Δ=0.75→IT11→X=0.75

 b_凸=(b_min+xΔ) =(4.5+0.75×0.075) =4.556

 b_凹=(b_凸+Z_min) =(4.556+0.24) =4.796

尺寸Ⅱ； 6 为落料磨后变小Δ=0.2→IT13→X=0.75

B_凹1=(B_1min+xΔ) =(6+0.75×0.2) =6.15

B_凸1=(B_凹1+Z_min) =(6.15+0.24) =6.39

尺寸Ⅲ： R3应与6 相切,故B_凹2B_凸2应取B_凹1与 B_凸1之半

  B_凹2=3.075   B_凸2=3.195

尺寸Ⅳ、Ⅴ：25（ ）为落料磨后变大. Δ=0.52→IT14→X=0.5

  A_凹1 =(A_1max-xΔ) =(25-0.5×0.52) =24.74  

    A_凸1=( A_凹1- Z_min) =(24.74-0.24) =24.5

    尺寸Ⅵ： 7 为落料单边磨后变大, Δ=0.2→IT13→X=0.75

  A_凹2=(A_2max-xΔ)  =(7-0.75 0.2) =6.85

  A_凸2=( A_凸2 - ) =(6.85- ) =(6.85-0.12) =6.73

尺寸Ⅶ： 18±0.2为磨后不变尺寸，Δ=0.4

   C_凹1=C_凸1=(C_min+ )±

=(17.8+ )±

=18 0.05

尺寸Ⅷ：5±0.1为磨后不变尺寸， Δ=0.2

   C_凹2=C_凸2=(C_min+ )±

           =(4.9+ )±

           =5±0.025