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
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Zmin，和{zd0}初始间隙Zmax 。
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）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Zmin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）
（2）
按上（1）、（2）之法可得出：
（3）
落料磨后变小的公式
C 是磨后不变的尺寸、其公式为：
（5）
C凸=C凹=（Cmin+Δ/2）
式中：
b凸、b凹、A凹、A凸-------凸凹模基本尺寸
Amax、bmin-------{zd0}、最小极限尺寸
Zmin---------------最小初始间隙
Δ----------------工件公差
x------------------精度等级系数：
(高于)IT11 --- X=1
δ凸、δ凹
[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。
解：1、确定基本工序
① 冲孔 画凸模刃口的磨损曲线如图2-73
1-磨损前尺寸
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
图2-74
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：
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
尺寸Ⅱ； 6 为落料磨后变小Δ=0.2→IT13→X=0.75
B凹1=(B1min+xΔ) =(6+0.75×0.2) =6.15
B凸1=(B凹1+Zmin) =(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
尺寸Ⅳ、Ⅴ：25（ ）为落料磨后变大. Δ=0.52→IT14→X=0.5
尺寸Ⅶ： 18±0.2为磨后不变尺寸，Δ=0.4
=(17.8+ )±
=18 0.05
尺寸Ⅷ：5±0.1为磨后不变尺寸， Δ=0.2
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