第2章--冲裁

第二章冲裁航空航天工程学部主讲：贺平内容简介:冲裁是最基本的冲压工序。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。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等。重点内容：1．冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；2．刃口尺寸计算原则和方法；3．冲裁工艺性分析与工艺方案制定。难点内容：1．冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素；2．刃口尺寸计算原则和方法。冲裁加工示意图1—凸模；2—凹模冲裁变形过程及冲件断面分布.swf2、1冲裁变形机理2、1、1冲裁基本工序一、落料:是在平板的毛坯上沿封闭轮廓进行冲裁，余下的就是废料。落料常用于制备工序件。落料二、冲孔:是以落料件或其他成形件为工序件，完成各种形状孔的冲孔冲裁加工。a)落料b)冲孔垫圈的落料与冲孔三、修边：对成形件边缘进行冲裁，以获得工件要求的形状和尺寸称为修边。四、冲槽：在板料上或成形件上冲切出窄而长的槽，称为冲槽。五、冲缺口：在板条、型材或弯曲成形的长条形工序件的侧边，冲掉一小块废料，称为冲缺口。六、切断：对板条、型材、棒料、管材等沿横向进行冲切分离加工，称为切断。七、切舌：在材料上沿非封闭轮廓将材料局部冲切开并弯成一定的角度，但不与主体分离，称为切舌，也可称为冲切成形。八、剖切：如图所示，将已成形的立体形状的工序件分割为两件，称为剖切。剖切2.1.2冲裁变形分析为了正确设计冲裁工艺和模具，控制冲裁件质量，必须认真分析冲裁变形过程，了解和掌握冲裁变形规律。一、冲裁变形过程（一）弹性变形阶段（二）塑性变形阶段（三）断列分离阶段冲裁变形过程及冲件断面分布.swf冲裁变形过程二、冲裁时的受力分析（一）、冲裁时板料所受的外力由于凸模与凹模之间径向有一定的距离，使得板料在受到凸模与凹模正压力作用的同时还受到弯矩的作用，板料的变形不可能是纯剪切，还要产生有害的弯曲变形。板料的弯曲变形对模具刃口的侧面产生挤压作用；反过来，凸模与凹模刃口的侧面对板料产生反挤作用，形成对板料剪切面的侧压力。冲裁时作用于板料上的力1-凸模2-板材3-凹模无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图所示。（二）、冲裁时变形区的应力状态冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内。初始冲裁时的变形区由刃口向板料中心逐渐扩大，截面呈纺锤形。材料的塑性越好、硬化指数n越大，则纺锤形变形区的宽度将越大。变形区随着凸模切入板料深度的增加而逐渐缩小，但仍保持纺锤形。其周围已变形的材料比初始冲裁时被严重加工硬化了，因此冲裁断面存在加工硬化现象。冲裁时板料的应力状态简述：A点和B点均受压应力，C点和D点均受拉应力。变形区分为四个应力区：凸模和凹模端面靠近刃口区域为压应力区；凸模和凹模侧面靠近刃口区域为拉应力区。三、冲裁时裂纹的生成与发展（教材P8图2-8)冲裁轮廓的周边总要残留下有害的毛刺，落料件的毛刺产生在与凸模接触的板面一侧，冲孔件的毛刺产生在与凹模接触的板面一侧。毛刺截面呈三角形，带有尖锋，并高出板平面，常成为冲裁件的主要质量问题。四、冲裁件断面的形状冲裁件断面可以分成明显的四部分：塌角，光亮带，断裂带和毛刺。塌角：也称为圆角带。光亮带b：也称为剪切面。断裂带c：也称为撕裂带。毛刺d：a.冲孔件b）落料件冲裁件正常的断面状况2、2模具间隙2、2、1冲裁间隙模具间隙是指冲裁模凹模与凸模刃口间缝隙的距离，通常是指双边间隙，用z表示；或指单边间隙用c表示（c=z/2)。一、冲裁间隙对冲裁件质量的影响1、冲裁间隙对断面质量的影响间隙大小对冲裁件断面质量的影响a)间隙过小；b)间隙合适；c)间隙过大2、冲裁间隙对尺寸精度的影响尺寸精度是指工件的实际尺寸与图样上标注的基本尺寸的差值,差值越小，则精度越高。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、冲裁间隙等。(1）冲模的制造精度冲模的制造精度对冲裁件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。需要指出的是冲模的精度与冲模结构、加工、装配等多方面因素有关。(2）材料的性质材料的性质对该材料在冲裁过程中的弹性变形量有很大影响。对于弹性模量大、屈服极限值较低的材料，回弹较小，因而零件精度高。(3)冲裁间隙当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在纯剪切作用下被分离，使落料件的尺寸等于凹模尺寸，冲孔件尺寸等于凸模的尺寸。当间隙过大，板料在冲裁过程中除受剪切外还产生较大的拉伸与弯曲变形，冲裁后因材料弹性恢复，将使冲裁件尺寸向实际方向收缩。对于落料件，其尺寸将会小于凹模尺寸，对于冲孔件，其尺寸将会大于凸模尺寸。当间隙过小，则板料的冲裁过程中除剪切外还会受到较大的挤压作用，冲裁后。材料的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体的反方向胀大。对于落料件，其尺寸将会大于凹模尺寸，对于冲孔件，其尺寸将会小于凸模尺寸。为了保证冲裁件的尺寸精度，必须提高模具刃口尺寸的制造精度，一般要比冲裁尺寸精度高3-4级，设计模具时，凸模或凹模刃口尺寸的制造公差常取冲裁件相应尺寸公差的1/4，也就相当于提高了3-4级精度。3、冲裁间隙对形状的影响由冲裁变形区及受力分析得知，材料在冲裁过程中会受到弯曲力矩的作用，因此冲裁件会出现拱弯现象。加工硬化指数大的材料，拱弯较大。凹模间隙愈大，拱弯也愈大。预防减少拱弯的措施是：对于冲孔件在模具结构上增设压料板；对于落料件，则在凹模孔中加顶件板。二、冲裁间隙对毛刺的影响冲裁间隙是影响毛刺大小的主要因素，但材料不同时其影响程度却有较大差别。刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。模具刃口状态对断面质量的影响三、间隙对冲裁力的影响（教材P11图2-14）间隙对冲裁力影响不是很大。间隙小，挤压状态、压应力增大，板料不易产生裂纹，F裁↑间隙大，拉伸增大、容易产生裂纹，F裁↓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。试验证明，随间隙的增大冲裁力有一定程度的降低，但当单面间隙介于材料厚度的5％一20％范围内时冲裁力的降低不超过5％一l0％。因此，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不很大。但间隙对卸料力、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。一般当单面间隙增大到材料厚度的15％一25％时，卸料力几乎降到零。但间隙继续增大会时毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力的迅速增大。四、间隙对模具寿命的影响（教材P12图2-15）1、模具寿命的评定模具寿命是指模具的使用寿命，即模具制成后开始投入生产到其失效、报废时所使用的总时间。模具使用寿命常用模具的耐用度来衡量。模具的耐用度是用模具在工作一段时间以后，由于其工作部分经常磨损而失掉原有尺寸精度和质量效果时，在不能满足制品零件的技术条件的情况下，所制出的制品总数来衡量的。②衡量指标①模具寿命2．影响模具寿命的主要因素1）模具的失效形式2）影响模具寿命的主要因素①模具材料③模具结构设计④加工工艺②热处理工艺⑤润滑等②变形③疲劳④断裂①磨损失效原因材料热处理结构设计加工工艺润滑机床设备其它百分比（%）10501010785④断裂模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是影响模具寿命诸因素中主要的因素之一。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重。所以过小的间隙对模具寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面与材料间的摩擦减小，并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。所以为了减少凸、凹模的磨损，延长模具使用寿命，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。若采用小间隙，就必须提高模具硬度、精度、减小模具粗糙度、良好润滑，以减小磨损。3．提高模具寿命的有效途径1）合理选用模具材料A、模具对材料性能的要求热作模具：良好的耐蚀性、高的回火稳定性、抗高温氧化性、耐热疲劳性、较小的热膨胀系数和较高的导热性。①一般要求包括力学性能、高温性能、表面性能、工艺性能、经济性等。②各类模具对材料的特殊要求冷作模具：高强度、高硬度、高耐磨性。③常用模具钢的性能特点及用途钢材性能特点用途10、20易挤压成形、渗碳及粹火后耐磨性稍高、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷挤模、陶瓷模45耐磨性差、韧性高、热处理过热倾向小、淬透性低、耐高温性能差工作载荷不大、形状简单的型腔模、冲孔模、橡胶模及锌合金压铸模等T10A、T12A耐磨性差，热处理变形大、淬透性低T7A、T8A耐磨性稍好、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大，形状简单的冷冲模、成形模40Cr耐磨性差、韧性高、热处理变形稍小，淬透性稍高、耐高温性能差用于锌合金压铸模9Mn2V、GCr15耐磨性较好、热处理变形小、淬透性稍高工作载荷较大、形状较复杂的冷冲模、胶木模CrWMn工作载荷较大、形状较复杂的冷冲模、成形模9CrSi耐磨性好、热处理变形小、淬透性较高用于冲头、滋丝模60Si2A韧性好、热处理变较小、淬透性高用于标准件上的冷镦模Cr12耐磨性好、韧性差、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析严重工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模Cr12MoV耐磨性好、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模、冷挤模以及冷镦模3CrMnMo、5CrNiMo韧性较高、热处理变形较小、淬透性较好、回火稳定性较高热态下工作的热锻模、热切边模3Cr2W8V热态下工作的热挤模、热冲模、压铸模W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2红硬性高、热处理变形小、淬透性好工作载荷大的冲头、冷挤模及热态下工作的热冲模模具工作状态材料选用原则(工作零件)大批量和高效生产的模具要选用高寿命的模具材料，如硬质合金、钢结硬质合金、主强韧、高耐磨合模具钢中批量生产中的模具选用通用模具钢、如T10A、Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8、5CrNiMo、5CrMnM0小批量或新产品试制性模具锌合金、铋锡低熔点合金，象氨酯橡胶、等经济性模具材料易变形失效模具选用足够的强度和稳定性的模具钢易磨损的模具选用高硬度模具钢材料易断裂失效模具选用有足够韧性的模具材料塑料模具选用易切钢材锻模选用耐高温和抗冷热疲劳性能的材料模具材料选用的一般原则2、2、2、冲裁间隙值得确定（一）冲裁间隙的理论计算(教材P13图2-16)冲裁间隙的理论计算法的主要依据是保证上下裂纹会合，以便获得良好的断面。冲裁间隙Z的理论计算式：Z=2t(1-h0/t)tgβ其中：h0---凸模切入深度；β---裂纹的斜角，见表1—1。决定冲裁间隙Z的主要因素是板料厚度t、相对切入深度h0/t及裂纹斜角β。因此，影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。材料厚度越大，塑性越低的硬脆材料，则所需间隙Z值就越大；材料厚度越薄，塑性越好的材料，则所需间隙Z值就越小。由于理论计算法在生产中使用不方便，故目前广泛采用的是经验数据。（二）冲裁间隙的实际值（教材表2-4、2-5）根据近年来的研究与使用经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件应选用较小间隙值，对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大间隙值。其值可按下列经验公式和实用间隙表选用：软材料：t＜1mm,c=（3%--4%)tt=1--3mm,c=(5%--8%)tt=3--5mm,c=(8%--10%)t硬材料：t＜1mm,c=(4%--5%)tt=1--3mm,c=(6%--8%)tt=3--8mm,c=(8%--13%)t2、3凸、凹模尺寸计算1、尺寸计算原则冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现：（1）由于凸模、凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出