沖壓工藝學(xué)第二章

第二章沖裁

沖裁是利用沖模使板料產(chǎn)生分離的一種沖壓工序，它包括落料、沖孔、切口、剖切、修邊等。主要指落料、沖孔。

落料—是指從板料沖下所需形狀的零件（毛坯）。制取一定外形的沖落部分。

沖孔—在工件上沖出所需形狀的孔（沖去的為廢料）。制取內(nèi)孔。

第一頁，共五十四頁。第二章沖裁2.1沖裁變形過程分析沖裁是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產(chǎn)生分離的一種沖壓工序。

圖2.1所示為沖裁加工示意圖。由圖可見，沖裁加工必須使用模具。圖中1為凸模，2為凹模，凸模端部及凹模洞口邊緣的輪廓形狀與工件形狀對應(yīng)，并有鋒利的刃口。凸模刃口輪廓尺寸略小于凹模，其差值稱為沖裁間隙。

圖2.1

沖裁加工示意圖

1—凸模；2—凹模第二頁，共五十四頁。第二章沖裁沖裁過程變形機(jī)理分析1.受力情況分析Fp1、Fp2──凸、凹模對板料的垂直作用力；F1、F2──凸、凹模對板料的側(cè)壓力；μFp1、μFp2──凸、凹模端面與板料間的摩擦力，其方向與間隙大小有關(guān)，一般從模具刃口指向外；μF1、μF2──凸、凹模側(cè)面與板料間的摩擦力

由于M使板料彎曲并從模具表面上翹起，使模具表面和板料的接觸面僅限在刃口附近的狹小區(qū)域，其接觸面寬度約為板厚的0.2～0.4。接觸面間相互作用的垂直壓力并不均勻，隨著向模具刃口的逼近而急劇增大。第三頁，共五十四頁。第二章沖裁剪切區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)分析A點(diǎn)——凸模下壓引起軸向拉應(yīng)力σ3。板料彎曲與凸模側(cè)壓力引起徑向壓應(yīng)力σ1，切向應(yīng)力σ2為板料彎曲引起的壓應(yīng)力與側(cè)壓力引起的拉應(yīng)力的合成應(yīng)力B點(diǎn)——凸模下壓與板料彎曲引起的三向壓縮應(yīng)力。C點(diǎn)——沿纖維方向?yàn)槔瓚?yīng)力σ1，垂直于纖維方向?yàn)閴簯?yīng)力σ3。D點(diǎn)——凹模擠壓板料產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力σ3，板料彎曲引起徑向拉引力σ1和切向拉應(yīng)力σ2。E點(diǎn)——凸模下壓引起軸向拉應(yīng)力σ3，板料彎曲引起拉應(yīng)力與凹模側(cè)壓力引起的壓應(yīng)力合成產(chǎn)生應(yīng)力σ1與σ2，該合成應(yīng)力可能為拉應(yīng)力，可能為壓應(yīng)力。第四頁，共五十四頁。第二章沖裁2.變形過程

模具間隙正常時(shí)，金屬材料的沖裁過程可分四個(gè)階段：彈性變形階段：板料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲和拉伸等變形；塑性變形階段：板料的應(yīng)力達(dá)到屈服極限，板料開始產(chǎn)生塑性剪切變形；萌生裂紋階段：當(dāng)切刃附近材料各層中達(dá)到極限應(yīng)變與應(yīng)力值時(shí)，產(chǎn)生微裂紋。

斷裂分離階段：已成形裂紋沿最大剪應(yīng)變速度方向向材料內(nèi)延伸，呈楔形狀發(fā)展。第五頁，共五十四頁。第二章沖裁分離過程的四個(gè)階段，使沖裁件斷面明顯分為四個(gè)部分：a－塌角；b－光亮帶；c－剪裂帶；d－毛刺第六頁，共五十四頁。第二章沖裁2.2模具間隙模具間隙是指：凸凹模刃口間縫隙的距離，用符號c表示，稱為單面間隙。而雙面間隙用Z表示。間隙對沖裁件的質(zhì)量、沖裁力、模具壽命的影響很大。影響沖裁件質(zhì)量的因素有：1）凸凹模間隙大小及分布的均勻性，模具刃口尺寸狀態(tài)。2）模具結(jié)構(gòu)與制造精度，材料性質(zhì)等。間隙值大小與均勻程度起主要因素。第七頁，共五十四頁。第二章沖裁1.間隙對沖裁件質(zhì)量的影響主要影響因素：

1）間隙對切斷面質(zhì)量的影響；

間隙過?。簩a(chǎn)生二次剪切，出現(xiàn)擠長毛刺，制件中部留有撕裂帶，制件穹彎小，斷面垂直。第八頁，共五十四頁。第二章沖裁間隙過大：材料彎曲與拉伸增大，拉應(yīng)力增大，材料易被撕裂，塌角（圓角帶）與撕裂斜度都增大，毛刺大而厚。間隙適中：制件斷面有一定斜度，比較平直，光潔，毛刺很小，且沖裁力小。2）間隙對尺寸精度的影響間隙過大時(shí)：材料所受拉伸作用增加，沖裁后使落料尺寸小于凹模尺寸，沖孔孔徑大于凸模直徑。間隙過小時(shí)：擠壓力增大，沖裁后使落料件尺寸增大，沖孔孔徑變小。3）間隙對沖裁力的影響當(dāng)間隙小于或大于合理間隙時(shí)：沖裁力F↑，上、下模裂紋不重合，剪切力沖階段性下降。4）間隙對模具壽命的影響。提高模具壽命一般采用較大的模具間隙，若采用較小間隙，就必須提高模具的硬度與模具制造光潔度、精度，改善潤滑條件，以減少磨損。第九頁，共五十四頁。第二章沖裁在長期的研究中發(fā)現(xiàn)影響的規(guī)律各不相同。能同時(shí)滿足沖裁件斷面質(zhì)量最佳、尺寸精度最高、壽命最長、沖裁力最小等各方面要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，間隙的選用主要考慮降低沖裁力和模具壽命這兩個(gè)主要因素，它與生產(chǎn)成本和產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。因此，并不存在一個(gè)絕對合理的間隙值，只能給出一個(gè)合理的間隙范圍供選擇。2.合理間隙的確定方法：1）理論確定法：第十頁，共五十四頁。第二章沖裁2）經(jīng)驗(yàn)確定法：一般情況采用雙面間隙：材料種類材料厚度（t）雙面間隙（Z）軟材料＜1mm（6%~8%）t1~3mm（10%~15%）t3~5mm（15%~20%）t硬材料＜1mm（8%~10%）t1~3mm（11%~17%）t3~5mm（17%~25%）t第十一頁，共五十四頁。第二章沖裁表2-2沖裁模合理間隙值（經(jīng)驗(yàn)值）第十二頁，共五十四頁。第三章沖裁I、II、III分指沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度要求級別高、中、低第十三頁，共五十四頁。第二章沖裁凸模和凹模的制造公差，主要與沖裁件的精度和形狀有關(guān)。一般比沖裁件的精度高2～3級，如果對刃口精度要求過高，勢必增加模具制造成本和難度，生產(chǎn)周期長；如果對刃口精度要求過低，沖制的零件不合格。其零件精度與模具制造精度的關(guān)系如下表2-3所示。如零件僅為名義尺寸，即未標(biāo)注公差，對非圓形件按國家標(biāo)準(zhǔn)IT14處理，而沖模制造公差可按IT11級選??；對于圓形件，一般可按IT6～I(xiàn)T7精度制造模具。表2-3沖模制造精度與沖裁件尺寸精度之間的關(guān)系

第十四頁，共五十四頁。第二章沖裁表2-4非金屬材料沖裁模初始雙面間隙

第十五頁，共五十四頁。第二章沖裁3合理間隙的選擇原則

生產(chǎn)實(shí)踐證明，沖裁間隙取小值時(shí)，沖裁件的斷面質(zhì)量較好。間隙過小會增大沖裁力和退料力，降低模具使用壽命。因此，在選擇沖裁間隙時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面因素：(1)當(dāng)沖裁件斷面質(zhì)量要求不高時(shí)，在合理的間隙范圍內(nèi)，應(yīng)盡量取較大的間隙，從而有利于延長模具壽命，降低沖裁力、推件力、卸料力。

(2)當(dāng)沖裁件質(zhì)量要求高時(shí)，在合理間隙范圍內(nèi)，應(yīng)盡量取較小值，這樣盡管模具壽命有所降低，但保證了零件的沖裁質(zhì)量。在設(shè)計(jì)沖模時(shí)，一般取Zmin作為初始間隙，主要是考慮模具工作一段時(shí)間之后，要進(jìn)行刃磨。修磨后會使間隙增大，使Zmin向Zmax過渡。所以，為了使模具能在較長時(shí)間內(nèi)沖制出合格的零件，提高模具的利用率，降低生產(chǎn)成本，一般設(shè)計(jì)模具時(shí)取Zmin作為初始間隙。第十六頁，共五十四頁。第二章沖裁2.3凸凹模刃口尺寸確定與計(jì)算

凸凹模刃口尺寸精度是影響沖裁件尺寸精度的首要因素。必須考慮到光亮帶尺寸決定制件尺寸和模具在使用中的磨損。1.決定模具刃口尺寸及制造公差應(yīng)遵循的依據(jù)和原則1）沖孔件尺寸決定于凸模尺寸，設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)應(yīng)以凸模為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上。2）落料件尺寸決定于凹模尺寸，設(shè)計(jì)落料模時(shí)應(yīng)以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上。3）考慮到?jīng)_模的磨損，落料凹模刃口尺寸應(yīng)靠近落料件公差范圍內(nèi)的最小尺寸，沖孔凸模刃口尺寸應(yīng)靠近孔的公差范圍內(nèi)的最大尺寸。4）凸凹模間隙取最小合理間隙第十七頁，共五十四頁。第二章沖裁式中：δp、δd—分別為凸、凹模制造公差，mm；

Zmax、Zmin—最大、最小合理間隙值，mm?？刹楸?。

當(dāng)凸模與凹模分開加工時(shí)，其公差應(yīng)保證有如下關(guān)系：或或第十八頁，共五十四頁。第二章沖裁2.凸凹模刃口尺寸計(jì)算方法1）分開加工：分別標(biāo)注凸凹模刃口尺寸及公差，適于圓形及簡單形狀。落料凹模：沖孔凹模：沖孔件尺寸d+△，若落料件尺寸D-

△

，則落料凸模：沖孔凸模：第十九頁，共五十四頁。第二章沖裁

在同一工步中沖出制件兩個(gè)以上孔時(shí)，凹模型孔中心距Ld按下式確定

：

Dp、Dd—分別為落料凸模和凹模尺寸，mm；dp、dd—分別為沖孔凸模和凹模尺寸，mm；△—工件的制造公差，mm；D、d—分別為落料件的基本尺寸和工件孔的基本尺寸，mm；

Zmin——最小合理間隙（雙面），mm；δp、δd—分別為凸模和凹模的制造公差，mm。

x—磨損系數(shù)，與制造精度有關(guān)，可從表2-4中選取。第二十頁，共五十四頁。表2-5規(guī)則形狀（圓形、矩形）沖裁模凸、凹模制造公差mm第二十一頁，共五十四頁。第二章沖裁表2-6磨損系數(shù)x

第二十二頁，共五十四頁。第二章沖裁例題：加工一批墊圈，材料為Q235A鋼，分別計(jì)算落料和沖孔的凸、凹模刃口部分尺寸。墊圈零件尺寸如圖2-6所示。解：落料的凸模、凹模刃口尺寸：凹模刃口尺寸：凸模刃口尺寸：查表2-2、表2-5、表2-7得：圖2-6墊圈

，x=0.5沖孔凸模、凹模刃口尺寸：第二十三頁，共五十四頁。第二章沖裁∴能滿足：的條件。將已查得的數(shù)據(jù)代入計(jì)算式，即得沖孔凸模、凹模刃口尺寸：第二十四頁，共五十四頁。第二章沖裁2）凸模與凹模配合加工

凸模與凹模配合加工一般工廠的做法是：先根據(jù)沖裁件尺寸和公差加工凸、凹模中的一件（落料時(shí)先加工凹模，沖孔時(shí)先加工凸模），再以該件為基準(zhǔn)件配加工另一件，使他們之間保證圖紙規(guī)定的合理間隙。采用此法，凸、凹模的制造公差不再受限制，一般按經(jīng)驗(yàn)選取，常取工件公差的四分之一。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是容易保證凸、凹模之間的間隙，同時(shí)又可放大模具的制造公差，降低模具制造成本，因此在許多工廠得到廣泛應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：不僅容易保證凸、凹模間隙很小,而且制造還可以放大基準(zhǔn)件的制造公差,使制造容易。

適用于：異形或復(fù)雜刃口。設(shè)計(jì)時(shí)：基準(zhǔn)件的刃口尺寸及制造公差應(yīng)詳細(xì)標(biāo)注，非基準(zhǔn)件上只標(biāo)注公稱尺寸，但在圖樣上注明：“凸(凹)模刃口按凹(凸)模實(shí)際刃口尺寸配作，保證最小雙面合理間隙值?！钡诙屙?，共五十四頁。第二章沖裁(1)落料落料時(shí)應(yīng)以凹模為基準(zhǔn)來配作凸模，并按凹模磨損后尺寸變大、變小、不變的規(guī)律分三種情形進(jìn)行計(jì)算。第一種：凹模磨損后變大的尺寸，如圖2-7(b)中A1d、A2d、A3d、A4d，這些尺寸按一般落料模尺寸計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。即圖2-7(a)為沖裁件圖，圖2-7(b)為沖制該零件的凹模圖。第二十六頁，共五十四頁。第二章沖裁a)沖裁件圖；b）凹模圖2-7落料時(shí)的沖裁件與凹模

第二十七頁，共五十四頁。第二章沖裁

第二種：凹模磨損后變小的尺寸，如圖2-7(b)中B1d、B2d，按一般沖孔凸模尺寸計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。即

第三種：凹模磨損后沒有變化的尺寸，如圖2-7(b)中，可分為三種情形：①當(dāng)沖裁件尺寸標(biāo)注為C+△時(shí)：②沖裁件孔尺寸標(biāo)注為C-△時(shí)：第二十八頁，共五十四頁。第二章沖裁③沖裁件孔尺寸標(biāo)注為C±△’時(shí)：以上各式中的符號含義如下：Ap、Bp、Cp—凹模尺寸，mm；A、B、C—相對應(yīng)的沖裁件基本尺寸，mm；Δ—沖裁件的公差，mm；Δ’—沖裁件偏差，對稱偏差時(shí)Δ’=Δ/4，mm；δp—凹模制造偏差，mm。當(dāng)標(biāo)注形式為+δp或-δp時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取Δ/4。按上述方法設(shè)計(jì)制造出凸模，凹模按其尺寸配作，保證最小間隙(在凹模零件圖技術(shù)要求中注明即可)。第二十九頁，共五十四頁。第二章沖裁2.4沖裁力的計(jì)算及降低沖裁力的方法1.沖裁力的計(jì)算沖裁力是指沖裁時(shí)，板料對凸模的最大抵抗力。目的是合理地選用沖壓設(shè)備、設(shè)計(jì)模具和校核模具強(qiáng)度的重要依據(jù)。沖裁力的大小主要與材料的力學(xué)性能、厚度和工件將要實(shí)施沖裁的周邊長度有關(guān)。采用平刃沖裁時(shí)，其沖裁力可按下式計(jì)算：平刃沖模的沖裁力：式中：k—系數(shù)，一般取k=1.3；L—沖裁件的沖裁周長，mm；t—板料厚度，mm；τ—材料抗剪強(qiáng)度，MPa。σb—為材料的抗拉強(qiáng)度，MPa第三十頁，共五十四頁。第二章沖裁沖裁功平刃沖裁時(shí)，沖裁功：

在選用壓力機(jī)時(shí)，必須滿足W>W沖(W－壓力機(jī)所規(guī)定的每次行程總功)第三十一頁，共五十四頁。第二章沖裁第三十二頁，共五十四頁。第二章沖裁2.降低沖裁力的方法1）材料加熱紅沖材料在加熱狀態(tài)下剪切強(qiáng)度大大下降，因而可以降低沖裁力。但材料加熱后會產(chǎn)生氧化皮，還會產(chǎn)生變形，故此法只適用于厚板或工件表面質(zhì)量及尺寸精度要求不高的工件。表2-6鋼在加熱狀態(tài)的抗剪強(qiáng)度τ/MPa

第三十三頁，共五十四頁。第二章沖裁2）多凸模階梯布置

在多凸模的沖裁中，將凸模做成不同長度，呈階梯布置，可使各個(gè)凸模沖裁力的最大值不同時(shí)出現(xiàn)。從而降低了總的沖裁力。凸模間的高度差按材料厚度確定：t＜3mm,h=t；t＞3mm,h=0.5t采用階梯布置凸模時(shí),應(yīng)盡可能對稱布置．同時(shí)應(yīng)把小凸模做得短一些，大凸模做得長一些，這樣可以避免小凸模由于材料流動的側(cè)壓力而產(chǎn)生傾斜或折斷的現(xiàn)象。第三十四頁，共五十四頁。第二章沖裁a)、b)、c)斜刃落料；d)、e)、f)斜刃沖孔；3）斜刃沖裁

平刃口沖裁時(shí)，整個(gè)刃口平面同時(shí)接觸板料，而斜刃口沖裁時(shí)，由于刃口是傾斜的，沖裁時(shí)刃口不是同時(shí)切入，而是逐步?jīng)_切材料，這樣相當(dāng)于減小了沖切斷面積。因而降低沖裁力。采用斜刃口沖裁時(shí)，為了獲得平整的工件，落料時(shí)凸模應(yīng)做成平刃口，把斜刃做在凹模上，如圖2-10(a)、(b)、(c)。沖孔時(shí)應(yīng)把凹模做成平刃口，把斜刃做在凸模上，如圖2-10(d)、(e)、（f）。第三十五頁，共五十四頁。第二章沖裁表2-7斜刃參數(shù)

第三十六頁，共五十四頁。第二章沖裁3.卸料力、推料力、頂件力卸料力——從凸模將零件或廢料卸下的力推件力——從凹模內(nèi)順沖裁方向?qū)⒘慵驈U料推出的力頂件力——從凹模內(nèi)逆沖裁方向?qū)⒘慵驈U料推出的力為系數(shù)，可查表，n為卡在凹模中工件或廢料數(shù)。第三十七頁，共五十四頁。第二章沖裁

在選擇壓力機(jī)噸位時(shí)，總的沖裁力計(jì)算，不能將幾個(gè)力簡單相加，而要根據(jù)所設(shè)計(jì)模具的具體結(jié)構(gòu)和采用的卸料與出件方式?jīng)Q定，計(jì)算總沖裁力時(shí)區(qū)別對待。采用彈性卸料和上出件方式時(shí)，總沖裁力為：F總=F+F頂+F卸采用彈性卸料和下出件方式時(shí)，總沖裁力為：F總=F+F推+F卸

采用剛性卸料和下出件方式時(shí)，總沖裁力為：

F總=F+F推第三十八頁，共五十四頁。第二章沖裁2.5工件的排樣與搭邊

排樣沖裁件在板料或調(diào)料上的布置方式，稱為沖裁件的排樣，簡稱排樣。排樣的目的在于減少材料的消耗，降低零件成本，提高生產(chǎn)率，延長模具壽命。1材料的利用率對沖裁件來說，一般材料占零件總成本60%以上，可見材料利用率是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。所謂材料利用率是指沖裁件的實(shí)際面積與所用板料面積的百分比，是具體衡量排樣合理性的指標(biāo)。第三十九頁，共五十四頁。第二章沖裁(1)沖裁單個(gè)零件時(shí)，可用以下公式計(jì)算：式中:η—材料利用率；

A0—沖裁件的實(shí)際面積，mm2；

A—沖裁該工件所需板料面積，mm2(2)采用條料沖裁多個(gè)零件的材料利用率，可按下式計(jì)算：式中:η—材料利用率；

A0—單只沖裁件的實(shí)際面積，mm2；n—該條料上所能沖制出的沖裁件個(gè)數(shù)；L—條料（帶料或板料）的長度,mm；B—條料（帶料或板料）的寬度,mm。

η值越大，說明廢料越少，材料利用率越高。第四十頁，共五十四頁。第二章沖裁2常見的排樣方式

(1)有廢料排樣如圖2-12(a)所示，沿工件外形沖裁，工件周邊都留有搭邊，可利用搭邊補(bǔ)償誤差，因而能保證沖裁件的精度和質(zhì)量，沖裁模的壽命也較高，缺點(diǎn)是材料利用率低，零件成本高。

(2)少廢料排樣如圖2-12(b)所示，沿工件部分外形沖裁，僅在局部留有搭邊和余料。

(3)無廢料排樣如圖2-12(c)所示，沿工件外形沖裁，無搭邊和工藝廢料。第四十一頁，共五十四頁。第二章沖裁a)有廢料排樣；b)少廢料排樣；c)無廢料排樣圖2-12三類排樣方式

第四十二頁，共五十四頁。第二章沖裁

采用少、無廢料排樣，可使材料利用率提高到75～95%，對節(jié)省材料有極其重大的意義。同時(shí)，因沖裁周邊減小，可降低沖裁力并簡化沖模結(jié)構(gòu)。但少無廢料沖裁也存在一些缺點(diǎn)，由于條料自身的公差和條料導(dǎo)向與定位所產(chǎn)生誤差的影響，沖裁件所能達(dá)到的精度和質(zhì)量都較差，同時(shí)模具的壽命也低，沖裁件的斷面質(zhì)量差。無論是有廢料、少廢料和無廢料排樣中，其排樣型式一般分為直排、斜排、直對排、斜對排、混合排和多行排等，如表2-9。

第四十三頁，共五十四頁。第二章沖裁第四十四頁，共五十四頁。第二章沖裁3搭邊

排樣時(shí)，工件之間以及工件與條料側(cè)邊之間留下的余料叫搭邊。搭邊的作用主要是補(bǔ)償定位誤差，保證沖出合格的零件。搭邊還可以保證條料有一定剛度，利于送料。搭邊值需要合理確定。搭邊值過大，則材料利用率降低，增加零件成本，浪費(fèi)材料。搭邊值過小，在沖裁中會將材料拉斷，使零件產(chǎn)生毛刺，嚴(yán)重時(shí)會將拉斷的材料擠入凸模與凹模間隙之中，損壞模具刃口。降低模具壽命。搭邊值的大小與下列因素有關(guān)：(1)材料的力學(xué)性能硬材料的搭邊值可小一些。軟材料、脆性材料的搭邊值要大一些。(2)零件的形狀與尺寸沖裁件的尺寸大小或有尖凸的復(fù)雜形狀，搭邊值要取大一些。(3)材料厚度材料越厚所取的搭邊值相應(yīng)大些。(4)送料方式與擋料方式手工送料，有側(cè)壓板導(dǎo)向的搭邊值可以小一些。第四十五頁，共五十四頁。第二章沖裁表2-10搭邊值

第四十六頁，共五十四頁。第二章沖裁3.6精密沖裁1.精密沖裁

它能在一次沖壓行程中獲得比普通沖裁零件尺寸精度高、沖裁面光潔、翹曲小且互換性好的優(yōu)質(zhì)精沖零件,并以較低的成本達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量的改善。精密沖裁實(shí)現(xiàn)的必要條件:1)強(qiáng)力的齒圈壓邊圈2)很小的沖裁間隙3)凹模刃口帶有小圓角4)強(qiáng)力的反頂裝置第四十七頁，共五十四頁。第二章沖裁精密沖裁特點(diǎn)：第四十八頁，共五十四頁。第二章沖裁工藝力計(jì)算：沖裁力壓邊力反壓力卸料力頂件力第四十九頁，共五十四頁。第二章沖裁2.半精沖

分離機(jī)理與普通沖裁相同。但是