第3章 冲裁工艺及冲裁模具设计电子教材bprx.docx
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1、第3章 冲裁裁工艺及及冲裁模模具设计计3.1 冲裁过过程与冲冲裁件质质量3.2 冲裁裁模间隙隙内容简介介：冲裁是是最基本本的冲压压工序，本本章是本本课程的的重点。在在分析冲冲裁变形形过程及及冲裁件件质量影影响因素素的基础础上，介介绍冲裁裁工艺计计算、工工艺方案案制定和和冲裁模模设计。涉涉及冲裁裁变形过过程分析析、冲裁裁件质量量及影响响因素、间间隙确定定、刃口口尺寸计计算原则则和方法法、排样样设计、冲冲裁力与与压力中中心计算算、冲裁裁工艺性性分析与与工艺方方案制定定、冲裁裁典型结结构、零零部件设设计及模模具标准准应用、冲冲裁模设设计方法法与步骤骤等。学学习目的的与要求求：1 了解冲裁裁变形规规律
2、、变变形过程程；2 了解冲裁裁件质量量及影响响因素；重点：1 冲裁变形形过程及及变形规规律；2 冲裁件断断面质量量；3 冲裁间隙隙及合理理间隙的的确定。难点：1 冲裁变形形规律及及冲裁件件质量影影响因素素；2 冲裁件的的质量及及影响因因素；3 合理间隙隙的确定定。冲裁是冷冷冲压技技术中的的一项重重要内容容，它在在冲压生生产中所所占的比比例非常常大，有有着非常常重要的的地位。冲冲裁不仅仅可以直直接在平平板毛坯坯上进行行，还可可在弯曲曲、拉伸伸等半成成品上进进行，作作为这些些工序的的后续工工序。冲裁：就就是指利利用模具具在压力力机上使使材料与与制件沿沿一定的的轮廓线线产生相相互分离离的工序序。广义
3、义上来讲讲，冲裁裁包括了了所有的的分离工工序。但但一般情情况下，冲冲裁主要要是指冲冲孔和落落料两大大工序。落料：是是指材料料沿封闭闭的轮廓廓线产生生完全的的分离，冲冲裁轮廓廓线以内内的部分分为制件件，以外外的部分分为废料料；冲孔：材材料沿封封闭的轮轮廓线产产生完全全的分离离，冲裁裁轮廓线线以外的的部分为为制件，以以内的部部分为废废料。如冲压内内径为dd、外径径为D的的垫圈制制件，获获得内径径d的过过程为冲冲孔，获获得外径径D的过过程为落落料。所所以一个个简单的的垫圈制制件是由由落料与与冲孔两两个工序序结合而而成的。3.1 冲裁过过程与冲冲裁件质质量3.1.1 冲冲裁变形形过程图3-11 冲冲裁
4、过程程示意1模柄柄 2凸模 33条料料 4凹模 55下模模座冲裁过程程如图33-1所所示。当当条料送送入凸模模与凹模模之间后后，凸模模下压，在在凸模和和凹模共共同作用用下，使使材料产产生分离离。整个个过程可可以分为为三个阶阶段：1.弹性性变形阶阶段：当当凸模施施加给材材料的作作用力没没有超过过材料的的屈服极极限时，此此时，如如果凸模模回程，板板料即恢恢复平直直的原始始状态，此此阶段为为弹性变变形阶段段。图33-22.塑性性变形阶阶段：凸凸模继续续下行，施施加于材材料的作作用力超超过了材材料的屈屈服极限限，这时时，凸模模挤入材材料一圈圈，同时时，材料料也挤入入凹模，由由于材料料反抗凸凸模及凹凹模
5、的挤挤入，产产生弯矩矩M，在在弯矩MM的作用用下材料料产生弯弯曲，材材料各部部分应力力状态如如图3-2。图3-22 冲冲裁变形形过程3.断裂裂分离阶阶段：随随着施加加于材料料力的不不断增大大，凹模模刃口附附近材料料所受应应力首先先达到最最大值，因因而出现现裂纹，但但这时凸凸模刃边边处的材材料还处处于塑性性状态，因因此，凸凸模继续续挤入材材料。如如图3-2当此处处材料所所受力也也达到材材料的抗抗剪强度度时，也也会产生生裂纹。如如果间隙隙适当时时，上下下裂纹扩扩展并重重合，直直到材料料分离，从从而获得得制件。如如图3-2。最后后，凸模模继续下下行，将将制件推推下。如如图3-2从上述过过程可以以看出
6、，任任何一种种材料的的冲裁，都都要经过过弹性变变形、塑塑性变形形、断裂裂分离三三个阶段段，只是是由于冲冲裁条件件的不同同，三种种变形所所占的时时间比例例各不相相同。3.1.2 冲裁件断断面分析析冲裁过程程的材料料变形是是很复杂杂的，由由图3-2可以以看出，冲冲裁除剪剪切变形形外，还还有拉伸伸、弯曲曲、横向向挤压等等变形。由由于它的的复杂应应力与应应变，而而造成了了冲裁件件断面的的变化。一一般来说说，冲裁裁断面可可划分为为四个区区域：塌塌角、光光面、毛毛面、毛毛刺。下下面以普普通冲裁裁时的落落料件为为例说明明各区的的分布情情况。如如图3-3所示示1.塌角角：由于模模具间隙隙的存在在，冲压压时，材
7、材料进入入凹模时时产生弯弯曲力矩矩，从而而在制件件上产生生弯曲圆圆角区。2.光面面：由于于冲裁时时存在塑塑性变形形，凸模模挤压切切入材料料，在制制件断面面形成表表面光洁洁平整的的光面。光光面是制制件质量量最好的的部分，是是制件测测量的基基准。图3-33 冲冲裁区应应力、变变形情况况及冲裁裁断面状状况a塌角角 bb光面面 cc毛面面 dd毛刺刺正应力力剪切应应力3.毛面面：由于于裂纹扩扩展而使使材料撕撕裂产生生分离，从从而形成成表面粗粗糙并带带有一定定锥度的的断裂区区。4.毛刺刺：在凸凸模与凹凹模刃口口处首先先产生的的微裂纹纹随着凸凸模的下下降而形形成毛刺刺，凸模模继续下下降，毛毛刺拉长长，最后
8、后残留在在制件上上。一般般毛刺的的高度应应控制在在料厚的的10%以下为为合适，精精度要求求高的制制件应控控制在55%以下下。落料料时各区区域的位位置与冲冲孔正好好相反。冲裁断面面的四个个区域在在断面上上所占的的比例不不是一成成不变的的，随着着材料性性质、厚厚度、模模具结构构及使用用情况的的不同而而变化。3.2 冲裁裁模间隙隙3.2.1间隙隙的概念念如图3-4所示示，凸模模与凹模模工作部部分的尺尺寸之差差称为间间隙。冲冲裁模间间隙都是是指的双双面间隙隙。间隙隙值用字字母Z表表示。Z=DAADT （33-1）式中 Z冲裁间间隙，单单位为mmm；DA凹凹模尺寸寸，单位位为mmm；DT凸凸模尺寸寸，单
9、位位为mmm；图3-44 冲冲裁模间间隙3.2.2 冲裁间隙隙的重要要性1. 冲裁间隙隙对冲裁裁件质量量的影响响冲裁件质质量包括括断面质质量、尺尺寸精度度、表面面平直度度等。影影响质量量的因素素有很多多，如材材料的性性能、模模具制造造的精度度、冲裁裁间隙、冲冲裁条件件等。本本部分主主要讨论论冲裁间间隙对冲冲裁件质质量的影影响。图3-55 间隙隙大小对对工件断断面质量量的影响响（1）间间隙对断断面质量量的影响响 由由冲裁变变形过程程的分析析可知，冲冲裁时上上下裂纹纹不一定定从两刃刃口同时时发生。冲冲裁间隙隙值的大大小对冲冲裁时上上下裂纹纹的重合合与否有有直接的的影响。模具间隙隙合理时时，凸模模与
10、凹模模处的裂裂纹（上上下裂纹纹）在冲冲压过程程中相遇遇并重合合，此时时断面如如图3-5（bb）所示示，其塌塌角较小小，光面面所占比比例较宽宽，对于于软钢板板及黄铜铜约占板板厚的三三分之一一左右，毛毛刺较小小，容易易去除。断断面质量量较好；间隙过大大时，凸凸模刃口口处的裂裂纹较合合理间隙隙时向内内错开一一段距离离，如图图3-55（c）所所示，上上下裂纹纹未重合合部分的的材料将将受很大大的拉伸伸作用而而产生撕撕裂，使使塌角增增大，毛毛面增宽宽，光面面减少，毛毛刺肥而而长，难难以去除除，断面面质量较较差；间隙过小小时，凸凸模与凹凹模刃口口处的裂裂纹较合合理间隙隙时向外外错开一一段距离离，如图图3-5
11、5（a）所所示，上上下裂纹纹中间的的一部分分材料，随随着冲裁裁的进行行将进行行二次剪剪切，从从而使断断面上产产生二个个光面，并并且，由由于间隙隙的减小小而使材材料受挤挤压的成成分增大大，毛面面及塌角角都减少少，毛刺刺变少，断断面质量量最好。因因此，对对于普通通冲裁来来说，确确定正确确的冲裁裁间隙是是控制断断面质量量的一个个关键。图3-66 间间隙与弹弹性变形形的关系系（2） 冲裁间间隙对尺尺寸精度度的影响响 冲冲裁加工工时，由由于冲压压力的影影响，凹凹模刃口口部分不不可能严严格维持持无载荷荷的形状状和尺寸寸。同时时，从前前述的分分析也知知，材料料在冲裁裁过程中中会产生生各种变变形，从从而在冲冲
12、裁结束束后，会会产生回回弹，使使制件的的尺寸不不同于凹凹模和凸凸模刃口口尺寸。其其结果，有有的使制制件尺寸寸变大，有有的则减减小。其其一般规规律是间间隙小时时，落料料件尺寸寸大于凹凹模尺寸寸，冲出出的孔径径小于凸凸模尺寸寸；间隙隙大时，落落料件尺尺寸小于于凹模尺尺寸，冲冲出的孔孔径大于于凸模尺尺寸。其其尺寸变变化量的的大小与与材料性性质、料料厚及轧轧制方向向等因素素有关。图图3-66显示了了在一定定条件下下模具间间隙与弹弹性变形形的关系系：在图图a中，当当间隙小小于5%时，制制件尺寸寸随间隙隙的增大大而减小小；当间间隙为55255%时，则则其尺寸寸变化不不大；当当间隙天天于255%时，其其尺寸
13、再再次变小小。然而而，当间间隙小于于2%时时，制件件尺寸比比凹模刃刃口大。同同时，在在一般情情况下，间间隙越小小，制件件的尺寸寸精度也也越高，如如图3-7所示示。2. 冲裁间隙隙对冲压压力的影影响冲裁力随随着间隙隙的增大大虽然有有一定程程度的降降低，但但当单边边间隙在在5%10%料厚时时，冲裁裁力降低低并不明明显，因因此，一一般来说说，在正正常冲裁裁情况下下，间隙隙对冲裁裁力的影影响并不不大，但但间隙对对卸料力力、推件件力的影影响却较较大。间间隙较大大时，卸卸料及推推料时所所需要克克服的摩摩擦阻力力小，从从凸模上上卸料或或从凹模模内推料料都较为为容易，当当单边间间隙大到到15%200%料厚厚时
14、，卸卸料力几几乎等于于零。图3-77 间间隙与冲冲裁件精精度的关关系3. 冲裁间间隙对冲冲模寿命命的影响响间隙是影影响模具具寿命的的主要因因素，由由于冲裁裁时，凸凸模与凹凹模之间间，材料料与模具具之间都都存在摩摩擦。而而间隙的的大小则则直接影影响到摩摩擦的大大小。间间隙越小小，摩擦擦造成的的磨损越越严重，模模具寿命命就越短短，而较较大的间间隙，可可使摩擦擦造成的的磨损减减少，从从而提高高了模具具的寿命命。综上所述述，冲裁裁间隙较较小，冲冲裁件质质量较高高，但模模具寿命命短，冲冲压力有有所增大大；而冲冲裁间隙隙较大，冲冲裁件质质量较差差，但模模具寿命命长，冲冲压力有有所减少少。因此此，选择择合理
15、的的间隙值值的总的的原则是是：在满满足冲裁裁件质量量的前提提下，间间隙值一一般取偏偏大值，这这样可以以降低冲冲裁力和和提高模模具寿命命。1 合理间隙隙的确定定因为间隙隙对冲裁裁件质量量、冲裁裁力、模模具寿命命都有影影响。因因此，在在设计和和制造模模具时，一一定要选选择一个个合理间间隙值。考考虑到模模具制造造的精度度及使用用过程中中的磨损损，生产产中通常常是选择择一个适适当的范范围作为为合理间间隙。这这个范围围的最小小值称最最小合理理间隙，最最大值称称为最大大合理间间隙。只只要在这这个范围围内的间间隙，都都能冲出出合格的的制件。由由于模具具在使用用中的磨磨损使间间隙增大大，故设设计与制制造时要要
16、采用最最小合理理间隙值值。确定定合理间间隙值的的方法有有理论计计算法、经经验确定定法二种种。（1）理理论计算算法 该方法法的理论论依据是是保证上上下裂纹纹重合，以以获得良良好的断断面质量量。根据据图3-7的几几何关系系可得：图3-88 冲冲裁时产产生裂纹纹的瞬时时状态表3-11h0/t与值材料h0/tt退火硬化退火硬化软钢、紫紫铜、软软黄铜中硬钢、硬硬黄铜硬钢、硬硬黄铜0.50.30.20.3550.20.1654544Z=2(t-hh0)tgg=2tt(1-) ttg (3-2)式中 t料厚（mmm）h0产产生裂纹纹时凸模模挤入的的深度（mmm）h0/tt产生裂裂纹时凸凸模挤入入的相对对深度
17、，查查表3-1 最最大剪应应力方向向与垂线线间的夹夹角，查查表3-1由上式可可知：间间隙值的的大小ZZ主要与与材料厚厚度t、相相对切入入深度hh0/t及及裂纹方方向有关。而而h0和又与材材料性质质有关，材材料越硬硬，h00/t越越小，因因此，影影响间隙隙值的主主要因素素是材质质与料厚厚。材料料越硬越越厚，其其所需合合理间隙隙值越大大。反之之则越小小。由于于理论计计算法在在生产中中使用不不方便，故故目前广广泛使用用经验公公式及查查表确定定。 （22）经验验确定法法 根根据使用用经验，在在确定间间隙值时时要根据据要求分分类使用用。如电电子电器器行业，对对制件的的质量要要求较高高，因此此，其合合理间
18、隙隙值取得得偏小；而对于于汽车拖拖拉机行行业来说说，对制制件的质质量相对对来说要要求不是是很高，这这时，应应以降低低冲裁力力，提高高模具寿寿命为主主，其合合理间隙隙值取得得偏大一一些。采采用大间间隙时应应注意：为了保保证制件件平整，一一定要有有压料与与顶件装装置；为为了防止止凸模夹夹带废料料，最好好在凸模模上开通通气孔或或装弹性性顶件钉钉。根据实际际情况,合理间间隙可查查冲压设设计资料料。33凸凸模与凹凹模刃口口尺寸的的确定学习目的的与要求求：1 掌握冲裁裁模刃口口尺寸计计算原则则；2 掌握冲裁裁模刃口口尺寸计计算方法法。重点：1 凸凸模与凹凹模刃口口尺寸计计算原则则；2 刃口口尺寸计计算原则
19、则和方法法。难点：配合加工工法计算算凸模与与凹模刃刃口尺寸寸。3.3 凸模模与凹模模刃口尺尺寸的确确定冲裁件的的尺寸精精度主要要是由冲冲模的制制造精度度决定的的。即取取决于凸凸模与凹凹模的刃刃口尺寸寸。因此此，正确确确定凸凸模和凹凹模的刃刃口尺寸寸和公差差，是冲冲裁模设设计的一一项重要要工作。3.3.1 凸模与凹凹模刃口口尺寸确确定的原原则我们已经经知道，冲冲裁件的的断面有有圆角、光光面、毛毛面和毛毛刺四个个部分。而而在冲裁裁件的测测量与使使用中，都都是以光光面的尺尺寸为基基准的。根根据观察察与分析析，落料料件的尺尺寸接近近于凹模模尺寸，而而冲孔件件的尺寸寸接近于于凸模尺尺寸。故故计算凸凸模与
20、凹凹模刃口口尺寸时时，应按按落料与与冲孔两两种情况况分别进进行。其其计算原原则如下下：1.落料料时以凹凹模尺寸寸为基准准，即先先确定凹凹模尺寸寸。考虑虑到凹模模尺寸在在使用过过程中因因磨损而而增大，故故落料件件的基本本尺寸应应取工件件尺寸公公差范围围内的较较小尺寸寸，而落落料凸模模的基本本尺寸，则则按凹模模基本尺尺寸减最最小初始始间隙。2. 冲孔时时以凸模模尺寸为为基准，即即先确定定凸模尺尺寸。考考虑到凸凸模尺寸寸在使用用过程中中因磨损损而减小小，故冲冲孔件的的基本尺尺寸应取取工件尺尺寸公差差范围内内的较大大尺寸，而而冲孔凹凹模的基基本尺寸寸，则按按凸模基基本尺寸寸加最小小初始间间隙。3. 凸
21、模与与凹模刃刃口的制制造公差差 根根据工件件的精度度要求而而定。一一般取比比工件精精度高二二到三级级的精度度。考虑虑到凹模模比凸模模加工稍稍难，凹凹模比凸凸模低一一级。3.3.2 凸模模与凹模模刃口尺尺寸的计计算方法法凸模与凹凹模刃口口尺寸的的计算，与与加工方方法有关关。加工工方法可可分为：图3-99 冲孔落落料时刃刃口尺寸寸与公差差的关系系a）落料料 bb）冲孔孔1.分开开加工 这种种加工方方法凸模模与凹模模间隙的的均匀性性纯靠加加工精度度保证，目目前多用用于圆形形或简单单规则形形状的工工件。冲冲模刃口口与工件件尺寸及及公差分分布如图图3-88所示。其其计算公公式如下下根据计计算原则则可以导
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