冲压工艺与冲压模设计-ch02.doc

97第2章 冲裁第2章 冲 裁从表1.1可见，分离工序(广义冲裁)包括落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口、整修等，其中冲裁(落料、冲孔)应用最多。生产实际中往往对冲裁与广义冲裁不加区分。冲裁得到的制件可以是最终零件，也可以作为弯曲、拉深、成形等其他工序的坯料/工序件/半成品。2.1 冲裁变形过程如图2.1所示，冲裁需要用到的凸模1(实体)与凹模2(型孔)工作部分(刃口)的水平投影轮廓按所需制件轮廓形状制造，但尺寸有微小差别(需要一定间隙)。当压力机滑块把凸模推下时，板料就受到凸-凹模的剪切作用而沿一定的轮廓互相分离。(a) (b)图2.1 普通冲裁示意图1凸模；2凹模2.1.1 冲裁变形的3个阶段板料的分离是瞬间完成的，冲裁变形过程大致可分成3个阶段(如图2.2所示)。(1)弹性变形阶段(如图2.2(a)所示)当凸模开始接触板料并下压时，板料发生弹性压缩和弯曲。板料略有挤入凹模洞口的现象。此时，以凹模刃口轮廓为界，轮廓内的板料向下弯拱，轮廓外的板料则上翘。凸-凹模间隙愈大，弯拱和上翘愈严重。随着凸模继续下压，直到材料内的应力达到弹性极限，弹性变形阶段结束，进入塑性变形阶段。(2)塑性变形阶段(如图2.2(b)所示) 当板料的应力达到屈服点，板料进入塑性变形阶段。凸模切入板料，板料被挤入凹模洞口。在剪切面的边缘，由于凸凹模间隙存在而引起的弯曲和拉伸作用，形成塌角面，同时由于剪切变形，在切断面上形成光亮且与板面垂直的断面。随着凸模的继续下压，应力不断加大，直到应力达到板料抗剪强度，塑性变形阶段结束。(3)断裂分离阶段(如图2.2(c)所示)当板料的应力达到抗剪强度后，凸模继续下压，凸、凹模刃口附近产生微裂纹不断向板料内部扩展。当上下裂纹重合时，板料便实现了分离。由于拉断结果，断面上形成一个粗糙的区域。凸模继续下行，已分离的材料克服摩擦阻力，从板料中推出，完成整个冲裁过程。图2.2 冲裁时板料的变形过程2.1.2 冲裁变形区及受力由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、凹模刃口连线为中心而形成的纺锤形区域为最大(如图2.3(a)所示)，即从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图2.3(b)所示)。其变形性质是以塑性剪切变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与横向挤压等变形。图2.3 冲裁变形区1凸模；2压料板；3板料；4凹模；5纺锤形区域；6已变形区无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图2.4所示。其中：P1，P2凸、凹模对板料的垂直作用力；P3，P4凸、凹模对板料的侧压力；P1，P2凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般在间隙合理或偏小的情况下指向模具的刃口；P3，P4凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。由图2.4可知，板料由于受到模具表面的力偶作用而弯曲上翘，使模具表面和板料的接触面仅局限在刃口附近的狭小区域，接触面宽度约为板厚的0.20.4倍。且此垂直压力的分布并不均匀，随着向模具刃口的逼近而急剧增大。由于冲裁时板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。图2.5为无压边装置冲裁过程中塑性变形阶段变形区的应力状态，其中：图2.4 冲裁时作用于板料上的力图2.5 冲裁应力状态图1凹模；2板料；3凸模A点(凸模侧面)为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力，切向应力为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力，为凸模下压引起的轴向拉应力。B点(凸模端面)凸模下压及板料弯曲引起的三向压应力。C点(切割区中部)为板料受拉伸而产生的拉应力，为板料受挤压而产生的压应力。D点(凹模端面)，分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力，为凹模挤压板料产生的轴向压应力。E点(凹模侧面)，为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力的合成应力，该合成应力是拉应力还是压应力与间隙大小有关，一般为拉应力；为凸模下压引起的轴向拉应力。2.1.3 冲裁断面的4个特征区由于冲裁变形的特点，冲裁断面可明显分成4个特征区，即塌角带、光亮带、断裂带和毛刺(如图2.6所示)。塌角带产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面，是由于板料受弯曲、拉伸作用而形成的。材料塑性愈好、凸-凹模之间间隙愈大，形成的塌角也愈大。光亮带是由于板料塑性剪切变形所形成的。光亮带表面光洁且垂直于板平面。凸-凹模之间的间隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮带高度愈高。断裂带是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙，并带有36的斜度。材料塑性愈差、凸-凹模之间间隙愈大则断裂带高度愈高，斜度愈大。毛刺的形成是由于板料塑性变形阶段后期在凸模和凹模刃口附近产生裂纹，由于刃口正面材料被压缩，刃尖部分为高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而会在刃口侧面距刃尖不远的地方产生，裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度。刃尖磨损，刃尖部分高静水压应力区域范围变大，裂纹产生点和刃尖的距离也变大，毛刺高度必然增大，所以普通冲裁产生毛刺是不可避免的。如图2.7所示。图2.6 冲裁件的断面状况图2.7 刃口磨损对裂纹产生点的影响1毛刺；2断裂带；3光亮带；4塌角带综上所述，冲裁件的断面不是很整齐的，仅光亮带一段是柱体。若忽略弹性变形的影响，则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸，而落料件光亮带的柱体尺寸约等于凹模尺寸，由此可得出以下重要的关系式：落料尺寸 = 凹模尺寸冲孔尺寸 = 凸模尺寸这是计算凸、凹模刃口尺寸的重要依据。2.2 冲裁件的质量分析及控制衡量冲裁件的质量主要有4个方面尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度。2.2.1 尺寸精度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、模具结构、冲裁间隙和冲裁件形状等。1. 冲模的制造精度可以说，冲裁件的尺寸精度直接由冲模的制造精度所决定。冲模精度愈高冲裁件尺寸精度愈高。一般情况下，冲裁件所能达到的精度比冲模精度低13级。模具制造精度与冲裁件精度的关系见表2.1。表2.1 冲裁件的精度冲模制造精度板料厚度t/mm0.50.81.01.5234568IT6IT7IT8IT8IT9IT10IT10IT7IT8IT9IT10IT10IT12IT12IT12IT9IT12IT12IT12IT12IT12IT14IT142. 材料性质及模具结构由于冲裁过程中材料会产生一定的弹性变形，因此冲裁件会产生“回弹”现象。使冲孔件与凸模、落料件与凹模尺寸不符，从而影响其精度。一般地讲，比较软的材料，弹性变形量小，冲裁后的“回弹”值也小，因而制件精度较高。反之，硬的材料，情况与此正好相反。同种材料，在模具结构上增设压料板及顶件器，如图2.8所示，冲裁后的“回弹”值也会减小，制件精度相应提高。图2.8 弯拱及预防措施1压料板；2顶件器3. 冲裁间隙冲裁间隙对冲裁件的尺寸精度也有一定影响。在冲裁过程中，当间隙适当时，板料的变形区在比较纯的剪切作用下分离；当间隙过大时，板料除受剪切外，还产生较大的拉伸与弯曲变形；当间隙过小时，除剪切外板料还会受到较大的挤压作用。因此，间隙合理时，冲孔件最接近凸模尺寸，落料件最接近凹模尺寸；间隙偏大，冲孔件尺寸会大于凸模尺寸，落料件尺寸会小于凹模尺寸；间隙过小，冲孔件尺寸会小于凸模尺寸，落料件尺寸会大于凹模尺寸。如图2.9、2.10所示，冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响还和板料的轧制方向有关。图2.9 冲裁间隙对冲孔尺寸精度的影响图2.10 冲裁间隙对落料尺寸精度的影响1轧制方向；2垂直轧制方向1轧制方向；2垂直轧制方向4. 冲裁件的形状冲裁件的形状愈简单，其冲裁精度愈高。这主要是因为对形状简单的冲裁件，其冲模的加工精度愈容易保证。总之，提高冲裁件尺寸精度的最直接措施就是提高冲模的制造精度。当然，合理的模具结构也是保证冲模制造精度和直接提高冲裁件尺寸精度的主要措施之一。2.2.2 形状误差由2.2.1中对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偶的作用，因此冲裁件会出现弯拱现象，如图2.8(a)所示。加工硬化指数大的材料，弯拱较大。凹模间隙愈大，弯拱也愈大。预防和减少弯拱的措施是：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；如图2.8(b)、(c)所示。2.2.3 断面质量在2.1.3节中已阐明，同种材料，对断面质量起决定作用的是冲裁间隙。这是因为当间隙过大时(如图2.11(a)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向里移动一个距离，板料受拉伸弯曲的作用加大，光亮带高度缩短，断裂带高度增加，斜度也加大；当间隙过小(如图2.11(b)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向外移动一个距离，上下裂纹不重合，产生第二次剪切，从而在剪切面上形成第二光亮带，在光亮带与第二光亮带之间夹有残留的断裂带；当间隙适中时(如图2.11(c)所示)，凸模与凹模产生的裂纹接近重合，所得冲裁件断面有一较小的塌角带和正常且与板面垂直的光亮带，其断裂带虽然也粗糙但比较平坦，斜度也不大。当然希望得到塌角带、断裂带小，光亮带长的冲裁断面，但结合控制毛刺和延长冲模寿命等因素综合考虑，图2.11(c)所示的断面质量才是正常合理的。图2.11 间隙大小对制件断面质量的影响1凸模；2凹模提高断面质量的主要措施是将模具凹、凸模之间的间隙控制在合理范围内，并使间隙均匀分布。同时，对硬质材料，冲裁加工前要进行退火处理，以提高材料的塑性。还可以通过增加整修工序(参见2.8.2节)来提高断面质量。2.2.4 毛刺高度毛刺的形成原因在2.1.3中已作分析，由分析可知，冲裁件产生微小毛刺是不可避免的。正常冲裁件允许的毛刺高度见表2.2。表2.2 毛刺的允许高度 mm 板料厚度t生产时试模时0.30.040.0150.30.50.050.020.51.00.080.031.01.50.120.051.52.00.150.082.00.150.10一般情况下，毛刺高度超过表2.2生产时的规定，即被认为是出现了不正常毛刺。不正常毛刺可分为两类间隙毛刺和刃口磨损毛刺。(1)间隙毛刺间隙过大与间隙过小都会使冲裁裂纹发生点偏离刃尖的距离加大(参见图2.7)，从而出现不正常毛刺。间隙过大形成的不正常毛刺称为拉断毛刺，其特征是高而厚，难以去除，出现这种情况应及时停止生产。间隙过小形成的不正常毛刺称为挤出毛刺，其特征是高而薄，这种毛刺较易去除，如有后续去毛刺工序仍可继续生产。(2)刃口磨损毛刺冲模在冲裁一定次数后，凸、凹模刃口刃尖会磨损。刃尖磨损是产生毛刺的主要原因。凸模刃尖磨损后(如图2.12(a)所示)，会在落料件上端产生毛刺；凹模刃尖磨损后(如图2.12(b)所示)，会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；当凸模和凹模刃口同时磨损后，则冲裁件上下端分别产生毛刺。刃口磨损产生的毛刺根部很厚，并且随着磨损量的增大，毛刺会不断地增高，因此出现这种情况，应及时停止生产。图2.12 凸模和凹模刃口磨损时的毛刺1毛刺；2凸模磨损；3凹模磨损控制刃口磨损毛刺高度的主要措施是：及时刃磨模具的凹、凸模刃口；提高模具工作零件和导向零件的制作质量，以保证模具在使用中，凹、凸模之间的间隙不发生变化；增加后续去毛刺工序，如滚动光饰、离心光饰等工序；对于薄而软的冲压件，可采用振动光饰来降低毛刺的高度。2.3 冲 裁 力冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必需的数据。2.3.1 冲裁力的计算冲压过程中，冲裁力是不断变化的，图2.13为冲裁力-凸模行程曲线。曲线1中AB段相当于弹性变形阶段，凸模接触材料后，载荷急剧上升，一旦凸模刃口挤入材料，即进入了塑性变形阶段，此时载荷上升就缓慢下来，如BC段所示。虽然，由于凸模挤入材料，使承受冲裁力的面积减少，但只要材料加工硬化的影响超过了受剪面积减少的影响，冲裁力就继续上升，当两者影响相等的瞬间，冲裁力达到最大值，即图中C点。此后，凸模再向下压，材料内部产生裂纹，并迅速扩展，冲裁力急剧下降，如图中CD段，此阶段为冲裁的断裂阶段。到达D点后，上下裂纹重合，板料已经分离，DE段所示压力，仅是克服摩擦阻力，推出已分离的废料或制件。图2.13 冲裁力-凸模行程曲线1间隙正常的塑性材料；2间隙偏小的塑性材料；3间隙偏大的塑性材料；4间隙正常的脆性材料以上讨论的冲裁力-凸模行程曲线，是指塑性材料，且凸凹间隙适中的情况。对于间隙偏小、偏大的情况及脆性材料，冲裁力-凸模行程曲线会有一些改变，如图中曲线2、3、4所示。由于冲裁加工的复杂性和变形过程的瞬间性，使得建立十分精确的冲裁力理论计算公式相对困难。通常所说的冲裁力是指作用于凸模上的最大抗力，即图2.13中的C点所对应的力。如果视冲裁为纯剪切变形，冲裁力可按下式计算：P=1.3Lt (2-1)式中：P冲裁力；L冲裁件受剪切周边长度(mm)；t冲裁件的料厚(mm)；材料抗剪强度(MPa)，值可在设计资料及有关手册中查到。在一般情况下，材料1.3。为计算方便冲裁力也可用下式计算：P=Lt (2-2)2.3.2 降低冲裁力的措施冲裁力计算出来以后，如果其数值大于能提供使用的设备吨位时，可采取以下3种方法来降低冲裁力。(1)加热冲裁把材料加热后冲裁，可以大大降低其抗剪强度，从而降低冲裁力。但加热冲裁操作复杂，降低了制件表面质量，且准备工作困难，故应用并不广泛。(2)斜刃冲裁如图2.14所示，将凸模或凹模刃口做成斜刃口，整个刃口不是与冲裁件同时接触，而是逐步切入，所以冲裁力可以减小。为了获得平整的冲裁件，落料时应将斜刃做在凹模上，如图2.14(a)所示；冲孔时应将斜刃做在凸模上，如图2.14(b)所示。斜刃冲裁的减力程度，由斜刃高度H和角度决定。斜刃冲裁力按下式计算：Ps=kP (2-3)式中：Ps斜刃冲裁力；P平端刃口冲裁力；k斜刃冲裁减力系数，当H=t时，k=0.40.6；H=2t时，k=0.20.4；H=3tk=0.10.25。角度的设计可按如下经验数据选取：t3mm、H=2t时，5；t=(310)mm、H=t时，8；一般情况下不大于12。斜刃冲裁的优点是压力机能在柔和的条件下工作，从而减轻冲裁过程中的冲击、振动和噪音。当冲裁件尺寸很大时，降低冲裁力的效果很明显。缺点是模具制造难度提高，刃口修磨困难，废料弯曲会影响冲裁件的平整，废料也难以再利用。(3)阶梯冲裁在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同高度，呈阶梯状布置，使各凸模冲裁力的最大值不在同一个时刻出现，从而降低冲裁力，如图2.14(c)所示。图2.14 降低冲裁力的设计各凸模高度的相差量与板料厚度有关。对于薄料H=t，对于厚料(t3mm)H=0.5t。采用阶梯布置凸模的设计时应注意：一般先冲大孔再冲小孔，这样可以使小直径凸模做得短一些，同时也可以避免小直径凸模承受材料流动挤压力作用而产生倾斜或折断。阶梯凸模冲裁的缺点是长凸模插入凹模较深，容易磨损。此外修磨刃口也比较麻烦。2.3.3 卸料力、推件力和顶件力冲裁时材料在分离前存在着弹性变形，一般情况下，冲裁后的弹性恢复使落料件/冲孔废料梗塞在凹模内，而板料/冲孔件则紧箍在凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须及时将箍在凸模上的板料/冲孔件卸下，将梗塞在凹模内的落料件/冲孔废料向下推出或向上顶出。图2.15 卸件力、推件力和顶件力从凸模上卸下板料/冲孔件所需的力称为卸料力P卸；从凹模内向下推出落料件/废料所需的力称为推件力P推；从凸模内向上顶出落料件/冲孔废料所需的力称为顶件力P顶(如图2.15所示)。在生产实践中，P卸、P推和P顶常用以下经验公式 计算：P卸= K卸P (2-4)P推= nK推P (2-5)P顶= K顶P (2-6)式中：P冲裁力；K卸卸料力系数；K推推件力系数；K顶顶件力系数；n梗塞在凹模内的冲件数(n=h/t)；h凹模直壁洞口的高度。K卸、K推和K顶可分别由表2.3查取。当冲裁件形状复杂、冲裁间隙较小、润滑较差、材料强度高时，应取较大值；反之则应取较小值。表2.3 卸料力、推件力和顶件力系数板料厚度t/mmK卸K推K顶钢0.10.060.090.100.140.10.50.040.070.0650.080.52.50.0250.060.050.062.56.50.020.050.0450.056.50.0150.040.0250.03铝、铝合金0.030.080.030.070.030.07纯铜、黄铜0.020.060.030.090.030.092.3.4 总冲压力冲裁时，所需总冲压力为冲裁力、卸料力、推件力和顶件力之和。这些力在选择压力机时是否要考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待。采用刚性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：P总=P+P推 (2-7)采用弹性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：P总=P+P卸+P推 (2-8)采用弹性卸料装置和上出料方式的总冲压力为：P总=P+P卸+P顶 (2-9)2.4 冲 裁 间 隙冲裁间隙是指冲裁模的凸模和凹模之间的双面间隙，如图2.16所示。图2.16 冲裁间隙2.2节中已分析了冲裁间隙对冲裁件尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺的影响，下面主要讨论冲裁间隙对模具寿命及冲裁力、推件力、卸料力的影响。2.4.1 冲裁间隙对模具寿命的影响冲裁模具的破坏形式主要有磨损、崩刃、折断、啃坏、凹模胀裂等。冲模的寿命是以冲出合格制品的数量来衡量的。2.2.4节中已阐明冲模在冲裁一定次数后因为凸、凹模刃口刃尖磨损而使毛刺增大，因此必须对凸、凹模刃口及时进行刃磨才能继续正常使用，冲裁模凹模刃口有效直线部分h是有限的(图2.15)，所以冲裁模两次刃磨之间生产的合格品的数量，直接决定模具的总寿命。图2.17所示的是在合理的冲裁间隙下，合金工具钢制造的凸、凹模在冲裁一定次数后的磨损形式。当冲裁间隙过小时，冲裁过程中挤压作用加剧，垂直力P1，P2和摩擦力P1，P2增大(参见图2.4)，刃口所受压应力增大，造成刃口端面磨损和变形加剧，同时侧压力P3，P4及所产生的摩擦力P3，P4也同时增大，使刃口侧面磨损也增大，使得凸、凹模在冲裁较少次数下即出现较大的磨损量，为保证冲裁件毛刺正常，必然增加刃磨次数，从而降低了模具的总使用寿命。过小的冲裁间隙还是引起凹模涨裂、啃坏等异常破坏的重要原因之一，这类异常破坏对模具寿命的影响更大。当冲裁间隙过大时，板料的弯曲拉伸相应增大，垂直力P1，P2及力偶M也会相应增大，因此同样会加剧凸、凹模端面磨损，且易引起模具崩刃，从而影响模具寿命。综上所述，合理范围内的冲裁间隙是保证模具寿命最主要的工艺参数。当然影响模具寿命的其他因素还有很多，如模具材料、模具制造精度、模具刃口的粗糙度、制件材料的力学性能、制件结构工艺性等。图2.17 凸、凹模的磨损形式2.4.2 冲裁间隙对冲裁力及卸料力、推件力、顶件力的影响如图2.18所示，当间隙减小时，凸模压入板料的情况接近挤压状态，板料所受拉应力减小，压应力增大，板料不易产生裂纹，因此最大冲裁力增大；当间隙增大时，板料所受拉应力增大，材料容易产生裂纹，因此冲裁力迅速减小；当间隙继续增大时，凸、凹模刃口产生的裂纹不相重合，会发生二次断裂，冲裁力下降变缓。图2.18 间隙大小对冲裁力的影响如图2.19所示，当间隙增大时，冲裁件光亮带变窄，落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔尺寸大于凸模尺寸，因此卸料力、推件力或顶件力迅速减小；间隙继续增大时，制件产生较大拉断毛刺，卸料力、顶件力又会增大。图2.19 间隙大小对卸料力的影响2.4.3 合理冲裁间隙的选用设计模具时，选择一个合理的冲裁间隙，可获得冲裁件断面质量好、尺寸精度高、模具寿命长、冲裁力小的综合效果。生产实际中，一般是以观察冲裁件断面状况来判定冲裁间隙是否合理，即塌角带和断裂带小、光亮带能占整个断面的1/3左右，不出现二次光亮带、毛刺高度合理，得到这种断面状况的冲裁间隙就是在合理的范围内。确定合理冲裁间隙主要有理论计算法、查表法、经验记忆法。1. 理论计算法理论计算法确定冲裁间隙的依据是：在合理间隙情况下，冲裁时板料在凸、凹模刃口处产生的裂纹成直线会合，从图2.20所示的几何关系，得出计算合理间隙的公式：Z=2t(1b/t)tan (2-10)图2.20 合理间隙的理论值由上式可知，合理间隙取决于板料厚度t、相对切入深度b/t、裂纹方向角三个因素。是一个与板料的塑性或硬度有关的值，但其变化不大，所以影响合理间隙值大小主要取决于前两个因素。由2.1.3中分析已知，材料塑性愈好或硬度愈低，则光亮带所占的相对宽度b/t就愈大，反之，材料塑性愈差或硬度愈高，则b/t就愈小。综上所述，板料愈厚，塑性愈差或硬度愈高，则合理冲裁间隙就愈大；板料愈薄，塑性愈好或硬度愈低，则合理冲裁间隙愈小。迄今为止，理论计算法尚不能在实际工作中发挥实用价值，但对影响合理间隙值的各因素作定性分析还是很有意义的。2. 查表法在生产实际中，合理间隙值是通过查阅由实验方法所制定的表格来确定的。由于冲裁间隙对断面质量、制件尺寸精度、模具寿命、冲裁力等的影响规律并非一致，所以并不存在一个能同时满足断面质量、模具寿命、尺寸精度及冲裁力的要求的绝对合理的间隙值。因此各行业甚至各工厂所认为的合理间隙值并不一致。一般讲，取较小的间隙有利于提高冲裁件的断面质量和尺寸精度，而取较大的间隙值则有利于提高模具寿命、降低冲裁力。表2.4列出了汽车拖拉机行业常用的较大初始间隙表；表2.5列出了电器仪表行业所用的较小初始间隙数值。表2.4 冲裁模初始双面间隙值Z(汽车拖拉机行业用) mm板料厚度t08、10、3509Mn、Q23516Mn40、5065MnZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax0.5极 小 间 隙0.50.0400.0600.0400.0600.0400.0600.0400.0600.60.0480.0720.0480.0720.0480.0720.0480.0720.70.0640.0920.0640.0920.0640.0920.0640.0920.80.0720.1040.0720.1040.0720.1040.0640.0920.90.0900.1200.0900.1260.0900.1260.0900.1261.00.1000.1400.1000.1400.1000.1400.0900.1261.20.1260.1800.1320.1800.1320.1801.50.1320.2400.1700.2400.1700.2301.750.2200.3200.2200.3200.2200.3202.00.2460.3600.2600.3800.2600.3802.10.2600.3800.2800.4000.2800.4002.50.3600.5000.3800.5400.3800.5402.750.4000.5600.4200.6000.4200.6003.00.4600.6400.4800.6600.4800.6603.50.5400.7400.5800.7800.5800.7804.00.6400.8800.6800.9200.6800.9204.50.7201.0000.6800.9600.7801.0405.50.9401.2800.7801.1000.9801.3206.01.0801.4400.8401.2001.1401.5006.50.9401.3008.01.2001.680注：1. 冲裁皮革、石棉和纸板时，间隙取08钢的25%。2. Zmin相当于公称间隙。表2.5 冲裁模初始双面间隙值Z(电器仪表行业用) mm材料名称45T7、T8(退火)65Mn(退火)磷青铜(硬)铍青铜(硬)10、15、20、30钢硅钢H62、H65(硬)LY12Q215、Q235钢08、10、15钢纯铜(硬)磷青铜、铍青铜H62、H68H62、H68(软)纯铜(软)L21LF2防锈铝硬铝LY12(退火)铜母线、铝母线力学性能HBS1901401907014070600MPa400MPa 600MPa300MPa 400MPa300MPa板料厚度t始 用 间 隙 ZZminZmaxZminZmaxZminZmaxZminZmax0.30.040.060.030.050.020.040.010.030.50.080.100.060.080.040.060.0250.0450.80.120.160.100.130.070.100.0450.0751.00.170.200.130.160.100.130.0650.0951.20.210.240.160.190.130.160.0750.1051.50.270.310.210.250.150.190.100.141.80.340.380.270.310.200.240.130.172.00.380.420.300.340.220.260.140.182.50.490.550.390.450.290.350.180.243.00.620.650.490.550.360.420.230.293.50.730.810.580.660.430.510.270.354.00.860.940.680.760.500.580.320.404.51.001.080.780.860.580.660.360.455.01.131.230.901.000.650.750.420.526.01.401.501.001.200.820.920.530.638.02.002.121.601.721.171.290.760.88注：1. Zmin应视为公称间隙。2. 一般情况下，其Zmax可适当放大。表中所列Zmin和Zmax只是指新制造模具初始间隙的变动范围，并非磨损极限。从表中可以发现，当板料厚度t很薄时，ZmaxZmin的值很小，以至于现有的模具加工设备难以达到，因此很薄的板料的冲裁工艺性是很差的，对模具的制造精度要求也是很高的。当然，实践中可以在模具结构和模具加工工艺上采取一些特殊措施来满足无(小)间隙冲裁的要求。3. 经验记忆法这是一种比较实用的、易于记忆的确定合理冲裁间隙的方法。其值用下式表达：Z=mt (2-11)式中：Z合理冲裁间隙；t板料厚度；m记忆系数，参考数据如下：软态有色金属 m=4%8%；硬态有色金属、低碳钢、纯铁 m=6%10%；中碳钢、不锈钢、可伐合金 m=7%14%；高碳钢、弹簧钢 m=12%24%；硅钢 m=5%10%；非金属(皮革、石棉、胶布板、纸板等) m=1%4%。应当指出，上述记忆系数m值是基于常用普通板料冲裁而归纳总结出来的。各行业各企业对此的选取值是不相同的。在使用过程中还应考虑以下因素：(1)对于制件断面质量要求高的其值可取小些；(2)计算冲孔间隙时比计算落料间隙时其值可取大些；(3)为减小冲裁力其值可取大些；(4)为减少模具磨损其值可取大些；(5)计算异形件间隙时比计算圆形件间隙时其值可取大些；(6)冲裁厚板(t8mm)时其值可取小些。2.5 冲裁模工作部分尺寸的计算冲裁模凸模和凹模工作部分的尺寸直接决定冲裁件的尺寸和凸凹模间隙的大小，是冲裁模上的最重要尺寸。2.5.1 计算的原则2.1.3节中已阐明，若忽略冲裁件的弹性回复，冲孔件的尺寸等于凸模实际尺寸，落料件的尺寸等于凹模实际尺寸。冲裁过程中凸、凹模与冲裁件和废料发生摩擦，凸模和凹模会向入体方向磨损变大(小)，如图2.21所示。因此确定凸、凹模工作部分尺寸，应遵循下述原则： 图2.21 凸模和凹模工作部分尺寸的确定 (1)落料模应先确定凹模尺寸，其基本尺寸应按入体方向接近或等于相应的落料件极限尺寸，此时的凸模基本尺寸按凹模相应尺寸沿入体方向减(加)一个最小合理间隙值Zmin。(2)冲孔模应先确定凸模尺寸，其基本尺寸应按入体反方向接近或等于相应的冲孔件极限尺寸，此时的凹模基本尺寸比凸模按入体方向加(减)一个最小合理间隙值Zmin。(3)凸模和凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸精度相适应，一般比制件的精度高23级，且必须按入体方向标注单向公差。2.5.2 计算方法冲裁模工作部分尺寸的计算方法与模具的加工方法有关，常用的模具加工方法有凸模和凹模分别加工的分别加工法、凸模和凹模配合加工的单配加工法，单配加工法还需要考虑相应的基准件和配合件的尺寸换算。1. 分别加工法分别加工法分别规定了凸模和凹模的尺寸及公差，使之可分别进行加工制造，所以凸模和凹模的尺寸及制造公差都对间隙有影响，如图2.22所示，依据2.5.1节所述原则可得出下列计算公式：图2.22 凸模和凹模分别加工时间隙变动范围|+|ZmaxZmin (2-12)落料=(DmaxX (2-13)=(Zmin (2-14)冲孔=(dminX (2-15)=(Zmin (2-16)中心距 L凹=L中/8 (2-17)式(2-12)(2-17)中： ，分别为落料凹模和凸模的基本尺寸；，分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸；Dmax落料件最大极限尺寸；dmin冲孔件最小极限尺寸；冲裁件的公差；X磨损系数，查表2.6或直接按1选取；，分别为凹模和凸模的制造公差，可按冲裁件公差的1/41/5选取，也可查表2.7；L凹凹模中心距的基本尺寸；L中冲裁件中心距的中间尺寸。表2.6 磨损系数X板料厚度t/mm制件公差/mm10.160.170.350.360.160.16120.200.210.410.420.200.20240.240.250.490.500.240.2440.300.310.590.600.300.30磨损系数非圆形X值圆形X值1.00.750.50.750.5表2.7 规则形状冲裁模凸、凹模制造公差 mm基本尺寸基本尺寸180.020+0.0201802600.030+0.04518300.020+0.0252603600.035+0.05030800.020+0.0303605000.040+0.060801200.025+0.0355000.050+0.0701201800.030+0.0402. 单配加工法单配加工法是用凸模和凹模相互单配的方法来保证合理间隙的一种方法。此方法只需计算基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)基本尺寸及公差，另一件不需标注尺寸，仅注明“相应尺寸按凸模(或凹模)配作，保证双面间隙在ZminZmax之间”即可。与分别加工法相比较，单配加工法基准件的制造公差不再受间隙大小的限制，同时配合件的制造公差ZmaxZmin，就可保证获得合理间隙，所以模具制造更容易。在制件上，会同时存在三类不同性质的尺寸，需要区别对待(图2.23)。图2.23 冲裁件的尺寸分类第一类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后增大的尺寸。第二类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后减小的尺寸。第三类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后基本不变的尺寸。图2.23(a)落料件中，a，b，f，尺寸随凹模磨损增大；c，尺寸随凹模磨损减小；d，e，尺寸不受凹模磨损影响。图2.23(b)冲孔件中，a，b，f，尺寸随凸模磨损减小；c，尺寸随凸模磨损增大；d，e，尺寸不受凸模磨损影响。下面分别讨论这3类尺寸的不同计算方法。第一类尺寸相当于简单形状的落料凹模尺寸，所以它的基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)的计算公式为：第一类基准件尺寸=(冲裁件上该尺寸的最大极限X (2-18)第二类尺寸相当于简单形状的冲孔凸模尺寸，所以它的基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)的计算公式为：第二类基准件尺寸=(冲裁件上该尺寸的最小极限X (2-19)第三类尺寸不受磨损的影响，基准件与配合件的基本尺寸取冲裁件上该尺寸的中间值，其公差取正负对称分布。第三类基准件尺寸=冲裁件上该尺寸的中间值/8 (2-20)用单配加工法加工的凸模和凹模必须对号入座，不能互换，但由于电火花线切割加工已成为冲裁模加工的主要手段，该加工方法所具有的“间隙补偿功能”，使配合件基本不存在加工制造公差，而只有很小的电火花放电间隙，所以无论形状复杂与否，它都能很准确地保证模具的合理初始间隙，因此单配加工法适用于复杂形状、小间隙(薄料)冲裁件模具的工作部分尺寸计算。3. 单配加工法基准件和配合件的尺寸换算受模具结构、加工方法等因素的影响，在实际的模具制造过程中，不论落料、冲孔，都习惯于先做标注了尺寸及公差的凸模，然后按规定间隙配制凹模刃口。尤其是在加工级进模及采用电火花线切割加工凸模、凹模时，这种做法很普遍。级进模的凹模上既有冲孔刃口，也有落料刃口，甚至还有压弯、拉深及各类成形型腔。按单配加工法，落料刃口是基准(件)，须标注尺寸及公差，而冲孔刃口是配合(件)，须按已加工好的凸模实际尺寸配以规定的双面间隙。这就造成在一张图纸上，有的刃口标注尺寸公差，有的不标注尺寸公差，显然是不合理的。尤其是采用电火花线切割加工中，必须做到要么全部刃口都标注尺寸及公差(将冲孔转换成落料)，要么全部刃口都不标注尺寸及公差(将落料转换成冲孔)。由于级进模凹模刃口与刃口之间存在要求比较高的位置精度要求，需要标注许多位置尺寸，所以一般的做法是把落料凹模尺寸转换到凸模上去，即只标注各凸模的尺寸及公差，不标注凹模刃口(无论是落料凹模刃口，还是冲孔凹模刃口)的尺寸及公差，凹模图纸上只标注刃口与刃口之间的位置尺寸、公差及形位要求，各凹模刃口均按相应凸模配合加工，保证双面间隙值。下面讨论落料时，将凹模刃口尺寸(公差)换算成凸模尺寸(公差)的计算(即将基准件尺寸换算到配合件上的计算，如图2.24所示)。图2.24 落料时将凹模尺寸换算到凸模上去的计算图max=maxZmaxmin=minZmin两式相减得maxmin=(maxmin)(ZmaxZmin)即=(ZmaxZmin) (2-21)为了使落料件保持原有的精度，凹模的制造公差仍应控制在制件公差的1/4内，此时=/4(ZmaxZmin) (2-22)依据2.5.2节中的原则规定及图2.23得到计算后凸模的基本尺寸及公差分别为：第一类情况=(DmaxXZmin (2-23)但图2.23中尺寸b、f对应的凸模基本尺寸及公差应为：=tantan=Xtan第二类情况=(DminXZmin (2-24)但图2.23中尺寸b，f对应的凸模基本尺寸及公差应为：=Xtantan=Xtan显然，第三类尺寸无须计算。值得说明的是，ZmaxZmin值按表2.4和表2.5所查值比较大(尤其是板料厚度t比较小时)，但实际用线切割间隙补偿功能所得ZmaxZmin值是很小的，一般开环数控为0.02mm，而闭环数控能达到0.01mm，这样按式(2-21)计算的值不至于比小太多，也不会使凸模制造精度过高。2.5.3 应用实例以下分别就分开加工法、单配加工法和单配加工法基准件和配合件的尺寸换算进行举例。例2.1 图2.25所示垫圈，材料为Q235钢，分别计算落料和冲孔的凸模和凹模工作部分尺寸。该制件由2副模具完成，第1副落料，第2副冲孔。解：由表2.4查得Zmin=0.46 mm Zmax=0.64mmZmaxZmin=0.640.46=0.18(mm)(1)落料模由表2.7查得=+0.03mm =0.02mm因为 |=0.05mm0.18mm故能满足分别加工法的要求。由表2.6查得X=0.5D落凹=(DmaxX=(800.50.74)=79.63(mm)D落凸=(Zmin=(79.630.46)=79.17(mm)(2)冲孔模由表2.7查得=+0.025mm =0.02mm因为 |=0.045mm0.18mm故能满足分别加工法的要求。由表2.6查得X=0.5=(dminX=(300.50.62)=30.31(mm) =(Zmin=(30.310.46)=30.77(mm)例2.2 图2.26所示开口垫片，材料为10钢，采用复合模冲裁，用单配加工法计算冲孔凸模、落料凹模工作部分尺寸，并画出凸模、凹模及凸凹模工作部分简图。解：令a=80，b=40，c=220.14，d=，e=15。由表2.4查得Zmin=0.10mm，Zmax=0.14mm。由表2.6查得：对于尺寸a，X=0.5；其他尺寸，X=0.75。该制件D尺寸为冲孔，其余尺寸均为落料。冲孔凸模，由于d尺寸随凸模磨损变小，故=(DminX=(60.750.12)=6.09(mm)图2.25 垫圈图2.26 开口垫片落料凹模，由于a、b尺寸随凹模磨损变大，c尺寸随凹模磨损变小，e尺寸不随凹模磨损变化。故a凹=(amaxX=(800.50.4)=79.8(mm)b凹=(bmaxX=(400.750.34)=39.75(mm)c凹=(