1、第二章 沖 裁 沖裁是利用模具使板料分離的一種沖壓工藝。它包括切斷、落料、沖孔、修邊、切口等多種工序，其中又以落料、沖孔應用最為廣泛。從板料上沖下所需形狀的零件(或毛坯)稱落料，在工件上沖出所需形狀的孔(沖去的為廢料)叫沖孔。沖裁既可以得到平板零件，也可為彎曲、拉深、成形等 。第一節 沖裁過程變形分析第一節 沖裁過程變形分析一、沖裁過程二、變形過程力學分析一、沖裁過程 沖裁變形過程可分為三個階段：第一階段：彈性變形階段(圖2一la)圖2-1 沖裁變形過程凸模與材料接觸后，先將材料壓平，繼而凸模及凹模刃口壓人材料中，由于彎矩M的作用，材料不僅產生彈性壓縮且略有彎曲，隨著凸模的繼續壓入，材料在刃口

2、部分所受的應力逐漸增大，直到h 深度時，材料內應力達到彈性極限，此為材料的彈性變形階段。 圖 2-2 凸模壓力與沖裁過程 A壓平材料之應力 OC彈性區域 B材料彈性變形之應力 CD塑性區域 C屈服應力 E整個板厚被切斷 D材料最大強度第二階段：塑性變形階段(圖21b)凸模繼續壓人，壓力增加，材料 內的應力達到屈服點，產生塑性變形。隨著塑性變形程度的增大，材料內部的拉應力和彎矩隨之增大，變形區材料硬化加劇，當壓入深度達到h 時，刃口附近材料的應力值達到最大值，此為塑性變形階段。第三階段：斷裂階段(圖2一1c)凸模壓入深度達到h 時，先后在凹、凸模刃口側面產生裂紋，裂紋產生后沿最大切應力方向向材料

3、內層發展，當凹、凸模刃口處的裂紋相遇重合時，材料便被切斷分離。沖裁變形的三個階段，可以在剪切曲線圖中得到驗證，如圖22所示。料厚為4.8mm。板料切斷后，沖裁件與孔斷面的形狀，如圖23所示。現將切斷面各部分加以說明。圖23中的口塌角約為5t，t為板料厚度。它是凸模壓人材料時，刃口附近的材料被牽連拉入變形的結果：b為光亮帶，約為1/3t，其表面光滑，斷面質量最 佳；c為剪裂帶，約為62t，表面傾斜且粗糙；d為毛刺，其高度約為(5l0)t，它是在出現裂紋時形成的。 二、變形過程力學分析 在無壓邊裝置沖裁時，材料所受外力如圖24所示。主要包括：、 凸、凹模對板材的垂直作用力；凸、凹模對板材的側壓力；

4、凸、凹模端面與板材間的摩擦力，其方向與間隙大小有關，但一般指向模具刃口，其中， 是摩擦系數，下同。凸、凹模側壁與板材問的摩擦力。 圖2-3 沖裁時孔壁和沖裁件切斷面圖 2-4 模具刃口作用于板材上之力a) 孔壁切斷面 b)沖裁件四周切斷面 1凹模刃口2板材3凸模刃口由圖可見，板材由于受到模具刃口的力偶作用而彎曲、翹起，使模具表面的板材的接觸面僅局限在刃口的狹小區域，寬度約為板厚的0.20.4。接觸面間相互作用的垂直壓力分布是不均勻的它隨著向模具刃口逼近而急劇增大。沖裁時，板材的變形是以凸模與凹模刃口連線為中心而形成的紡錘形區域內最大，如圖25a所示。凸模壓人材料一定深度后，變形區可按紡錘來考慮

5、，但變形區被在此以前已經變形并加工硬化了的區域所包圍(圖25b)。由于沖裁時板料彎曲的影響。變形區的應力狀態是復雜的，且與變形過程有關，對于無壓料的沖裁，塑性變形階段的應力狀態如圖26所示。從A、B、C、D、E各點的應力狀態可看出，凸模與凹模端面的B、D處的靜水壓力高于側面的A、E點處。即凸模與凹模側面處的靜水壓力較低，且凹模側面處的靜水壓力最低，所以沖裁過程中，首先在凹模刃口處的材料中產生裂紋，繼而才在凸模刃口側面處產生裂紋，上、下裂紋會合后材料便切斷分離。在裂紋形成的同時，沖件上就形成了毛刺。 圖2-5 沖裁變形區圖 2-6 變形區應力狀態圖第二節 沖裁間隙 一、間隙的影響二、間隙的確定在

6、沖裁過程中，材料受到彎矩的作用，工件產生穹彎，而不平整。由于沖裁變形的特點，在沖裁斷面上具有明顯的4個特征區(圖23)，即“a一塌角、b一光亮帶、c一斷裂帶和d一毛刺。沖裁件的4個特征區在整個斷面上所占比例的大小并非一成不變，而是隨著材料的力學性能沖裁問隙、刃口狀態等條件的不同而變化的。沖裁問隙的大小對沖裁件質量、模具壽命、計中的一個重要的工藝參數。沖裁間隙系指沖裁模的凸模與凹模刃口之間的間隙，單面間隙用 c表示雙面間隙隙用z表示(圖27)。圖 2-7 沖裁間隙示意圖一、間隙的影響 1對沖裁質量的影響沖裁什的質量主要是指斷面質量、尺寸精度和彎曲度。(1)對斷面質量的影響 沖裁斷面應平直、光潔、

7、圓角小；光亮帶應有一定的比例，毛刺較小，沖裁件表面應盡可能平整，尺寸應在圖樣規定的公差范圍之內。影響沖裁件質量的因素有：凸、凹模間隙值大小及其分布的均勻性，模具刃口鋒利狀態，模具結構與制造精度、材料性能等。其中。間隙值大小與分布的均勻程度是主要因素。沖裁時，間隙合適，可使上下裂紋與最大切應力方向重合，此時產生的沖裁斷面比較平直、光潔、毛刺較小，制件的斷面質量較好(圖28b)。間隙過小或過大將導致上、下裂紋不重合。間隙過小時，上、下裂紋中間部分被第二次剪切，在斷面上產生撕裂面，坪形成第二個光亮帶(圖28a)，在端面出現擠長毛刺。間隙過大板料所受彎曲與拉伸均變大，斷面容易撕裂，使光亮帶所占比例減小

8、產生較大塌角，粗糙的斷裂帶斜度增大，毛刺大而厚，難于除去使沖裁斷面質量下降(圖2 8c)。圖 2-8 間隙對工件斷面質量的影響a) 間隙過小 b) 間隙合適 c) 間隙過大1斷面帶 2光亮帶 3圓角帶(2)對尺寸精度的影響 沖裁件的尺寸精度是指沖裁件實際尺寸與基本尺寸的差值，差值越小，精度越高。該差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對于凸模或凹模尺寸之偏差，二是模具本身的制造偏差。沖裁件對于凸模或凹模尺寸的偏差。主要是由于沖裁過程中，材料受到拉伸、擠壓、彎曲等作用而引起的變形，在工件脫模后產生的彈性恢復造成的。偏差值可能是正的，也可能是負的。影響這一偏差值的因素主要是凸、凹模間隙。當間隙值較大時

9、，材料受拉伸作用增大，沖裁完畢后，因材料的彈性恢復，沖件尺寸向實體方向收縮，使落料件尺寸小于凹模尺寸，而沖孔件的孔徑則大于凸模尺 寸；當間隙較小時，材料的彈性恢復使落料件尺寸增大，而沖孔件的孔徑則變小。沖裁件的尺寸變化量的大小還與材料性能、厚度、軋制方向、沖件形狀等因素有 關。模具制造精度及模具刃口狀態也會影響沖裁件質量。 (3)對彎曲的影響 沖裁過程中由于材料受到彎矩作用而產生彎曲，若變形達到彈性彎曲沖裁件脫模后即使回彈工件仍殘留有一定彎曲度。這種彎曲程度隨凸、凹模間隙的大小、材料性能及材料支撐方法而異。圖29為1.6mm厚的鋼板上沖制 mm的沖件的實驗所求得的凸、凹模刃口雙面間隙與沖件曲率

10、半徑的關系。 圖29 間隙與沖裁曲率半徑的關系 2對模具壽命的影響 沖裁模具的壽命是以沖出合格制品的沖裁次數來衡量的，可再分為兩次刃磨間的壽命與全磨損后總的壽命。 在沖裁過程中，模具刃口處所受的壓力非常大使模具刃口和板材的接觸面之間出現局部附著現象，產生附著磨損，其磨損量與接觸壓力相對滑動距離成正比，與材料屈服強度成反比。它被認為是模具磨損的主要形式。 當間隙減小時，接觸壓力(垂直力、側壓力、摩擦力)會增大，摩擦距離增長，摩擦發熱嚴重，導致模具磨損加劇(圖210)， 使模具與材料之間產生粘結現象還會引起刃口的壓縮疲勞破壞，使之崩刃。間隙過大時板料彎曲拉伸相對增加，使模具刃口端面上的正壓力增大，

11、容易產生崩刃 或產生塑性變形，使磨損加劇。可見間隙過小與過大都會導致模具壽命降低。因此，間隙合適或適當增大模具問隙，可使凸、凹模側面與材料間摩擦減小，并減緩間 隙不均勻的不利因素，從而提高模具壽命。 從圖210可 看出，凹模端面磨損比凸模大，這是因為凹模端面上材料的滑動比較自由，而凸模下面的材料沿板面方向滑動受到限制的原因。而凸模側面的磨損最大，是因為凸模 側面受到卸料作用的長距離摩擦，加劇了側壁的磨損。若采用較大間隙，可使孔徑在沖裁后的回彈增大，減小卸料時與凸模側面的摩擦。從而減小凸模側面的磨損。板厚t/mm圖2-10 間隙與磨損的關系 模具刃口磨損，導致刃口的鈍化和間隙增加，使制件尺寸精度

12、降低沖裁能量增大，斷面粗糙，毛刺增大。為了提高模具壽命一般需采用較大間隙若制件要求精 度不高時采用合理大間隙，模具壽命可以提高。若采用小間隙，就必須提高模具硬度與制造精度，對沖模刃口進行充分潤滑，以減少磨損。3對沖裁力的影響 一般認為。增大間隙可以降低沖裁力，而小間隙則使沖裁力增大。當間隙合理時，上下裂紋重合，最大剪切力較小。而小間隙時，材料所受力矩和拉應力減小，壓應 力增大，材料不易產生撕裂上下裂紋不重合又產生二次剪切，使沖裁力、沖裁功有所增大；增大間隙時材料所受力矩與拉應力增大，材料易于剪裂分離，故最大沖 裁力有所減小，如對沖裁件質量要求不高，為降低沖裁力、減少模具磨損，傾向于取偏大的沖裁

13、間隙。二、間隙的確定 由以上分析可見，沖裁間隙對沖裁件質量、沖裁力、模具壽命等都有很大的影響，設計模具時應選用合理間隙值。但分別符合這些要求的合理間隙值并不相同，只是彼此接近。生產中通常是選擇一個適當的范圍作為合理間隙。這個范圍的最小值稱為最小合理間隙( )，最大值稱最大合理間隙( )。考慮到生產過程中的磨損使間隙變大，故設計與制造模具時，通常采用最小合理間隙 值。確定合理間隙值有兩種方法：1理論確定法理論確定法的主要依據是保證裂紋重合，以獲得良好的沖裁斷面。圖21l是沖裁過程中開始產生裂紋的瞬時狀態。圖 211 合理沖裁間隙的確定由圖中幾何關系可得出計算合理間隙的公式： （2-1）式中 t板

14、料厚度(mm)；產生裂紋時凸模相對壓入深度(mm)； 裂紋與垂線間的夾角。由上述可知，間隙z與板材厚度、相對壓入深度 、裂紋方向角 有關。而 、 又與材料性質有關，表21為常用材料的 與 的近似值。由表可知，影響間隙值的主要因素是板材力學性能及其厚度，板料越厚、越硬或塑性越籌， 值越小，合理間隙值越大。材料越軟 值越大合理間隙值越小。表2-1 與 的值(單位： mm)材料（） t1t= 12t =24t4軟鋼7570706565555040 中硬鋼6560605555484535 硬鋼5447474544383525因為計算法在生產中使用不方便，故目前普遍使用查表選取法。2查表選取法綜上所述，

15、間隙的選取主要與材料的種類、厚度有關，由于多種沖壓件對其斷面質量和尺寸精度的要求不同，以及生產條件的差異，在實際生產中很難有一種統一的 間隙數值而應區別情況、分別對待，在保證沖裁件斷面質量和尺寸精度的前提下，使模具壽命最高。國內工廠常用的間隙值見表22、表23、表24。表22表24給出了汽車、拖拉機、電器儀表和機電行業推薦的幾種間隙值。 表2-2 沖裁模初始雙面間隙 (單位：mm)材料厚度08、10、09Mn、Q235A、B3 16Mn40,5065Mn小于0.5極 小 間 隙0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.5 1.75 2.0 2.1 2.5 2.75 3.0 3

16、.5 4.0 4.5 5.5 6.0 6.5 8.0 0.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.126 0.132 0.220 0.246 0.260 0.360 0.400 0.460 0.540 0.640 0.720 0.940 1.0800.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.240 0.320 0.360 0.380 0.500 0.560 0.640 0.740 0.880 1.000 1.280 1.4400.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170

17、 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.680 0.780 0.840 0.940 1.2000.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.240 0.320 0.380 0.400 0.540 0.60 0.660 0.780 0.920 0.960 1.100 1.200 1.300 1.6800.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.

18、780 0.980 1.1400.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.230 0.320 0.380 0.400 0.540 0.600 0.660 0.780 0.920 1.040 1.320 1.5000.040 0.048 0.064 0.064 0.090 0.0900.060 0.072 0.092 0.092 0.126 0.126 注：1.沖裁皮革、石棉和紙板時，間隙取08鋼的25 2.“c”為單面間隙表2-3 沖裁模初始雙面間隙 材料厚度軟鋁紫銅、黃銅、軟鋼（ 0.080.2）杜拉鋁、中等硬鋼（ 0.30.4）硬鋼（ 0.50.

19、6）0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.9 1.00.008 0.012 0.016 0.020 0.024 0.028 0.032 0.036 0.0400.012 0.018 0.024 0.030 0.036 0.042 0.048 0.054 0.0600.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.0500.014 0.021 0.028 0.035 0.042 0.049 0.056 0.063 0.0700.012 0.018 0.024 0.030 0.036 0.042 0.048 0.054 0.0600.

20、016 0.024 0.032 0.040 0.048 0.056 0.064 0.072 0.0800.014 0.021 0.028 0.035 0.042 0.049 0.056 0.063 0.0700.018 0.027 0.036 0.015 0.054 0.063 0.072 0.081 0.0901.2 1.5 1.8 2.00.060 0.075 0.090 0.1000.084 0.105 0.126 0.1400.072 0.090 0.108 0.1200.096 0.120 0.144 0.1600.084 0.105 0.126 0.1400.108 0.135 0

21、.162 0.1800.096 0.120 0.144 0.1600.120 0.150 0.180 0.2002.2 2.5 2.8 3.00.132 0.150 0.168 0.1800.176 0.200 0.224 0.2400.154 0.175 0.196 0.2100.198 0.225 0.252 0.2700.176 0.200 0.224 0.2400.220 0.250 0.280 0.3000.198 0.225 0.252 0.2700.242 0.275 0.308 0.3303.5 4.0 4.5 5.00.245 0.280 0.315 0.3500.315 0

22、.360 0.405 0.4500.280 0.320 0.360 0.4000.350 0.400 0.450 0.5000.315 0.360 0.405 0.4500.385 0.440 0.495 0.5500.350 0.400 0.450 0.5000.420 0.480 0.540 0.6006.0 7.0 8.0 9.0 10.00.480 0.560 0.720 0.810 0.9000.600 0.700 0.880 0.990 1.0000.540 0.630 0.800 0.990 1.1000.660 0.770 0.960 1.080 1.2000.600 0.70

23、0 0.880 0.990 1.1000.720 0.840 1.040 1.170 1.3000.660 0.770 0.960 1.080 1.2000.780 0.910 1.120 1.260 1.400注：1.初始間隙的最小值相當于間隙的公稱函數值。 2. 初始間隙的最大值是考慮到凸模和凹模的制造公差所增加的數值。 3.在使用過程中，由于模具工作部分的磨損，間隙將有所增加，因而間隙的 使用最大數值要超過列表值。 4.“c”為單面間隙。表2-4 沖裁模刃口雙面間隙 (單位:mm)表2-5是原機械工業部的沖裁間隙指導性年紀書文件（JB/Z2711986）推薦的間隙值。該文件將間隙分成三類

24、。其中第一類適用于對斷面質量與沖裁件精度 均要求高的工件，但模具壽命較低。第二類適用于斷面質量，沖裁件精度要求一般，及需繼續變形的工件。第三類適用于斷面質量、沖裁精度均要求不高的工件，但模具壽命較長。表2-5沖模單面間隙比值c/t （單位）注：1.本表適用于厚度為10mm以下的金屬材料。考慮到料厚對間隙比值的影響，將料厚分為0.11.0mm；1.23.0mm，3.56mm；7.010mm四當，當料厚為0.11.0mm時，各類間隙比值取下限值。并以次為基數，隨著料厚的增加，再逐擋遞增（0.51.0）%t（有色金屬和低碳鋼取小值，中碳鋼和高碳鋼取大值。） 2. 凸、凹模的制造偏差和磨損均使間隙變大

25、，故新模具應取最小間隙值。 3. 其它金屬材料的間隙比值可參照表中抗剪切強度相近的材料選取。 4. 非金屬材料：紅紙板、膠、膠布板的間隙比值分二類；相當于表中類時，取（0.52）%t；相當于類時，取（24）%t。紙、皮革、云母紙的間隙比值取（0.250.75）%t。第三節 沖 裁 力 一、 沖裁力的計算二、卸料力、推件力和頂件力一、 沖裁力的計算 沖裁力是指沖裁過程中的最大剪切抗力，計算沖裁力的目的是為了合理選擇壓力機和設計模具。各種形狀刃口沖裁力的基本計算公式見表2-6。考慮到模具刃口 的磨損、凸模與凹模的間隙不均、材料性能的波動和材料厚度偏差等因素，實際所需沖裁力應比表列公式計算的值增加3

26、0%。表 2-6 沖裁力的計算公式及舉例注：1. 為材料之抗剪強度。由表849查得： =440Mpa2.雙斜刃凸模和凹模的主要參數 列于表2-7中表27 斜刃凸模和凹模的主要參數材料厚度t/mm斜刃高度h/mm 斜刃傾角平均沖裁力為平刃的百分比33102tt50.10.50.52.52.56.56.50.0650.0750.0450.0550.040.050.030.040.020.030.10.0630.0550.0450.0250.140.080.060.050.03鋁、鋁合金、純銅、黃銅0.0250.08 0.020.060.30.070.030.09注：卸料力系數K卸在沖多孔、大搭邊和

27、輪廓復雜說取上限值。沖裁時之沖壓力為沖裁力、卸料力和推件力之和，這些力在選擇壓力機時是否考慮進去，應根據不同的模具結構區別對待，即：采用彈性卸料裝置和上出料方式的沖裁模時為： = + + 采用剛性卸料裝置和下出料方式的沖模為: = + 采用彈性卸料裝置和下出料方式的沖模為: = + + 【例】 采用落料-沖孔復合模沖裁墊圈(圖2-12),計算沖裁力、推件力和卸料力。圖212 落料-沖孔復合模和墊圈解 由表查出 =304373MPa;取 =343MPa。=1.3 =1.33.14353343=147013（N）=1.3 =1.33.1412.53343=52504（N）= + =147013+5

28、2504=199517（N）卸料力計算：由表2-8查出 =0.3= =0.03147013=4410 （N）推件力計算：由表2-8查出 =0.045，凹模刃口直壁高度 =6mm = = =2 = =20.04552504-4725 (N)總的沖壓力： = + + =147013+52504+4410+4725=208652 第四節材料的經濟利用一、材料的利用率二、排樣方法三、搭邊及條料寬度在沖壓生產過程中，沖裁件在板、條等材料上的布置方法稱為排樣，排樣是否合理直接影響到材料的經濟利用。一、材料的利用率 沖壓生產的成本中，毛坯材料費用占60以上，排樣的目的就是在于合理利用材料。評價派樣經濟性、合

29、理性的指標是材料的利用率。其計算公式如下：一個進距內的材料利用率為= 100條料的材料利用率為 = 100板料的材料利用率為100式中 F沖裁件面積（mm ）b條件寬度（mm）h送料進距（mm）個進距內沖件總數；板料上沖件總數；L條料長度（m）板料長度（mm）板料寬度（mm）條料沖裁時，所產生的廢料包括工藝廢料和結構廢料兩種，要提高條料利用率就必須減少廢料面積。二、排樣方法 根據條料的利用情況及沖壓件的不同幾種形狀，可得出相適合的排樣類型，而根據排樣內省又可分為有搭邊與無搭邊兩種，其具體情況見表2-9，表2-10。表 29 零件外形分類方形梯形三角形圓及多邊形半圓及三字形橢圓及盤形十字形丁字形

30、角尺形表210 常用的排樣類型【例】計算圓形工件在條料上為多行交錯排列的材料利用率。圖2-13a為三行排列，三個相鄰圓心的連線四等邊三角形。解： 圖中 為兩相鄰圓心之間的搭邊， 側搭邊，d為工件直徑，計算條料寬度b:b=2 ( +d)+d+2 若 = 則b=2.237d+3.723 由圖2-13b可知，材料利用率 隨 /d的增大而降低，隨行數n的增多而提高。圖2-13c為 = 時，行數n與 之關系曲線。圓形工件為n行排列的條料寬度b及材料利用綠之計算公式為：100= 100 = 100三、搭邊及條料寬度 對一般金屬材料的搭邊值見表2-11（適用于大零件）或表2-12。表2-11 沖裁金屬材料的搭邊值材料厚度t 手工送料自動送料圓形非圓形往復送料11.51.521.532大于1221.52.523.52.532大于232.5232.543.5大于3432.53.535443大于4543546554大于5654657665大于686576877