1 第三章 沖裁工藝 第一節(jié) 沖裁過程分析 第二節(jié) 沖裁件的質(zhì)量分析 第三節(jié) 沖裁間隙 第四節(jié) 凸模和凹模工作部分尺寸的計算 第五節(jié) 沖裁力 第六節(jié) 沖裁工件的排樣 2 使板料或工序件分離的沖壓工藝稱為 沖裁 。 沖裁工藝的種類很多，常用的有切斷、落料、沖孔、切邊、切口、 剖切等。所以沖裁是分離工序的總稱，其中尤以落料、沖孔應(yīng)用 最多。從板料上沖下所需形狀的工件（或毛坯）稱為落料。在工 件上沖出所需形狀的孔（沖去的為廢料）稱為沖孔。落料和沖孔 的變形性質(zhì)完全相同，但在進行模具工作部分設(shè)計時，要分開加 以考慮。圖所示的墊圈即由落料與沖孔二道工序完成。 根據(jù)沖裁變形機理的不同，沖裁工藝可以分為普通沖裁和精密 沖裁兩大類。所謂普通沖裁是由凸、凹模刃口之間產(chǎn)生剪裂縫的形 式實現(xiàn)板料分離。而精密沖裁則是以變形的形式實現(xiàn)板料的分離。 前者沖出的工件斷面比較粗糙，精度較低。后者沖出的工件不但斷 面比較光潔而且精度也較高，但需要有專門的精沖設(shè)備及精沖模具。 精密沖裁是一種正在不斷發(fā)展與完善的沖壓新工藝。本章主要討論 普通沖裁的有關(guān)問題。 墊圈的落料與沖孔 ）落料 ）沖孔 3 第一節(jié) 沖裁過程分析 一、彈性變形階段 二、塑性變形階段 三、剪裂階段 4 沖裁過程如圖 -所示。凸模與凹模具有與工件輪 廓一樣的刃口。凸、凹模之間存在一定的間隙。當壓力機滑塊 把凸模推下時，便將放在凸、凹模中間的板料沖裁成所需的工 件。 沖裁過程是在瞬間完成的。為了控制沖裁件的質(zhì)量，研究 沖裁的變形機理，就需要分析沖裁時板料分離的實際過程。如 圖 -所示是金屬板料的沖裁變形過程。當模具間隙正常時 這個過程大致可分為三個變形階段。 5 當凸模開始接觸板料并 下壓時，凸模與凹模刃口周 圍的板料產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象， 使材料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲、 拉伸等復(fù)雜的變形。板料略 有擠入凹模洞口的現(xiàn)象。此 時，凸模下的材料略有彎曲， 凹模上的材料則向上翹。間 隙愈大，彎曲和上翹愈嚴重。 隨著凸模繼續(xù)壓入，直到材 料內(nèi)的應(yīng)力達到彈性極限。 如圖 -所示。 一、彈性變形階段 6 二、塑性變形階段 當凸模繼續(xù)壓入，板料 內(nèi)的應(yīng)力達到屈服點，板料 與凸模和凹模的接觸處產(chǎn)生 塑性剪切變形。如圖 - 所示。凸模切入板料，板料 擠入凹模洞口。在板料剪切 面的邊緣由于彎曲、拉伸等 作用形成塌角，同時由于塑 性剪切變形，在切斷面上形 成一小段光亮且與板面垂直 的斷面。纖維組織產(chǎn)生更大 的彎曲和拉伸變形。隨著凸 模的下壓，應(yīng)力不斷加大， 直到分離變形區(qū)的應(yīng)力達到 抗剪強度，塑性變形階段結(jié) 束。 7 三、剪裂階段 當板料的應(yīng)力達到抗 剪強度后，凸模再向下壓， 則在板料與凸模和凹模的 刃口接觸處分別產(chǎn)生裂紋， 如圖 -所示。隨著凸 模下壓，裂紋逐漸擴大并 向材料內(nèi)延伸。當上、下 裂紋重合時，板料便被分 離。凸模再下壓，將已分 離的材料克服摩擦阻力從 板料中推出，完成沖裁過 程。 8 材料在沖裁時其變形區(qū)的應(yīng)力與變形情況如圖 -所示。 從圖中可以看到， b段是沖裁件的光亮部分。由于在變形過 程中，此部分主要受切應(yīng)力 和壓應(yīng)力 的作用，是在塑性狀 態(tài)下實現(xiàn)剪切變形的，因而能獲得較光潔、平整的光亮部分。 圖中 c段由于凸、凹模間隙的影 響，除了受切應(yīng)力 的作用以外，還 有正向拉應(yīng)力 ，這種應(yīng)力狀態(tài)促 使沖裁變形區(qū)的塑性下降，最終必 然產(chǎn)生裂紋而在分離面上形成粗糙 的斷裂部分。從圖中還可以看到， 裂紋產(chǎn)生的位置并非對著刃口，而 是在離刃口不遠的側(cè)面上。這是因 為模具的刃口不可能是絕對鋒利的。 因此，從沖裁原理上說，沖裁件必 然有一定的毛刺存在。不過，間隙 合適時，毛刺的高度很小。 沖裁變形區(qū)的應(yīng)力 與變形情況 9 由此可見，沖裁件的斷面不很整齊，僅短短的一段 光亮帶是柱體。若不計彈性變形的影響，則板料孔的光 亮柱體部分尺寸，近似等于凸模尺寸；落料的光亮柱體 部分，近似等于凹模尺寸。對于板料孔，決定與軸類零 件配合性質(zhì)的是它的最小尺寸，即其光亮柱體部分尺寸； 對于落料件，決定與孔類零件配合性質(zhì)的是它的最大尺 寸，也是它的光亮柱體部分尺寸。于是，可以得出如下 重要的關(guān)系式 落料尺寸凹模尺寸 （ -） 沖孔尺寸凸模尺寸 （ -） 這是計算凸模和凹模尺寸的主要依據(jù)。 10 第二節(jié) 沖裁件的質(zhì)量分析 一、尺寸精度 二、斷面質(zhì)量 三、毛刺 11 沖裁件的尺寸精度 ： 指沖裁件的實際尺寸與圖紙上基本尺寸之差 。 該 差值包括兩方面的偏差 ： 一是沖裁件相對于凸?；虬寄３叽绲钠?； 二是模具本身的制造偏差 。 影響因素： （ 1） 沖模的制造精度 （ 零件加工和裝配 ） （ 2） 材料的性質(zhì) （ 3） 沖裁間隙 一、尺寸精度 12 .沖模的制造精度 沖模的制造精度對沖裁件的尺寸精度有直接影響。 沖 模的精度愈高，沖裁件的精度亦愈高。 表 -所示為當 沖模具有合理間隙與鋒利刃口時，其制造精度與沖裁件 精度的關(guān)系。 13 .材料性質(zhì) 由于沖裁過程中材料產(chǎn)生一定的彈性變形，沖裁件產(chǎn)生 “ 回彈 ”現(xiàn)象，使沖裁件的尺寸與凸模和凹模尺寸不符，從而 影響其精度。 材料的性質(zhì)對該材料在沖裁過程中的彈性變形量有很大的 影響。對于 比較軟的材料，彈性變形量較小，沖裁后的回彈值 也少，因而零件精度較高 。而硬的材料，情況正好與此相反。 .沖裁間隙 沖裁間隙對于沖裁件精度也有很大的影響。當間隙適當 時，在沖裁過程中，板料的變形區(qū)在比較純的剪切作用下被 分離，沖裁后的回彈較小，沖裁件相對凸模和凹模尺寸的偏 差也較小。 .沖裁件的形狀 沖裁件的形狀越簡單其精度越高 。 14 3.沖裁件質(zhì)量及其影響因素 （ 1）沖裁件斷面質(zhì)量及其影響因素 A.斷面組成 圓角帶 a： 光亮帶 b： 斷裂帶 c： 毛刺區(qū) d： 刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長變形 。 塑性剪切變形 。 質(zhì)量最好的區(qū)域 。 通常占全斷面 1/3 1/2 。 裂紋形成及擴展 。 間隙存在 ， 裂紋產(chǎn)生不在刃尖 ， 毛刺不可避免 。 此外 ， 間隙不正常 、 刃口不鋒利 ， 還會加大 毛刺 。 15 B.模具間隙的影響 16 二、斷面質(zhì)量 對于斷面質(zhì)量，起決定作用的是沖裁間隙 。 當間隙過大或過小時，就會使上、下裂紋不能重合。如 間隙過大，如下圖 c所示，使凸模產(chǎn)生的裂紋相對于凹模產(chǎn) 生的裂紋向里移動一個距離。板料受拉伸、彎曲的作用加大， 使剪切斷面塌角加大，光亮帶的高度縮短，斷裂帶的高度增 加，錐度也加大，有明顯的拉斷毛刺，沖裁件平面可能產(chǎn)生 穹彎現(xiàn)象。 如 間隙過小 ，如下圖 a所示，會使凸模產(chǎn)生的裂紋向外 移動一個距離。上、下裂紋不重合，產(chǎn)生第 二次剪切 ，從而 在剪切面上形成了略帶倒錐的 第二個光亮帶 。在第二個光亮 帶下面存在著潛伏的裂紋。由于間隙過小，板料與模具的擠 壓作用加大，在最后被分離時，沖裁件上有 較尖銳的擠出毛 刺。 由上可知，觀察與分析斷面質(zhì)量是判斷沖裁過程是否合 理、沖模的工作情況是否正常的主要手段。 17 B.模具間隙的影響 間隙小 ， 出現(xiàn)二次 剪裂 ， 產(chǎn)生第二 光亮帶 間隙大 ， 出現(xiàn)二次 拉裂 ， 產(chǎn)生二個斜度 C.模具刃口狀態(tài)的影響 當凸模刃口磨鈍時 ， 則會在落料件上端產(chǎn)生毛刺； 當凹模刃口磨鈍時 ， 則會在沖孔件的孔口下端產(chǎn)生毛刺； 當凸 、 凹模刃口同時磨鈍時 ， 則沖裁件上 、 下端都會產(chǎn) 生毛刺 。 18 (3)沖裁件形狀誤差及其影響因素 沖裁件的形狀誤差 ： 指翹曲 、 扭曲 、 變形等缺陷 。 翹曲 ： 沖裁件呈曲面不平現(xiàn)象 。 它是由于間隙過大 、 彎矩增 大 、 變形拉伸和彎曲成分增多而造成的 ， 另外材料的各向異 性和卷料未矯正也會產(chǎn)生翹曲 。 扭曲 ：沖裁件呈扭歪現(xiàn)象 。 它是由于材料的不平 、 間隙不均 勻 、 凹模后角對材料摩擦不均勻等造成的 。 變形 ：由于坯料的邊緣沖孔或孔距太小等原因 ， 因脹形而產(chǎn) 生的 。 19 三、毛刺 由沖裁過程的分析可知，沖裁件產(chǎn)生微小的毛刺是不可 避免的。若產(chǎn)品要求不允許存在微小毛刺，則在沖裁后應(yīng)增 加去除毛刺的輔助工序。正常沖裁中允許的毛刺高度見表 - 。 若沖裁過程不正常，毛刺就會明顯增大，這是不允許的。 產(chǎn)生毛刺的原因主要有兩個，其一是沖裁間隙不合理。如上所 述，間隙過大，會產(chǎn)生明顯的拉斷毛刺；間隙過小，會產(chǎn)生尖 銳的擠出毛刺。顯然，若間隙值合理而分布不均勻，則依然會 在沖件上產(chǎn)生局部毛刺。其二是凸?；虬寄Ｄモg后，其刃口處 形成圓角，這是產(chǎn)生毛刺的主要原因。 20 第三節(jié) 沖裁間隙 沖裁間隙是指沖裁凸模和凹模之間工作部分的尺寸之差。 如無特殊說明，沖裁間隙一般是指雙邊間隙 。 21 1.沖裁間隙對沖裁工藝的影響 (1)間隙對沖裁件質(zhì)量的影響： 間隙是影響沖裁件質(zhì)量 的主要 因素。 (2)間隙對沖裁力的影響： 隨間隙的增大沖裁力有一定程 度的降低，但影響不是很大。 間隙對卸料力、推件力的 影響比較顯著。隨間隙增大，卸料力和推件力都將減小。 (3)間隙對模具壽命的影響： 小間隙將使磨損增加 ， 甚 至使模具與材料之間產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象 ，并 引起崩刃 、 凹模脹裂 、 小凸模折斷 、 凸凹模相互啃刃等異常損壞。 為了延長模具壽 命，在保證沖裁件質(zhì)量的前提下適當采用 較大的間隙值 是十 分必要的。 22 2.沖裁模間隙值的確定 主要根據(jù)沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度和模具壽命這三個因 素綜合考慮，給間隙規(guī)定一個范圍值?？紤]到在生產(chǎn)過程中的 磨損使間隙變大，故設(shè)計與制造新模具時應(yīng)采用最小合理間隙 Zmin。 （ 1）理論法確定法 t a n12t a n2 00 t hthtZ （ 2）表格法 （表 2.3） （ 3）經(jīng)驗公式法 23 綜合因素的影響可以看出，材料厚度對間隙的 綜合影響并不是簡單的正比關(guān)系。但是，概括地說， 板料愈厚，塑性愈差，則間隙愈大；材料愈薄，塑 性愈好，則間隙愈小。 24 第四節(jié) 凸模和凹模工作部分尺寸的計 算 一、尺寸計算的原則 二、凸模和凹模分別加工時的尺寸的計算 三、凸模和凹模單配加工時的尺寸的計算 四、用單配加工法時，凸模和凹模間的尺 寸換算 25 刃口尺寸計算的作用 ： 凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影響沖裁件的尺寸大小。 模具的合理間隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差來保證。 1.凸、凹模刃口尺寸計算原則 ( )設(shè)計落料模先確定凹模刃口尺寸。 以凹模為基準，間 隙取在凸模上，即沖裁間隙通過減小凸模刃口尺寸來取得。 設(shè)計沖孔模先確定凸模刃口尺寸。以凸模為基準，間隙 取在凹模上，沖裁間隙通過增大凹模刃口尺寸來取得。 一、 凸模和凹模的刃口尺寸計算 26 ( )由于凸模在使用中越磨越大，凹模在使用中則越磨越 小，因此在設(shè)計落料模時，凹模基本尺寸應(yīng)取接近或等于工 件的最小極限尺寸；設(shè)計沖孔模時，凸模基本尺寸則取接近 或等于工件孔的最大極限尺寸。 模具磨損預(yù)留量與工件制造 精度有關(guān)。 ( )沖裁（設(shè)計）間隙一般選用最小合理間隙值（ Zmin）。 ( )選擇模具刃口制造公差時，要考慮工件精度與模具精 度的關(guān)系，即要保證工件的精度要求，又要保證有合理的間 隙值。 ( )工件尺寸公差與沖模刃口尺寸的制造偏差原則上都應(yīng) 按 “ 入體 ” 原則標注為單向公差。但對于磨損后無變化的尺 寸，一般標注雙向偏差。 27 2.凸、凹模刃口尺寸計算方法 （ 1）分開加工 具有互換性、制造周期短，但 Zmin不易保證，需提高加 工精度，增加制造難度。 （ 2）配合加工 Zmin易保證，無互換性、制造周期長。 28 二、凸模和凹模分別加工時的尺寸的計算 A.落料 AxDD A 0m a x 0m i nm a x0m i n TT ZxDZDD AT （ 3） 凸模與凹模分開加工 29 （ 3） 凸模與凹模分開加工 B.沖孔 0m i n Txdd T AA ZxdZdd TA 0m i nm i n0m i n C.孔心距 dL =L 81 30 為了保證可能的初始間隙不超過 Zmax，即 AT +Zmin Zmax， 選取必須滿足以下條件： AT m i nm a x ZZ 凸、凹模的制造公差，可按級來選取。 但需校核?；蛉?T m i nm a x4.0 ZZ A m i nm a x6.0 ZZ 31 例 3-1沖制如圖 -所示墊圈，材料為鋼。分別計算 落料和沖孔的凸模和凹模工作部分的尺寸。 32 三、凸模和凹模單配加工時的尺寸的計算 在計算復(fù)雜形狀的凸模和凹模工作部分的尺寸時，往往可以發(fā)現(xiàn) 在一個凸?；虬寄Ｉ蠒瑫r存在著三類不同性質(zhì)的尺寸需要區(qū)別對待。 第一類：凸?；虬寄Ｔ谀p后會增大的尺寸； 第二類：凸?；虬寄Ｔ谀p后會減小的尺寸； 第三類：凸?；虬寄Ｔ谀p后基本不變的尺寸。 33 34 四、用單配加工法時，凸模和凹模間的尺寸換算 在實際生產(chǎn)中，由于設(shè)備、加工方法、生產(chǎn)習(xí)慣等原因，某些 工廠在模具制造中，不分落料還是沖孔，有的習(xí)慣于先做凸模，這 時，如果是落料的話，就必須將落料凹模的尺寸換算到凸模上去； 也有的習(xí)慣于先做凹模，這時，如果是沖孔的話，就必須將沖孔凸 模的尺寸換算到凹模上去。下面分別討論這兩種換算方法。 （）落料時，把凹模尺寸換算到凸模的尺寸計算 由于先做凸 模，凹模是按凸模以一定的間隙配制的，所以凹模的尺寸與公差 決定于凸模的尺寸與公差以及在配制時間隙的變動范圍。 35 36 例 3-3 沖制圖 -所示沖裁件，某廠習(xí)慣先做凸模（采用成形 磨削法），凹模根據(jù)凸模尺寸配作。計算模具的工作部分尺寸。沖裁 件材料為鋼，板料厚度為 .。 解 ： （略） 37 38 第五節(jié) 沖裁力 一、沖裁力的計算 二、降低沖裁力的措施 三、卸料力、推件力和頂件力 四、壓力機所需總沖壓力的計算 39 一、沖裁力的計算 沖裁力是選擇壓力機的主要依據(jù)，也是設(shè)計模具所必須的數(shù)據(jù)。 40 二、降低沖裁力的措施 當板料較厚或沖裁件較大，所產(chǎn)生的沖裁力過大或壓力機噸位 不夠時，可采用以下三種方法來降低沖裁力： .加熱沖裁 .斜刃沖裁 .階梯沖裁 斜刃沖裁的優(yōu)點是壓力機能在柔和條件下工作，當沖裁件很大 時，降低沖裁力很顯著。缺點是模具制造難度提高，刃口修磨也困 難，有些情況下模具刃口形狀還要修正。沖裁時，廢料的彎曲在一 定程度上會是影響沖裁件的平整，這在沖裁厚料時更嚴重。因此它 適用于形狀簡單、精度要求不高、料不太厚的大件沖裁。在汽車、 拖拉機等大型覆蓋件的落料中應(yīng)用較多。 階梯沖裁的優(yōu)點是不但可降低沖裁力，而且還能適當減少振 動，工件精度不受影響，可避免與大凸模相距甚近的小凸模的傾 斜或折斷（當所有凸模等高時，與大凸模接近的小凸模在沖孔時 受大凸模沖裁所引起的材料流動的影響，很易使小凸模傾斜或折 斷）。缺點是修磨刃口比較麻煩。主要用于有多個凸模而其位置 又較對稱的模具。 41 三、卸料力、推件力和頂件力 沖裁時材料在分離前存在著彈性變形，在一般沖裁條件下，沖 裁后材料的彈性恢復(fù)，使落件或沖孔廢料梗塞在凹模內(nèi)，而板料則 緊箍在凸模上，為了使沖裁工作繼續(xù)進行，必須將箍在凸模上的板 料卸下，將梗塞在凹模內(nèi)的工件或廢料向下推出或向上頂出。從凸 模上卸下板料所需的力稱為卸料力 F卸 ；從凹模內(nèi)向下推出工件或 廢料所需的力稱為推件力 F推 ；從凹模內(nèi)向上頂出工件或廢料所需 的力稱為頂件力 F頂 ，如圖 -所示。 42 四、壓力機所需總沖壓力的計算 43 第六節(jié) 沖裁工件的排樣 一、排樣原則 二、排樣方法 三、搭邊 四、送料步距與條料寬度的計算 五、排樣圖 44 一、排樣原則 圖中列出了五種排樣方案 方案一：直排。 方案二：斜對排。 方案三：直對排。 方案四：另一種直對排。 方案五：在保證沖件使用性能的前提下， 適當改變其形狀后，仍采用直排。 排樣原則如下： ）提高材料利用率 。 ）使工人操作方便、安全，減輕工人的勞動 強度。 ）使模具結(jié)構(gòu)簡單、模具壽命較高。 ）排樣應(yīng)保證沖裁件的質(zhì)量。 沖件的多種排樣法 45 二、排樣方法 .有廢料排樣法 .少廢料排樣法 .無廢料排樣法 46 三、搭邊 .搭邊的作用 ）起補償條料的剪裁誤差、送料步距誤差以及補償由于條料與 導(dǎo)料板之間有間隙所造成的送料歪斜誤差的作用。若沒有搭邊則可 能發(fā)生工件缺角、缺邊或尺寸超差等廢品。 ）使凸、凹模刃口雙邊受力。由于搭邊的存在，使凸、凹模 刃口沿整個封閉輪廓線沖裁，受力平衡，合理間隙不易破壞，模具 壽命與工作斷面質(zhì)量都能提高。 ）對于利用搭邊拉條料的自動送料模具，搭邊使條料有一定的 剛度，以保證條料的連續(xù)送進。 .搭邊的數(shù)值 搭邊過大，浪費材料。搭邊太小，起不到上述應(yīng)有的作用。過 小的搭邊還可能被拉入凸模和凹模的間隙，使模具容易磨損，甚至 損壞模具刃口。 47 四、送料步距與條料寬度的計算 .送料步距 A .條料寬度 B 有側(cè)壓裝置時條料寬度的確定 導(dǎo)料板 凹模 48 五、排樣圖 排樣圖是排樣設(shè)計最終的表達形式。 49