第2章冲裁工艺与冲裁模设计 > 2.2冲裁变形过程分析

为了正确设计冲裁工艺和模具，控制冲裁件质量，必须认真分析冲裁变形过程，了解和掌握冲裁变形规律。

图2.2.1所示是无压边装置的模具对板料进行冲裁时的情形。凸模１与凹模２都具有与制件轮廓一样形状的锋利刃口，凸凹模之间存在一定间隙。当凸模下降至与板料接触时，板料就受到凸、凹模的作用力，其中：
F1、F2 ──凸、凹模对板料的垂直作用力；
F3、F4──凸、凹模对板料的侧压力；
μF1、μF2──凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般从模具刃口指向外；
μF3、μF4──凸、凹模侧面与板料间的摩擦力
从图中可看出，由于凸、凹模之间存在间隙，F1、F2不在同一垂直线上，故板料受到弯矩M≈F1Z/2作用，由于M使板料弯曲并从模具表面上翘起，使模具表面和板料的接触面仅限在刃口附近的狭小区域，其接触面宽度约为板厚的0.2～0.4。接触面间相互作用的垂直压力并不均匀，随着向模具刃口的逼近而急剧增大。

图2.2.1 冲裁时作用于板料上的力

1-凸模 2-板材 3-凹模

图2.2.2所示冲裁变形过程。如果模具间隙正常，冲裁变形过程大致可分为如下三个阶段。
1．弹性变形阶段(图2.2.2Ⅰ)

在凸模压力下，材料产生弹性压缩、拉伸和弯曲变形，凹模上的板料则向上翘曲，间隙越大，弯曲和上翘越严重。同时，凸模稍许挤入板料上部，板料的下部则略挤入凹模洞口，但材料内的应力末超过材料的弹性极限。

2．塑性变形阶段(图2.2.2Ⅱ)
因板料发生弯曲，凸模沿宽度为b的环形带继续加压，当材料内的应力达到屈服强度时便开始进入塑性变形阶段。凸模挤入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形抗力不断增大，直到刃口附近侧面的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段便告终，此时冲裁变形抗力达到最大值。由于凸、凹模间存在有间隙，故在这个阶段中板料还伴随着弯曲和拉伸变形。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。

3．断裂分离阶段(图2.2.2Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)
材料内裂纹首先在凹模刃口附近的侧面产生，紧接着才在凸模刃口附近的侧面产生。已形成的上下微裂纹随凸模继续压入沿最大切应力方向不断向材料内部扩展，当上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。随后，凸模将分离的材料推人凹模洞口。
从图2.2.3所示冲裁力-凸模行程曲线可明显看出冲裁变形过程的三个阶段。图中OA段是冲裁的弹性变形阶段；AB段是塑性变形阶段，B点为冲裁力的最大值，在此点材料开始剪裂，BC段为微裂纹扩展直至材料分离的断裂阶段，CD段主要是用于克服摩擦力将冲件推出凹模孔口时所需的力。

图2.2.2 冲裁变形过程

图2.2.3冲裁力曲线

冲裁件质量是指断面状况、尺寸精度和形状误差。断面状况尽可能垂直、光洁、毛刺小。尺寸精度应该保证在图纸规定的公差范围之内。零件外形应该满足图纸要求；表面尽可能平直，即拱弯小。影响零件质量的因素有：材料性能、间隙大小及均匀性、刃口锋利程度、模具精度以及模具结构形式等。
1．冲裁件断面质量及其影响因素
由于冲裁变形的特点，冲裁件的断面明显地分成四个特征区，即圆角带a、光亮带b、断裂带c与毛刺区d，如图2.2.4所示。
圆角带a ：该区域的形成是当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入间隙的结果；
光亮带b ：该区域发生在塑形变形阶段，当刃口切入材料后，材料与凸、凹模切刃的侧表面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1/2-1/3；
断裂带c ：该区域是在断裂阶段形成。是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，其断面粗糙，具有金属本色，且略带有斜度。
毛刺区d ：毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺，裂纹的产生点和刃口尖的距离成为毛刺的高度。在普通冲裁中毛刺是不可避免的，普通冲裁允许的毛刺高度见表2.2.1。

a）冲孔件

b）落料件

图2.2.4 冲裁区应力、变形和冲裁件正常的断面状况

在四个特征区中，光亮带越宽，断面质量越好。但四个特征区域的大小和断面上所占的比例大小并非一成不变，而是随着材料性能、模具间隙、刃口状态等条件的不同而变化。
影响断面质量的因素有：
(１)材料性能的影响材料塑性好，冲裁时裂纹出现得较迟，材料被剪切的深度较大，所得断面光亮带所占的比例就大，圆角也大。而塑性差的材料，容易拉断，材料被剪切不久就出现裂纹，使断面光亮带所占的比例小，圆角小，大部分是粗糙的断裂面。
(２)模具间隙的影响冲裁时，断裂面上下裂纹是否重合，与凸、凹模间隙值的大小有关。当凸、凹间隙合适时，凸、凹模刃口附近沿最大切应力方向产生的裂纹在冲裁过程中能会合，此时尽管断面与材料表面不垂直，但还是比较平直、光滑、毛刺较小，制件的断面质量较好（图2.2.5b）所示）。
当间隙增大时，材料内的拉应力增大，使得拉伸断裂发生早，于是断裂带变宽；光亮带变窄；弯曲变形增大，因而塌角和拱弯也增大。

当间隙减小时，变形区内弯矩小、压应力成分高。由凹模刃口附近产生的裂纹进入凸模下面的压应力区而停止发展；由凸模刃口附近产生的裂纹进入凹模上表面的压应力区也停止发展。上、下裂纹不重合。在两条裂纹之间的材料将被第二次剪切。当上裂纹压入凹模时，受到凹模壁的挤压，产生第二光亮带，同时部分材料被挤出，在表面形成薄而高的毛刺（图2.2.5 a）所示）。

当间隙过小时，虽然塌角小、拱弯小，但断面质量也有缺陷。如断面中部出现夹层，两头呈光亮带，在端面有挤长的毛刺。

当间隙过大时，因为弯矩大，拉应力成分高，材料在凸、凹模刃口附近产生的裂纹也不重合。分离后产生的断裂层斜度增大，制件的断面出现二个斜角α1和α2 ，断面质量也不理想。而且，由于塌角大、拱弯大、光亮带小、毛刺又高又厚，冲裁件质量下降。如图2.2.5c所示。因此，模具间隙应保持在一个合理的范围之内。另外，当模具装配间隙调整得不均匀时，模具会出现部分间隙过大和过小的质量现象。因此，模具设计、制造与安装时必须保证间隙均匀。

ａ）间隙过小

ｂ）间隙合理

ｃ）间隙过大

图2.2.5 间隙对剪切裂纹与断面质量的影响

(３)模具刃口状态的影响模具刃口状态对冲裁过程中的应力状态及制件的断面质量有较大影响。当刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，所以制件塌角带和光亮带增大。同时，材料中减少了应力集中现象而增大了变形区域，产生的裂纹偏离刃口，凸、凹模间金属在剪裂前有很大的拉伸，这就使冲裁断面上产生明显的毛刺。当凸、凹刃口磨钝后，既使间隙合理也会在制件产生毛刺，如图2.2.6所示。当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺（图a）；当凹模刃口磨钝时，则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺（图b）；当凸、凹模刃口同时磨钝时，则冲裁件上、下端都会产生毛刺（图C）。
2.冲裁件尺寸精度及其影响因素
冲裁件的尺寸精度，是指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。差值越小，精度越高。这个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。
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、冲裁间隙等。
(1）冲模的制造精度冲模的制造精度对冲裁件尺寸精度有直接影响。冲模的精度愈高，冲裁件的精度亦愈高。表2.2.2所示当冲裁模具有合理间隙与锋利刃口时，其模具制造精度与冲裁件精度的关系。
需要指出的是冲模的精度与冲模结构、加工、装配等多方面因素有关。

a) 凹模磨钝

b) 凸模磨钝

c) 凸、凹模均磨钝

图2.2.6 凸、凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况

(2）材料的性质材料的性质对该材料在冲裁过程中的弹性变形量有很大影响。对于比较软的材料，弹性变形量较小，冲裁后的回弹值亦少，因而零件精度高。而硬的材料，情况正好与此相反。
(３）冲裁间隙当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离，使落料件的尺寸等于凹模尺寸，冲孔件尺寸等于凸模的尺寸。
当间隙过大，板料在冲裁过程中除受剪切外还产生较大的拉伸与弯曲变形，冲裁后因材料弹性恢复，将使冲裁件尺寸向实际方向收缩。对于落料件，其尺寸将会小于凹模尺寸，对于冲孔件，其尺寸将会大于凸模尺寸。但因拱弯的弹性恢复方向与以上相反，故偏差值是二者的综合结果。
当间隙过小，则板料的冲裁过程中除剪切外还会受到较大的挤压作用，冲裁后。材料的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体的反方向胀大。对于落料件，其尺寸将会大于凹模尺寸，对于冲孔件，其尺寸将会小于凸模尺寸。
3．冲裁件形状误差及其影响因素
冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。冲裁件呈曲面不平现象称之为翘曲。它是由于间隙过大、弯矩增大、变形拉伸和弯曲成分增多而造成的，另外材料的各向异性和卷料未矫正也会产生翘曲。冲裁件呈扭歪现象称之为扭曲。它是由于材料的不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的。冲裁件的变形是由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因，因胀形而产生的。
关于模具结构对冲裁件质量的影响，将会在后面章节讲述。
综上所述，用普通冲裁方法所能得到的冲裁件，其尺寸精度与断面质量都不太高。金属冲裁件所能达到的经济精度为IT14～IT10，要求高的可达到IT10～IT8级。厚料比薄料更差。若要进一步提高冲裁件的质量要求，则要在冲裁后加整修工序或采用精密冲裁法。

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