1、冲 裁第三章第三章01冲裁概述0203冲裁过程的分析冲载模间隙04凸模与凹模刃口尺寸的确定冲载第三章05冲裁件的工艺性0607排样冲裁力和压力中心的计算08冲裁模分类及典型冲裁模结构分析冲载第三章09冲裁模主要部件和零件的设计与选用1011精密冲裁其他冲裁模冲载冲 裁 概 述第一节 冲裁概述第一节 冲裁是利用模具使板料产生分离的一种冲压工序。从广义上讲。 冲裁是分离工序的总称。 它包括落料、冲孔、切断、修边、切舌等多种工序。但一般来说。 冲裁主要是指落料和冲孔工序。 若使材料沿封闭曲线相互分离。 将封闭曲线以内的部分作为冲裁件时。 称为落料； 将封闭曲线以外的部分作为冲裁件时； 则称为冲孔。冲
2、裁概述第一节冲裁模就是落料、冲孔等分离工序使用的模具。 冲裁模的工作部分零件与成形模不同。一般都具有锋利的刃口来对材料进行剪切加工。 并且凸模进入凹模的深度较小。 以减少刃口磨损。冲裁的应用非常广泛。 它既可以直接冲出所需形状的成品工件。又可以为其他成形工序如拉深、弯曲、成形等制备毛坯。根据变形机理的不同。 冲裁可以分为普通冲裁和精密冲裁两类。冲裁过程的分析第二节 第二节1.冲裁变形过程冲裁时板料的变形具有明显的阶段性。 由弹性变形过渡到塑性变形。 最后产生断裂分离。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态(1) 弹性变形阶段（）凸模接触板料后开始加压。 板料在凸、凹模作用下产生弹性压缩、拉伸、弯曲
3、、挤压等变形。 此阶段以材料内的应力达到弹性极限为止。 在该阶段。 凸模下的材料略呈弯曲状。 凹模上的板料向上翘起。 凸、凹模之间的间隙越大。 则弯曲与翘起的程度也越大。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节(2) 塑性变形阶段 () 随着凸模继续压入板料。压力增加。 当材料内的应力状态满足塑性条件时。开始产生塑性变形。 进入塑性变形阶段。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。塑性变形阶段结束。 此时冲裁变形抗力达到最大值。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节(3) 断裂分离阶段 (、)
4、 凸模继续下压。 使刃口附近变形区的应力达到材料的破坏应力。 在凹、凸模刃口侧面的变形区先后产生裂纹。 已形成的上、下裂纹逐渐扩大。 并沿最大切应力方向向材料内层延伸。 直至两裂纹相遇。 板料被剪断分离。 冲裁过程结束。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节 2 . 剪切区的应力状态根据实验的结果。 冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内。 如图3-2 所示。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节图 a 表示初始冲裁时的变形区由刃口向板料中心逐渐扩大。 截面呈纺锤形。 材料的塑性越好、硬化指数越大。则纺锤形变形区的宽度将越大。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状
5、态第二节图b 表示变形区随着凸模切入板料深度的增加而逐渐缩小。 但仍保持纺锤形。 其周围已变形的材料已被严重加工硬化了。 纺锤形内以剪切变形为主。特别是当凸模与凹模的间隙较小时。 纺锤形的宽度将减小。 但由于冲裁时板料的变形受到材料的性质、凸模与凹模的间隙、模具刃口变钝的程度等因素的影响。 不可能只产生剪切变形。 还有弯曲变形。 而弯曲又将使板料产生受拉与受压两种不同的变形。 因此冲裁变形区的应力状态是十分复杂的。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节图3-3 给出与断裂分离有关的一些特征点的应力状态。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节A点: 位于凸模端面靠近刃口处。 受凸模正压力作用
6、。 并处于弯曲的内侧。 因此受三向压应力作用。为强压应力区。B点: 位于凹模端面靠近刃口处。 受凹模正压力作用。 并处于弯曲的外侧。 因此轴向应力 为压应力。 径向应力 和切向应力 均为拉应力。 但主要是受压应力作用。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节C点: 位于凸模侧面靠近刃口处。 受凸模的拉伸和垂直方向摩擦力的作用。 因此轴向应力z为拉应力。 径向受凸模侧压力作用并处于弯曲的内侧。 因此径向应力r 为压应力。 切向受凸模侧压力作用将引起拉应力。 而板料的弯曲又引起压应力。 因此切向应力 为合成应力。 一般为压应力。一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节D点: 位于凹模刃口侧面靠近刃
7、口处。 轴向受凹模侧壁垂直方向摩擦力的作用将产生拉应力z。 凹模侧压力和板料的弯曲变形导致径向应力r 和切向应力 均为拉应力。 所以D点为强拉应力区。一一、冲裁变形过程及剪切区的应力状态第二节二、冲裁件断面分析第二节 冲裁件断面可分为明显的四部分: 塌角、光面(光亮带)、毛面(断裂带)和毛刺。如图3-4所示。第二节塌角a: 也称为圆角带。 是由于冲裁过程中刃口附近的材料被牵连拉入变形(弯曲和拉伸)的结果。 材料的塑性越好、凸模与凹模的间隙越大。 塌角越大。二、冲裁件断面分析第二节光面b: 也称为剪切面。 是刃口切入板料后产生塑剪变形时。 凸、凹模侧面与材料挤压形成的光亮垂直的断面。 光面是最理
8、想的冲裁断面。 冲裁件的尺寸精度就是以光面处的尺寸来衡量的。 普通冲裁时。 光面的宽度约占板料厚度的1/3 1/2。材料的塑性越好。 光面就越宽。二、冲裁件断面分析第二节毛面c: 毛面是由主裂纹贯通而形成的表面十分粗糙且有一定斜度的撕裂面。 塑性差的材料撕裂倾向严重。 毛面所占比例也大。毛刺d: 冲裁毛刺是在刃口附近的侧面上材料出现微裂纹时形成的。 当凸模继续下行时。便使已形成的毛刺拉长并残留在冲裁件上。冲裁间隙越小。毛刺的高度越小。二、冲裁件断面分析冲裁模间隙第三节 冲裁模间隙第三节冲裁凸模和凹模之间的间隙不仅对冲裁件的质量有极重要的影响。 而且还影响模具寿命、冲裁力、卸料力和推件力等。 因
9、此。 间隙是冲裁模设计的一个非常重要的参数。第三节冲裁件的质量主要通过断面质量、尺寸精度和表面平直度来判断。 在影响冲裁件质量的诸多因素中。 间隙是主要的因素之一。一、间隙对冲裁件质量的影响1.间隙对断面质量的影响冲裁件的断面质量主要指塌角的大小、光面约占板厚的比例、毛面的斜角大小及毛刺等。间隙合适时。 冲裁时上、下刃口处所产生的剪切裂纹基本重合。 这时光面约占板厚的1/2 1/3。 切断面的塌角、毛刺和斜度均很小。 完全可以满足一般冲裁的要求。第三节一、间隙对冲裁件质量的影响间隙过小时。凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。上、下裂纹之间的材料随冲裁的进行将被第二次剪切。然后被凸模挤
10、入凹模洞口。 这样。在冲裁件的切断面上将形成第二个光面。在两个光面之间形成毛面。在端面出现挤长的毛刺。 这种挤长毛刺虽比合理间隙时的毛刺高一些。但易去除。而且毛面的斜度和塌角小。冲裁件的翘曲小。所以只要中间撕裂不是很深。仍可使用。第三节一、间隙对冲裁件质量的影响间隙过大时。凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内错开一段距离。材料的弯曲与拉伸增大。拉应力增大。塑性变形阶段较早结束。致使断面光面减小。塌角与斜度增大。形成厚而大的拉长毛刺。且难以去除。同时冲裁件的翘曲现象严重。影响生产的正常进行。若间隙分布不均匀。则在小间隙的一边形成双光面。大间隙的一边形成很大的塌角及斜度。普通冲裁毛刺的允许高度见表3-
11、1。第三节一、间隙对冲裁件质量的影响第三节一、间隙对冲裁件质量的影响2.间隙对尺寸精度的影响冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与公称尺寸的差值。差值越小。则精度越高。从整个冲裁过程来看。影响冲裁件尺寸精度的因素有两大方面: 一是冲模本身的制造偏差；二是冲裁结束后冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。第三节一、间隙对冲裁件质量的影响冲裁件之所以会偏离凸、凹模尺寸。是由于冲裁时材料所受的挤压变形、纤维伸长和翘曲变形都要在冲裁结束后产生弹性回复。当冲裁件从凹模内推出(落料)或从凸模卸下(冲孔)时。相对于凸、凹模尺寸就会产生偏差。 当间隙较大时。材料所受的拉伸作用增大。冲裁后材料的弹性回复。使落料件尺寸
12、小于凹模尺寸。冲孔件尺寸大于凸模尺寸； 当间隙较小时。由于材料受凸、凹模的侧向挤压力增大。冲裁后材料的弹性回复。使落料件尺寸大于凹模尺寸。冲孔件尺寸小于凸模尺寸。第三节一、间隙对冲裁件质量的影响材料性质直接决定了该材料在冲裁过程中的弹性变形量。对于比较软的材料。弹性变形量较小。冲裁后的弹性回复值也较小。因而冲裁件的精度较高。硬的材料则正好相反。材料的相对厚度越大。则弹性变形量越小。制件的精度也越高。冲裁件的尺寸越小、 形状越简单。则精度越高。这是由于此时模具精度易保证。间隙均匀。冲裁件的翘曲小。以及冲裁件的弹性变形绝对量小。第三节二、 间隙对冲裁力的影响试验证明。随间隙的增大。冲裁力有一定程度
13、的降低。但当单面间隙为材料厚度的5% 20%时。冲裁力的降低不超过5% 10%。因此。在正常情况下。间隙对冲裁力的影响不是很大。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大。卸料力和推件力都将减小。一般当单面间隙增大到材料厚度的15%25%时。卸料力几乎降到零。第三节三、间隙对模具寿命的影响冲裁模常以刃口磨钝与崩刃的形式失效。凸、凹模磨钝后。其刃口处形成圆角。冲裁件上就会出现不正常的毛刺。凸模刃口磨钝时。在落料件边缘产生毛刺；凹模刃口磨钝时。所冲孔口边缘产生毛刺；凸、凹模刃口均磨钝时。则制件边缘与孔口边缘均产生毛刺。第三节由于材料的弯曲变形。材料对模具的反作用力主要集中于凸、凹模刃口部分。当
14、间隙过小时。垂直力和侧压力将增大。摩擦力增大。加剧模具刃口的磨损；随后二次剪切产生的金属碎屑又加剧刃口侧面的磨损；冲裁后卸料和推件时。材料与凸、凹模之间的滑动摩擦还将再次造成刃口侧面的磨损。使得刃口侧面的磨损比端面的磨损大。三、间隙对模具寿命的影响四、冲裁模间隙值的确定第三节凸模与凹模间每侧的间隙称为单面间隙。两侧间隙之和称为双面间隙。如无特殊说明。冲裁间隙就是指双面间隙。1 . 间隙值的确定原则从上述的冲裁分析中可看出。找不到一个固定的间隙值能同时满足冲裁件断面质量最佳。尺寸精度最高。翘曲变形最小。冲模寿命最长。冲裁力、卸料力、推件力最小等各方面的要求。四、冲裁模间隙值的确定第三节因此。在冲
15、压实际生产中。主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这几个因素给间隙规定一个范围值。只要间隙在这个范围内。就能得到合格的冲裁件和较长的模具寿命。这个间隙范围称为合理间隙。合理间隙的最小值称为最小合理间隙。最大值称为最大合理间隙。设计和制造时应考虑到凸、凹模在使用中会因磨损而使间隙增大。故应按最小合理间隙值确定模具间隙。四、冲裁模间隙值的确定第三节2. 间隙值确定方法 确定凸、凹模合理间隙的方法有理论法和查表法两种。 用理论法确定合理间隙值。是根据上下裂纹重合的原则进行计算。四、冲裁模间隙值的确定第三节图3-5所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。根据图中的几何关系可求得合理间隙Z为式中，
16、t 为材料厚度；h0 为产生裂纹时凸模挤入材料的深度；h0/t为产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度。见表3-2； 为剪切裂纹与垂线间的夹角。见表3-2。四、冲裁模间隙值的确定第三节由上式可知合理间隙 Z 主要决定于材料厚度 t 和凸模相对挤入深度h0/t。 而 h0/t 不仅与材料塑性有关。还受料厚的综合影响。因此认为。材料厚度越大、塑性越低的硬脆材料。其所需间隙值Z就越大；料厚越薄、塑性越好的材料。其所需间隙值Z就越小。四、冲裁模间隙值的确定第三节四、冲裁模间隙值的确定第三节由于理论计算法在生产中使用不方便。因此常用查表法来确定间隙值。有关间隙值的数值。可在一般冲压手册中查到。对于尺寸精度、断
17、面垂直度要求高的工件应选用较小间隙值(表3-3)。四、冲裁模间隙值的确定第三节表3-3四、冲裁模间隙值的确定第三节对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的工件。以提高模具寿命为主。可采用大间隙值(表3-4)。四、冲裁模间隙值的确定第三节GB/T167431997 “冲裁间隙” 根据冲件剪切面质量、尺寸精度、模具寿命和力能消耗等因素。将金属材料冲裁间隙分成、五种类别：类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求高的场合；类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求较高的场合；类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求一般的场合。因残余应力小。能减少破裂现象。适用于继续发生塑性变形工件的场合；类冲裁间隙适用
18、于冲裁件剪切面、尺寸精度要求不高时。以利于提高模具使用寿命的场合；类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求较低的场合。凸模与凹模刃口尺寸的确定第四节 第四节凸模和凹模的刃口尺寸和公差。直接影响冲裁件的尺寸精度。模具的合理间隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差来保证。因此。正确确定凸、凹模刃口尺寸和公差。是冲裁模设计中的一项重要工作。凸模与凹模刃口尺寸的确定一、凸、凹模刃口尺寸计算的依据和计算原则第四节在冲裁件尺寸的测量和使用中。都是以光面的尺寸为基准。落料件的光面是因凹模刃口挤切材料产生的。而孔的光面是凸模刃口挤切材料产生的。 故计算刃口尺寸时。应按落料和冲孔两种情况分别进行。 其原则如下。(1
19、) 落料(3) 孔心距(4) 冲模刃口制造公差(2) 冲孔二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节根据凸、凹模加工方法的不同。刃口尺寸的计算方法也不同。基本上可分为两类。1. 凸模与凹模分别加工法这种加工方法目前多用于圆形或简单规则形状(方形或矩形)的工件。工件与凸模和凹模刃口之间的基本尺寸及公差分配关系如图3-6 所示。二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节根据刃口尺寸计算原则。计算公式如下：落料冲孔孔心距式中。Dd、Dp 为落料凹、凸模尺寸；dp、dd 为冲孔凸、凹模尺寸。Ld为凹模孔心距的尺寸。公差d取工件公差的1/4。即d=/4； Lmin为工件孔心距的下极限尺寸；Dmax为落料件的上极限尺
20、寸；dmin为冲孔件孔的下极限尺寸； 为冲裁件制造公差； Zmin为最小初始双面间隙；p、d为凸、凹模的制造公差。可查有关资料获得。或取p 0.4(Zmax - Zmin )、d 0.6(Zmax - Zmin )； x为系数。为了避免冲裁件尺寸都偏向极限尺寸。应使冲裁件的实际尺寸尽量接近冲裁件公差带的中间尺寸。x 值为0.51。与冲裁件的精度等级有关。见表3-5。二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节第四节采用凸、凹模分开加工法时。应在图样上分别标注凸、凹模刃口尺寸与制造公差。为了保证间隙值 (图3-6)。应满足下列关系式如果验算不符合上式。出现 | p|+
21、 | d |Zmax - Zmin的情况。当大得不多时。可适当调整以满足上述条件。这时凸、凹模的公差应直接按公式p 0.4(Zmax - Zmin)和d 0.6(Zmax - Zmin)确定。 如果出现 | p|+ | d | Zmax - Zmin的情况。则应该采用后面将要讲述的凸、凹模配作法。二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节凸、凹模分别加工法的优点是凸、凹模具有互换性。制造周期短，便于成批制造。其缺点是模具的制造公差小。模具制造困难。成本较高。二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节例3-1：如图3-7所示工件的材料为Q235。料厚 t=1mm。 请分别确定冲裁凸、凹模刃口部分尺寸。二、凸
22、、凹模刃口尺寸的计算方法第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法续第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法2 . 凸模与凹模配合加工法(配作法)配作法就是先按设计尺寸制出一个基准件(凸模或凹模)。然后根据基准件的实际尺寸按间隙配制另一件。这种加工方法的特点是模具的间隙由配制保证。工艺比较简单。并且还可适当放大基准件的制造公差。使制造容易。故目前一般工厂常常采用此种加工方法。第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法根据冲裁件结构的不同。刃口尺寸的计算方法如下。(1) 落料图3-8a 为工件图。图3-8b为冲裁该工件所用落料凹模刃口的轮廓图。 图中双点画线表示凹模刃口磨损后
23、尺寸的变化情况。第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法落料时应以凹模为基准件来配作凸模。 从图3-8b可看出。凹模磨损后刃口尺寸有变大、变小和不变三种情况：1）凹模磨损后变大的尺寸(图中A1、A2、A3)。按一般落料凹模尺寸公式计算。即第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法2）凹模磨损后变小的尺寸(图中B1、B2)。 按一般冲孔凸模尺寸公式计算。因它在凹模上相当于冲孔凸模尺寸。即第四节3）凹模磨损后无变化的尺寸(图中C1、C2 )。 随工件尺寸的标注方法不同。又可分为三种类型计算刃口尺寸：二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法式中。Ad、Bd、Cd 为相应的凹模刃口尺寸
24、；Amax为工件的上极限尺寸；Bmin为工件的下极限尺寸；C为工件的公称尺寸， 为工件公差，为工件偏差。以上是落料凹模刃口尺寸的计算方法。落料用的凸模刃口尺寸，按凹模实际尺寸配制，并保证最小间隙Zmin。故在凸模上只标注公称尺寸，不标注偏差，同时在图样技术要求上注明：“凸模刃口尺寸按凹模实际尺寸配制，保证双面间隙值为Zmin Zmax”。(2) 冲孔冲孔时应以凸模为基准件来配作凹模。凸模刃口尺寸的计算情况与落料相似，可参照以上公式自行分析。配制凹模的图样上须标明：“凹模刃口尺寸按凸模实际尺寸配制，保证双面间隙值Zmin Zmax”。第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法3 . 配作法的刃口尺寸换
25、算第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法当用电火花加工冲模时，用尺寸与凸模相同或相近的电极(有时甚至直接用凸模做电极)在电火花机床上加工凹模。因此机械加工的制造公差只适用凸模，而凹模的尺寸精度主要决定于电极精度和电火花加工间隙的误差，所以从实质上来说，电火花加工属于配合加工的一种工艺，一般都是在凸模上标注尺寸和制造公差，而凹模只在图样上注明: “凹模刃口尺寸按凸模实际尺寸配制，保证双面间隙值Zmin Zmax”。凸模尺寸的换算公式如下：第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法如图3-9 所示，凹模的A 类尺寸将转换为凸模的B类尺寸，凹模刃口尺寸的变化范围为Ad 与Ad+/4之间，配作凸模时，在保证Z
26、min的前提下，凸模刃口尺寸应在Bpmin 与Bpmax 之间变化。故换算后的凸模刃口尺寸应以Bpmax 为公称尺寸，标注负偏差。第四节二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法同理可得落料凹模刃口的B类尺寸换算为凸模刃口A类尺寸的计算公式为即可得落料凹模刃口的A类尺寸换算为凸模刃口B类尺寸的计算公式为对于C 类尺寸，由于刃口磨损后其值基本不变，故不存在尺寸换算问题。冲裁件的工艺性第五节 第五节冲裁件的工艺性冲裁件的工艺性是指冲裁件的材料、形状、尺寸精度等方面是否适应冲裁加工的工艺要求。影响冲裁件工艺性的因素很多，从技术和经济方面考虑，主要有以下几个方面。第五节一、冲裁件的公差等级和断面粗糙度1) GB/
27、T139142002规定，冲压件尺寸公差等级分为ST1 至ST11 级(见附录B)， 角度公差按GB/T139152002(见附录C)选用。2) 冲裁件的断面粗糙度与材料塑性、材料厚度、冲裁模间隙、刃口锐钝及冲模结构等有关。 当冲裁厚度为2mm以下的金属板料时,其断面粗糙度Ra一般可达12.53.2m。二、冲裁件的结构形状与尺寸第五节1) 冲裁件的形状应力求简单、规则，使排样时废料最少。2) 冲裁件内、外形的转角处要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，减少热处理开裂，减少冲裁时尖角处的崩刃和过快磨损。如无特殊要求，在各直线或曲线的连接处允许有R0.25t 的圆角过渡。3) 冲裁件的形状应尽量避免有过长
28、的凸出悬臂和过窄的凹槽。对于软钢、黄铜等材料，其宽度b1，5t，高碳钢或合金钢等硬材料b2t， 板料t1mm 时按1mm 考虑。悬臂和凹槽的长度最大为5b，如图3-10 所示。二、冲裁件的结构形状与尺寸第五节4) 为避免工件变形，冲裁件的最小孔边距不能过小， 其许可值如图3-11a 所示。5) 在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔边与直壁之间应保持一定距离，以免冲孔时凸模受水平推力而折断，如图3-11b 所示。二、冲裁件的结构形状与尺寸第五节二、冲裁件的结构形状与尺寸第五节6) 冲孔时，因受凸模强度的限制，孔的尺寸不应太小。无导向凸模和有导向的凸模所能冲制的最小尺寸分别见表3-6和表3-7。二、冲裁件
29、的结构形状与尺寸第五节排 样第六节 排 样第六节冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。排样是冲裁模设计中的一项极其重要的工作。排样方案对材料利用率、冲件质量、生产率、模具结构与寿命等都有重要影响。一、材料经济利用第六节冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比称为材料利用率，它是衡量合理利用材料的技术经济指标。一个步距内的材料利用率 可用下式表示1 ，材料利用率式中，A为一个步距内冲裁件的实际面积(mm2) ；B为条料宽度(mm) ；S为步距(mm) ；一、材料经济利用第六节若考虑到料头、料尾和边余料的消耗，则一张板料(或带料、条料)上总的材料利用率 Z 为式中，n 为一张板料(或带料、条料
30、) 上的冲裁件总数目；A1为一个冲裁件的实际面积(mm2)；B为板料(或带料、条料)宽度(mm) ；L为板料(或带料、条料)长度(mm) 。一、材料经济利用第六节2 . 提高材料利用率的方法冲裁所产生的废料可分为两类， 如图3-12所示：一类是结构废料， 是由冲件的形状特点产生的；另一类是由于冲件之间和冲件与条料侧边之间的搭边， 以及料头、料尾和边余料而产生的废料， 称为工艺废料。一、材料经济利用第六节要提高材料利用率，主要应从减少工艺废料的角度着手。 减少工艺废料的有力措施是: 设计合理的排样方案，选择合适的板料规格和合理的裁板法(减少料头、料尾和边余料)，利用废料制作小零件(如表3-8中的
31、混合排样)等。二、排样方法第六节根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为以下三种。第六节(1) 有废料排样(图3-13a)沿冲件全部外形冲裁，在冲件周边都留有搭边，因此材料，利用率低，但冲件尺寸完全由冲模来保证，因此精度高， 模具寿命也长。生产中绝大多数冲裁件都采用有废料排样。二、排样方法第六节二、排样方法(2) 少废料排样(图3-13b)沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。因受剪裁条料质量和定位误差的影响，其冲件质量稍差，同时边缘毛刺被凸模带入间隙会影响模具寿命，但材料利用率稍高， 冲模结构简单。(3) 无废料排样(图3-13c、d)沿直线或曲线切断条料而获
32、得冲件，无任何搭边。冲件的质量和模具寿命更差一些， 但材料利用率最高。另外， 如图3-13c 所示，当送进步距为两倍零件宽度时，一次切断便能获得两个冲件，有利于提高劳动生产率。第六节二、排样方法此外，有废料排样和少、无废料排样还可以进一步按冲裁件在条料上的布置方式加以分类，见表3-8。第六节三、搭边值与条料宽度的确定1 . 搭边值的确定排样时冲裁件之间，以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料称为搭边。搭边有两个作用：一是补偿了定位误差和剪板误差，确保冲出合格零件；二是可以增加条料刚度，方便条料送进，提高劳动生产率。搭边宽度对冲裁过程及冲裁件质量有很大的影响。搭边过大时，材料利用率低；搭边过小时
33、，搭边的强度和刚度不够，在冲裁中将被拉断，有时甚至会将单边拉入模具间隙，造成冲裁力不均，损坏模具刃口。因此，搭边值的设置应当合理，其数值目前由经验确定。一般来说，硬材料的搭边值可小些，软材料、脆材料的搭边值要大一些；冲裁尺寸大或是有尖突的复杂形状时，搭边值取大些；厚材料的搭边值取大一些；用手工送料、有侧压装置的搭边值可以小些。第六节三、搭边值与条料宽度的确定第六节三、搭边值与条料宽度的确定2 . 条料宽度的确定在排样方案和搭边值确定之后，就可以确定条料的宽度和导料板之间的距离，可分为以下三种情况。第六节三、搭边值与条料宽度的确定(1) 有侧压装置(图3-14)有侧压装置的模具能使条料始终紧靠同
34、一侧导料板送进，因此只需在条料与另一侧导料板间留有间隙，故按下式计算：条料宽度导料板之间的距离第六节三、搭边值与条料宽度的确定(2) 无侧压装置(图3-15) 对于无侧压装置的模具，应考虑在送料过程中因条料的摆动而使侧面搭边减少的问题。为了补偿侧面搭边的减少，条料宽度应增加一个条料可能的摆动量，故按下式计算：条料宽度导料板之间的距离第六节三、搭边值与条料宽度的确定(3) 有侧刃定距(图3-16) 当条料的送进步距用侧刃定位时，条料宽度必须增加侧刃切去的部分，故按下式计算：条料宽度第六节三、搭边值与条料宽度的确定导料板之间的距离式中，Lmax为条料宽度方向冲裁件的最大尺寸；a为侧搭边值；n为侧刃
35、数；b1为侧刃冲切的料边宽度，通常取b1 =1.52.5mm，薄料取小值，厚料取大值；Z为冲切前的条料宽度与导料板间的间隙；y为冲切后的条料宽度与导料板间的间隙，通常取y=0.10.2mm。第六节四、排样设计实例例3-2如图3-17所示工件的材料为酚醛层压布板，料厚t为1mm， 请选择合理的排样方案。解首先分析零件的形状特点及精度要求，考虑采用有废料排样方法，图3-18为此制件的三种排样方案，现就这三种方案进行比较分析：方案与方案为直排，方案为斜排。三种方案从制件精度、冲模结构及模具寿命相比都差不多，但从材料利用率考虑，方案的材料利用率最高，因此认为方案为最合理的排样方案。第六节四、排样设计实
36、例冲裁力和压力中心的计算第七节 一、冲裁力行程曲线第七节冲裁力是指冲裁时凸模所承受的最大压力，包括施加给板料的正压力和摩擦阻力。冲裁力随凸模行程变化的曲线如图3-19所示，其变化规律反映了板料冲裁过程变形的特点。冲裁力随凸模行程的变化情况，将受板料性质和冲裁间隙的较大影响。一、冲裁力行程曲线第七节图中曲线 1表示塑性材料在合理间隙冲裁时的冲裁力曲线。曲线 2 表示塑性材料在过小间隙冲裁时的冲裁力曲线，此时由于间隙过小，剪切作用增强，塑性剪切面将增大，因此最大冲裁力将推迟出现。其值也将增大。曲线 2 同时表示了冲裁力的第二峰值，这是由于间隙过小出现了第二次剪切现象的结果。曲线 3 表示了脆性材料
37、在合理间隙冲裁时的冲裁力曲线，它有两个明显的特点，一是最大冲裁力明显增大了，二是最大冲裁力出现得较早。二、冲裁力的计算第七节通常说的冲裁力是指冲裁力的最大值，它是选用压力机和设计模具的重要依据之一。平刃口冲裁模的冲裁力F一般按下式计算式中，F为冲裁力(N)；L为冲裁周边长度(mm)；t 为材料厚度(mm)，b 为材料抗剪强度(MPa)；K为系数。系数K是考虑到实际生产中，模具间隙值的波动和不均匀、刃口的磨损、板料力学性能和厚度波动等因素的影响而给出的修正系数，一般取 K=1.3。二、冲裁力的计算第七节为计算简便，也可按下式估算冲裁力式中，b 为材料抗拉强度(MPa)。三、卸料力、推件力及顶件力
38、的计算第七节板料经冲裁后，由于弹性变形恢复的作用， 将使冲落部分的材料梗塞在凹模内，而冲裁剩下的材料则紧箍在凸模上。为使冲裁工作继续进行，必须将箍在凸模上的料卸下，将卡在凹模内的料推出。从凸模上卸下箍着的料所需要的力称卸料力；将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力称推件力；逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力称顶件力(图3-20)。三、卸料力、推件力及顶件力的计算第七节卸料力、推件力和顶件力是从压力机、卸料装置或顶件装置中获得的，所以在选择设备的公称压力或设计冲模时应分别予以考虑。 影响这些力的因素较多，主要有材料的力学性能、材料的厚度、模具间隙、凹模洞口的结构、搭边大小、润滑情况等。三、
39、卸料力、推件力及顶件力的计算第七节一般常用下列经验公式计算：卸料力推件力顶件力三、卸料力、推件力及顶件力的计算第七节式中，F为冲裁力(N)； n 为同时梗塞在凹模内的工件(或废料)数h为凹模洞口的直壁高度(mm)；t为材料厚度(mm)；KX、Kt、KD为卸料力系数、推件力系数、顶件力系数，见表3-9。三、卸料力、推件力及顶件力的计算第七节四、压力机公称压力的确定第七节压力机的公称压力必须大于或等于冲压力。计算总冲压力FZ， 原则上只计算同时发生的力，并应根据不同的模具结构分别对待。采用弹性卸料装置和下出料方式的冲裁模时采用弹性卸料装置和上出料方式的冲裁模时采用刚性卸料装置和下出料方式的冲裁模时
40、五、降低冲裁力的方法第七节如果所需冲裁力受到现有设备公称压力的限制，或者要使冲裁过程平稳以减少压力机振动，常用下列方法来降低冲裁力。(1) 阶梯凸模冲裁在多凸模的冲模中， 可将凸模设计成不同长度(图3-21)，使各凸模冲裁力的最大峰值不同时出现，以降低总的冲裁力。1) 在几个凸模直径相差较大，相距又很近的情况下，应先冲大孔，后冲小孔，避免小凸模产生折断或倾斜。五、降低冲裁力的方法第七节2) 凸模间的高度差 H 与板料厚度t 有关， 即t 3mm 时，H0.5t。采用阶梯凸模方法应注意以下两点：五、降低冲裁力的方法第七节(2) 斜刃冲裁斜刃冲裁是将凸模(或凹模)刃口平面做成与其轴线倾斜一个角度，
41、冲裁时刃口就不是全部同时切入，而是逐步地将材料切离，因而能显著降低冲裁力。为了获得平整的工件，落料时凸模应为平刃，将凹模作成斜刃(图3-22a、b)；冲孔时则凹模应为平刃，凸模为斜刃(图3-22c、d、e)。 斜刃还应当对称布置，以免冲裁时模具因承受单向侧压力而发生偏移，啃伤刃口(图3-22ae)。向一边斜的斜刃只能用于切舌或切开(图3-22f)。五、降低冲裁力的方法第七节设计斜刃冲裁模时，斜刃角 和斜刃高度H与板料厚度 t 有关，可查阅相关设计手册，平刃部分的宽度取0.53mm(图3-22)。五、降低冲裁力的方法第七节斜刃冲裁力可用下面简化公式计算式中，Fx为斜刃口的冲裁力(N)；F为平刃口
42、的冲裁力(N)；K为减力系数，与斜刃高度H有关。 当H=t 时，K=0.40.6；H=2t 时，K=0.20.4。五、降低冲裁力的方法第七节斜刃冲模虽有降低冲裁力使冲裁过程平稳的优点，但模具制造复杂，刃口易磨损，修磨困难，冲件不够平整，且不适于冲裁外形复杂的冲件，因此在一般情况下尽量不用，只用于大型冲件或厚板的冲裁。最后应当指出，采用斜刃冲裁或阶梯凸模冲裁时，冲裁力虽然降低了，但冲裁行程却延长了，所以冲裁功并不减少。五、降低冲裁力的方法第七节(3) 加热冲裁材料加热后抗剪强度显著降低，例如，10 钢在加热到700时的抗剪强度约为室温状态下的1/3，因此加热冲裁能够降低冲裁力。但加热带来的问题很
43、多，不仅增加了工序和能源消耗，而且加热后会产生很厚的氧化皮，给后续加工带来很多麻烦。因此，加热冲裁一般只适用于厚板或表面质量及精度要求不高的零件。六、冲模压力中心的确定第七节冲压力合力的作用点称为模具的压力中心，模具的压力中心应该通过压力机滑块的中心线。对于有模柄的冲模来说，须使压力中心通过模柄的中心线。否则，冲压时滑块就会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常的磨损，还会使合理间隙得不到保证，从而影响制件质量和降低模具寿命，甚至损坏模具。在实际生产中，可能出现冲模压力中心在冲压过程中发生变化的情况，或者由于冲件的形状特殊，从模具结构考虑，不宜使压力中心与模柄中心线相重合的情况，这时应
44、注意使压力中心的偏离不致超出所选用压力机允许的范围。六、冲模压力中心的确定第七节冲裁形状对称的冲件时，其压力中心位于冲件轮廓图形的几何中心。冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中点。冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置(图3-23)按下式计算或式中，l 为弧长； R为半径；b 为弦长。六、冲模压力中心的确定第七节确定复杂形状冲裁件的压力中心和多凸模模具的压力中心时，常采用下面几种方法。(1) 多凸模冲裁时的压力中心根据理论力学，对于平行力系，合力对某轴之力矩等于各分力对同轴力矩之和，而冲裁力 F 与冲裁的周边长度 L 成正比，由此可得压力中心坐标(x0、y0)。六、冲模压力中心的确定第七节(2)
45、冲裁复杂形状零件时的压力中心冲裁复杂形状零件时，其压力中心的计算公式与多凸模冲裁压力中心求解公式相同。具体求法按下面步骤进行：1) 选定坐标轴x 和y。2) 将组成图形的轮廓线划分为若干简单的线段，求出各线段长度和各线段的重心位置。3) 然后按上面公式算出压力中心的坐标。冲裁模分类及典型冲裁模结构分析第八节 一、冲裁模的分类第八节冲裁模的形式很多，一般可按下列不同特征分类。(1) 按工序性质分类可分为落料模、冲孔模、切断模、切边模、切舌模、剖切模、整修模、精冲模等。(2) 按工序组合程度分类可分为单工序模(俗称简单模)、复合模和级进模(俗称连续模)。(3) 按模具导向方式分类可分为无导向的开式
46、模和有导向的导板模、导柱模等。(4) 按卸料与出件方式分类可分为固定卸料式与弹压卸料式模具、顺出件与逆出件式模具。(5) 按挡料或定距方式分类分为挡料销式、导正销式、侧刃式等模具。(6) 按凸、凹模所用材料不同分类可分为钢模、硬质合金模、钢带冲模、锌基合金模、橡胶冲模等。(7) 按自动化程度分类可分为手动模、半自动模和自动模。一、冲裁模的分类第八节二、典型冲裁模的结构分析第八节尽管有的冲裁模很复杂，但总是分为上模和下模，上模一般固定在压力机的滑块上，并随滑块一起运动，下模固定在压力机的工作台上。下面分别叙述各类冲裁模的结构、工作原理、特点及应用场合。1 . 单工序模(1) 无导向单工序冲裁模图
47、3-24所示为无导向固定卸料式落料模。上模由凸模2和模柄1组成，凸模2直接用一个螺钉吊装在模柄1上，并用两个销钉定位。下模由凹模4、下模座5、固定卸料板3组成，并用四个螺钉联接，两个销钉定位。导料板与固定卸料板制成一体。送料方向的定距由回带式挡料装置6来完成。二、典型冲裁模的结构分析第八节无导向冲裁模的特点是结构简单、制造周期短、成本较低，但模具本身无导向，需依靠压力机滑块进行导向，安装模具时调整凸、凹模间隙较麻烦且不易均匀。因此冲裁件质量差，模具寿命低，操作不够安全。一般适用于冲裁精度要求不高、形状简单、批量小的冲裁件。(2) 导板式单工序冲裁模图3-25所示为固定导板导向式落料模。 该模具
48、的主要特点是上模与下模的导向是靠凸模2与导板4的小间隙配合(H7/ h6)实现的。二、典型冲裁模的结构分析第八节二、典型冲裁模的结构分析第八节凸模2采用了工艺性很好的直通式结构， 与凸模固定板1 的型孔可取H9/ h8间隙配合，而不需一般模具采用的过渡配合。这是因为凸模与导板已有了良好的配合且始终不脱离。这类模具的安装调整比无导向式模具方便，工件质量比较稳定，模具寿命较高，操作安全，这种模具的缺点是必须采用行程可调压力机，保证使用过程中凸模与导板不脱离，以保持其导向精度，甚至在刃磨时也不允许凸模与导板脱离，以免损害其导向精度。二、典型冲裁模的结构分析第八节(3) 导柱式单工序冲裁模图3-26所
49、示为导柱式落料模，模具上、下模之间的相对运动用导柱11与导套10导向。凸、凹模在进行冲裁之前，导柱已经进入导套，从而保证了在冲裁过程中凸模3和凹模15之间间隙的均匀性。二、典型冲裁模的结构分析第八节条料的送进定位依靠导料板18和挡料销17实现，弹压卸料装置由卸料板12、卸料螺钉1 和橡胶22组成。在凸、凹模进行冲裁工作之前，由于橡胶的作用，卸料板先压住板料，上模继续下压时进行冲裁分离，此时橡胶被压缩。 上模回程时，由于橡胶恢复，推动卸料板把箍在凸模上的边料卸下来。导柱式冲裁模的导向比导板模的可靠，其精度高、寿命长、使用安装方便，但轮廓尺寸较大，模具较重、制造工艺复杂、成本较高。它广泛用于生产批
50、量大、精度要求高的冲裁件。2 . 级进模二、典型冲裁模的结构分析第八节级进模可在压力机一次行程中，在模具的不同位置上同时完成数道冲压工序。级进模所完成的同一零件的不同冲压工序是按一定顺序、相隔一定步距排列在模具的送料方向上的，压力机一次行程得到一个或数个冲压件。因此其生产效率很高，减少了模具和设备的数量，便于实现冲压生产自动化。但级进模结构复杂，制造困难，成本高。由于级进模工位数较多，因而用级进模冲制零件时，必须解决条料或带料的准确定位问题，才可能保证冲压件的质量。根据级进模定位零件的特征，级进模有以下两种典型结构。二、典型冲裁模的结构分析第八节(1) 固定挡料销和导正销定位的级进模图3-27
