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冲裁工艺及模具 材料科学与工程学院 CUTTING To separate the sheet! General cutting 普通冲裁；
CHAPTER 2 CUTTING 冲裁工艺及模具 To separate the sheet! General cutting 普通冲裁； Fine blanking 精密冲裁。 材料科学与工程学院
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§2-1 Principles of cutting
冲裁基本原理 冲裁由凸模和凹模配合完成，凸模和凹模刃口与工件轮廓一致。 1.Punch 2.Die
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凸模与工件接触→间隙处产生弯矩，发生弹性弯曲→刃口处产生应力集中，凸模刃口处受压应力，凹模刃口处受拉应力→内应力达到弹性极限。
1、Procedure 冲裁变形过程 （1）Elastic deformation 弹性变形阶段 凸模与工件接触→间隙处产生弯矩，发生弹性弯曲→刃口处产生应力集中，凸模刃口处受压应力，凹模刃口处受拉应力→内应力达到弹性极限。
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（2） Plastic deformation塑性变形阶段
→ 刃口进入材料，出现拉入圆角 →塑性剪切变形向内层发展 →刃口处应力达到抗剪强度τb →刃口处出现裂纹源。
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（3）Parting 断裂阶段 凸模继续下降→刃口处出现裂纹→ 裂纹扩展→上、下裂纹会合→ 板材分离，剪切断面出现断裂带。
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2、 Fracture section 冲裁剪切断面 冲裁剪切断面四个特征区： 1-圆角带； 2-光亮带； 3-断裂带； 4-毛刺。
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(1)Radius area 圆角带 又称塌角，断面边缘出现的圆角带。由塑性拉伸产生，尺寸较小，约5%； (2)Bright area 光亮带 由塑性剪切产生。与模具接触部位，在凸、凹模侧面压力挤压下，出现塑性光亮带，约1/2~1/3； (3) Rupture area 断裂带 由裂纹扩展产生。裂纹扩展，上、下裂纹会合，板材分离，断面出现断裂带, 约40~60%； (4) Burr 毛刺 由边缘部位的板料撕扯产生。由于上、下裂纹不一定正对，断裂后被拉出毛刺。
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冲裁断面质量及其影响因素 光亮带越大，断裂带及毛刺越小，断面质量越好。 影响因素： （1）材料的塑性 （2）模具间隙大小及其均匀性
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§2-2 Cutting clearance 冲裁间隙
1、Definition 定义 冲压模具凸、凹模刃口尺寸之差。 Z=D凹-D凸 注意：模具单边空隙为Z/2
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2、间隙对质量的影响 （1）间隙过小 上、下裂纹不重合。 两次剪切，出现断口 夹层，且毛刺拉长。
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（2）间隙过大 上、下裂纹不重合。 断面斜度加大， 毛刺粗大， 圆角带加大。
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（3）间隙合理 上、下裂纹能重合。 冲裁面平直、光洁； 圆角带、毛刺小。
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3、calculation of clearance 间隙值确定
生产实际中，合理的间隙值具有一定的范围。 （1）理论计算 板料愈厚，间隙要求愈大； 塑性愈差，间隙要求愈大。
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（2）经验估算 Z ≈ (8%~20%)×t 一般为料厚的~15%。 （3）查表 实际中，冲裁间隙值Zmax、Zmin可查表获得。
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为保证冲裁质量，必须保证间隙的均匀性！ 对模具的现场配作、修磨、调整，要求高。
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4、精密冲裁提高断面质量 采用特定结构的模具和冲压机加工高质量冲压件。 变形区处于三向压应力状态，裂纹被抑制，纯塑性剪切，冲裁断面几乎全是光亮带。
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§2-3 Dimension and tolerance
冲裁凸、凹模刃口尺寸及制造公差的计算 1、Formula of dimension calculation 刃口计算原则 （1）Calculation base 选择计算基准
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For piercing 冲孔时 光亮带尺寸最小，决定了 孔的最小尺寸。 而光亮带紧贴凸模，故： 冲孔尺寸 = 凸模尺寸 For blanking 落料时 光亮带尺寸最大，决定了 落料件的最大外形。 而光亮带紧贴凹模，故： 落料尺寸 = 凹模尺寸
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Piercing 冲孔模具计算： 先确定凸模尺寸，再加上间隙，得到凹模尺寸。 Blanking 落料模具计算： 先确定凹模尺寸，再减去间隙，得到凸模尺寸。
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考虑刃口磨损规律 冲孔凸模：磨损后刃口尺寸变小。 故：冲孔凸模刃口尺寸应等于或接近于工件冲孔最大极限尺寸 。 落料凹模：磨损后刃口尺寸变大。
（2）Based on wear of die 考虑刃口磨损规律 冲孔凸模：磨损后刃口尺寸变小。 故：冲孔凸模刃口尺寸应等于或接近于工件冲孔最大极限尺寸 。 落料凹模：磨损后刃口尺寸变大。 故：落料刃口尺寸应等于或接近于工件落料最小极限尺寸 。 模具间隙：无论落料或冲孔，凸、凹模磨损都使间隙加大，故Z应取最小值 Zmin 。
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（3）Manufacturing tolerance of die 选取模具刃口制造公差δ
主要有3种方式： ① 高于工件精度（Δ）2~4级 ∵ 工件一般为IT8~14，∴ 模具IT6~9。
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②取工件公差Δ的1/3~1/4 ③简单形状模具，可直接查表。
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2、Calculation of die 刃口尺寸计算方法
模具制造方法有二种： 凸、凹模分开加工：在设计图上分别标注凸、凹模尺寸及公差，需要分别计算凸、凹模。 凸、凹模配合加工：基准件按标注的尺寸及公差制造，与其对应的另一模具按基本尺寸制造， 二者之间的间隙现场配作。
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(1)Calculating separately 凸、凹模分开加工
必须同时满足下列两个条件 （1）形状简单 （2）符合|δ凸|+|δ凹| ≤Zmax-Zmin 计算方法： ①For blanking 落料模具 工件标注尺寸为（D-Δ） 先计算凹模尺寸： D凹=（D-ｘΔ）+δ凹 减去间隙为凸模尺寸： D凸=（D-ｘΔ- Zmin）-δ凸
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③Centre space of multi hole 多孔的孔心距： 多个凹模在同一整体上,由凹模保证
②For piercing 冲孔模具 设：工件孔尺寸为（d+Δ） 先计算凸模尺寸： d凸=（d+ｘΔ）-δ凸 加上间隙为凹模尺寸： d凹=（d+ｘΔ+ Zmin ）+δ凹 ③Centre space of multi hole 多孔的孔心距： 多个凹模在同一整体上,由凹模保证 Ld=（Lmin+ Δ/2）±δ/2 其中ｘ磨损为系数，由工件Δ确定: IT14级： 0.5； IT11-13： 0.75； IT8-10： 1.0 （或查表2.6）
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Example:例2.1 Step 解题步骤: 1.查表得出最大、 最小间隙及其差值； 2.根据落料、冲 孔尺寸，分别确定 凸模、凹模制造偏差； 3.分别判断落料、冲孔工序是否满足凸模、凹模分开加工的条件； 4.查表确定磨损系数x； 5.按公式计算落料凹模、凸模尺寸，注意制造偏差的标注； 6.按公式计算冲孔凸模、凹模尺寸，注意制造偏差的标注；
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（2） Manufacturing coordinately 凸、凹模配合加工
尺寸及公差只标注在基准件上，与其对应的另一模具的基本尺寸，与基准件相同，但不必标注公差，仅需要明确间隙范围，间隙值在配制中保证。 基准件：落料为凹模，冲孔为凸模； Condition 适用场合 形状复杂； 或: |δ凸|+|δ凹| ﹥ Zmax-Zmin
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①Three types of dimension 三类不同性质的尺寸的区分
第一类：increase 增大； 第二类：decrease 减小； 第三类：almost no change 基本不变。 凹模磨损后： 凸模磨损后： 尺寸变大-A尺寸 尺寸变小-A尺寸 尺寸变小-B尺寸 尺寸变大-B尺寸 尺寸不变-C尺寸 尺寸不变-C尺寸
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② Calculation 尺寸计算 Blanking 落料件： Die is reference. 确定凹模尺寸
第一类尺寸 =（最大极限尺寸 -ｘΔ）+ δ凹 第二类尺寸 =（最小极限尺寸 + xΔ)- δ凹 第三类尺寸 = 中间尺寸±δ凹/2 凸模尺寸按凹模尺寸配制，保证双面间隙在Zmax~Zmin之间。 Piercing 冲孔件： Punch is reference. 确定凸模尺寸 第一类尺寸 =（最小极限尺寸 +ｘΔ)-δ凸 第二类尺寸 =（最大极限尺寸 -ｘΔ)+δ凸 第三类尺寸 = 中间尺寸±δ凸/2 凹模尺寸按凸模尺寸配制，保证双面间隙在Zmax~Zmin之间。
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§2-4 Cutting force 冲裁力 F = 1.3×L×t×τb 1、Cutting force = L×t×σb
method to reduce cutting force 降低冲裁力的措施： ① . 选用阶梯凸模 落料、冲孔，多孔冲制时，凸模刃口阶梯差（0.5~1）t。 ② . 选用斜刃口模具 模具刃口做成斜面。落料时凹模为斜刃口；冲孔时凸模为斜刃口。 ③ . 加热冲裁
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2、striping and ejecting force 卸料、推件力 Striping force 卸料力 从凸模上卸去条料：
F卸 = k卸 F Knockout force 推件力 顺冲压方向从凹模中推出工件： F推= n k推 F n为凹模刃口卡住工件或废料个数 Liftout force 顶件力 反冲压方向从凹模中顶出工件： F顶=k顶F （各系数K可查表）
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3、Total force for press 压力机所需总压力 F总 = F + F卸 + F推 + F顶 各项可根据实际情况取舍。 Selected according to different process!
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4、Center of force 模具压力中心确定
模具压力中心必须与压力机滑块中心一致! （1）Symmetry 对称形状工件 压力中心位于图形几何中心 force center = geometric center
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（2）Complex contour复杂形状工件 通过计算确定压力中心：
①将凸模轮廓线分解成若干基线段：直线、圆弧、曲线段； ②计算各线段重心的 座标值xi、yi （圆弧、曲线段重心 座标值查手册）； ③根据各线段重心的座标 值，求整个图形压力中心 Xc=（L1X1+L2X2+…+LnXn）/（L1+L2+…+Ln） Yc=（L1Y1+L2Y2+…+LnYn）/（L1+L2+…+Ln）
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多凸模压力中心 根据力矩平衡进行计算 （3）Force center for multi punch
X=（L1Xc1+L2Xc2 +…+ LnXcn ）/（L1+L2 +…+ Ln） Y=（L1Yc1+L2Yc2 +…+LnYcn ）/（L1+L2 +…+Ln ）
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§2-5 Blank layout 冲裁工件的排样
排样：在条料上的布置冲裁件。 Concerned with 关系到： Utilization 材料利用率； Quality of workpiece 工件质量； Die structure 模具结构； Operation 操作
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1、Layout mode 排样方式 直排； 斜排； 直对排； 斜对排； 混合排； 多行排。 等等。
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对排 斜对排
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2、Layout method 排样方法 三种方法： （1）有废料排样法 冲裁轮廓是封闭线；质量好，费料 （2）少废料排样法
冲裁轮廓不封闭；受力不均，质量较差 （3）无废料排样法 类似切断；省料，质量差
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3、Scrap allowance 搭边 冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间用以补 偿定位误差的余料。 （1）Function 作用 Compensating error补偿误差； Improving load 改善受力； Guiding sheet 保证送料 （2）Allowance 搭边值 不能过小；不能过大。
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4、送料步距 每次向前送进的距离。 两个对应点之间的距离。 A= D + a
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5、Width of sheet 条料宽度 有、无侧压装置，计算数值不同。 With side pressure 有侧压或人工紧压： B=(D+2a1+Δ)-△
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Without side pressure 无侧压
自由度大，有间隙 B=(D+2a1+2Δ+b0)-△
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6、 Utilization 材料利用率 工件总面积/条料面积 η=n×s/（B×L）×100% n：工件个数 s：工件面积 B、L:条料宽和长 应该注意冲裁方向。
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7、Layout scheme 排样图 包括工件图 和排样图。 标注板料宽 度的下偏差。
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§2-6 Introduction of press tools
冲裁模具概述 1、Single operation dies 单工序模 压力机滑块一次行程,只完成一道工序的模具。 single position and single operation 单工位，单工序 特点：模具结构简单，但生产率低、冲压件累计误差较大。 用于批量不大、精度要求不高的工件。
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压力机滑块一次行程，在不同工位同时完成几道工序的模具。
2、Multi-stage tools 级进连续模 压力机滑块一次行程，在不同工位同时完成几道工序的模具。 Multi-position and multi-operation 多工位，多工序 特点：模具结构较复杂、调整安装不方便、冲压件累计误差较大。 但生产率较高，用于批量大、精度要求不高、不宜采用复合模（凸凹模壁厚太薄）的工件。
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3、Compound die复合模 压力机滑块一次行程,在同一工位,同时完成几道工序的模具。
Single position but multi-operation 单工位，多工序 特点：生产效率高，冲压件精度好，但模具结构较复杂。用于批量大、精度要求较高的工件。
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1-卸料螺钉 2-下模垫板 3-凸凹模固定板 4-橡皮 5-卸料板 6-橡胶弹顶挡料销 7-凹模 8-凸模固定板 9-上模垫板 10-上模座 11-模柄 12-打杆 13-推板 14-销钉 15-推杆 16-凸模 17-导套 18-推件块 19-导柱 20-凸凹模 21-下模座
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