冲压工艺与模具设计 第2章 冲裁

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1、89第2章冲裁第2章冲裁从表1.1可见，分离工序(广义冲裁)包括落料、冲孔、切断、切边、剖切、切口、整修等，其中冲裁(落料、冲孔)应用最多。生产实际中往往对冲裁与广义冲裁不加区分。冲裁得到的制件可以是最终零件，也可以作为弯曲、拉深、成形等其他工序的坯料/工序件/半成品。2.1冲裁变形过程如图2.1所示，冲裁需要用到的凸模1(实体)与凹模2(型孔)工作部分(刃口)的水平投影轮廓按所需制件轮廓形状制造，但尺寸有微小差别(需要一定间隙)。当压力机滑块把凸模推下时，板料就受到凸-凹模的剪切作用而沿一定的轮廓互相分离。(a)(

2、b)图2.1普通冲裁示意图1—凸模；2—凹模2.1.1冲裁变形的3个阶段板料的分离是瞬间完成的，冲裁变形过程大致可分成3个阶段(如图2.2所示)。(1)弹性变形阶段(如图2.2(a)所示)当凸模开始接触板料并下压时，板料发生弹性压缩和弯曲。板料略有挤入凹模洞口的现象。此时，以凹模刃口轮廓为界，轮廓内的板料向下弯拱，轮廓外的板料则上翘。凸-凹模间隙愈大，弯拱和上翘愈严重。随着凸模继续下压，直到材料内的应力达到弹性极限，弹性变形阶段结束，进入塑性变形阶段。(2)塑性变形阶段(如图2.2(b)所示)当板料的应力达到屈服点，

3、板料进入塑性变形阶段。凸模切入板料，板料被挤入凹模洞口。在剪切面的边缘，由于凸—凹模间隙存在而引起的弯曲和拉伸作用，形成塌角面，同时由于剪切变形，在切断面上形成光亮且与板面垂直的断面。随着凸模的继续下压，应力不断加大，直到应力达到板料抗剪强度，塑性变形阶段结束。(3)断裂分离阶段(如图2.2(c)所示)当板料的应力达到抗剪强度后，凸模继续下压，凸、凹模刃口附近产生微裂纹不断向板料内部扩展。当上下裂纹重合时，板料便实现了分离。由于拉断结果，断面上形成一个粗糙的区域。凸模继续下行，已分离的材料克服摩擦阻力，从板料中推出，

4、完成整个冲裁过程。89第2章冲裁图2.2冲裁时板料的变形过程2.1.2冲裁变形区及受力由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、凹模刃口连线为中心而形成的纺锤形区域为最大(如图2.3(a)所示)，即从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图2.3(b)所示)。其变形性质是以塑性剪切变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与横向挤压等变形。图2.3冲裁变形区1—凸模；2—压料板；3—板料；4—凹模；5

5、—纺锤形区域；6－已变形区无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图2.4所示。其中：P1，P2——凸、凹模对板料的垂直作用力；P3，P4——凸、凹模对板料的侧压力；μP1，μP2——凸、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，一般在间隙合理或偏小的情况下指向模具的刃口；μP3，μP4——凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。由图2.4可知，板料由于受到模具表面的力偶作用而弯曲上翘，使模具表面和板料的接触面仅局限在刃口附近的狭小区域，接触面宽度约为板厚的0.2~0.4倍。且此垂直压力的分布并不均匀，随着向模具刃口的逼近而

6、急剧增大。由于冲裁时板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。图2.5为无压边装置冲裁过程中塑性变形阶段变形区的应力状态，其中：89第2章冲裁图2.4冲裁时作用于板料上的力图2.5冲裁应力状态图1—凹模；2—板料；3—凸模A点(凸模侧面)——为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力，切向应力为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力，为凸模下压引起的轴向拉应力。B点(凸模端面)——凸模下压及板料弯曲引起的三向压应力。C点(切割区中部)——为板料受拉伸而产生的拉应力，为板料受挤压而产生的压应

7、力。D点(凹模端面)——，分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力，为凹模挤压板料产生的轴向压应力。E点(凹模侧面)——，为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力的合成应力，该合成应力是拉应力还是压应力与间隙大小有关，一般为拉应力；为凸模下压引起的轴向拉应力。2.1.3冲裁断面的4个特征区由于冲裁变形的特点，冲裁断面可明显分成4个特征区，即塌角带、光亮带、断裂带和毛刺(如图2.6所示)。塌角带产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面，是由于板料受弯曲、拉伸作用而形成的。材料塑性愈好、凸-凹模之间间隙愈大，形成的塌

8、角也愈大。光亮带是由于板料塑性剪切变形所形成的。光亮带表面光洁且垂直于板平面。凸-凹模之间的间隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮带高度愈高。断裂带是由冲裁时所产生的裂纹扩张形成的。断裂带表面粗糙，并带有3°~6°的斜度。材料塑性愈差、凸-凹模之间间隙愈大则断裂带高度愈高，斜度愈大。毛刺的形成是由于板料塑性变形阶段后期在凸模和凹模刃口附近产生裂纹