沖壓工藝與模具設計

主講人：蘇春建機電學院材料成型專業內容簡介：1）通過學習，掌握影響沖裁質量的幾個因素，重點掌握沖裁模間隙對模具壽命、沖裁力的影響，如何確定合理的沖裁模間隙，能計算凸、凹工作部分的尺寸；2）能合理排樣提高板料的利用率，并能計算板料的利用率；3）掌握沖裁的工藝分析和設計。

沖裁是最基本的沖壓工序。本章是本課程的重點章。在分析沖裁變形過程及沖裁件質量影響因素的基礎上，介紹沖裁工藝計算、工藝方案制定。涉及沖裁變形過程分析、沖裁件質量及影響因素、間隙確定、刃口尺寸計算原則和方法、排樣設計、沖裁力與壓力中心計算、沖裁工藝性分析與工藝方案制定等。

學習目的和要求：

課程內容：（1）識記：排樣、搭邊、整修、精密沖裁。（2）領會：沖裁模間隙對模具壽命、沖裁力的影響；沖裁力的計算與降低沖裁力的方法；沖裁的工藝設計方法。（3）綜合應用：合理沖裁模間隙的確定；凸、凹模刃口尺寸計算。（1）沖裁變形機理(沖裁變形過程、沖裁件斷面特征)；（2）凸模與凹模之間的間隙(間隙對尺寸精度的影響、間隙對沖裁力的影響、確定合理間隙的理論依據、合理間隙的選擇)；（3）凸、凹模刃口尺寸的計算(計算原則、凸凹模分開加工時尺寸與公差的確定、凸凹模配合加工時尺寸與公差的確定)；（4）沖裁力的計算與降低沖裁力的方法(沖裁力的計算、卸料力、推件力與頂件力的計算)；（5）材料的經濟利用(排樣、搭邊、條料寬度的確定)；（6）沖裁的工藝設計(沖裁件的工藝性分析、沖裁工藝方案的確定)；（7）其他沖裁法(整修、精密沖裁、非金屬材料的沖裁)。考核知識點和考核要求

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重點：（1）沖裁變形規律及沖裁件質量影響因素；（2）刃口尺寸計算原則和方法；（1）沖裁變形規律及沖裁件質量影響因素；（2）刃口尺寸計算原則和方法；（3）沖裁工藝性分析與工藝方案制定；難點

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本節內容沖裁概念2.1沖裁變形機理一、沖裁變形時板材變形區受力情況分析二、沖裁變形過程三、沖裁時變形區的應力狀態四、沖裁件斷面的形狀2.2凸模與凹模之間的間隙一、沖裁件質量及其影響因素二、沖裁模間隙沖裁概念：沖裁：利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產生分離的一種沖壓工序。包括落料、沖孔、切邊、剖切、整修、精密沖裁等。沖裁基本工序一、落料落料是在平板的毛坯上沿封閉輪廓進行沖裁，余下的就是廢料。落料常用于制備工序件。

二、沖孔沖孔是以落料件或其他成型件為工序件，完成各種形狀孔的沖孔沖裁加工。

沖裁基本工序三、修邊修邊：對成型件邊緣進行沖裁，以獲得工件要求的形狀和尺寸成為修邊。四、沖槽沖槽：在板料上或成型見上沖切出窄而長的槽，稱為沖槽。

沖裁基本工序五、沖缺口沖缺口：在板條，型材或彎曲成形的長條形工序件的側邊，沖掉一小塊角形廢料，稱為沖缺口。六、切斷 切斷：對板條，型材，棒料，管材等沿橫向進行沖切分離加工，稱為切斷。七、剖切剖切：將以成形的立體形狀的工序件分割為兩件，稱為剖切。2.1沖裁變形機理了解和掌握沖裁變形規律，有利于沖裁工藝與沖裁模設計，控制沖裁件質量。

一、沖裁變形時板材變形區受力情況分析1.凸模2.材料3.凹模無壓緊裝置沖裁時材料的受力圖力不均勻性：沖裁工序是利用凸模和凹模組成上、下刃口，將材料置于凹模上，凸模下降使材料變形，直至分離。因凸模與凹模之間存在間隙，故凸模、凹模作用于材料的力呈不均勻分布，主要集中于凸、凹模刃口。四組力：1.P1、P2為凸模與凹模對材料的垂直作用力，因為不在同一直線上，產生彎矩2.F1、F2為凸、凹模對材料的側壓力4.μF1、μF2為凸、凹模側面對材料的摩擦力3.μP1、μP2為凸、凹模端面對材料的摩擦力二、沖裁變形過程間隙正常、刃口鋒利情況下，沖裁變形過程可分為三個階段：1．彈性變形階段

凸模開始對材料加壓，由于彎矩的作用，材料不僅產生彈性壓縮變形而且有穹彎，并稍有壓入凹模腔口。此階段變形區內部材料應力小于屈服應力，應力狀態未滿足塑性條件，處于彈性變形階段。2．塑性變形階段

因毛坯的彎曲，凸模沿環形帶b繼續對材料加壓，當變形區內部材料應力大于屈服應力時，便產生塑性變形。在塑剪變形的同時還伴有纖維的彎曲和拉伸。隨著變形的增加，刃口附近產生應力集中，直到應力達到最大值。3．斷裂分離階段

變形區內部材料應力大于強度極限。裂紋首先產生在凹模刃口附近的側面凸模刃口附近的側面上、下裂紋擴展相遇材料分離

材料內裂紋首先在凹模刃口附近，繼而在凸模刃口側面產生，其原因與沖裁時材料內的應力狀態有關，因為沖裁過程中只有塑性變形達到一定值時，斷裂才能開始。而極限塑性應變值除與材料性能有關外，還與應力狀態及應力值大小有關。它隨靜水壓應力(球壓張量)的增大而增大。三沖裁時變形區的應力狀態沖裁時板料最大的塑性變形集中在以凸模與凹模刃口連線為中線的紡錘形區域內。

圖a表示初始沖裁時的變形區由刃口向板料中心逐漸擴大，截面呈紡錘形。材料的塑性越好、硬化指數大，則紡錘形變形區的寬度將越大。

圖b表示變形區隨著凸模切入板料深度的增加面逐漸縮小，但仍保持紡錘形。其周圍己變形的材料比初始沖裁時己被嚴重加工硬化了，因此沖裁斷面存在加工硬化現象。沖裁時板料的應力狀態：σ1σ1σ1σ1σ2σ2σ2σ2σ3σ3σ3σ3σ3為凸模下降產生的軸向拉應力，σ1為凸模側壓力F1與材料彎曲引起的徑向壓應力，σ2為材料彎曲引起的壓應力與側壓力F1引起的拉應力合成的切向應力由凸模下壓及材料彎曲引起的三向壓應力狀態σ3為凹模擠壓材料產生的壓應力，σ1

和σ2為材料彎曲引起的徑向拉應力和切向拉應力σ3為凸模下壓產生的軸向拉應力，σ1為徑向應力，σ2為切向應力凸模和凹模端面靠近刃口區域為壓應力區；凸模和凹模側面靠近刃口區域為拉應力區。沖裁件斷面的形狀：塌角：也稱為圓角帶。是沖裁過程中由于纖維的彎曲與拉伸形成的，軟材料比硬材料的圓角大。光亮帶：也稱為剪切面，是塑性變形時，在毛坯一部分相對于另一部分移動過程中，凸、凹模側壓力F將毛坯壓平而形成的光亮垂直的短面，通常占1/2-1/3斷裂帶：也稱為撕裂帶，是由刃口處的微裂紋在拉應力作用下不斷擴展而形成的撕裂面，使沖裁體斷面粗糙不光滑且有斜度。毛刺：間隙存在，裂紋產生不在刃尖，毛刺不可避免。此外，間隙不正常、刃口不鋒利，還會加大毛刺。D2.2凸模與凹模之間的間隙一、沖裁件質量及其影響因素沖裁件質量：垂直、光潔、毛刺小等圖紙規定的公差范圍內外形滿足圖紙要求；表面平直，即穹彎小指斷面狀況、尺寸精度和形狀誤差。影響因素：1.沖裁件斷面質量影響因素：(１)材料性能的影響(２)模具間隙的影響：間隙小，出現二次剪裂，產生第二光亮帶；間隙大，出現二次拉裂，產生二個斜度(３)模具刃口狀態的影響：當凸模刃口磨鈍時，則會在落料件上端產生毛刺；當凹模刃口磨鈍時，則會在沖孔件的孔口下端產生毛刺；當凸、凹模刃口同時磨鈍時，則沖裁件上、下端都會產生毛刺。2.沖裁件尺寸精度及其影響因素沖裁件的尺寸精度：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模或凹模尺寸的偏差；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（3）沖裁間隙

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生翹曲。扭曲：沖裁件呈扭歪現象。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，因脹形而產生的。可以看出：間隙是影響沖裁件質量的主要因素。二、沖裁模間隙1、間隙對沖裁的影響沖裁間隙Z：指沖裁模中凹模刃口橫向尺寸DA與凸模刃口橫向尺寸dT的差值。

（1）間隙對沖裁件質量的影響：間隙是影響沖裁件質量的主要因素。間隙對沖裁件斷面質量的影響間隙對尺寸精度的影響（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：模具壽命分為刃磨壽命和模具總壽命。模具失效的原因一般有：磨損、變形、崩刃、折斷和漲裂。小間隙將使磨損增加，甚至使模具與材料之間產生粘結現象，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。

間隙對模具壽命的影響分析所以，為了延長模具壽命，在保證沖裁件質量的前提下適當采用較大的間隙值是十分必要的。2、沖裁模間隙值的確定在沖壓實際生產中，主要根據沖裁件斷面質量、尺寸精度和模具壽命這三個因素綜合考慮，給間隙規定一個范圍值。考慮到在生產過程中的磨損使間隙變大，故設計與制造新模具時應采用最小合理間隙Zmin（1）理論法確定法（2）經驗確定法較小間隙值（表2.3）較大間隙值（表2.4）總結作業：查讀文章《精沖工藝的大變形彈塑性有限元分析》趙震上海交通大學模具MAD國家工程研究中心,上海200030天氣冷了多穿衣服！靜水壓應力（球壓張量）？？？？球壓張量間隙對剪切裂紋與斷面質量的影響ａ）間隙過小ｂ）間隙合理ｃ）間隙過大

凸、凹模刃口磨鈍時毛刺的形成情況a)凹模磨鈍b)凸模磨鈍c)凸、凹模均磨鈍當凸模刃口磨鈍時，則會在落料件上端產生毛刺；當凹模刃口磨鈍時，則會在沖孔件的孔口下端產生毛刺；當凸、凹模刃口同時磨鈍時，則沖裁件上、下端都會產生毛刺凹模刃口銳鈍與毛刺的關系刃口銳剪切刃口鈍撕裂間隙對沖裁件斷面質量的影響裂紋首先產生在凹模刃口附近的側面凸模刃口附近的側面上、下裂紋沿最大剪應力方向擴展相遇裂紋重合材料分離沖裁時材料斷裂過程

上下裂紋是否重合與凸凹模間隙值的大小有關，間隙在一定合理范圍內，由凸、凹模刃口沿最大剪應力方向產生的裂紋將互相重合，此時沖出的制件端面雖有一定的斜度，但比較平直、光亮，毛刺很小，且沖裁力小。(間隙過小)(間隙合適)(間隙過大)

當間隙過小時，材料在凸、凹模刃口附近產生的裂紋不重合。由凹模刃口附近產生的裂紋進入凸模下面的壓應力區而停止發展，由凸模刃口附近產生的裂紋進入凹模上面的壓應力區而停止發展。此時，在兩條裂紋相距最近的地方發生第二次拉裂。使得斷面中部留下撕裂面。上裂紋表面壓壓入凹模時，受到凹模壁的擠壓，產生上面的光亮帶，下裂紋表面受到凸模壁的擠壓，產生下面的光亮帶。特點：中間有撕裂面，兩頭呈光亮帶，在斷面出現擠長的毛刺。

當間隙過大時，材料在凸、凹模刃口附近產生的裂紋也不重合。也將產生二次拉裂。二次拉裂產生的斷裂層的斜度增大，沖裁面出現第二個斜度，致使圓角與斷裂斜度都增大，光亮帶減小，毛刺大而厚，難以去除。Z=14%~24%t間隙對尺寸精度的影響沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實際尺寸與公稱尺寸的差值。間隙與落料件尺寸偏差的關系。間隙與沖孔件尺寸偏差的關系。

間隙大小可以使落料件小于或大于凹模尺寸。原因是由于沖裁時隨著間隙的不同，板料變形區的應力狀態產生不同的變化，因而其回彈情況也不同。

間隙小時，沖孔件尺寸小于凸模尺寸。間隙大時，沖孔件尺寸大于凸模尺寸間隙對模具壽命的影響

沖裁模具的壽命是以沖出合格制品的沖裁次數來衡量的，可再分為兩次刃磨間的壽命與全磨損后總的壽命。

在沖裁過程中，模具刃口處所受的壓力非常大．使模具刃口和板材的接觸面之間出現局部附著現象，產生附著磨損，其磨損量與接觸壓力．相對滑動距離成正比，與材料屈服強度成反比。附著磨損被認為是模具磨損的主要形式。

當間隙過小時，接觸壓力(垂直力、側壓力、摩擦力)會增大，摩擦距離增長，摩擦發熱嚴重，導致模具磨損加劇，使模具與材料之間產生粘結現象．還會引起刃口的壓縮疲勞破壞，使之崩刃。

間隙過大時．板料彎曲拉