冲压工艺与模具设计 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) (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，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，完成整个冲裁过程。

44 冲压工艺与模具设计

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—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：

第2章 冲裁 45 图2.4 冲裁时作用于板料上的力

1—凹模；2—板料；3—凸模

图2.5 冲裁应力状态图

A点(凸模侧面)——?1为板料弯曲与凸模侧压力引起的径向压应力，切向应力?2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，?3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)——?1为板料受拉伸而产生的拉应力，?3为板料受挤压而产生的压应力。

D点(凹模端面)——?1，?2分别为板料弯曲引起的径向拉应力和切向拉应力，?3为凹模挤压板料产生的轴向压应力。

E点(凹模侧面)——?1，?2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；?3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，由于刃口正面材料被压缩，刃尖部分为高静水压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而会在刃口侧面距刃尖不远的地方产生，裂纹的产生点和刃尖的距离成为毛刺的高度。刃尖磨损，刃尖部分高静水压应力区域范围变大，裂纹产生点和刃尖的距离也变大，毛刺高度必然增大，所以普通冲裁产生毛刺是不可避免的。如图2.7所示。

图2.6 冲裁件的断面状况

1—毛刺；2—断裂带；3—光亮带；4—塌角带

图2.7 刃口磨损对裂纹产生点的影响

综上所述，冲裁件的断面不是很整齐的，仅光亮带一段是柱体。若忽略弹性变形的影响，则孔的光亮带柱体尺寸约等于凸模尺寸，而落料件光亮带的柱体尺寸约等于凹模尺寸，由此可得出以下重要的关系式：

落料尺寸 = 凹模尺寸 冲孔尺寸 = 凸模尺寸

这是计算凸、凹模刃口尺寸的重要依据。

2.2 冲裁件的质量分析及控制

衡量冲裁件的质量主要有4个方面——尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度。

46 冲压工艺与模具设计 2.2.1 尺寸精度

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、模具结构、冲裁间隙和冲裁件形状等。

1. 冲模的制造精度

可以说，冲裁件的尺寸精度直接由冲模的制造精度所决定。冲模精度愈高冲裁件尺寸精度愈高。一般情况下，冲裁件所能达到的精度比冲模精度低1~3级。模具制造精度与冲裁件精度的关系见表2.1。

表2.1 冲裁件的精度

冲模制造精度 IT6～IT7 IT7～IT8 IT9 板料厚度t/mm 0.5 IT8 — — 0.8 IT8 IT9 — 1.0 IT9 IT10 — 1.5 IT10 IT10 IT12 2 IT10 IT12 IT12 — IT12 IT12 3 — IT12 IT12 4 — — IT12 5 — — IT14 6 — — IT14 8

第2章 冲裁 47 2. 材料性质及模具结构

由于冲裁过程中材料会产生一定的弹性变形，因此冲裁件会产生“回弹”现象。使冲孔件与凸模、落料件与凹模尺寸不符，从而影响其精度。一般地讲，比较软的材料，弹性变形量小，冲裁后的“回弹”值也小，因而制件精度较高。反之，硬的材料，情况与此正好相反。

同种材料，在模具结构上增设压料板及顶件器，如图2.8所示，冲裁后的“回弹”值也会减小，制件精度相应提高。

图2.8 弯拱及预防措施

1—压料板；2—顶件器

3. 冲裁间隙

冲裁间隙对冲裁件的尺寸精度也有一定影响。在冲裁过程中，当间隙适当时，板料的变形区在比较纯的剪切作用下分离；当间隙过大时，板料除受剪切外，还产生较大的拉伸与弯曲变形；当间隙过小时，除剪切外板料还会受到较大的挤压作用。因此，间隙合理时，冲孔件最接近凸模尺寸，落料件最接近凹模尺寸；间隙偏大，冲孔件尺寸会大于凸模尺寸，落料件尺寸会小于凹模尺寸；间隙过小，冲孔件尺寸会小于凸模尺寸，落料件尺寸会大于凹模尺寸。如图2.9、2.10所示，冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响还和板料的轧制方向有关。

图2.9 冲裁间隙对冲孔尺寸精度的影响

1—轧制方向；2—垂直轧制方向

1—轧制方向；2—垂直轧制方向

图2.10 冲裁间隙对落料尺寸精度的影响

4. 冲裁件的形状

冲裁件的形状愈简单，其冲裁精度愈高。这主要是因为对形状简单的冲裁件，其冲模的加工精度愈容易保证。

总之，提高冲裁件尺寸精度的最直接措施就是提高冲模的制造精度。当然，合理的模具结构也是保证冲模制造精度和直接提高冲裁件尺寸精度的主要措施之一。

48 冲压工艺与模具设计 2.2.2 形状误差

由2.2.1中对冲裁变形区及受力分析得知，材料在冲裁过程中会受到弯曲力偶的作用，因此冲裁件会出现弯拱现象，如图2.8(a)所示。

加工硬化指数大的材料，弯拱较大。凹模间隙愈大，弯拱也愈大。

预防和减少弯拱的措施是：对于冲孔件在模具结构上增设压料板；对于落料件，则在凹模孔中加顶件板；如图2.8(b)、(c)所示。

2.2.3 断面质量

在2.1.3节中已阐明，同种材料，对断面质量起决定作用的是冲裁间隙。这是因为当间隙过大时(如图2.11(a)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向里移动一个距离，板料受拉伸弯曲的作用加大，光亮带高度缩短，断裂带高度增加，斜度也加大；当间隙过小(如图2.11(b)所示)，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹向外移动一个距离，上下裂纹不重合，产生第二次剪切，从而在剪切面上形成第二光亮带，在光亮带与第二光亮带之间夹有残留的断裂带；当间隙适中时(如图2.11(c)所示)，凸模与凹模产生的裂纹接近重合，所得冲裁件断面有一较小的塌角带和正常且与板面垂直的光亮带，其断裂带虽然也粗糙但比较平坦，斜度也不大。

当然希望得到塌角带、断裂带小，光亮带长的冲裁断面，但结合控制毛刺和延长冲模寿命等因素综合考虑，图2.11(c)所示的断面质量才是正常合理的。

图2.11 间隙大小对制件断面质量的影响

1—凸模；2—凹模

提高断面质量的主要措施是将模具凹、凸模之间的间隙控制在合理范围内，并使间隙均匀分布。同时，对硬质材料，冲裁加工前要进行退火处理，以提高材料的塑性。还可以通过增加整修工序(参见2.8.2节)来提高断面质量。

2.2.4 毛刺高度

毛刺的形成原因在2.1.3中已作分析，由分析可知，冲裁件产生微小毛刺是不可避免的。正常冲裁件允许的毛刺高度见表2.2。

表2.2 毛刺的允许高度 mm

板料厚度t ≤0.3 ＞0.3~0.5 ＞0.5~1.0 ＞1.0~1.5 ＞1.5~2.0

≤0.04 ≤0.05 ≤0.08 ≤0.12 ≤0.15 生产时 ≤0.015 ≤0.02 ≤0.03 ≤0.05 ≤0.08 试模时 第2章 冲裁 ＞2.0 ≤0.15 ≤0.10 49 一般情况下，毛刺高度超过表2.2生产时的规定，即被认为是出现了不正常毛刺。不正常毛刺可分为两类——间隙毛刺和刃口磨损毛刺。

(1) 间隙毛刺

间隙过大与间隙过小都会使冲裁裂纹发生点偏离刃尖的距离加大(参见图2.7)，从而出现不正常毛刺。间隙过大形成的不正常毛刺称为拉断毛刺，其特征是高而厚，难以去除，出现这种情况应及时停止生产。间隙过小形成的不正常毛刺称为挤出毛刺，其特征是高而薄，这种毛刺较易去除，如有后续去毛刺工序仍可继续生产。

(2) 刃口磨损毛刺

冲模在冲裁一定次数后，凸、凹模刃口刃尖会磨损。刃尖磨损是产生毛刺的主要原因。凸模刃尖磨损后(如图2.12(a)所示)，会在落料件上端产生毛刺；凹模刃尖磨损后(如图2.12(b)所示)，会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；当凸模和凹模刃口同时磨损后，则冲裁件上下端分别产生毛刺。刃口磨损产生的毛刺根部很厚，并且随着磨损量的增大，毛刺会不断地增高，因此出现这种情况，应及时停止生产。

图2.12 凸模和凹模刃口磨损时的毛刺

1—毛刺；2—凸模磨损；3—凹模磨损

控制刃口磨损毛刺高度的主要措施是：及时刃磨模具的凹、凸模刃口；提高模具工作零件和导向零件的制作质量，以保证模具在使用中，凹、凸模之间的间隙不发生变化；增加后续去毛刺工序，如滚动光饰、离心光饰等工序；对于薄而软的冲压件，可采用振动光饰来降低毛刺的高度。

2.3 冲 裁 力

冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必需的数据。

50 冲压工艺与模具设计 2.3.1 冲裁力的计算

冲压过程中，冲裁力是不断变化的，图2.13为冲裁力-凸模行程曲线。曲线1中AB段相当于弹性变形阶段，凸模接触材料后，载荷急剧上升，一旦凸模刃口挤入材料，即进入了塑性变形阶段，此时载荷上升就缓慢下来，如BC段所示。虽然，由于凸模挤入材料，使承受冲裁力的面积减少，但只要材料加工硬化的影响超过了受剪面积减少的影响，冲裁力就继续上升，当两者影响相等的瞬间，冲裁力达到最大值，即图中C点。此后，凸模再向下压，材料内部产生裂纹，并迅速扩展，冲裁力急剧下降，如图中CD段，此阶段为冲裁的断裂阶段。到达D点后，上下裂纹重合，板料已经分离，DE段所示压力，仅是克服摩擦阻力，推出已分离的废料或制件。

图2.13 冲裁力-凸模行程曲线

1—间隙正常的塑性材料；2—间隙偏小的塑性材料；3—间隙偏大的塑性材料；4—间隙正常的脆性材料

以上讨论的冲裁力-凸模行程曲线，是指塑性材料，且凸凹间隙适中的情况。对于间隙偏小、偏大的情况及脆性材料，冲裁力-凸模行程曲线会有一些改变，如图中曲线2、3、4所示。

由于冲裁加工的复杂性和变形过程的瞬间性，使得建立十分精确的冲裁力理论计算公式相对困难。通常所说的冲裁力是指作用于凸模上的最大抗力，即图2.13中的C点所对应的力。如果视冲裁为纯剪切变形，冲裁力可按下式计算：

P=1.3Lt? (2-1)

式中：P——冲裁力；

L——冲裁件受剪切周边长度(mm)； t——冲裁件的料厚(mm)；

?——材料抗剪强度(MPa)，?值可在设计资料及有关手册中查到。 在一般情况下，材料?1≈1.3?。为计算方便冲裁力也可用下式计算：

P=Lt?1 (2-2)

2.3.2 降低冲裁力的措施

冲裁力计算出来以后，如果其数值大于能提供使用的设备吨位时，可采取以下3种方法来降低冲裁力。 (1) 加热冲裁

把材料加热后冲裁，可以大大降低其抗剪强度，从而降低冲裁力。但加热冲裁操作复杂，降低了制件表面质量，且准备工作困难，故应用并不广泛。

(2) 斜刃冲裁

如图2.14所示，将凸模或凹模刃口做成斜刃口，整个刃口不是与冲裁件同时接触，而是逐步切入，所以冲裁力可以减小。为了获得平整的冲裁件，落料时应将斜刃做在凹模上，如图2.14(a)所示；冲孔时应将斜刃做在凸模上，如图2.14(b)所示。

斜刃冲裁的减力程度，由斜刃高度H和角度f决定。斜刃冲裁力按下式计算：

第2章 冲裁 51 Ps=kP (2-3)

式中：Ps——斜刃冲裁力；

P——平端刃口冲裁力；

k——斜刃冲裁减力系数，当H=t时，k=0.4~0.6；H=2t时，k=0.2~0.4；H=3t

k=0.1~0.25。

角度f的设计可按如下经验数据选取：t＜3mm、H=2t时，f＜5°；t=(3~10)mm、H=t时，f＜8°；一般情况下f不大于12°。

斜刃冲裁的优点是压力机能在柔和的条件下工作，从而减轻冲裁过程中的冲击、振动和噪音。当冲裁件尺寸很大时，降低冲裁力的效果很明显。缺点是模具制造难度提高，刃口修磨困难，废料弯曲会影响冲裁件的平整，废料也难以再利用。

(3) 阶梯冲裁

在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同高度，呈阶梯状布置，使各凸模冲裁力的最大值不在同一个时刻出现，从而降低冲裁力，如图2.14(c)所示。

图2.14 降低冲裁力的设计

各凸模高度的相差量与板料厚度有关。对于薄料H=t，对于厚料(t＞3mm)H=0.5t。

采用阶梯布置凸模的设计时应注意：一般先冲大孔再冲小孔，这样可以使小直径凸模做得短一些，同时也可以避免小直径凸模承受材料流动挤压力作用而产生倾斜或折断。

阶梯凸模冲裁的缺点是长凸模插入凹模较深，容易磨损。此外修磨刃口也比较麻烦。

2.3.3 卸料力、推件力和顶件力

冲裁时材料在分离前存在着弹性变形，一般情况下，冲裁后的弹性恢复使落料件/冲孔废料梗塞在凹模内，而板料/冲孔件则紧箍在凸模上。为了使冲裁工作继续进行，必须及时将箍在凸模上的板料/冲孔件卸下，将梗塞在凹模内的落料件/冲孔废料向下推出或向上顶出。

从凸模上卸下板料/冲孔件所需的力称为卸料力P卸；从凹模内向下推出落料件/废料所需的力称为推件力P推；从凸模内向上顶出落料件/冲孔废料所需的力称为顶件力P顶(如图2.15所示)。

在生产实践中，P卸、P推和P顶常用以下经验公式 计算：

P卸= K卸·P (2-4) P推= nK推·P (2-5)

P顶= K顶·P (2-6)

图2.15 卸件力、推件力和顶件力 式中：P——冲裁力；

K卸——卸料力系数；

K推——推件力系数； K顶——顶件力系数；

n——梗塞在凹模内的冲件数(n=h/t)； h——凹模直壁洞口的高度。

K卸、K推和K顶可分别由表2.3查取。当冲裁件形状复杂、冲裁间隙较小、润滑较差、材料强度高时，应取较大值；反之则应取较小值。

52 冲压工艺与模具设计 表2.3 卸料力、推件力和顶件力系数

板料厚度t/mm ≤0.1 ＞0.1~0.5 K卸 0.06~0.09 0.04~0.07 0.025~0.06 0.02~0.05 0.015~0.04 0.03~0.08 0.02~0.06 0.10 0.065 0.05 0.045 0.025 0.03~0.07 0.03~0.09 K推 0.14 0.08 0.06 0.05 0.03 0.03~0.07 0.03~0.09 K顶 钢 ＞0.5~2.5 ＞2.5~6.5 ＞6.5 铝、铝合金 纯铜、黄铜 2.3.4 总冲压力

冲裁时，所需总冲压力为冲裁力、卸料力、推件力和顶件力之和。这些力在选择压力机时是否要考虑进去，应根据不同的模具结构区别对待。

采用刚性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：

P总=P+P推 (2-7)

采用弹性卸料装置和下出料方式的总冲压力为：

P总=P+P卸+P推 (2-8)

采用弹性卸料装置和上出料方式的总冲压力为：

P总=P+P卸+P顶 (2-9)

第2章 冲裁 53 2.4 冲 裁 间 隙

冲裁间隙是指冲裁模的凸模和凹模之间的双面间隙，如图2.16所示。

图2.16 冲裁间隙

2.2节中已分析了冲裁间隙对冲裁件尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺的影响，下面主要讨论冲裁间隙对模具寿命及冲裁力、推件力、卸料力的影响。

2.4.1 冲裁间隙对模具寿命的影响

冲裁模具的破坏形式主要有磨损、崩刃、折断、啃坏、凹模胀裂等。

冲模的寿命是以冲出合格制品的数量来衡量的。2.2.4节中已阐明冲模在冲裁一定次数后因为凸、凹模刃口刃尖磨损而使毛刺增大，因此必须对凸、凹模刃口及时进行刃磨才能继续正常使用，冲裁模凹模刃口有效直线部分h是有限的(图2.15)，所以冲裁模两次刃磨之间生产的合格品的数量，直接决定模具的总寿命。

图2.17所示的是在合理的冲裁间隙下，合金工具钢制造的凸、凹模在冲裁一定次数后的磨损形式。 当冲裁间隙过小时，冲裁过程中挤压作用加剧，垂直力P1，P2和摩擦力μP1，μP2增大(参见图2.4)，刃口所受压应力增大，造成刃口端面磨损和变形加剧，同时侧压力P3，P4及所产生的摩擦力μP3，μP4也同时增大，使刃口侧面磨损也增大，使得凸、凹模在冲裁较少次数下即出现较大的磨损量，为保证冲裁件毛刺正常，必然增加刃磨次数，从而降低了模具的总使用寿命。过小的冲裁间隙还是引起凹模涨裂、啃坏等异常破坏的重要原因之一，这类异常破坏对模具寿命的影响更大。

当冲裁间隙过大时，板料的弯曲拉伸相应增大，垂直力P1，P2及力偶M也会相应增大，因此同样会加剧凸、凹模端面磨损，且易引起模具崩刃，从而影响模具寿命。

综上所述，合理范围内的冲裁间隙是保证模具寿命最主要的工艺参数。当然影响模具寿命的其他因素还有很多，如模具材料、模具制造精度、模具刃口的粗糙度、制件材料的力学性能、制件结构工艺性等。

54 冲压工艺与模具设计

图2.17 凸、凹模的磨损形式

2.4.2 冲裁间隙对冲裁力及卸料力、推件力、顶件力的影响

如图2.18所示，当间隙减小时，凸模压入板料的情况接近挤压状态，板料所受拉应力减小，压应力增大，板料不易产生裂纹，因此最大冲裁力增大；当间隙增大时，板料所受拉应力增大，材料容易产生裂纹，因此冲裁力迅速减小；当间隙继续增大时，凸、凹模刃口产生的裂纹不相重合，会发生二次断裂，冲裁力下降变缓。

图2.18 间隙大小对冲裁力的影响

如图2.19所示，当间隙增大时，冲裁件光亮带变窄，落料尺寸小于凹模尺寸，冲孔尺寸大于凸模尺寸，因此卸料力、推件力或顶件力迅速减小；间隙继续增大时，制件产生较大拉断毛刺，卸料力、顶件力又会增大。

第2章 冲裁 55

图2.19 间隙大小对卸料力的影响

2.4.3 合理冲裁间隙的选用

设计模具时，选择一个合理的冲裁间隙，可获得冲裁件断面质量好、尺寸精度高、模具寿命长、冲裁力小的综合效果。生产实际中，一般是以观察冲裁件断面状况来判定冲裁间隙是否合理，即塌角带和断裂带小、光亮带能占整个断面的1/3左右，不出现二次光亮带、毛刺高度合理，得到这种断面状况的冲裁间隙就是在合理的范围内。

确定合理冲裁间隙主要有理论计算法、查表法、经验记忆法。

1. 理论计算法

理论计算法确定冲裁间隙的依据是：在合理间隙情况下，冲裁时板料在凸、凹模刃口处产生的裂纹成直线会合，从图2.20所示的几何关系，得出计算合理间隙的公式：

Z=2t(1－b/t)tan? (2-10)

图2.20 合理间隙的理论值

由上式可知，合理间隙取决于板料厚度t、相对切入深度b/t、裂纹方向角?三个因素。?是一个与板料的塑性或硬度有关的值，但其变化不大，所以影响合理间隙值大小主要取决于前两个因素。由2.1.3中分析已知，材料塑性愈好或硬度愈低，则光亮带所占的相对宽度b/t就愈大，反之，材料塑性愈差或硬度愈高，则b/t就愈小。

综上所述，板料愈厚，塑性愈差或硬度愈高，则合理冲裁间隙就愈大；板料愈薄，塑性愈好或硬度愈低，则合理冲裁间隙愈小。

迄今为止，理论计算法尚不能在实际工作中发挥实用价值，但对影响合理间隙值的各因素作定性分析还是很有意义的。

2. 查表法

在生产实际中，合理间隙值是通过查阅由实验方法所制定的表格来确定的。由于冲裁间隙对断面质量、

56 冲压工艺与模具设计 制件尺寸精度、模具寿命、冲裁力等的影响规律并非一致，所以并不存在一个能同时满足断面质量、模具寿命、尺寸精度及冲裁力的要求的绝对合理的间隙值。因此各行业甚至各工厂所认为的合理间隙值并不一致。一般讲，取较小的间隙有利于提高冲裁件的断面质量和尺寸精度，而取较大的间隙值则有利于提高模具寿命、降低冲裁力。表2.4列出了汽车拖拉机行业常用的较大初始间隙表；表2.5列出了电器仪表行业所用的较小初始间隙数值。

表2.4 冲裁模初始双面间隙值Z(汽车拖拉机行业用) mm 08、10、35 板料厚度t Zmin ＜0.5 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.5 1.75 2.0 2.1 2.5 2.75 3.0 3.5 4.0 4.5 5.5 6.0 6.5 8.0 0.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.126 0.132 0.220 0.246 0.260 0.360 0.400 0.460 0.540 0.640 0.720 0.940 1.080 0.060 0.072 0.092 0.104 0.120 0.140 0.180 0.240 0.320 0.360 0.380 0.500 0.560 0.640 0.740 0.880 1.000 1.280 1.440 0.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.680 0.780 0.840 0.940 1.200 09Mn、Q235 Zmax Zmin 16Mn Zmax 0.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.240 0.320 0.380 0.400 0.540 0.600 0.660 0.780 0.920 0.960 1.100 1.200 1.300 1.680 Zmin 极 小 间 隙 0.040 0.048 0.064 0.072 0.090 0.100 0.132 0.170 0.220 0.260 0.280 0.380 0.420 0.480 0.580 0.680 0.780 0.980 1.140 0.060 0.072 0.092 0.104 0.126 0.140 0.180 0.230 0.320 0.380 0.400 0.540 0.600 0.660 0.780 0.920 1.040 1.320 1.500 0.040 0.048 0.064 0.064 0.090 0.090 0.060 0.072 0.092 0.092 0.126 0.126 40、50 Zmax Zmin 65Mn Zmax 注：1. 冲裁皮革、石棉和纸板时，间隙取08钢的25%。

2. Zmin相当于公称间隙。

第2章 冲裁 表2.5 冲裁模初始双面间隙值Z(电器仪表行业用) mm

45 材料名称 T7、T8(退火) 65Mn(退火) 磷青铜(硬) 铍青铜(硬) 力学 性能 HBS ≥190 ≥600MPa Zmin 0.04 0.08 0.12 0.17 0.21 0.27 0.34 0.38 0.49 0.62 0.73 0.86 1.00 1.13 1.40 2.00 Zmax 0.06 0.10 0.16 0.20 0.24 0.31 0.38 0.42 0.55 0.65 0.81 0.94 1.08 1.23 1.50 2.12 10、15、20、30钢 硅钢 H62、H65(硬) LY12 140~190 400MPa ~600MPa Zmin 0.03 0.06 0.10 0.13 0.16 0.21 0.27 0.30 0.39 0.49 0.58 0.68 0.78 0.90 1.00 1.60 Zmax 0.05 0.08 0.13 0.16 0.19 0.25 0.31 0.34 0.45 0.55 0.66 0.76 0.86 1.00 1.20 1.72 Q215、Q235钢 08、10、15钢 纯铜(硬) 磷青铜、铍青铜 H62、H68 70~140 300MPa ~400MPa Zmin 0.02 0.04 0.07 0.10 0.13 0.15 0.20 0.22 0.29 0.36 0.43 0.50 0.58 0.65 0.82 1.17 Zmax 0.04 0.06 0.10 0.13 0.16 0.19 0.24 0.26 0.35 0.42 0.51 0.58 0.66 0.75 0.92 1.29 始 用 间 隙 Z Zmin 0.01 0.025 0.045 0.065 0.075 0.10 0.13 0.14 0.18 0.23 0.27 0.32 0.36 0.42 0.53 0.76 Zmax 0.03 0.045 0.075 0.095 0.105 0.14 0.17 0.18 0.24 0.29 0.35 0.40 0.45 0.52 0.63 0.88 H62、H68(软) 纯铜(软) L21~LF2防锈铝 硬铝LY12(退火) 铜母线、铝母线 ≤70 ≤300MPa 57 ?b 板料厚度t 0.3 0.5 0.8 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0 注：1. Zmin应视为公称间隙。

2. 一般情况下，其Zmax可适当放大。

表中所列Zmin和Zmax只是指新制造模具初始间隙的变动范围，并非磨损极限。从表中可以发现，当板料厚度t很薄时，Zmax－Zmin的值很小，以至于现有的模具加工设备难以达到，因此很薄的板料的冲裁工艺性是很差的，对模具的制造精度要求也是很高的。当然，实践中可以在模具结构和模具加工工艺上采取一些特殊措施来满足无(小)间隙冲裁的要求。

3. 经验记忆法

这是一种比较实用的、易于记忆的确定合理冲裁间隙的方法。其值用下式表达：

Z=mt (2-11)

式中：Z——合理冲裁间隙；

t——板料厚度；

m——记忆系数，参考数据如下：

软态有色金属 m=4%~8%； 硬态有色金属、低碳钢、纯铁 m=6%~10%； 中碳钢、不锈钢、可伐合金 m=7%~14%； 高碳钢、弹簧钢 m=12%~24%； 硅钢 m=5%~10%； 非金属(皮革、石棉、胶布板、纸板等) m=1%~4%。

应当指出，上述记忆系数m值是基于常用普通板料冲裁而归纳总结出来的。各行业各企业对此的选取值是不相同的。在使用过程中还应考虑以下因素：

(1) 对于制件断面质量要求高的其值可取小些；

(2) 计算冲孔间隙时比计算落料间隙时其值可取大些； (3) 为减小冲裁力其值可取大些；

58 冲压工艺与模具设计 (4) 为减少模具磨损其值可取大些；

(5) 计算异形件间隙时比计算圆形件间隙时其值可取大些； (6) 冲裁厚板(t＞8mm)时其值可取小些。

2.5 冲裁模工作部分尺寸的计算

冲裁模凸模和凹模工作部分的尺寸直接决定冲裁件的尺寸和凸—凹模间隙的大小，是冲裁模上的最重要尺寸。

2.5.1 计算的原则

2.1.3节中已阐明，若忽略冲裁件的弹性回复，冲孔件的尺寸等于凸模实际尺寸，落料件的尺寸等于凹模实际尺寸。冲裁过程中凸、凹模与冲裁件和废料发生摩擦，凸模和凹模会向入体方向磨损变大(小)，如图2.21所示。因此确定凸、凹模工作部分尺寸，应遵循下述原则：

图2.21 凸模和凹模工作部分尺寸的确定

(1) 落料模应先确定凹模尺寸，其基本尺寸应按入体方向接近或等于相应的落料件极限尺寸，此时的凸模基本尺寸按凹模相应尺寸沿入体方向减(加)一个最小合理间隙值Zmin。

(2) 冲孔模应先确定凸模尺寸，其基本尺寸应按入体反方向接近或等于相应的冲孔件极限尺寸，此时的凹模基本尺寸比凸模按入体方向加(减)一个最小合理间隙值Zmin。

(3) 凸模和凹模的制造公差应与冲裁件的尺寸精度相适应，一般比制件的精度高2~3级，且必须按入体方向标注单向公差。

2.5.2 计算方法

冲裁模工作部分尺寸的计算方法与模具的加工方法有关，常用的模具加工方法有凸模和凹模分别加工的分别加工法、凸模和凹模配合加工的单配加工法，单配加工法还需要考虑相应的基准件和配合件的尺寸换算。

1. 分别加工法

分别加工法分别规定了凸模和凹模的尺寸及公差，使之可分别进行加工制造，所以凸模和凹模的尺寸及制造公差都对间隙有影响，如图2.22所示，依据2.5.1节所述原则可得出下列计算公式：

第2章 冲裁 ?凸/2 59 Zmax /2 Zmin/2 ?凹/2

图2.22 凸模和凹模分别加工时间隙变动范围

|?凸|+|?凹|≤Zmax－Zmin (2-12)

落料

D凹=(Dmax－XΔ)D凸=(D凹－Zmin)+?凹0 (2-13) (2-14)

-?凸0冲孔

d凸=(dmin＋XΔ)-?凸0

(2-15)

凹+?d凹=(d凸D凸＋Zmin)0

(2-16)

中心距

L凹=L中±Δ/8 (2-17)

式(2-12)~(2-17)中：D凹，D凸——分别为落料凹模和凸模的基本尺寸；

d凸，d凹——分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸；

Dmax——落料件最大极限尺寸； dmin——冲孔件最小极限尺寸； Δ——冲裁件的公差；

X——磨损系数，查表2.6或直接按1选取；

?凹，?凸——分别为凹模和凸模的制造公差，可按冲裁件公差的1/4~1/5选取，也可查表2.7；

L凹——凹模中心距的基本尺寸； L中——冲裁件中心距的中间尺寸。

表2.6 磨损系数X

板料厚度t/mm ＜1 1~2 2~4 ＞4 磨损系数 ≤0.16 ≤0.20 ≤0.24 ≤0.30 1.0 0.17~0.35 0.21~0.41 0.25~0.49 0.31~0.59 非圆形X值 0.75 0.5 0.75 制件公差Δ/mm ≥0.36 ≥0.42 ≥0.50 ≥0.60 ＜0.16 ＜0.20 ＜0.24 ＜0.30 ≥0.16 ≥0.20 ≥0.24 ≥0.30 圆形X值 0.5 表2.7 规则形状冲裁模凸、凹模制造公差 mm

基本尺寸 ≤18 ＞18~30 ＞30~80

?凸 －0.020 －0.020 －0.020 ?凹 +0.020 +0.025 +0.030 基本尺寸 ＞180~260 ＞260~360 ＞360~500 ?凸 －0.030 －0.035 －0.040 ?凹 +0.045 +0.050 +0.060 60 ＞80~120 ＞120~180 －0.025 －0.030 冲压工艺与模具设计 +0.035 +0.040 ＞500 －0.050 +0.070 2. 单配加工法

单配加工法是用凸模和凹模相互单配的方法来保证合理间隙的一种方法。此方法只需计算基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)基本尺寸及公差，另一件不需标注尺寸，仅注明“相应尺寸按凸模(或凹模)配作，保证双面间隙在Zmin~Zmax之间”即可。与分别加工法相比较，单配加工法基准件的制造公差不再受间隙大小的限制，同时配合件的制造公差≤Zmax－Zmin，就可保证获得合理间隙，所以模具制造更容易。

在制件上，会同时存在三类不同性质的尺寸，需要区别对待(图2.23)。

图2.23 冲裁件的尺寸分类

第2章 冲裁 61 第一类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后增大的尺寸。 第二类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后减小的尺寸。 第三类：凸模(冲孔件)或凹模(落料件)磨损后基本不变的尺寸。

图2.23(a)落料件中，a，b，f，R凹尺寸随凹模磨损增大；c，R凸尺寸随凹模磨损减小；d，e，α，β，γ尺寸不受凹模磨损影响。

图2.23(b)冲孔件中，a，b，f，R凹尺寸随凸模磨损减小；c，R凸尺寸随凸模磨损增大；d，e，α，β，γ尺寸不受凸模磨损影响。

下面分别讨论这3类尺寸的不同计算方法。 第一类尺寸相当于简单形状的落料凹模尺寸，所以它的基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)的计算公式为：

/4第一类基准件尺寸=(冲裁件上该尺寸的最大极限－XΔ)+Δ0 (2-18) 第二类尺寸相当于简单形状的冲孔凸模尺寸，所以它的基准件(冲孔时为凸模，落料时为凹模)的计算公

式为：

0第二类基准件尺寸=(冲裁件上该尺寸的最小极限＋XΔ)-Δ/4 (2-19) 第三类尺寸不受磨损的影响，基准件与配合件的基本尺寸取冲裁件上该尺寸的中间值，其公差取正负

对称分布。

第三类基准件尺寸=冲裁件上该尺寸的中间值±Δ/8 (2-20)

用单配加工法加工的凸模和凹模必须对号入座，不能互换，但由于电火花线切割加工已成为冲裁模加工的主要手段，该加工方法所具有的“间隙补偿功能”，使配合件基本不存在加工制造公差，而只有很小的电火花放电间隙，所以无论形状复杂与否，它都能很准确地保证模具的合理初始间隙，因此单配加工法适用于复杂形状、小间隙(薄料)冲裁件模具的工作部分尺寸计算。

3. 单配加工法基准件和配合件的尺寸换算

受模具结构、加工方法等因素的影响，在实际的模具制造过程中，不论落料、冲孔，都习惯于先做标注了尺寸及公差的凸模，然后按规定间隙配制凹模刃口。尤其是在加工级进模及采用电火花线切割加工凸模、凹模时，这种做法很普遍。

级进模的凹模上既有冲孔刃口，也有落料刃口，甚至还有压弯、拉深及各类成形型腔。按单配加工法，落料刃口是基准(件)，须标注尺寸及公差，而冲孔刃口是配合(件)，须按已加工好的凸模实际尺寸配以规定的双面间隙。这就造成在一张图纸上，有的刃口标注尺寸公差，有的不标注尺寸公差，显然是不合理的。尤其是采用电火花线切割加工中，必须做到要么全部刃口都标注尺寸及公差(将冲孔转换成落料)，要么全部刃口都不标注尺寸及公差(将落料转换成冲孔)。由于级进模凹模刃口与刃口之间存在要求比较高的位置精度要求，需要标注许多位置尺寸，所以一般的做法是把落料凹模尺寸转换到凸模上去，即只标注各凸模的尺寸及公差，不标注凹模刃口(无论是落料凹模刃口，还是冲孔凹模刃口)的尺寸及公差，凹模图纸上只标注刃口与刃口之间的位置尺寸、公差及形位要求，各凹模刃口均按相应凸模配合加工，保证双面间隙值。

下面讨论落料时，将凹模刃口尺寸(公差)换算成凸模尺寸(公差)的计算(即将基准件尺寸换算到配合件上的计算，如图2.24所示)。

62 冲压工艺与模具设计

图2.24 落料时将凹模尺寸换算到凸模上去的计算图

D凹max=D凸max＋Zmax D凸min=D凸min＋Zmin

两式相减得

D凹max－D凸min=(D凸max－D凸min)＋(Zmax－Zmin)

即

?凹=?凸＋(Zmax－Zmin) (2-21)

为了使落料件保持原有的精度，凹模的制造公差?凹仍应控制在制件公差Δ的1/4内，此时

?凸=Δ/4－(Zmax－Zmin) (2-22)

依据2.5.2节中的原则规定及图2.23得到计算后凸模的基本尺寸及公差分别为： 第一类情况

0D凸=(Dmax－XΔ－Zmin＋?凸)? (2-23)

凸但图2.23中尺寸b、f对应的凸模基本尺寸及公差应为：

0é?Zminb?Zg?D凸=êDmax-X?-?×tan＋min×tan?+?凸???êè2?222?-??0é???ZZb?Za?minmin?D凸=êDmax－X?Δ－＋×tan÷-X-?÷???+?凸?÷??ê?èè2222??-??

凸

凸第二类情况

D凸=(Dmin＋XΔ＋Zmin－?凸) 0 (2-24)

但图2.23中尺寸b，f对应的凸模基本尺寸及公差应为：

0é???ZZ?bZg?min?D凸=êDmax－+?凸?X?Δ＋×tan＋min×tan÷-X-?÷???－÷??ê?èè22222??-??0é???ZZb?aZ?min?D凸=êDmax－+?凸?-X-?X?Δ＋＋min×tan÷÷???－÷??ê?èè2222??-??+?凸

凸

凸显然，第三类尺寸无须计算。

值得说明的是，Zmax－Zmin值按表2.4和表2.5所查值比较大(尤其是板料厚度t比较小时)，但实际用线切割间隙补偿功能所得Zmax－Zmin值是很小的，一般开环数控为≤0.02mm，而闭环数控能达到≤0.01mm，这样按式(2-21)计算的?凸值不至于比?凹小太多，也不会使凸模制造精度过高。

2.5.3 应用实例

以下分别就分开加工法、单配加工法和单配加工法基准件和配合件的尺寸换算进行举例。

第2章 冲裁 63 例2.1 图2.25所示垫圈，材料为Q235钢，分别计算落料和冲孔的凸模和凹模工作部分尺寸。该制件由2副模具完成，第1副落料，第2副冲孔。

解：由表2.4查得

Zmin=0.46 mm Zmax=0.64mm Zmax－Zmin=0.64－0.46=0.18(mm)

(1) 落料模 由表2.7查得

?凹=+0.03mm ?凸=－0.02mm

因为 |?凹|＋|?凸|=0.05mm＜0.18mm

故能满足分别加工法的要求。

由表2.6查得X=0.5

?0.030.03D落凹=(Dmax－XΔ)+0.74)+=79.63+(mm) 0=(80－0.5× 0 0凹 0 0 0D落凸=(D凹－Zmin)-?=(79.63－0.46)-0.02=79.17-0.02(mm)

凸(2) 冲孔模 由表2.7查得

?凹=+0.025mm ?凸=－0.02mm

因为 |?凹|＋|?凸|=0.045mm＜0.18mm

故能满足分别加工法的要求。

由表2.6查得X=0.5

0-0d凸=(dmin＋XΔ)-0.62)- 0?=(30＋0.5×0.02=30.31-0.02(mm)

凸0.0250.025d凹=(d凸＋Zmin) 0=(30.31＋0.46)+=30.77+(mm) 0 0+?凹例2.2 图2.26所示开口垫片，材料为10钢，采用复合模冲裁，用单配加工法计算冲孔凸模、落料凹

模工作部分尺寸，并画出凸模、凹模及凸凹模工作部分简图。

-00.12解：令a=80--00.14，d=f6+，e=15--00.40，b=40-0.34，c=22± 00.2。

由表2.4查得Zmin=0.10mm，Zmax=0.14mm。

由表2.6查得：对于尺寸a，X=0.5；其他尺寸，X=0.75。 该制件D尺寸为冲孔，其余尺寸均为落料。 冲孔凸模，由于d尺寸随凸模磨损变小，故

0d凸=(Dmin＋XΔ)-0.12)-0?=(6＋0.75×1凸- 0.124=6.09--00.03(mm)

图2.25 垫圈

1+′0.44-0

图2.26 开口垫片

落料凹模，由于a、b尺寸随凹模磨损变大，c尺寸随凹模磨损变小，e尺寸不随凹模磨损变化。故

a凹=(amax－XΔ)b凹=(bmax－XΔ)+?凹 0+?凹 0=(80－0.5×0.4)

0.1=79.8-+0(mm) 0.085=39.75-+0(mm)

=(40－0.75×0.34)

1+ 0.344-0 0－c凹=(cmin+XΔ)-0.28)-0?=(220.14+0.75×1凸- 0.284=22.07--00.07(mm)

11e凹=e中间±Δ=(15－0.1)±×0.2=14.9±0.025(mm)

88

64 冲压工艺与模具设计 凸凹模外形各尺寸按落料凹模相应尺寸、圆孔尺寸按冲孔凸模相应尺寸配作，保证双面间隙在0.10~0.14mm。

凸模、凹模及凸凹模工作部分简图如图2.27所示。

图2.27 冲孔凸模、落料凹模和凸凹模工作部分简图

例2.3 图2.26所示开口垫片，采用级进模结构。某工厂习惯先做凸模，凹模根据凸模尺寸按间隙配作加工，计算凸模工作部分尺寸，并画出各凸模工作部分简图。

解：根据题意，要求将落料凹模尺寸换算到相应凸模上。

图2.28(a)为该级进模凹模简图，其中洞口1为冲孔刃口，不存在尺寸转换问题，洞口2为落料刃口，需要进行尺寸转换。

-0+0.12令a=80--00.14，e=15--0。 0.4，b=40-0.34，c=22±0.2，D=f6-0由表2.4查得Zmin=0.10mm，Zmax=0.14mm。

由表2.6查得：对于尺寸a，X=0.5；其他均为X=0.75。 该制件除尺寸D为冲孔尺寸，其余尺寸均为落料尺寸。 冲孔凸模(图2.28(c))，由于尺寸d随凸模磨损尺寸变小，故

0d凸=(dmin＋XΔ)-0.12)-0=6.09--0?=(6＋0.75×0.03(mm) 1凸- 0.124落料凸模(图2.28(b))，由于a，b尺寸随凹模磨损变大，c尺寸随凹模磨损变小，e尺寸不随凹模磨损变化，故a，b尺寸计算可按式(2-23)，c尺寸计算可按式(2-24)，e尺寸计算可按式(2-21)。考虑到采用线切割加工，Zmax－Zmin值取0.02mm。

按式(2-22)

1δa=×0.4－0.02=0.08(mm)

4按式(2-23)

-0a凸=(80－0.5×0.4－0.1＋0.08)--00.08=79.78-0.08(mm)

按式(2-22)

δb=

按式(2-23)

-0b凸=(40－0.75×0.34－0.1＋0.065)--00.065=39.71-0.065(mm)

1×0.34－0.02=0.065(mm) 4按式(2-22)

δc=

按式(2-24)

+0.05c凸=(22－0.14＋0.75×0.28＋0.1－0.05)-+0.050=22.12-0(mm)

1×0.28－0.02=0.05(mm) 4按式(2-24)

11e凸=e中间±Δ=(15－0.1)±×0.2=14.9±0.025(mm)

88凹模、各凸模工作部分简图见图2.28。

第2章 冲裁 65

(a) (b) (c)

图2.28 凹模、落料凸模和冲孔凸模工作部分尺寸简图

(a) 凹模(各洞口按冲孔凸模和落料凸模配作，保证双面间隙0.1mm)；(b) 落料凸模；(c) 冲孔凸模

1—冲孔洞口；2—落料洞口；3定距侧刃洞口

2.6 冲裁件的排样

冲裁件在条料上的布置方法称为排样。排样设计工作的主要内容包括选择排样方法、确定搭边数值、计算条料宽度及步距、画出排样图。

2.6.1 排样原则

如图2.29(a)所示的制件，使用板料规格为1420mm×710mm，可以有多种排样方法。 方案1(如图2.29(b)所示) 直排。剪裁42次，剪成33mm×710mm的条料43条，每条冲64件，共可冲2752件。

方案2(如图2.29(c)所示) 斜对排。剪裁46次，剪成30.5mm×710mm的条料46条，每条冲62件，共可冲2852件。冲裁时要用双落料凸模或翻转条料。

方案3(如图2.29(d)所示) 直对排。剪裁72次，剪成19.5mm×710mm的条料72条，每条冲44件，共可冲3168件。也要翻转条料或用双落料凸模。

方案4(如图2.29(e)所示) 另一种直对排。剪裁91次，剪成15.5mm×710mm的条料91条，每条冲35件，共可冲3185件。

方案5(如图2.29(f)所示) 在保证冲裁件使用性能的前提下，适当改变其形状后，仍采用直排，剪裁42次，剪成33mm×710mm的条料43条，每条冲85件，共可冲3655件。

图2.29 冲裁件的多种排样方法

从这个例子可以看出，排样工作对材料的利用率、冲压的操作方式，以及模具结构都有非常大的影响。

排样原则如下：

(1) 在冲压生产中，材料的费用约占制件成本的60%以上，贵重金属占80%以上。提高材料利用率具有重要的经济意义，为此，必须尽量减少废料面积。冲裁中的废料可分为结构废料和工艺废料两种，结构废料是由制件的形状尺寸而决定的，如图2.25所示垫圈冲裁，冲孔所产生的废料为结构废料。工艺废料则

66 冲压工艺与模具设计 是由冲裁排样方式所决定的，如条料上的料头、料尾及边缘部分均为工艺废料。要提高材料的利用率主要从减少工艺废料入手，设计出合理的排样方案，就这方面而言，上述方案4显然比其他方案更合理。

(2) 在考虑提高材料利用率的同时，应使模具结构简单、模具寿命高、操作方便安全。为此应尽可能减少条料的翻动，在材料利用率相近时，尽可能选择条料宽、进距小的排样方法。就这方面而言，上述方案1、方案5显然比其他方案更合理。

(3) 在不影响制件使用性能的前提下，可适当修改冲裁件尺寸和形状，以提高材料的利用率，同时使模具结构简单，操作方便安全，如方案5。

第2章 冲裁 67 2.6.2 排样方法

1. 有废料排样法

有废料排样(如图2.30(a)所示)是冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间都有工艺余料(称为搭边)存在，冲裁件分离轮廓封闭，冲裁件质量好、模具寿命长，但材料利用率较低。

图2.30 排样方法

2. 少、无废料排样法

少废料排样法(如图2.30(b)所示)是只有在冲裁件与冲裁件之间或冲裁件与条料之间留有搭边，这种排样方法的冲裁只沿着冲裁件的部分轮廓进行。材料的利用率可达70%~90%。

无废料排样法(如图2.30(c)所示)是冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料之间均无搭边存在，这种排样方法的冲裁件实际上是由直接切断获得，所以材料的利用率可达到85%~95%。

少、无废料排样法材料利用率很高，且模具结构简单，所需冲裁力小，但其应用范围有很大的局限性，既受到制件形状、结构限制，且由于条料宽度误差及送料误差均会影响制件尺寸而使尺寸精度下降，同时模具刃口是单面受力，所以磨损加快，断面质量下降，此外制件的外轮廓毛刺方向也不一致。所以选择少、无废料排样时必须全面权衡利弊。

无论采用何种排样法，根据冲裁件在条料上的不同布置，排样方法又有直排、斜排、对排、混合排、多排和裁搭边等多种形式。表2.8列出了有废料排样法的布排形式，表2.9列出了少、无废料排样法的布排形式。

表2.8 有废料排样形式

形 式 简 图 用 途 直排 几何形状简单的制件(如圆形、矩形等) 斜排 T形或其他复杂外形制件，这些制件直排时废料较多

68 冲压工艺与模具设计 续表

形 式 简 图 用 途 T、U、E形制件，这些制件直排或斜排时废料较多 材料及厚度均相同的不同制件，适于大批量生产 对排 混合排 多排 大批量生产中轮廓尺寸较小的制件 裁搭边 大批量生产中小而窄的制件 表2.9 无废料排样形式

形 式 简 图 用 途 直排 矩形制件 斜排 T形、Γ形或其他形状制件，在外形上允许有不大的缺陷 对排 梯形、三角形、T形制件 混合排 两外形互相嵌入的制件(铰链或U形和E形等) 多排 大批量生产中尺寸较小的矩形、方形及六角形制件

第2章 冲裁 续表

形 式 简 图 用 途 69 裁搭边 用宽度均匀的条料或卷料制造的长形件 2.6.3 搭边

排样时冲裁件与冲裁件之间(a1)以及冲裁件与条料侧边之间(a)留下的工艺余料称为搭边，如图2.30所示。

1. 搭边的作用

(1) 补偿条料的剪裁误差、送料步距误差，补偿由于条料与导料板之间有间隙所造成的送料歪斜误差。若没有搭边则可能出现制件缺角、缺边或尺寸超差等废品。

(2) 使凸、凹模刃口能沿封闭轮廓线冲裁，受力平衡，合理间隙不易破坏。模具寿命与制件断面质量都能提高。

(3) 对于利用搭边拉条料的自动送料模具，搭边使条料有一定的刚度，以保证条料的连续送进。

2. 搭边的数值

搭边过大，浪费材料。搭边过小，起不到搭边作用。过小的搭边还可能被拉入凸、凹模之间的缝隙中，使模具刃口破坏。

搭边的合理数值就是保证冲裁件质量，保证模具较长寿命，保证自动送料时不被拉弯、拉断条件下允许的最小值。

搭边的合理数值主要决定于板料厚度t、材料种类、冲裁件大小及冲裁件的轮廓形状等。一般来说，板料愈厚，材料硬度愈低，以及冲裁件尺寸愈大，形状愈复杂，则合理搭边数值也应愈大。

搭边值通常是由经验确定的，表2.10列出的即为经验数据之一。

表2.10 板料冲裁时的合理搭边值

mm

手 送 料 板料厚度t a ≤1 ＞1～2 1.5 2 圆 形 a1 1.5 1.5 2 2.5 a 2 手 送 料 板料厚度t a ＞2～3 ＞3～4 ＞4～5 ＞5～6 ＞6～8 2.5 3 4 5 6 2 2.5 3 4 5 圆 形 a1 3 3.5 5 6 7 a 3 4 5 6 非圆形 a1 2.5 4 5 6 7 8 往复送料 a 4 5 6 7 a1 3.5 4 5 6 7 a 3.5 3 3 4 5 6 非圆形 a1 1.5 3 3.5 往复送料 a 2 2.5 a1 3 a 2.5 2 2 续表

自动送料 a1 自动送料 a1

70 ＞8 7 6 冲压工艺与模具设计 8 7 9 8 8 7 注：非金属材料(皮革、纸板、石棉等)的搭边值应比金属大1.5～2倍。

2.6.4 送料步距与条料宽度

选定排样方法与确定搭边值之后，就要计算送料步距和条料宽度，这样才能画出排样图。 1. 送料步距A

条料在模具上每次送进的距离称为送料步距(简称步距或进距)。每个步距可以冲出一个制件，也可以冲出几个制件。送料步距的大小应为条料上两个对应冲裁件的对应点之间的距离。如图2.30所示，每次只冲一个制件的步距A的计算式为：

A=D＋a1 (2-25)

式中：a1——冲裁件之间的搭边值。

2. 条料宽度B

条料是由板料(或带料)剪裁下料而得，为保证送料顺利，规定条料宽度B的上偏差为零，下偏差为负值(－Δ)。为了准确送进，模具上一般设有导向装置。当使用导料板导向而又无侧压装置时，在宽度方向也会产生送料误差。条料宽度B的值应保证在这2种误差的影响下，仍能保证在冲裁件与条料侧面之间有一定的搭边值a。

模具的导料板之间有侧压装置时，条料宽度按下式计算(图2.31(a))：

0B=(D＋2a＋Δ)--V (2-26) 式中：D——冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸；

a——冲裁件与条料侧边之间的搭边； Δ——板料剪裁时的下偏差(见表2.11)。

当条料在无侧压装置的导料板之间送料时，条料宽度按下式计算(图2.31(b))：

0B=(D＋2a＋2Δ＋b)--V (2-27) 式中：b——条料与导料板之间的间隙(见表2.12)。

图2.31 条料宽度的确定

表2.11 剪板机下料精度 mm

板料厚度t ＜1 1～2 2～3 3～5 －0.3 －0.4 －0.6 －0.7 宽 度 ＜50 50～100 －0.4 －0.5 －0.6 －0.7 100～150 －0.5 －0.6 －0.7 －0.8 150～220 －0.6 －0.6 －0.7 －0.8 220～300 －0.6 －0.7 －0.8 －0.9

第2章 冲裁 表2.12 条料与导料板之间的间隙b mm

条料宽度 板料厚度t ≤100 ≤1 ＞1～5 0.5 0.8 1 无侧压装置 ＞100～200 0.5 1 1 ＞200～300 5 5 ≤100 8 8 有侧压装置 ＞100 71 3. 条料剪裁的方法

冲裁用条料(带料)是从板料或卷料上剪裁而得，这就存在沿材料轧制方向裁(纵裁)、垂直于轧制方向裁(横裁)以及与轧制方向成一定角度裁(斜裁)3种剪裁方法(图2.32)。

图2.32 板料的纵裁、横裁和斜裁

一般情况下纵裁材料利用率高，冲压时调换条料的次数也少。尤其是卷料滚剪可为多工位连续自动冲裁提供带料。但有以下情况必须考虑横裁或斜裁。

(1) 手动送料时，板料纵裁后的条料太长(＞1500mm)，冲压操作移动不方便； (2) 手动送料时，板料纵裁后的条料太重(＞12kg)，工人劳动强度太高； (3) 板料(卷料)纵裁不能满足制件(如弯曲件)对轧制方向的要求； (4) 横裁的材料利用率明显高于纵裁时。 4. 材料利用率η的计算 材料利用率通常以百分率表示

η=S1/S0×100%=S1/AB×100% (2-28)

式中：S1——一个步距内制件的实际面积；

S0——一个步距内所需毛坯面积； A ——送料步距； B ——条料宽度。

实际材料利用率还应考虑板料(卷料)剪裁时的剩余边料和条(带)料冲裁时的料头料尾消耗，工厂常用以下经验公式估算：

η0=Kη

式中：η0——材料的实际利用率；

K——料头料尾等消耗系数。纵裁时K=0.9，横裁时K=0.85，斜裁时K=0.75。 5. 材料消耗定额的计算

工厂通常以每千件消耗材料的千克数为计量单位。可以用下式计算

G=(每张板料的质量/每张板料可冲制件数)×1000 (2-29)

72 冲压工艺与模具设计 2.6.5 排样图

排样图是排样设计最终表达形式，也是编制冲压工艺与设计的重要依据。

一张完整的排样图应反映出条料(带料)宽度及公差、送料步距及搭边a及a1值、冲裁时各工步先后顺序与位置、条料在送料时定位元件的位置以及条料(带料)的轧制方向。如图2.33、图2.34所示。

图2.33 铁心冲孔落料复合排样图

第2章 冲裁 73

图2.34 动簧引出脚冲孔落料级进排样图

1—侧刃裁边；2—冲4圆孔；3—冲腰形孔；4—落料

2.7 冲裁工艺设计

冲裁工艺设计主要包括冲裁件工艺性分析和冲裁工艺方案确定两个方面的内容。

2.7.1 冲裁件工艺性分析

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲裁工艺的适应性。冲裁件工艺性分析就是判断冲裁件能否冲裁、冲裁的难易程度及可能出现的问题。而分析判断冲裁件工艺性合理与否主要是从冲裁件结构(形状)工艺性及尺寸精度要求两方面入手。

1. 冲裁件的结构工艺性

以实现经济加工为前提，普通冲裁件应满足以下几个方面的结构工艺性要求。

(1) 应尽量避免应力集中的结构。冲裁件各直线或曲线连接处应尽可能避免出现尖锐的交角。除少废料排样、无废料排样、裁搭边排样或凹模使用镶拼模结构外，都应有适当的圆角相连，如图2.35所示。圆角R的最小值可参考表2.13选取。

图2.35 冲裁件有关尺寸的限制

(2) 冲裁件应避免有过长的悬臂和窄槽，如图2.35所示。这样能有利凸、凹模的加工，提高凸、凹模的强度，防止崩刃。一般材料取b≥1.5t；高碳钢应同时满足b≥2t，L≤5b；但b≤0.25mm时模具制造难度已相当大，所以t≤0.5mm时，前述要求按t=0.5mm判断。

表2.13 冲裁件的最小圆角半径

工 序 落 料 角度 α≥90 o最小圆角半径Rmin 黄铜、纯铜、铝 0.18t 低碳钢 0.25t 高碳钢 0.35t

74 α＜90 o 冲 孔 α≥90 α＜90 o o冲压工艺与模具设计 0.35t 0.20t 0.40t 0.50t 0.30t 0.60t 0.70t 0.45t 0.90t (3) 因受凸模刚度的限止，冲裁件的孔径不宜太小。冲孔最小尺寸取决于冲压材料的力学性能与凸模强度和模具结构。各种形状孔的最小尺寸可参考表2.14。

表2.14 无导向凸模冲孔的最小尺寸

示意图及尺寸要求 材 料 硬钢 软钢、黄铜 铝、锌 D≥1.3t D≥1.0t D≥0.8t b≥1.2t b≥0.9t b≥0.7t b≥0.9t b≥0.7t b≥0.5t b≥1.0t b≥0.8t b≥0.6t (4) 冲裁件上孔与孔、孔与边之间的距离不宜过小，如图2.35所示，以避免制件变形或因材料易拉入凹模而影响模具寿命(当t＜0.5时，按t=0.5计算)。如果用倒装复合模冲裁，受凸凹模最小壁厚强度的限制，模壁不宜过薄。此时冲裁件上孔与孔、孔与边之间的距离应参考表2.15。

表2.15 倒装复合模冲裁时孔与孔、孔与边的最小距离 mm

板料厚度t 最小距离a 板料厚度t 最小距离a ≤0.3 0.4 ≥1.0 1.4 2.8 6.4 3.0 6.7 0.6 1.8 3.2 7.1 0.8 2.3 3.4 7.4 1.0 2.7 3.5 7.7 1.2 3.2 3.8 8.1 1.4 3.6 4.0 8.5 1.6 4.0 4.2 8.8 1.8 4.4 4.4 9.1 2.0 4.9 4.6 9.4 2.2 5.2 4.8 9.7 2.4 5.6 5.0 10.0 2.6 6.0 (5) 如果采用带保护套的模具(图2.36)，最小冲孔的尺寸可参考表2.16。值得提出的是，冲裁时若以批量生产为前提，f0.15mm的小孔被认为是现阶段的冲裁极限(有学术报告称，最小冲孔直径可达f0.048mm)。

图2.36 带护套的凸模

第2章 冲裁 75 表2.16 采用凸模护套冲孔的最小尺寸

材 料 硬钢 软钢、黄铜 铝、锌 圆形孔(D) 0.50t 0.35t 0.30t 方形孔(a) 0.40t 0.30t 0.28t (6) 在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免凸模受水平推力而折断。孔壁与制件直壁之间应保持一定距离。使L≥R+0.5t，如图2.37所示。

图2.37 弯曲件和拉深件冲孔位置

2. 冲裁件的尺寸精度

冲裁件的尺寸精度要求，应在经济精度范围以内，对于普通冲裁件一般可达IT11级，较高精度可达IT8级。冲裁所能达到的外形、内孔及孔中心距一般精度的公差值参见表2.17；所能达到的外形、内孔及孔中心距较高精度的公差值参见表2.18，所能达到的孔边距的公差值参见表2.19(亦参见表2.22)。

表2.17 冲裁件外形、内孔及孔中心距一般精度的公差值 mm

板料厚度t ≤0.5 0.5～1 1～3 3～6 ＞6 制 件 尺 寸 ≤10 0.05 ±0.0250.07 ±0.0350.10 ±0.050.13 ±0.0650.16 ±0.0810～25 0.07 ±0.0350.10 ±0.050.14 ±0.070.18 ±0.090.22 ±0.1125～63 0.10 ±0.050.14 ±0.070.20 ±0.100.26 ±0.130.30 ±0.1563～160 0.12 ±0.060.18 ±0.090.26 ±0.130.32 ±0.160.40 ±0.20160～400 0.18 ±0.090.26 ±0.130.36 ±0.180.46 ±0.230.56 ±0.28400～1000 0.24 ±0.120.34 ±0.170.48 ±0.240.62 ±0.310.70 ±0.35注：1. 本表适用于按高于IT8级精度制定的模具所冲的冲裁件。

2. 表中分子为外形和内孔的公差值，分母为孔中心距的公差值。 3. 使用本表时，所指的孔至多应在3工步内全部冲出。

76 冲压工艺与模具设计 表2.18 冲裁件外形、内孔及孔中心距较高精度的公差值 mm

板料厚度t ≤0.5 0.5～1 1～3 3～6 ＞6 制 件 尺 寸 ≤10 0.026 ±0.0130.036 ±0.0180.05 ±0.0250.06 ±0.030.08 ±0.0410～25 0.036 ±0.0180.05 ±0.0250.07 ±0.0350.09 ±0.0450.12 ±0.0625～63 0.05 ±0.0250.07 ±0.0350.10 ±0.050.12 ±0.060.16 ±0.0863～160 0.06 ±0.030.09 ±0.0450.12 ±0.060.16 ±0.080.20 ±0.10160～400 0.09 ±0.0450.12 ±0.060.18 ±0.090.24 ±0.120.28 ±0.14400～1000 0.12 ±0.060.18 ±0.090.24 ±0.120.32 ±0.160.34 ±0.17注：1. 本表适用于按高于IT7级精度制定的模具所冲的冲裁件。

2. 表中分子为外形和内孔的公差值，分母为孔中心距的公差值。

3. 使用本表时，所指的孔是有导正销导正分步冲出。复合模或级进模同时(同步)冲出的孔中心距公差可按相应分子值的一半，冠以“±”号作为上下偏差。

表2.19 冲裁件孔边距的公差值 mm

板料厚度t ≤0.5 0.5～1 1～3 3～6 ＞6 制 件 尺 寸 ≤10 ±0.025 ±0.05±0.035 ±0.07±0.05 ±0.10±0.065 ±0.13±0.08 ±0.1510～25 ±0.035 ±0.07±0.05 ±0.10±0.07 ±0.14±0.09 ±0.18±0.11 ±0.2225～63 ±0.05 ±0.10±0.07 ±0.14±0.10 ±0.20±0.13 ±0.25±0.15 ±0.3063～160 ±0.06 ±0.13±0.09 ±0.18±0.13 ±0.25±0.16 ±0.32±0.20 ±0.39160～400 ±0.09 ±0.18±0.13 ±0.25±0.18 ±0.35±0.23 ±0.45±0.28 ±0.55400～1000 ±0.12 ±0.24±0.17 ±0.33±0.24 ±0.47±0.31 ±0.60±0.35 ±0.70注：1. 本表适用于按高于IT8级精度制定的模具所冲的冲裁件。

2. 表中分子适合复合模、有导正销级进模所冲的冲裁件。

3. 表中分母适合无导正销级进模、外形是单工序冲孔模所冲的冲裁件。显然，如果制件的尺寸和精度高于表值，应采用整修、精密冲裁甚至用其他加工方法来满足。

3. 冲裁件其他工艺性问题

冲裁件除了主要结构形状、尺寸精度的工艺性，还有必要注意以下几个问题的分析。

(1) 断面质量已在2.1.3节和2.2.3节中作了分析，表2.20为普通冲裁件断面的近似表面粗糙程度。如冲裁件设计要求超过此表要求，则普通冲载是难以满足的，则要通过整修工艺或精冲工艺来满足。

表2.20 普通冲裁件断面近似表面粗糙度

板料厚度t/mm 表面粗糙度Ra/μm ≤1 3.2 ＞1～2 6.3 ＞2～3 12.5 ＞3～4 25 ＞4～5 50 (2) 冲裁件设计一般都会对毛刺高度提出要求。毛刺的成因及控制在2.1.3和2.2.4节中作了阐述。为防止变形及表面擦伤，某些冲裁件(如低压电器无线电类零件)不允许采用光饰去毛刺等辅助工序。此类制件允许毛刺高度至少应大于表2.2所规定的试冲时的高度。

(3) 冲裁件的尺寸标注基准应尽可能和制模时的基准重合，以避免产生基准不重合的误差。还应尽量避免以参与变形的边为基准来标注孔位、外形尺寸，如图2.38所示。

第2章 冲裁 77

图2.38 冲裁件的尺寸标注

(4) 当冲裁件作为其他工序(如弯曲)的坯料时，还要考虑材料的轧制方向与弯曲线的关系，参见图3.13。应分析评估其对排样设计、材料利用率及模具设计制造所带来的影响。

(5) 对于冲孔落料类冲裁件，用复合模和单工序模冲裁，其内孔毛刺和外形毛刺方向一致，有此类要求的冲裁件，也应分析评估其对材料利用率及生产效率所带来的影响。

(6) 普通冲裁会出现弯拱，2.2.2中已对此做了分析。表2.21列出了普通冲裁所能达到的平面度公差值。如冲裁件设计要求超过此表规定，则必须增加压平工序(工步)来保证。一般冲裁件的外形不可避免地会出现塌角，对塌角也希望尽量不作要求。

表2.21 普通冲裁件平面度公差值 mm

公差等级 1 2 制件长度 ≤10 0.06 0.12 ＞10～25 0.10 0.20 ＞25～63 0.15 0.30 ＞63～160 0.25 0.50 ＞160～400 0.40 0.80 ＞400～1000 0.60 1.20 注：表中1级适用于倒装复合模及有压料板(冲孔)、顶料板(落料)的级进模和单工序模冲裁；2级适用于普通冲裁。

(7) 为了提高材料利用率、节约成本，冲裁件的形状还应有利于合理排样。

总之，冲裁件的工艺性合理与否，将直接影响到冲裁件的质量、模具寿命、材料消耗和生产效率等。通过工艺性分析，改进冲裁件的设计，完善冲裁件的工艺性能，就能用一般普通冲裁方法，在模具寿命较高、生产效率较高、生产成本较低的前提条件下，获得质量稳定的冲裁件，这就是进行冲裁件工艺性分析的最终目的。另一方面，冲裁件的使用要求又促进冲裁工艺水平和相应的模具制造水平向更高更精的水平发展。所以上述衡量冲裁件工艺性合理与否的标准是就目前冲裁工艺和模具制造水平而提出的，它是不断变化和发展的，也是每一位从事冲压这项工作的人今后应密切关注的。

78 冲压工艺与模具设计 2.7.2 冲裁工艺方案的确定

确定工艺方案就是确定冲裁件的工艺路线，主要包括确定工序数目、确定工序组合和工序顺序安排等，并在工艺分析的基础上制定几种可能方案；再根据冲裁件的生产批量、形状复杂程度、尺寸大小、材料厚薄、模具制造和维修条件及冲压设备条件等多方面的因素，拟订出多种可能的不同工艺方案，进行分析比较，选取一个较为合理的方案。

1. 确定工序数目

冲裁工序数目一般是由冲裁件的形状所确定的。但对于形状复杂的冲裁件，为了保证其工艺性更趋合理，有时会将一道工序分解为两道或多道工序(请参考2.7.3节应用实例)。采用级进冲裁时，为提高定位精度，会增加一道冲工艺孔工步或侧刃裁边工步，如图2.39、图2.40所示。

图2.39 级进冲裁

1—冲定位工艺孔；2—冲孔；3—落料

图2.40 采用定距侧刃的级进冲裁

1—定距侧刃裁边；2—冲孔；3—落料

2. 确定冲裁工序组合

冲裁工序组合按组合程度可分为单工序冲裁、复合冲裁和级进冲裁。

复合冲裁是指压力机一次行程中，在模具的同一工位同时完成两道或两道以上的工序。

级进冲裁是把一个冲裁件的几个工序排成一定顺序，组成级进模，在压力机的一次行程中，在模具的不同工位上同时完成两道或两道以上的工序。除最初的几次行程外，每次行程都可以完成一个冲裁件。

确定冲裁工序组合就是确定用单工序冲裁还是用复合冲裁或级进冲裁，其原则概括起来有以下五点。 (1) 就冲裁件质量而言，复合冲裁冲出的制件精度高于级进冲裁，而级进冲裁又高于单工序冲裁。这是因为单工序冲裁冲压多工序冲裁件时，要经过多次定位，产生积累定位误差大，级进冲裁同样有定位误差问题，而复合冲裁是在同一个工位一次冲出，不存在定位误差问题。因此对于精度较高的冲裁件，宜用复合冲裁。

(2) 就生产效率而言，级进冲裁生产效率高于复合冲裁，显然复合冲裁由于工序组合程度高，生产效率又高于单工序冲裁。这是因为级进冲裁进料与出料互不干涉，易实现连冲，且级进冲裁易实现自动送料和高速冲压，加之同复合冲裁一样有较高的组合程度，故对于生产批量大的制件，应尽可能采取高效率的级进冲裁。而在产品试制或小批量生产时，由于单工序冲裁模具结构简单、造价低，而被经常采用。

(3) 就对制件尺寸、形状的适应性而言，级进冲裁定距侧刃定位精度会因板料厚度太薄、易变形而下降，采用导正销定位也会由于料太软出现导正时导正孔变形，从而影响定位精度。而复合冲裁不存在这类问题，但由于受凸凹模最小壁厚的限制(表2.16)，复合冲裁不适用于孔与孔、孔与边距离太小的制件，而级进冲裁可以加工形状复杂、孔边距较小的制件。此外，级进冲裁可加工的板料厚度比复合冲裁大，但级进冲裁受压力机台面尺寸和工序数目的限制，冲裁件的外形尺寸不宜太大。

(4) 就模具制造周期而言，形状简单的冲裁件，级进模比复合模易于制造，而单工序模又比级进模易于制造，且由于多副模具可同时加工，故制造周期较短。但对于形状复杂的冲裁件，复合模比级进模易于制造，此时若采用单工序模，由于模具副数过多，试模周期会加长，有时甚至整个制造周期会长于复合模，所以形状复杂的冲裁件的试制或小批量生产也往往采用复合模。

(5) 就操作使用安全性而言，单工序冲裁，需用手钳放置毛坯，手需进出危险区域，很不安全，而复

第2章 冲裁 79 合冲裁由于存在废料(正装式)或制件(倒装式)冲裁完成后最终是掉在危险区域的，如无相应吹料气源，也需手钳进入危险区域拨出，所以也是不安全的。级进冲裁易于实现自动送料、出料，其安全性不言而喻，即使手动送料，也只是在料尾部分冲裁时，为节省材料需手钳进入危险区域，故级进冲裁是比较安全的。

3. 确定工序顺序

复合冲裁由于是在同一工位完成多道工序，故不存在冲裁工序顺序的安排问题。级进冲裁和单工序冲裁时可以参考以下原则。

(1) 采用导正销定距级进冲裁时，一般先冲孔(冲裁件的结构废料)后落料(将制件与条料分离)。首先冲出的孔，一般可作后续定位用，若定位要求高，则要冲出专供定位的工艺孔(一般为两个，图2.39)。

(2) 采用侧刃定距级进冲裁时，侧刃裁边工序一般安排在前，与首次冲孔(冲裁件的结构废料)同时进行(图2.40)。为节省尾料，采用两个定距侧刃时，可安排一前一后。

(3) 采用裁搭边排样级进冲裁(冲废级进)时，一般也是侧刃裁边安排在前，制件形状按照由里到外的顺序冲裁，最后切断，将制件分离成形(如图2.41所示)。

(4) 多工序冲裁件用单工序冲裁时，应先将制件与毛坯分离，然后以外轮廓定位进行其他冲裁。注意后续各冲裁工序定位基准要一致，以避免定位误差与尺寸链换算。对于大小不同、相距较近的孔时，为减少孔的变形，应先冲大孔后冲小孔。

图2.41 采用裁搭边排样的级进模

1—定距侧刃切边；2—冲孔；3—切断分离

80 冲压工艺与模具设计 2.7.3 应用实例

如图2.42所示专用垫片，材料为Q235，年生产批量为5万件，试对该制件进行冲裁工艺性分析，并确定其冲裁工艺方案。

图2.42 专用垫片(单位:mm)

工艺性分析如下：

(1) 该制件(36±0.1)mm×1.6mm部分为窄槽，由于材料为低碳钢，其宽度b=1.6mm＞1.5t，按2.7.1节的介绍，满足普通冲裁对冲裁件相应的结构工艺性要求。

(2) 窄槽口部为清角(不带圆角R)，f20孔与窄槽如果一次冲出，则相应的异形凸模加工困难，且容易折断，所以应分步冲裁。窄槽端部为R0.1，按表2.13要求，属于过小，易使凹模开裂，建议将R0.1修改为R0.2。

(3) 最小孔边距是在窄槽长度36与外形f40之间，其数值为(40－36)/2=2(mm)＞2t，按图2.35，满足普通冲裁件相应的结构工艺性要求，但不满足表2.16规定，所以冲窄槽与外形落料不能采用倒装复合模冲裁。

(4) 最小孔径为f1.2+0.1 +0，按表2.14规定，其数值大于1.0t，故满足无导向凸模冲孔的最小尺寸要求。(5) 显然，该制件的尺寸精度要求已超出了表2.17的规定，但符合表2.18的规定，所以模具制造必须

+0.1高于IT7级精度，同时2-f1.2+0.1+0孔与窄槽有较高的相对位置要求(90°±30′)，所以2-f1.2+0孔与窄槽须同时冲出，才能保证精度要求。

(6) 制件对平面度有一定要求，按表2.21规定，必须采用倒装复合模或有压料板/顶件板(冲孔/落料)的模具才能保证其平面度≤0.20mm。

(7) 该制件外形落料毛刺方向与孔(内腔)毛刺方向要求一致。显然冲孔落料级进模是不能满足这一要求的，只有复合模和单工序模才能满足。

综合以上几点分析，依据生产批量(参见表7.16)，可拟订出4种方案：

方案1 采用单工序模冲裁加工，先落料，再冲大孔，最后冲槽—冲小孔，如图2.43所示。

图2.43 用单工序模加工

方案2 采用复合模冲裁加工，一次成形，如图2.44所示。

第2章 冲裁 81 方案3 采用级进模冲裁加工，如图2.45所示。

图2.44 用复合模加工

图2.45 用级进模加工

方案4 采用复合模冲大孔、落料，而后用单工序模冲小孔—冲槽，如图2.46所示。

图2.46 采用冲孔落料复合冲裁及单工序冲小孔—冲槽加工

下面对各方案进行分析比较。

方案1模具制造简单，可采用多排排样，材料利用率较高，能满足本例工艺分析(1)~(7)条要求。但工序组合程度低，生产效率不高，为保证制件平面度要求，第1道工序中的落料模须设顶件板，第2、3道工序中的冲孔模须设压料板，此外制件完成冲裁需2次定位，故尺寸精度一般。

方案2制件组合程度高，故相应生产效率也很高，且可采用多排排样，材料利用率较高。若用复合冲裁，制件尺寸精度好，且平整。但不满足工艺分析第(3)点要求，所以不能采用倒装复合模，只能采用正装复合模。但本制件用正装复合模冲裁，会出现同时3块废料掉在工作区，影响生产效率，且操作不安全。制件的平面度也比用倒装复合模冲裁差，按工艺分析第(2)点，其异形孔冲槽凸模制造困难，且容易折断，无法满足正常冲裁。

方案3工序组合程度最高，由于采用导正销定距，制件尺寸精度较好，且在第2工步实现了2-f1.2+0.1+0与窄槽同步冲出，能保证90°±30′要求。冲f20大孔与冲窄槽实现了分步冲出，凸模制造简单，且不易折断，但按工艺分析第(6)条，为保证制件平面度要求，第3工步落料须增设顶件器，因此生产效率将大大下降。按工艺分析第(7)条，该方案显然不能满足毛刺方向一致的要求，且材料利用率低。

方案4工序组合程度较高，生产效率不如方案2和方案3，但大大高于方案1，该方案能满足工艺分析(1)~(7)条的全部要求。虽然完成冲裁须经一次外形定位，但其定位精度应与方案3相当，所以制件尺寸精度也较好，同时，同方案1、方案2一样，可采用多排排样，材料利用率高。第1道冲孔落料工序中可采用倒装复合模，生产效率高，操作也较安全。

通过上述分析比较可见，只有方案1和方案4才能使该制件基本满足普通冲裁工艺性要求，方案2和方案3在工艺性上存在不同的问题，而方案4和方案1相比较，在制件精度、生产效率等方面，方案4比方案1显然更佳。

2.8 精 密 冲 裁

精密冲裁(简称精冲)是在普通冲裁的基础上，采取了强力齿圈压边、小间隙、小圆角、反顶力等4项工艺措施的冲裁分离加工方法。其尺寸精度可达IT6~IT9级，断面粗糙度可达Ra值1.6μm ~0.4μm，断面垂直度达89.5°以上，如图2.47所示。这是一项正在发展中的冲压新技术。

82 冲压工艺与模具设计

图2.47 精冲件断面

1—塌角带；2—光亮带；3—断裂带

2.8.1 精密冲裁的特点

精冲有如此大的优越性，这主要是由精冲的特点所决定的。这些特点表现在精冲时采取了一切可能使冲裁变形区获得三向压应力的措施，这些措施包括有：

(1) 齿圈压板

精冲的压料板与普通的压料板不同，它是带有齿圈的，起强烈的压边作用，使被冲裁材料形成三向压应力状态，增加了变形区及邻域的静水压，如图2.48(b)所示。

齿圈压板是精冲工艺条件的重要组成部分，齿圈的形式为尖状齿形圈，其V形角度一般为45°(图2.48(c))。尖状齿形圈的尺寸与精冲的材料性能及料厚有关，a≈(0.5~0.8)t； h≈(0.1~0.3)t，当板料厚度t＞4mm时要设双面齿圈，其平面轮廓形状一般与制件的冲裁形状相似，但对形状复杂的制件，有特殊要求的部位尽可能与制件形状相似，其余部分可以简化，如图2.49所示。

(2) 凹模(或凸模)小圆角 普通冲裁时，模具刃口愈尖愈好，而精冲时刃尖有0.02~0.2mm小圆角，该圆角抑制了剪切裂纹的发生，限制了断裂带的形成，且对制件断面有挤光作用。

模具刃尖的圆角半径大小要适当，圆角太小，断面上可能还有撕裂现象；圆角太大，断面上的塌角带将增大。试模时一般先采用较小值，当加大压边力还不能获得光洁断面时再逐步加大。

(3) 小间隙

间隙愈小，冲裁变形区的拉应力愈小，压应力的作用愈大。通常，精冲的间隙近乎为零，一般取0.01~0.02mm，对较薄的板料也有按单面间隙C=(0.5% ~1.2%)t取用的。小间隙还使模具对冲裁件断面有挤光作用。

同样，精冲时凸—凹模的间隙大小及分布的均匀性是影响断面质量的主要因素，而影响间隙大小的主要因素是料厚、材料性能和制件形状等。板料薄、塑性差、冲外形取小值，反之取大值。

(4) 反顶力

施加很大的反顶力能减少材料的弯曲，起到增加压应力因素的作用，进一步促使断裂带的减少、剪切光亮面的增加，同时也使制件无法弯拱，如图2.48(a)所示。

图2.48 精密冲裁的方法

1—凸模；2—齿圈压板；3—制件；4—顶板；5—凹模

第2章 冲裁 83

图2.49 齿圈的平面分布

84 冲压工艺与模具设计 2.8.2 精密冲裁的机理

图2.48为用精冲方法进行落料的原理图。

由图2.48(a)可知，其工作部分是由凸模1、凹模5、齿圈压板2和顶板4组成。精冲是在带有齿圈压板2的压边力P2和顶板4的反顶力P3作用下进行冲裁的，且压边力和反顶力均较大，加之小圆角及小间隙等工艺措施，使得坯料的变形区处于强烈的三向压应力状态(如图2.48(b)所示)，因此提高了材料的塑性，抑制了材料的断裂，使冲裁全过程以塑性剪切变形的方式完成材料的分离，所以精冲可以得到几乎全部都是光亮带的断面。故精冲变形的机理与普通冲裁是不同的。

2.8.3 精密冲裁的过程

用复合模精冲垫圈的过程如图2.50所示。

图2.50 精密冲裁的过程

(a) 模具开启，送料到位；(b) 模具闭合，齿圈压板与顶板压紧板料； (c) 板料在完全压紧状态下冲裁；(d) 模具开启，压力释放；(e) 卸料并顶出废料；

(f) 推出制件，开始进料；(g) 清除制件与废料，准备下一个制件的冲裁

综上所述，精密冲裁有特殊的优越性，但要求变形条件比较高。精冲所需的总能量比普通冲裁大一倍，精冲力也比普通冲裁大30%~50%，齿圈压边力约为精冲力的40%~60%，顶板反顶力约为精冲力的15%~20%，这3种压力须互不干涉，大小各自调节，所以，精冲要在专用的精冲压力机上进行方能取得好的效果，但精冲压力机结构复杂、价格昂贵。同时，精冲模具结构较为特殊(详见7.2.1.4小节)。此外，精冲对原材料的性能要求比较严格，适合精冲的材料必须具有良好的塑性，较大的变形能力和良好组织结构。以钢材为例，一般含碳量≤0.35%以及?b≤650MPa的钢材才适合于精冲。这些都限制了精冲工艺的推广应用。

第2章 冲裁 85 2.9 半精密冲裁和整修

在生产实际中，有些冲裁件只要求某一些指标高，而其余指标一般，或者制件质量总的要求比普通冲裁高，而比精冲低，此时半精密冲裁和整修等加工工艺得以较广泛应用。

2.9.1 半精密冲裁

半精密冲裁(简称半精冲)是介于冲裁与整修之间的一种冲裁分离的加工方法。常用的半精冲工艺有小间隙圆角刃口冲裁、负间隙冲裁。

1. 小间隙圆角刃口冲裁

小间隙圆角刃口冲裁又称光洁冲裁。与普通冲裁相比其特点是采用了小圆角刃口(落料时为凹模刃口，冲孔时为凸模刃口)和很小的冲裁间隙，因而加强了变形区的静水压力，提高了金属的塑性，把裂纹容易发生的刃口侧面变成了压应力区，且刃口圆角有利于材料从模具凸、凹模端面向侧面流动，使与凸、凹模侧面接触的材料所受的拉应力得到缓和，从而推迟了裂纹的发生，通过塑性剪切使断面成为光亮带。

为了增加对冲裁断面的挤压作用，减少拉伸和弯曲影响，增加光亮带高度，凸—凹模间隙应尽可能小，一般≤0.02mm。

图2.51为光洁冲裁落料凹模的3种形式，为制造方便，可采用图2.51(b)所示的圆角或图2.51(c)所示的倒角形式。若刃口圆角太小则起不到抑制裂纹产生的作用，若刃口圆角过大则产生毛刺或使制件精度下降。一般要通过试冲逐步加大，使之达到需要的最小值。光洁冲裁所需圆角半径R≈0.10t，圆角处的表面粗糙度要求Ra=(0.1~0.4)μm。

图2.51 光洁冲裁落料凹模的3种结构形式

同精冲一样，光洁冲裁只适用于加工塑性较好的材料，如铝、纯铜、低碳钢等，所冲制件轮廓形状必须简单，直角或尖角都必须圆弧过渡，且落料时的搭边值较普通冲裁要大。

光洁冲裁的冲裁力约为普通冲裁的1.5倍。

2. 负间隙冲裁

负间隙冲裁的特点是凸模外形尺寸略大于凹模刃口尺寸，冲裁时裂纹的方向与普通冲裁相反，形成一个倒锥毛坯，凸模继续下压，将倒锥毛坯压入凹模内，相当于整修过程，所以负间隙冲裁实质为冲裁—整修复合工序，如图2.52所示。

负间隙冲裁的凸—凹模之间单边负间隙值的分布很重要，对于圆形制件其分布是均匀的，对于形状复杂的制件其分布是不均匀的，在突出的尖角部分比平直部分大一倍，凹入部分则比平直部分减一半，平直部分一般取0.1t，如图2.53所示。

86 冲压工艺与模具设计

图2.52 负间隙冲裁

1—凸模；2—坯料；3—凹模

图2.53 非圆形凸模尺寸的分布情况

1—凸模轮廓；2—凹模轮廓

负间隙冲裁凸模不能进入凹模，而应与凹模端面保持0.1~0.2mm的距离，一般模具必须安装刚性限位柱，以防止凸模进入凹模发生啃口。

负间隙冲裁制件从凹模孔推出时，会有0.02~0.05mm的回弹量，在设计凹模尺寸时应予以考虑。由于凸模不能进入凹模，故制件常常产生难以去除的毛刺，且制件圆角带也较大，还有弯拱变薄现象出现。

负间隙冲裁同光洁冲裁一样，只适应冲裁塑性好的软材料，其冲裁力P′与普通冲裁变形力P的关系为 P′= CP

式中：C——系数，按不同材料选取：铝取1.3~1.6；黄铜取2.25~2.8；软钢取2.3~2.5。

2.9.2 整修

整修是在模具上利用切削的方法，除去普通冲裁时在断面上留下的圆角带、断裂带与毛刺，从而提高冲裁件的断面质量与尺寸精度。采用整修工艺时应注意以下几点：

(1) 整修可分为外缘整修与内缘整修(如图2.54所示)。内缘整修还有一种方法，不是用刃尖冲头去切削，而是靠冲头上的圆角截面埂状凸起对冲裁得到的内孔断面进行挤压来提高内表面的精度，降低表面粗糙度。图2.55所示为挤光凸模的一种形式。

(2) 整修余量(双面)一般为0.1~0.4mm，板料厚、冲裁件形状复杂、材料硬时余量取较大值，反之取较小值。t＞3mm时，需多次整修，逐步达到最终尺寸。

(3) 整修不受被整修材料塑性好坏的限制，所以对无法用精冲、半精冲来提高断面质量的中、高碳钢冲裁件，可以采用整修来实现。

图2.54 外缘整修与内缘整修

(4) 整修时冲裁件要准确定位，保证整修余量均匀分布，放置冲裁件时，外缘整修圆角带应向着凹模，内缘整修圆角带应向着凸模。

(5) 整修切屑的及时清除是实际应用中遇到的一个比较麻烦的问题，尤其是外缘整修，排屑问题严重影响了整修的生产效率。为提高整修生产效率，出现了落料与整修2层凹模叠起组合的加工模(可看作铅垂

第2章 冲裁 87 方向级进加工，如图2.56所示)。

图2.55 冲孔兼挤光凸模

图2.56 落料与整修组合

与精冲相比较，上述半精冲和整修加工都可以在普通压力机上完成；与普通冲裁相比较，制件的尺寸精度及断面质量又有明显的提高。

冲裁件的精度一般都比较低，盲目地提高精度势必增大成本。各种冲裁方法的冲裁质量比较见表2.22。从表中可以看出，制件的精度提高一至二级，很可能就需要增加一道工序或采用成本较高的模具。而半精冲和整修是一种比较容易实现的提高冲裁件质量的方法。

88 冲压工艺与模具设计 表2.22 不同冲裁方法的比较

冲 裁 方 法 项 目 级进 冲裁 复合 冲裁 普通 冲裁 12～8 25～3.2 ≤0.15 一般 普通 高 无 光洁 冲裁 11～8 0.8 小 较差 普通 高 较软 负间隙冲裁 11～9 1.6～0.4 小，难去除 较差 普通 高 很软 上下 冲裁 10～7 1.6～0.4 无 高 对向凹模冲裁 10～7 0.8～0.4 无 高 整修 7～6 1.6～0.4 无 好 普通 低 无 精冲 9～6 1.6～0.4 微 好 精冲机 较高 较软 制件精度/ IT级 13～10 10～8 断面粗糙度Ra/μm 毛刺高度h/mm 制件平整度 所需压力机 生产效率 材料要求 2.5～6.3 ≤0.15 较差 普通 高 12.5～3.2 ≤0.10 较高 普通 高 习 题

2.1 试说明冲裁变形过程的3个阶段。

2.2 按垂直方向和水平方向绘出冲裁凸模和凹模上所受到的力。 2.3 冲裁件断面存在哪4个特征区？各有什么特点？

2.4 分别简述影响冲裁件尺寸精度、形状误差、断面质量和毛刺高度的主要因素。 2.5 试分析冲裁间隙对冲裁力、模具寿命的影响。 2.6 生产实际中如何选择合理的冲裁间隙？

2.7 图2.57所示为硅钢片冲裁件，材料为D21(?b值和08钢相近)，用单配加工法制造模具，试确定冲裁模工作部分尺寸、计算冲裁力并确定排样图。

图2.57 题2.7图

2.8 图2.58所示为某电器元件复原簧片，材料为锡磷青铜，采用级进模结构，工厂习惯先做凸模，凹模根据凸模尺寸按间隙配作加工，计算凸模工作部分尺寸，并画出各凸模工作部分简图。

第2章 冲裁 89

图2.58 题2.8图

2.9 普通冲裁件应满足那几个方面的结构工艺性要求？

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