沖裁工藝的解析

劉寶振　王寶林　呂興宇

摘 要：本文主要對沖裁工藝做了簡要的概述，及在沖裁過程中板料的受力及整個變形的過程分析，以及沖裁間隙對沖裁質(zhì)量的諸多影響因素，并對諸多影響因素做出了進(jìn)一步的分析介紹。

關(guān)鍵詞：沖裁變形；沖裁種類；沖裁間隙

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.005

0 引言

沖裁是利用沖壓模具使部分板料或工序制件與另一部分板料、工序件或廢料沿著一定的輪廓形狀產(chǎn)生分離的一種沖壓工序。沖裁是落料、沖孔、沖缺、沖槽、切斷、整修、切舌、剖切等諸多分離工序的總稱，其中落料和沖孔是沖裁中最常見的兩種工序。沖裁是冷沖壓生產(chǎn)中最基本的工序之一，同時也是在沖壓生產(chǎn)過程中所占比例最大的一種生產(chǎn)工藝。它既可以直接生產(chǎn)出成品零件，如墊片等一些平面形狀的制件，也可以作為彎曲、拉深等復(fù)雜工藝的輔助工序予以實施。根據(jù)沖裁工藝所應(yīng)用的范圍不同，沖裁工藝通?？梢詣澐譃槠胀_裁和精密沖裁兩大范圍。

1 沖裁變形過程中板料變形區(qū)受力狀態(tài)的分析

在沖裁過程中，是從板料的受力，逐漸發(fā)生彈性變形量開始，最終以整體斷裂而收尾。整個的變形過程可以大致分為以下三個階段：

（1）彈性變形階段：板料或沖壓工序件在凸模所施加的壓力作用下，所產(chǎn)生的彈性壓縮、拉伸和彎曲等形態(tài)，凹模上的板料或沖壓工序件則會向上發(fā)生翹曲現(xiàn)象，空間越大，彎曲和上翹則會越發(fā)的嚴(yán)重。隨后，凸模的刃口將擠入板料內(nèi)部，板料隨之則將擠入凹模內(nèi)，但在此過程中材料的內(nèi)應(yīng)力尚未超過材料的彈性極限。若此時凸模所施加的作用力消失，板料或沖壓工序件將恢復(fù)原有狀態(tài)。

（2）塑性變形階段：當(dāng)凸模所施加在板料或沖壓工序件上的作用力突破了板料的彈性變形的極限，此時當(dāng)作用力消失后，則板料或沖壓工序件將無法恢復(fù)原有狀態(tài)，在作用力的繼續(xù)作用下，板料或沖壓工序件的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到了一定屈服強度時，板料或沖壓工序件則開始進(jìn)入了塑性變形階段。模具的凸凹模相互作用在板料或沖壓工序件上，使接觸部位形成光亮的塑性剪切面。隨著作用力的不斷增大，板料或沖壓工序件的塑性變形量將隨之增大，同時沖裁變形的抗力也將不斷的增大，直到凸凹模刃口作用部位的板料由于拉應(yīng)力的作用出現(xiàn)了微裂紋時，此變形階段則宣告結(jié)束，此時沖裁變形抗力達(dá)到最大值。

（3）斷裂分離階段：材料內(nèi)裂紋逐漸的產(chǎn)生，此時凸凹模繼續(xù)增大施加在板料或者工序件上面的作用力，迫使刃口附件產(chǎn)生的裂紋逐漸向板料或沖壓工序件內(nèi)部不斷擴張，直至凸模與凹模所產(chǎn)生的裂紋予以重合，最終達(dá)成整個斷裂分離過程。

制件斷面明顯地可分為三個以下特征區(qū)：

（1）圓角帶：刃口壓入板料時，刃口附近板料產(chǎn)生變形的結(jié)果（軟料比硬料的圓角大），影響圓角帶（塌角）大小的因素除材質(zhì)外還有制件輪廓形狀和凸、凹模間隙等

（2）光亮帶：板料剪切變形時，剪切面的一部分相對另一部分在移動過程中，凸凹模作用的側(cè)向壓力將板料壓平而形成的光亮垂直的剪切面，約占據(jù)了整個剪切面總面積的1/3大小，塑性好的材料，光亮帶則越大，它與凸凹模間隙及刃口的磨損程度等有直接關(guān)系。

（3）斷裂帶；凸凹模具刃口附件產(chǎn)生的細(xì)小裂紋在作用力的作用下，不斷發(fā)生擴展現(xiàn)象，而最終形成的撕裂面，端面相對較粗糙，有毛刺出現(xiàn)，且存在斜度，塑性較差的材料，則斷裂帶越大。

三個特征區(qū)在沖裁件斷面是必然存在的，三者所占比例隨板料機械性能、凸凹模間隙、模具結(jié)構(gòu)不同而變化，要想提高沖裁件斷面的光潔程度和尺寸精度，可通過增加光亮帶高度的途徑來實現(xiàn)，其關(guān)鍵是延長塑性變形階段，推遲裂紋產(chǎn)生，即增加金屬塑性，減少凸凹模刃口附近的變形量及應(yīng)力集中區(qū)域。

2 沖裁間隙

模具凸、凹模刃口工作部分尺寸之差。Z表示雙面間隙；C表示單面間隙。制件的斷面質(zhì)量、制件的尺寸精度、模具的使用壽命等諸多因素都對沖裁間隙有很大影響，并且不存在能同時滿足全部要求的理想間隙，則稱為沖裁間隙。

（1）沖裁間隙所起的作用。1）對沖裁制件質(zhì)量因素的影響：沖裁間隙大小相對合適，凸凹模相互作用產(chǎn)生的裂紋能夠相互重合，斷裂面較光潔且略帶些斜度；沖裁間隙較小時，凸凹模相互作用產(chǎn)生的裂紋將會隔著一定距離相互平行，最終在平行區(qū)域內(nèi)形成毛刺和層片等缺陷，并且會產(chǎn)生兩個光亮帶；沖裁間隙較大時，薄料將會被拉入凸凹模的間隙中形成一段拉長了的毛刺，厚料則會形成較大的塌角現(xiàn)象；沖裁間隙若分布不均勻，將會出現(xiàn)較小的一邊產(chǎn)生光亮帶，較大的一邊出現(xiàn)很大的塌角現(xiàn)象。2）制件尺寸精度對沖裁間隙的要求：沖裁間隙過大時，落料過程中，則制件尺寸將小于凹模口尺寸；沖孔過程中，沖孔尺寸則將大于凸模尺寸。沖裁間隙過小時，落料過程中，制件尺寸將大于凹模口的尺寸；沖孔過程中，孔徑尺寸將小于凸模尺寸。3）沖裁間隙的大小對沖裁模具使用壽命的影響：

影響模具使用壽命的諸多因素中，沖裁間隙占據(jù)了諸多因素中最主要的因素之一。在沖裁的過程當(dāng)中，凸凹模與落料件之間均存在著摩擦現(xiàn)象，而且是間隙越小，模具所施加的作用力將越大，摩擦現(xiàn)象也將越加的嚴(yán)重。所以說過小的間隙值對模具使用壽命極為的不利，而較大的間隙值會使凸模側(cè)壁與落料件間的相互摩擦減小，并且降低了對裝配精度的要求，從而達(dá)到提高模具使用壽命的目的。

（2）沖裁間隙值的選定：1）沖裁間隙值的大小將直接關(guān)系到制件斷面的質(zhì)量情況、尺寸的精度情況、及沖裁力的大小和模具最終使用壽命的重要參數(shù)，其大小的選定主要與材料牌號、供應(yīng)狀態(tài)和厚度有直接的關(guān)系，但由于各種制件的斷面質(zhì)量和尺寸精度的要求不同、現(xiàn)場生產(chǎn)條件的各異，在實際生產(chǎn)中很難選定統(tǒng)一的間隙值，應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)情況，而進(jìn)行分別對待。合理間隙值可由理論計算，但為了實際操作的方便，常采用查表的方法來進(jìn)行選定。2）綜合考慮到模具在使用過程中的磨損等因素的發(fā)生，在設(shè)計制造新模具的過程中，應(yīng)盡量采用最小合理間隙Zmin。合理的間隙應(yīng)在設(shè)計制造凸、凹模工作部分尺寸時給予保證，但在模具裝配時必須保持間隙沿封閉輪廓線均勻分布，才能取得滿意效果。

作者簡介：劉寶振（1980-），男，遼寧沈陽人，研究方向：沖壓工藝模具。