沖壓工藝與模具設(shè)計(jì) 第2章 沖裁

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1、89第2章沖裁第2章沖裁從表1.1可見(jiàn)，分離工序(廣義沖裁)包括落料、沖孔、切斷、切邊、剖切、切口、整修等，其中沖裁(落料、沖孔)應(yīng)用最多。生產(chǎn)實(shí)際中往往對(duì)沖裁與廣義沖裁不加區(qū)分。沖裁得到的制件可以是最終零件，也可以作為彎曲、拉深、成形等其他工序的坯料/工序件/半成品。2.1沖裁變形過(guò)程如圖2.1所示，沖裁需要用到的凸模1(實(shí)體)與凹模2(型孔)工作部分(刃口)的水平投影輪廓按所需制件輪廓形狀制造，但尺寸有微小差別(需要一定間隙)。當(dāng)壓力機(jī)滑塊把凸模推下時(shí)，板料就受到凸-凹模的剪切作用而沿一定的輪廓互相分離。(a)(b)圖2.1普通沖裁示意圖1—凸模；2—凹模2.1.1

2、沖裁變形的3個(gè)階段板料的分離是瞬間完成的，沖裁變形過(guò)程大致可分成3個(gè)階段(如圖2.2所示)。(1)彈性變形階段(如圖2.2(a)所示)當(dāng)凸模開始接觸板料并下壓時(shí)，板料發(fā)生彈性壓縮和彎曲。板料略有擠入凹模洞口的現(xiàn)象。此時(shí)，以凹模刃口輪廓為界，輪廓內(nèi)的板料向下彎拱，輪廓外的板料則上翹。凸-凹模間隙愈大，彎拱和上翹愈嚴(yán)重。隨著凸模繼續(xù)下壓，直到材料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到彈性極限，彈性變形階段結(jié)束，進(jìn)入塑性變形階段。(2)塑性變形階段(如圖2.2(b)所示)當(dāng)板料的應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，板料進(jìn)入塑性變形階段。凸模切入板料，板料被擠入凹模洞口。在剪切面的邊緣，由于凸—凹模間隙存在而引起的彎曲和拉

3、伸作用，形成塌角面，同時(shí)由于剪切變形，在切斷面上形成光亮且與板面垂直的斷面。隨著凸模的繼續(xù)下壓，應(yīng)力不斷加大，直到應(yīng)力達(dá)到板料抗剪強(qiáng)度，塑性變形階段結(jié)束。(3)斷裂分離階段(如圖2.2(c)所示)當(dāng)板料的應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度后，凸模繼續(xù)下壓，凸、凹模刃口附近產(chǎn)生微裂紋不斷向板料內(nèi)部擴(kuò)展。當(dāng)上下裂紋重合時(shí)，板料便實(shí)現(xiàn)了分離。由于拉斷結(jié)果，斷面上形成一個(gè)粗糙的區(qū)域。凸模繼續(xù)下行，已分離的材料克服摩擦阻力，從板料中推出，完成整個(gè)沖裁過(guò)程。89第2章沖裁圖2.2沖裁時(shí)板料的變形過(guò)程2.1.2沖裁變形區(qū)及受力由上述沖裁變形過(guò)程的分析可知，沖裁過(guò)程的變形是很復(fù)雜的。沖裁變形是在以凸、凹

4、模刃口連線為中心而形成的紡錘形區(qū)域?yàn)樽畲?如圖2.3(a)所示)，即從模具刃口向板料中心變形區(qū)逐步擴(kuò)大。凸模擠入材料一定深度后，變形區(qū)域也同樣按紡錘形區(qū)域來(lái)考慮，但變形區(qū)被此前已變形并加工硬化的區(qū)域所包圍(如圖2.3(b)所示)。其變形性質(zhì)是以塑性剪切變形為主，還伴隨有拉伸、彎曲與橫向擠壓等變形。圖2.3沖裁變形區(qū)1—凸模；2—壓料板；3—板料；4—凹模；5—紡錘形區(qū)域；6－已變形區(qū)無(wú)壓邊裝置的沖裁過(guò)程中板料所受外力如圖2.4所示。其中：P1，P2——凸、凹模對(duì)板料的垂直作用力；P3，P4——凸、凹模對(duì)板料的側(cè)壓力；μP1，μP2——凸、凹模端面與板料間的摩擦力，其方向

5、與間隙大小有關(guān)，一般在間隙合理或偏小的情況下指向模具的刃口；μP3，μP4——凸、凹模側(cè)面與板料間的摩擦力。由圖2.4可知，板料由于受到模具表面的力偶作用而彎曲上翹，使模具表面和板料的接觸面僅局限在刃口附近的狹小區(qū)域，接觸面寬度約為板厚的0.2~0.4倍。且此垂直壓力的分布并不均勻，隨著向模具刃口的逼近而急劇增大。由于沖裁時(shí)板料彎曲的影響，其變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是復(fù)雜的，且與變形過(guò)程有關(guān)。圖2.5為無(wú)壓邊裝置沖裁過(guò)程中塑性變形階段變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，其中：89第2章沖裁圖2.4沖裁時(shí)作用于板料上的力圖2.5沖裁應(yīng)力狀態(tài)圖1—凹模；2—板料；3—凸模A點(diǎn)(凸模側(cè)面)——為板料彎

6、曲與凸模側(cè)壓力引起的徑向壓應(yīng)力，切向應(yīng)力為板料彎曲引起的壓應(yīng)力與側(cè)壓力引起的拉應(yīng)力的合成應(yīng)力，為凸模下壓引起的軸向拉應(yīng)力。B點(diǎn)(凸模端面)——凸模下壓及板料彎曲引起的三向壓應(yīng)力。C點(diǎn)(切割區(qū)中部)——為板料受拉伸而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，為板料受擠壓而產(chǎn)生的壓應(yīng)力。D點(diǎn)(凹模端面)——，分別為板料彎曲引起的徑向拉應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，為凹模擠壓板料產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力。E點(diǎn)(凹模側(cè)面)——，為板料彎曲引起的拉應(yīng)力與凹模側(cè)壓力引起的壓應(yīng)力的合成應(yīng)力，該合成應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力與間隙大小有關(guān)，一般為拉應(yīng)力；為凸模下壓引起的軸向拉應(yīng)力。2.1.3沖裁斷面的4個(gè)特征區(qū)由于沖裁變形的特點(diǎn)，沖裁斷

7、面可明顯分成4個(gè)特征區(qū)，即塌角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺(如圖2.6所示)。塌角帶產(chǎn)生在板料不與凸?；虬寄Ｏ嘟佑|的一面，是由于板料受彎曲、拉伸作用而形成的。材料塑性愈好、凸-凹模之間間隙愈大，形成的塌角也愈大。光亮帶是由于板料塑性剪切變形所形成的。光亮帶表面光潔且垂直于板平面。凸-凹模之間的間隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮帶高度愈高。斷裂帶是由沖裁時(shí)所產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)張形成的。斷裂帶表面粗糙，并帶有3°~6°的斜度。材料塑性愈差、凸-凹模之間間隙愈大則斷裂帶高度愈高，斜度愈大。毛刺的形成是由于板料塑性變形階段后期在凸模和凹模刃口附近產(chǎn)生裂紋