22沖裁變形過程分析

1、2.2 沖裁變形過程分析為正確設計沖裁工藝和模具，控制沖裁件質量，需認真分析沖裁變形過程， 了解和掌握沖裁變形規(guī)律。2.2.1 沖裁變形時板料變形區(qū)受力情況分析圖2.2.1所示是無壓邊裝置的模具對板料進行沖裁時的情形。凸模1與凹模2都具有與制件輪廓一樣 形狀的鋒利刃口，凸凹模之間存在一定間隙。當凸模下降至與板料接觸時，板料就受到凸、凹模的作用力， 其中：Fi、F2 、凹模對板料的垂直作用力；F3、F4、凹模對板料的側壓力； F、uF、凹模端面與板料間的摩擦力，其方向與間隙大小有關，一般從模具刃口指向外； 卩也、uF、凹模側面與板料間的摩擦力。從圖中可看出，因凸、凹模之間存在間隙，F(xiàn)i、F2不在

2、同一垂直線上， 故板料受到彎矩 MRZ/2作 用，由于M使板料彎曲并從模具表面上翹起，使模具表面和板料的接觸面僅限在刃口附近的狹小區(qū)域，其接觸面寬度約為板厚的 0.20.4。接觸面間相互作用的垂直壓力并不均勻，？隨著向模具刃口的逼近而急劇增大。圖2.2.1沖裁時作用于板料上的力1-凸模2-板材3-凹模2.2.2 沖裁變形過程圖2.2.2所示沖裁變形過程。如果模具間隙正常，沖裁變形過程大致可分為如下三個階段。1 .彈性變形階段（圖2.2.2 I ）在凸模壓力下，材料產(chǎn)生彈性壓縮、拉伸和彎曲變形，凹模上的板料則向上翹曲，間隙越大，彎曲和 上翹越嚴重。同時，凸模稍許擠入板料上部，板料的下部則略擠入凹

3、模洞口，但材料內(nèi)的應力未超過材料 的彈性極限。2 塑性變形階段（圖2.2.2 H ）因板料發(fā)生彎曲，凸模沿寬度為b的環(huán)形帶繼續(xù)加壓，當材料內(nèi)的應力達到屈服強度時便開始進入塑性變形階段。凸模擠入板料上部，同時板料下部擠入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。隨凸模擠入板料 深度的增大，塑性變形程度增大，變形區(qū)材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，直到刃口附近側面的材 料由于拉應力的作用出現(xiàn)微裂紋時，塑性變形階段便告終，此時沖裁變形抗力達到最大值。由于凸、凹模 間存在有間隙，故在這個階段中板料還伴隨著彎曲和拉伸變形。間隙越大，彎曲和拉伸變形也越大。3.斷裂分離階段（圖2.2.2川、W、V ）材料內(nèi)裂紋首先

4、在凹模刃口附近的側面產(chǎn)生，緊接著才在凸模刃口附近的側面產(chǎn)生。已形成的上下微裂紋隨凸模繼續(xù)壓入沿最大切應力方向不斷向材料內(nèi)部擴展，當上下裂紋重合時，板料便被剪斷分離。隨 后，凸模將分離的材料推入凹模洞口。從圖223所示沖裁力一一凸模行程曲線可明顯看出沖裁變形過程的三個階段。圖中 0A段是沖裁的 彈性變形階段；AB段是塑性變形階段，B點為沖裁力的最大值，在此點材料開始剪裂， BC段為微裂紋擴 展直至材料分離的斷裂階段， CD段主要是用于克服摩擦力將沖件推出凹?？卓跁r所需的力。圖2.2.2沖裁變形過程圖2.2.3 沖裁力曲線42.2.3 沖裁件質量及其影響因素沖裁件質量是指斷面狀況、尺寸精度和形狀誤

5、差。斷面狀況盡可能垂直、光潔、毛刺小。尺寸精度應 該保證在圖紙規(guī)定的公差范圍之內(nèi)。零件外形應該滿足圖紙要求；表面盡可能平直，即拱彎小。影響零件 質量的因素有：材料性能、間隙大小及均勻性、刃口鋒利程度、模具精度以及模具結構形式等。1 沖裁件斷面質量及其影響因素由于沖裁變形的特點，沖裁件的斷面明顯地分成四個特征區(qū)，即圓角帶a、光亮帶b、斷裂帶c與毛刺區(qū)d，如圖2.2.4所示。圓角帶a：該區(qū)域的形成是當凸模刃口壓入材料時，刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長變形，材料被拉 入間隙的結果。光亮帶b:該區(qū)域發(fā)生在塑形變形階段，當刃口切入材料后，材料與凸、凹模切刃的側表面擠壓而形 成的光亮垂直的斷面。通常占全斷面

6、的1/21/3。斷裂帶c：該區(qū)域是在斷裂階段形成。是由刃口附近的微裂紋在拉應力作用下不斷擴展而形成的撕裂 面，其斷面粗糙，具有金屬本色，且略帶有斜度。毛刺區(qū)d:毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度時， 刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應力狀態(tài)，使裂紋的起點不會在刃尖處發(fā)生，而是在模具側面 距刃尖不遠的地方發(fā)生，在拉應力的作用下，裂紋加長，材料斷裂而產(chǎn)生毛刺，？裂紋的產(chǎn)生點和刃口尖的距離成為毛刺的高度。在普通沖裁中毛刺是不可避免的，普通沖裁允許的毛刺高度見表2.2.1。圖2.2.4沖裁區(qū)應力、變形和沖裁件正常的斷面狀況a）沖孔件b）落料件表工工1普通沖

7、裁毛剌的允許高度料厚t/mm0.3>0.3-0.5>0.5-1.0>1.0-1.5>1.5-2生產(chǎn)時0.050.080.100.130.15試模時0.0150.020.030.040.05在四個特征區(qū)中，光亮帶越寬，斷面質量越好。但四個特征區(qū)域的大小和斷面上所占的比例大小并非 一成不變，而是隨著材料性能、模具間隙、刃口狀態(tài)等條件的不同而變化。影響斷面質量的因素有：（1）材料性能的影響材料塑性好，沖裁時裂紋出現(xiàn)得較遲，材料被剪切的深度較大，所得斷面光亮帶所占的比例就大，圓角也大。而塑性差的材料，容易拉斷，材料被剪切不久就出現(xiàn)裂紋，使斷面光亮帶 所占的比例小，圓角小，大部分

8、是粗糙的斷裂面。（2）模具間隙的影響沖裁時，斷裂面上下裂紋是否重合，與凸、凹模間隙值的大小有關。當凸、凹間隙合適時，凸、凹模刃口附近沿最大切應力方向產(chǎn)生的裂紋在沖裁過程中能會合，此時盡管斷面與材料 表面不垂直，但還是比較平直、光滑、毛刺較小，制件的斷面質量較好（圖2.2.5b）所示。當間隙增大時，材料內(nèi)的拉應力增大，使得拉伸斷裂發(fā)生早，于是斷裂帶變寬；光亮帶變窄；彎曲變 形增大，因而塌角和拱彎也增大。當間隙減小時，變形區(qū)內(nèi)彎矩小、壓應力成分高。由凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進入凸模下面的壓應力 區(qū)而停止發(fā)展；由凸模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進入凹模上表面的壓應力區(qū)也停止發(fā)展。上、下裂紋不重合。 在兩條裂紋之

9、間的材料將被第二次剪切。當上裂紋壓入凹模時，受到凹模壁的擠壓，產(chǎn)生第二光亮帶，同 時部分材料被擠出，在表面形成薄而高的毛刺（圖2.2.5a）所示。當間隙過小時，雖然塌角小、拱彎小，但斷面質量也有缺陷。如斷面中部出現(xiàn)夾層，兩頭呈光亮帶， 在端面有擠長的毛刺。？當間隙過大時，因為彎矩大，拉應力成分高，材料在凸、凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋也不重合。分離后 產(chǎn)生的斷裂層斜度增大，制件的斷面出現(xiàn)二個斜角和2，斷面質量也不理想。而且，由于塌角大、拱彎大、光亮帶小、毛刺又高又厚，沖裁件質量下降。如圖2.2.5c所示。因此，？模具間隙應保持在一個合理的范圍之內(nèi)。另外，當模具裝配間隙調(diào)整得不均勻時，模具會出現(xiàn)部分間

10、隙過大和過小的質量現(xiàn)象。因 此，模具設計、制造與安裝時必須保證間隙均勻。圖2.2.5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（3）模具刃口狀態(tài)的影響模具刃口狀態(tài)對沖裁過程中的應力狀態(tài)及制件的斷面質量有較大影響。當刃口磨損成圓角時，擠壓作用增大，所以制件塌角帶和光亮帶增大。同時，材料中減少了應力集中現(xiàn)象而 增大了變形區(qū)域，產(chǎn)生的裂紋偏離刃口，凸、凹模間金屬在剪裂前有很大的拉伸，這就使沖裁斷面上產(chǎn)生 明顯的毛刺。當凸、凹刃口磨鈍后，既使間隙合理也會在制件產(chǎn)生毛刺，如圖2.2.6所示。當凸模刃口磨鈍時，則會在落料件上端產(chǎn)生毛刺（圖b）;當凹模刃口磨鈍時，？則會在沖孔件的

11、孔口下端產(chǎn)生毛刺（圖a）;當凸、凹模刃口同時磨鈍時，？則沖裁件上、下端都會產(chǎn)生毛刺（圖c）。2.沖裁件尺寸精度及其影響因素沖裁件的尺寸精度，是指沖裁件的實際尺寸與圖紙上基本尺寸之差。差值越小，精度越高。這個差值 包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對于凸?；虬寄３叽绲钠睿悄＞弑旧淼闹圃炱?。沖裁件的尺寸精度與許多因素有關。如沖模的制造精度、材料性質、沖裁間隙等。（1 ）沖模的制造精度沖模的制造精度對沖裁件尺寸精度有直接影響。沖模的精度愈高，沖裁件的精度亦愈高。表222所示當沖裁模具有合理間隙與鋒利刃口時，其模具制造精度與沖裁件精度的關系。需要指出的是沖模的精度與沖模結構、加工、裝配等多方面因素

12、有關。圖2.2.6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（2）材料的性質材料的性質對該材料在沖裁過程中的彈性變形量有很大影響。對于比較軟的材料，彈性變形量較小，沖裁后的回彈值亦少，因而零件精度高。而硬的材料，情況正好與此相反。表二沖模制造糯度與沖載件蒂度之間的關系間隙過大，板料在沖裁過程中除受剪切外還產(chǎn)生較大的拉伸與彎曲變形，沖裁后因材料彈性恢復，將 使沖裁件尺寸向實際方向收縮。對于落料件，其尺寸將會小于凹模尺寸，對于沖孔件，其尺寸將會大于凸 模尺寸。但因拱彎的彈性恢復方向與以上相反，故偏差值是二者的綜合結果。間隙過小，則板料的沖裁過程中除剪切外還會受到較大的擠壓作用，沖裁后。材料的彈性恢復使沖裁 件尺寸向實體的反方向脹大。對于落料件，其尺寸將會大于凹模尺寸，對于沖孔件，其尺寸將會小于凸模 尺寸。3 .沖裁件形狀誤差及其影響因素沖裁件的形狀誤差是指翹曲、扭曲、變形等缺陷。沖裁件呈曲面不平現(xiàn)象稱之為翹曲。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(chǎn)生翹曲。 沖裁件呈扭歪現(xiàn)象稱之為扭曲。它是由于材料的不平、 間隙不均勻、