4.2 冲裁工艺

级进模冲裁是利用模具内的凸模和凹模对带料（条料）产生分离的一种冲压工序。从广义上讲，冲裁是分离工序的总称，它包括落料、冲孔、切断、修边、切舌、剖切等多种工序。在多工位级进模里，冲裁主要是指落料和冲孔工序。

落料是指用冲模沿封闭轮廓曲线冲切，冲下部分为零件；

冲孔是指用冲模按封闭轮廓曲线冲切，冲下部分是废料。

多工位级进模冲裁件的工作部分零件与成形模不同，它一般都具有锋利的刃口来对材料进行剪切加工，并且凸模进入凹模的深度较小，以减少刃口磨损。

冲裁在多工位级进模里应用较为广泛，它既可以直接冲出所需形状的成品制件，又可以为其他成形工序制备毛坯，如多工位级进模里有弯曲、拉深、成形等工序，那么先冲出制件要成形的部位。

根据变形机理的不同，冲裁可以分为普通冲裁和精密冲裁两类。

4.2.1 冲裁过程工艺分析

1.冲裁变形过程及剪切区的应力状态

（1）冲裁变形过程 冲裁时板料的变形具有明显的阶段性，由弹性变形过渡到塑性变形，最后产生断裂分离。

1）弹性变形阶段（见图4-1a）。凸模接触板料后开始加压，板料在凸、凹模作用下产生弹性压缩、拉伸、弯曲、挤压等变形。此阶段以材料内的应力达到弹性极限为止。在该阶段，凸模下的材料略呈弯曲状，凹模上的板料向上翘起，凸、凹模之间的间隙越大，则弯曲与翘起的程度也越大。

2）塑性变形阶段（见图4-1b）。随着凸模继续压入板料，压力增加，当材料内的应力状态满足塑性条件时，开始产生塑性变形，进入塑性变形阶段。随凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形抗力不断增大，直到刃口附近侧面的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段结束，此时冲裁变形抗力达到最大值。

3）断裂分离阶段（见图4-1c、d、e）。凸模继续下压，使刃口附近的变形区的应力达到材料的破坏应力，在凹、凸模刃口侧面的变形区先后产生裂纹。已形成的上、下裂纹逐渐扩大，并沿最大切应力方向向材料内层延伸，直至两裂纹相遇，板料被剪断分离，冲裁过程结束。

（2）剪切区的应力状态 根据试验的结果，冲裁时，板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内，如图4-2所示。

图4-1 冲裁变形过程

a）弹性变形阶段 b）塑性变形阶段 c）、d）、e）断裂分离阶段

图4-2 冲裁板料的变形区

a）初始冲裁 b）切入板料 1—变形区 2—已变形区

图4-2a表示初始冲裁时的变形区由刃口向板料中心逐渐扩大，截面呈纺锤形。材料的塑性越好，硬化指数越大，则纺锤形变形区的宽度将越大。

图4-2b表示变形区随着凸模切入板料深度的增加而逐渐缩小，但仍保持纺锤形，其周围已变形的材料被严重加工硬化了。纺锤形内以剪切变形为主，特别是当凸模与凹模的间隙较小时，纺锤形的宽度将减小。但由于冲裁时板料的变形受到材料的性质、凸模与凹模的间隙、模具刃口变钝的程度等因素的影响，不可能只产生剪切变形，还有弯曲变形，而弯曲又将使板料产生受拉与受压两种不同的变形，因此冲裁变形区的应力状态是十分复杂的。图4-3所示为冲裁时板料的应力状态。

图4-3 冲裁时板料的应力状态

A点：位于凸模端面靠近刃口处，受凸模正压力作用，并处于弯曲的内侧，因此受三向压应力作用，为强压应力区。

B点：位于凹模端面靠近刃口处，受凹模正压力作用，并处于弯曲的外侧，因此轴向应力σ_z为压应力，径向应力σρ和切应力σ_θ均为拉应力，但主要是受压应力作用。

C点：位于凸模侧面靠近刃口处，受凸模的拉伸和垂直方向摩擦力的作用，因此轴向应力σ_z为拉应力。径向受凸模侧压力作用并处于弯曲的内侧，因此径向应力σ_ρ为压应力。切向受凸模侧压力作用将引起拉应力，而板料的弯曲又引起压应力。因此切应力σ_θ为合成应力，一般为压应力。

D点：位于凹模刃口侧面靠近刃口处，轴向受凹模侧壁垂直方向摩擦力作用将产生拉应力σ_z。凹模侧压力和板料的弯曲变形导致径向应力σρ和切应力σ_θ均为拉应力，因此D点为强拉应力区。

2.冲裁件断面分析

冲裁件断面可分为明显的四部分：塌角、光面（光亮带）、毛面（断裂带）和毛刺，如图4-4所示。

（1）塌角 塌角也称为圆角带，是由于冲裁过程中刃口附近的材料被牵连拉入变形（弯曲和拉伸）的结果。材料的塑性越好，凸模与凹模的间隙越大，塌角越大。

（2）光面（光亮带） 光面也称为剪切面，是刃口切入板料后产生塑性变形时，凸、凹模侧面与材料挤压形成的光亮垂直的断面。光面是最理想的冲裁断面，冲裁件的尺寸精度就是以光面处的尺寸来衡量的。普通冲裁时，光面的宽度约占板料厚度的1/3～1/2。材料的塑性越好，光面就越宽。

（3）毛面（断裂带） 毛面是由主裂纹贯通而形成的表面十分粗糙且有一定斜度的撕裂面。塑性差的材料撕裂倾向严重，毛面所占比例也大。

（4）毛刺 冲裁毛刺是在刃口附近的侧面上，材料出现微裂纹时形成的。当凸模继续下行时，便使已形成的毛刺拉长并残留在冲裁件上。冲裁间隙越小，毛刺的高度越小。

图4-4 冲裁件断面的状态

a—塌角 b—光面（光亮带） c—毛面（断裂带） d—毛刺

4.2.2 冲裁间隙

冲裁凸模和凹模之间的间隙，不仅对冲裁件的质量有极重要的影响，而且还影响模具寿命、冲裁力、卸料力和推件力等。因此，间隙是冲裁凸模与凹模设计的一个非常重要的参数。

1.间隙对冲裁件质量的影响

冲裁件的质量主要通过切断面质量、尺寸精度和表面平直度来判断。在影响冲裁件质量的诸多因素中，间隙是主要的因素之一。

（1）间隙对断面质量的影响 冲裁件的断面质量主要指塌角的大小、光面（光亮带）约占板厚的比例、毛面（断裂带）的斜角大小及毛刺高度等。

间隙合适时，冲裁时上、下刃口处所产生的剪切裂纹基本重合。这时光面约占板厚的1/3～1/2，切断面的塌角、毛刺和斜度均很小，完全可以满足一般冲裁的要求。

间隙过小时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。上、下裂纹之间的材料随冲裁的进行将被第二次剪切，然后被凸模挤入凹模洞口。这样，在冲裁件的切断面上形成第二个光面，在两个光面之间形成毛面，在端面出现挤长的毛刺。这种挤长毛刺虽比合理间隙时的毛刺高一些，但易去除，而且毛面的斜度和塌角小，冲裁件的翘曲小，所以只要中间撕裂不是很深仍可使用。

间隙过大时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内错开一段距离。材料的弯曲与拉伸增大，拉应力增大，塑性变形阶段较早结束，致使断面光面减小，塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除，同时冲裁件的翘曲现象严重，影响生产的正常进行。

若间隙分布不均匀，则在小间隙的一边形成双光面，大间隙的一边形成很大的塌角及斜度。普通冲裁毛刺的允许高度见表4-3。

表4-3 普通冲裁毛刺的允许高度 （单位：mm）

（2）间隙对尺寸精度的影响 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与公称尺寸的差值，差值越小，则精度越高。从整个冲裁过程来看，影响冲裁件的尺寸精度有两大方面的因素：一是多工位级进模本身的制造偏差；二是冲裁结束后冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。

材料性质直接决定了该材料在冲裁过程中的弹性变形量。对于比较软的材料，弹性变形量较小，冲裁后的弹性回复值也较小，因而冲裁件的精度较高，硬的材料则正好相反。

材料的相对厚度越大，弹性变形量越小，因而冲裁件的精度也越高。

冲裁件尺寸越小，形状越简单，则精度越高。这是由于模具精度易保证，间隙均匀，冲裁件的翘曲小，以及冲裁件的弹性变形绝对量小的缘故。

2.间隙对冲裁力的影响

试验证明，随间隙的增大，冲裁力有一定程度的降低，但当单面间隙介于材料厚度的5%～20%范围内时，冲裁力的降低不超过5%～10%。因此，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不是很大。

间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大，卸料力和推件力都将减小。一般当单面间隙增大到材料厚度的15%～25%时，卸料力几乎降到零。

3.间隙对模具寿命的影响

冲裁模常以刃口磨钝与崩刃的形式失效。凸、凹模磨钝后，其刃口处形成圆角，冲裁件上就会出现不正常的毛刺。凸模刃口磨钝时，在落料件边缘产生毛刺；凹模刃口磨钝时，所冲孔口边缘产生毛刺；凸、凹模刃口均磨钝时，则制件边缘与孔口边缘均产生毛刺。

由于材料的弯曲变形，材料对模具的反作用力主要集中于凸、凹模刃口部分。当间隙过小时，垂直力和侧压力将增大，摩擦力增大，加剧模具刃口的磨损；随后二次剪切产生的金属碎屑又加剧刃口侧面的磨损；冲裁后卸料和推件时，材料与凸、凹模之间的滑动摩擦还将再次造成刃口侧面的磨损，使得刃口侧面的磨损比端面的磨损大。

4.冲裁模间隙值的确定

在多工位级进模中，凸模与凹模间每侧的间隙称为单面间隙，两侧间隙之和称为双面间隙。如无特殊说明，冲裁间隙就是指双面间隙。

（1）间隙值确定原则 从上述的冲裁分析中可看出，找不到一个固定的间隙值能同时满足冲裁件断面质量最佳，尺寸精度最高，翘曲变形最小，模具寿命最长，冲裁力、卸料力、推件力最小等各方面的要求。因此，在冲压实际生产中，主要根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命这几个因素给间隙规定一个范围值。只要间隙在这个范围内，就能得到合格的冲裁件和较长的模具寿命。这个间隙范围就称为合理间隙，合理间隙的最小值称为最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙。设计和制造时，应考虑到冲裁凸、凹模在使用中会因磨损而使间隙增大，故应按最小合理间隙值确定模具间隙。

（2）间隙值确定方法 确定凸、凹模合理间隙的方法有理论法和查表法两种。

1）理论法。用理论法确定合理间隙值，是根据上下裂纹重合的原则进行计算。图4-5所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态，根据图中几何关系可求得合理间隙Z为

式中 t———材料厚度（mm）；

h₀———产生裂纹时凸模挤入材料深度（mm）；

h₀/t———产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度，见表4-4；

β———剪切裂纹与垂线间的夹角，见表4-4。

图4-5 冲裁产生裂纹的瞬时状态

表4-4 h₀/t与β值

由式（4-1）可知，合理间隙Z主要取决于材料厚度t和凸模挤入材料的相对深度h₀/t，然而h₀/t不仅与材料塑性有关，而且还受料厚的综合影响。因此，材料厚度越大、塑性越低的硬脆材料，则所需间隙值Z就越大；料厚越薄、塑性越好的材料，则所需间隙值Z就越小。

2）查表法。由于理论计算法在生产中使用不方便，故常用查表法来确定间隙值。有关间隙值的数值，可在一般冲压手册中查到。对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件，应选用较小间隙值，见表4-5。对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，以提高模具寿命为主，应采用大间隙值，见表4-6、表4-7。

表4-5 较小间隙冲裁模具初始用双面间隙

（续）

注：1.初始间隙的最小值相当于间隙的公称数值。

2.初始间隙的最大值是考虑到凸模和凹模的制造公差所增加的数值。

3.本表适用于电子电器等行业尺寸精度和断面质量要求高的冲裁件。

表4-6 冲裁模初始双面间隙（汽车、拖拉机行业） （单位：mm）

（续）

表4-7 冲裁模初始双面间隙（电器、仪表行业） （单位：mm）

（续）

注：有*处均指无间隙。

按冲裁件尺寸精度、剪切面质量、模具寿命和力能消耗等主要因素，将金属板料冲裁间隙分成五类，即Ⅰ类（小间隙）、Ⅱ类（较小间隙）、Ⅲ类（中等间隙）、Ⅳ类（较大间隙）和V类（大间隙）。

Ⅰ类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求高的场合；Ⅱ类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求较高的场合；Ⅲ类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求一般的场合，因残余应力小，能减小破裂现象，故适用于继续塑性变形的工件的场合；Ⅳ类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求不高的场合，以利于提高冲模寿命；V类冲裁间隙适用于冲裁件剪切面、尺寸精度要求较低的场合。

4.2.3 冲裁凸、凹模刃口尺寸计算

冲裁凸、凹模的刃口尺寸和公差直接影响冲裁件的尺寸精度。合理的间隙值也是靠凸模和凹模刃口的尺寸和公差来保证的，它的确定需考虑到冲裁变形的规律、冲裁件精度要求、模具磨损和制造特点等情况。

1.凸、凹模刃口尺寸计算原则

实践证明，落料件的尺寸接近于凹模刃口的尺寸，而冲孔件的尺寸则接近于凸模刃口的尺寸。在测量与使用中，落料件以大端尺寸为基准，冲孔件以小端尺寸为基准，即落料和冲孔是以光亮带尺寸为基准的。冲裁时，凸模会越磨越小，凹模会越磨越大。考虑以上情况，在决定凸、凹模刃口尺寸及其制造公差时应遵循以下原则：

1）落料时，制件尺寸取决于凹模尺寸；冲孔时，孔的尺寸取决于凸模尺寸，故料带（条料）设计落料时，应以凹模为基准，间隙取在凸模上；在料带（条料）设计冲孔时，应以凸模为基准，间隙取在凹模上。因使用中随着模具的磨损，凸、凹模间隙将越来越大，所以初始设计时，凸、凹模间隙应取最小合理间隙。

2）由于冲裁中凸模、凹模的磨损，故在设计落料时，凹模公称尺寸应取制件尺寸公差范围内的较小尺寸；设计冲孔时，凸模公称尺寸应取制件尺寸公差范围内的较大尺寸。这样，在凸模、凹模受到一定磨损的情况下仍能冲出合格制件。

3）凹、凸模的制造公差主要与冲裁件的精度和形状有关。一般比冲裁件的精度高2～3级。若制件没有标注公差，则对于非圆形件，按国家标准“非配合尺寸的公差数值”的IT14精度处理；对圆形件，可按IT10精度处理。模具精度与冲裁件精度对应关系见表4-8。

表4-8 模具精度与冲裁件精度对应关系

图4-6 冲裁件刃口尺寸与公差位置

a）落料 b）冲孔

4）冲裁件刃口尺寸均按“入体”原则标注，即凹模刃口尺寸偏差标注正值，凸模刃口尺寸偏差标注负值；而对于孔心距，以及不随刃口磨损而变的尺寸，则取为双向偏差。

冲裁件刃口尺寸与公差位置如图4-6所示。

2.凸、凹模刃口尺寸计算

由于多工位级进模的加工和测量方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算方法可分为两类。

（1）凸模与凹模分开加工 这种方法适用于圆形或简单规则形状的冲裁件。为了保证合理的间隙值，其制造公差（凸模制造公差δ，凹模制造公差δ_d）必须满足下列关系：

其取值有以下几种方法：

①按表4-9查取。

②规则形状一般可按凸模IT6、凹模IT7精度查标准公差表选取

③按下式取值：

表4-9 规则形状（圆形、方形）冲裁时凸、凹模制造公差 （单位：mm）

1）冲孔。

2）落料。

3）孔心距。

式中 D_d、D_P———落料凹模与凸模刃口尺寸（mm）；

d_d、d_P———冲孔凹模与凸模刃口尺寸（mm）；

L_min———制件孔距最小极限尺寸（mm）；

D_max———落料件最大极限尺寸（mm）；

d_min———冲孔件最小极限尺寸（mm）；

δ_P、δd———凹模上极限偏差与凸模下极限偏差（mm）；

Δ———冲裁件公差（mm）；

Z_min———凸、凹模最小初始双面间隙（mm）；

x———磨损系数，与制造精度有关，可按表4-10选取，或按下列关系选取：

冲裁件精度IT10以上时 x=1

冲裁件精度IT11～IT13时 x=0.75

冲裁件精度IT14以下时 x=0.5

表4-10 系数x

（2）凸模与凹模配合加工 对于形状复杂或薄材料的制件，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，必须采用配合加工。此方法是先加工其中一件（凸模或凹模）作为基准件，再以它为标准来加工另一件，使它们之间保持一定的间隙。因此，只在基准件上标注尺寸和公差，另一件配模只标注公称尺寸及配作所留的间隙值。这样δ_P、δ_d就不再受间隙的限制。通常可取δ=Δ/4。这种方法不仅容易保证很小的间隙，而且还可放大基准件的制造公差，使制模容易，成本降低。

1）落料。落料时应以凹模为基准模，配制凸模。设图4-7a为某落料凹模刃口形状及尺寸，工作时，凹模磨损后尺寸分变大、变小和不变三种情况。

①凹模磨损后变大的尺寸（如图4-7a中A₁、A₂），可按落料凹模尺寸公式计算。

②凹模磨损后变小的尺寸（如图4-7a中B₁、B₂），相当于冲孔凸模尺寸。

③凹模磨损后不变的尺寸（如图4-7a中C₁、C₂），相当于孔心距。

落料凸模刃口尺寸按凹模尺寸配制，并在图样技术要求中注明“凸模尺寸按凹模实际尺寸配制，保证双面间隙为Z_min～Z_max”。

2）冲孔。冲孔时应以凸模为基准模，配制凹模。设图4-7b为某冲孔凸模刃口形状及尺寸，工作时，凸模磨损后尺寸分变大、变小和不变三种情况。

①凸模磨损后变小的尺寸（如图4-7b中A₁、A₂），可按冲孔凸模尺寸公式计算。

②凸模磨损后变大的尺寸（如图4-7b中B₁、B₂），可按落料凹模尺寸公式计算。

③凸模磨损后不变的尺寸（如图4-7b中C₁、C₂），相当于孔心距。

图4-7 冲裁模刃口尺寸类型

a）落料凹模刃口 b）冲孔凸模刃口

此时，冲孔凹模刃口尺寸按凸模尺寸配制，并在图样技术要求中注明“凹模尺寸按凸模实际尺寸配制，保证双面间隙为Z_min～Z_max”。

例4-1 如图4-8所示某拖拉机用垫圈，材料为Q235，料厚t=2mm，该制件采用多工位级进模进行冲压，试计算凸、凹模刃口尺寸。

解方法一：凸模与凹模分开加工。

查表4-6得：Z_max=0.360mm，Z_min=

0.246mm，Z-Z_min=0.114mm。max

落料部分，δ_d按IT7、δ_P按IT6查标准公差表，得

δ_d=+0.025mm，δ_P=-0.016mm

δ_d+δ_P=0.041mm<Z_max-Zmin

图4-8 垫圈

a）制件图 b）排样图

查表4-10得落料部分x=0.5，落料部分刃口尺寸为

冲孔部分，δ_d按IT7、δ_P按IT6查标准公差表，得

查表4-10得冲孔部分x=0.75，冲孔部分刃口尺寸为

方法二：凸模与凹模配合加工。

落料部分以凹模为基准，且凹模磨损后该处尺寸增大。查表4-10得x=0.5，所以落料凹模刃口尺寸为

落料凸模配制，查表4-6取最小间隙初始为0.246～0.360mm。

冲孔部分以凸模为基准，且凸模磨损后该处尺寸减小。查表4-10得x=0.75，所以冲孔凸模刃口尺寸为

冲孔凹模配制，取最小间隙初始为0.246～0.360mm。

4.2.4 冲裁力及卸料力、推料力、顶料力计算

1.冲裁力

冲裁力是指冲压时材料对凸模的最大抵抗力。冲裁力的大小主要与材料的厚度、力学性能和制件的轮廓长度有关。冲裁力的计算是为了选用合适的压力机、校验模具的强度。

式中 F———冲裁力（N）；

L———冲裁件周边长度（mm）；

t———材料厚度（mm）；

τ———材料抗剪强度（MPa）。

2.卸料力、推料力、顶料力

1）卸料力是将箍在凸模上的材料卸下所需的力，即

2）推料力是将落料件顺着冲裁方向从凹模孔推出所需的力，即

3）顶料力是将落料件逆着冲裁方向顶出凹模孔所需的力，即

式中 k_卸———卸料力系数；

k_推———推料力系数；

k_顶———顶料力系数；

n———凹模孔内存件的个数，n=h/t（h为凹模刃口直壁高度，t为制件厚度）；

F———冲裁力。卸料力、推料力和顶料力系数可查表4-11。

表4-11 卸料力、推料力、顶料力系数

4.2.5 纯冲裁级进模冲压设备的选择

如在多工位级进模冲压过程中同时存在卸料力、推料力和顶料力时，那么总冲压力F_总=F+F_卸+F_推+F_顶，这时所选压力机的吨位须大于F_总约30%。

当F_卸、F_推、F_顶并不与F同时出现时，则计算F_总只加与F同一瞬间出现的力即可。

4.2.6 降低冲裁力的措施

在多工位级进模上降低冲裁力的目的是使较小吨位的压力机能冲裁较大、较厚的制件，常采用阶梯冲裁和斜刃冲裁等方法。

（1）阶梯冲裁 在多凸模的多工位级进模中，将凸模做成不同高度，按阶梯分布，可使各凸模冲裁力的最大值不同时出现，从而降低冲裁力。

阶梯式凸模不仅能降低冲裁力，而且能减少压力机的振动。在直径相差较大、距离又很近的多孔冲裁中，一般将小直径凸模做短些，可以避免小直径凸模因受被冲材料流动产生水平力的作用而产生折断或倾斜的现象。图4-9中H为阶梯凸模高度差，对于薄料，可取长、短凸模高度差H等于料厚；对于t>3mm的厚料，H取料厚的一半即可。

图4-9 阶梯冲裁

图4-10 斜刃冲裁凸模中间部分凹进

（2）斜刃冲裁 用平刃口冲裁时，整个制件周边同时参加冲裁工作，冲裁力较大。采用斜刃冲裁时，模具整个刃口不与制件周边同时接触，而是逐步将材料切离，因此，冲裁力显著降低。

在多工位级进模中一般将冲切外形轮廓废料和冲孔的凸模采用斜刃口，其凹模应为平刃。为防止侧向力的存在，斜刃应当是两面对称的中间部分凹进或凸出一定距离。图4-10所示为凸模中间部分凹进一定距离。