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项目二 冲裁工艺与模具设计
【能力目标】
能够进行一般复杂程度冲裁模的设计
【知识目标】
了解冲裁件的断面特征
能够正确选择冲裁合理间隙
掌握凸、凹模刃口尺寸的计算方法
熟悉降低冲裁力的方法和措施
能够合理的进行冲裁排样
掌握冲裁模的典型结构
掌握冲裁模主要零部件的设计
一、项目引入
本项目以图2-3所示的紫铜板的冲孔模设计为载体，综合训练学生确定冲裁工艺和设计冲裁模具的初步能力。
零件名称：紫铜板
生产批量：5000/年
材料：紫铜（硬）
料厚：5mm
生产零件图：如图2-1所示。
图2-1 紫铜板冲孔
通过本项目的实施，将使学生掌握冲裁的变形过程及其断面特征，掌握冲裁模工作零件尺寸的计算方法并正确确定冲裁的合理间隙；能够正确的进行冲裁工艺的计算，并在学习过项目七之后能够以此为依据进行冲压设备的正确选择；能够根据不同的制件进行冲裁件的排样，并在不同的排样方案中选择最优方案，计算出材料利用率；
学习冲裁件的工艺性分析，判断冲裁件的工艺性紫铜板冲孔
并进行优化改进；学习冲裁模的结构选定以及各组成零部件的设计。
二、相关知识
（一）冲裁概述
冲裁是利用模具使板料沿一定轮廓线产生分离的冲压工序。冲裁时所使用的模具称为冲裁模。
根据变形机理的不同，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁，通常所说的冲裁是普通冲裁。精密冲裁断面较光洁，精度较高，但需专门的精冲设备与模具。本章主要讨论普通冲裁。图2-2所示的模具是冲压一板状零件的冲裁模的典型结构及其各个部分的相互尺寸关系。
图2-2 冲裁模典型结构与模具总体设计尺寸关系图
1一下模座；2、15一销钉；3一凹模；4一套；5一导柱；6一导套；7一上模座；8一卸料板
9一橡胶；10一凸模固定板；11一垫板；12一卸料螺钉；13一凸模；14一模柄；16、17一螺钉
冲裁工艺的种类很多，常用的有切断、落料、冲孔、切边、切口、剖切等，其中落料和冲孔应用最多。落料是沿工件的外形封闭轮廓线冲切，冲下部分为工件。冲孔是沿工件的内形封闭轮廓线冲切，冲下部分为废料。图2-3所示的垫圈即由落料和冲孔两道工序完成，图2-3(a)所示为落料，图2-3 (b)所示冲孔，图2-3(c)所示为最后完成的垫圈产品。
落料与冲孔的变形性质完全相同，但在进行模具设计时，模具尺寸的确定方法不同，因此，工艺上必须作为两个工序加以区分。冲裁工艺是冲压生产的主要方法之一，主要有以下用途：
1.直接冲出成品零件；
2.弯曲、拉深、成形等其它工序备料；
3.对已成形的工件进行再加工（如切边，切舌，拉深件、弯曲件上的冲孔等）。
（二）、 冲裁变形过程及断面特征

1. 冲裁板料的变形过程
   在冲裁过程中，冲裁模的凸、凹模组成上下刃口，在压力机的作用下，凸模逐渐下降，接触被冲压材料并对其加压，使材料发生变形直至产生分离。板料的冲裁是瞬间完成的。当模具间隙正常时，整个冲裁变形分离过程大致可分为三个阶段，如图2-4所示。
   （1）弹性变形阶段(图2-4a)
   当凸模开始接触板料并下压时，凸模与凹模刃口周围的板料产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩、弯曲、拉深等复杂的变形。板料略有挤入凹模洞口的现象。此时，凸模下的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘。间隙越大，弯曲和上翘越严重。随着凸模继续压入，直到材料内的应力达到弹性极限。
   （2）塑性变形阶段(图2-4b)
   当凸模继续下压，材料内的应力达到屈服点，材料进入塑性变形阶段。凸模切入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口。在板料剪切面的边缘由于弯曲拉伸等作用形成形成圆角，同时由于塑性剪切变形在切断面上形成一小段光亮且与板面垂直的直边。随着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。由于凸、凹模间存在间隙，故在这个阶段中板料还伴随着弯曲和拉伸变形。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。
   （3）断裂分离阶段(图2-4c)
   当板料的应力达到强度极限后，凸模继续下压，凹模刃口附近的侧面材料内产生裂纹，紧接着凸模刃口附近的侧面材料产生裂纹。已形成的上下微裂纹随凸模继续压入不断向材料内部扩展，当上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。随后，凸模将分离的材料推人凹模洞口。
   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，除了剪切变形外，还存在拉深、弯曲与横向挤压等变形。所以冲裁件及废料的平面不平整，常有翘曲现象。
2. 冲裁件的断面特征
   在正常冲裁工作条件下，在凸模刃口产生的剪切裂纹与在凹模刃口产生的剪切裂纹是相互汇合的，这时可得到图2-5所示的冲裁件断面，它具有如下四个特征区。
   （1） 塌角（圆角）区
   该区域是由于当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入凸凹模间隙形成的。冲孔工序中，塌角位于孔断面的小端；落料工序中，塌角位于工件断面的大端。板料的塑性越好，凸、凹模之间的间隙越大，形成的塌角也越大。
   （2） 光亮带
   该区域发生在塑性变形阶段。当刃口切入板料后，板料与凸、凹模刃口的侧表面挤压而形成光亮垂直的断面。通常占全断面的1/3～1/2。冲孔工序中，光亮带位于孔断面的小端；落料工序中，光亮带位于零件断面的大端。板料塑性越好，凸、凹模之间的间隙越小，光亮带的宽度越宽。光亮带通常是测量带面，影响着制件的尺寸精度。
   （3） 断裂带
   该区域是在断裂阶段形成。断裂带紧挨着光亮带，是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，断裂带表面粗糙，并带有4°~6°的斜角。在冲孔工序中，断裂位于孔断面的大端；在落料工序中，断裂位于零件断面的小端。凸、凹模之间的间隙越大，断裂带越宽且斜角越大。
   （4）毛刺
   毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺，裂纹的产生点和刃口尖的距离成为毛刺的高度。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。
   影响冲裁件断面质量的因素很多，其中影响最大的是凸、凹模之间的冲裁间隙。在具有合理间隙的冲裁条件下，所得到的冲裁件断面塌角较小，有正常的光亮带，其断裂带虽然粗糙，但比较平坦，斜度较小，毛刺也不明显。
   3.冲裁件的尺寸精度
   冲裁件的尺寸精度，是指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。差值越小，精度越高。这个差值包括两方面的偏差：一是模具本身的制造偏差，二是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差。
   冲裁件的尺寸精度与许多因素有关，如冲模的制造精度、冲裁间隙、材料性质等，其中主要因素是冲裁间隙。
   （1）冲模的制造精度
   冲模的制造精度对冲裁件尺寸精度有直接影响。冲模的精度愈高，在其它条件相同时，冲裁件的精度也愈高。一般情况下，冲模的制造精度要比冲裁见的精度高2～4个精度等级。表2-1所示当冲裁模具有合理间隙与锋利刃口时，其模具制造精度与冲裁件精度的关系。
   表2-1 冲裁件的精度
   （2)冲裁间隙
   当间隙过大时，板料在冲裁过程中除受剪切外还产生较大的拉伸与弯曲变形，冲裁后材料弹性恢复使冲裁件尺寸向实际方向收缩。对于落料件，其尺寸将会小于凹模尺寸，对于冲孔件，其尺寸将会大于凸模尺寸。
   当间隙过小，则板料的冲裁过程中除剪切外还会受到较大的挤压作用，冲裁后，材料的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体的反方向胀大。对于落料件，其尺寸将会大于凹模尺寸；对于冲孔件，其尺寸将会小于凸模尺寸。
   当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离，使落料件的尺寸等于凹模尺寸，冲孔件尺寸等于凸模的尺寸。
   （3）材料的性质
   材料的性质对材料在冲裁过程中的弹性变形量有很大影响。软钢的弹性变形量较小，冲裁后的回弹值也较小，因而零件精度高。而硬钢情况正好与此相反。
3. 冲裁件的形状误差
   冲裁件的形状误差是指翘曲、扭曲、变形等缺陷。间隙过大容易引起翘曲（穹弯）；材料的不平、间隙不均匀、凹模后角对材料摩擦不均匀会产生扭曲缺陷；坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因会因胀形而产生变形。
   影响冲裁件形状误差的主要因素是刃口间隙。研究表明，间隙对冲裁件穹弯影响的一般规律为：小间隙时，穹弯较大；间隙为（5%～15%）t时穹弯较小；随着间隙的增大穹弯又增大，使冲裁件的平直度降低。
   （三）、冲裁间隙
   冲裁模凸、凹模刃口部分尺寸之差称为

各位师傅觉得这个方案怎么样？有更好的做法吗？