浅谈冲裁工艺与模具设计

刘林林李爽陈锦左广祥

青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛266500

摘要：冲裁是指运用模具沿确定的轮廓外形发生分离的一种工序。冲裁包括冲孔、落料、切口、切边、冲缺、剖切、整修等。其中以冲孔、落料最为普遍。因为冲裁工艺具备高效、便捷的特性，在现实生产过程中，得到了广泛的应用。本文针对冲裁工艺中主要的两大类冲孔和落料以及其相应的模具结构设计进行总结分析，并对将来的发展趋向进行了预测论述。

前言

冲裁工艺在目前的冲压件生产过程中运用广泛，成为冲压生产的主要工艺之一，区别于锻造中的块料成型，冲压主要是针对板料成型，可直接生产成形工件，也可以为弯曲、拉伸成型工艺制备初始毛坯，具有生产效率高、适用于批量生产、生产成本较低的特点。冲裁进程大抵分为三个阶段，即弹性变形阶段、塑性变形阶段、及断裂分离阶段。研究各个阶段的变形特点，对冲裁模具的结构设计密切相关，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁，本文论述的均为普通冲裁，下文有些地方会简称普冲。在冲裁工艺中，冲裁模具的凸凹模间隙对成型工件的质量有很大影响，因此，通过对冲裁工艺过程进行分析，从而可设计出间隙合理的冲裁模，本文将以冲孔落料为研究对象展开分析。

1.冲孔和落料工艺性分析

冲孔是指在最终需要的板料上留下所需要的孔，而冲裁下来的料为废料；落料则指所需要部分的是落下的板料（工件）。两种工序的目的和需求不同，也使得在冲裁模具的选用和设计计算中所选择的参考基准不同。对于冲孔件的基准尺寸选取凸模刃口尺寸，而落料件则选取凹模刃口尺寸作为基准尺寸。凸凹模整体配合尺寸便在其基准尺寸上结合最小间隙值进行计算。

图a.弹性变形阶段图b.塑性变形阶段图c.断裂分离阶段

冲裁进程大致可分为三个阶段，为弹性变形阶段（图a）、塑性变形阶段（图b）、断裂分离阶段（图c）。

在弹性变形阶段，板料受力处在弹性极限范围内，在冲头的冲压力作用下板料产生弯曲、伸长变形，并且在凸凹模与板料接触的地方产生圆角，这时在外力作用下材料微观空间点阵发生一定角度的倾斜，但未产生位错及位错的运动，该种情况下撤掉冲压力后板料变形可完全恢复。在继续施加压力的过程中，板料受压力作用继续下移，在凹模与板料接触的地方首先出现微裂纹，如图中与凹模刃口接触的板料红色线段处即为微裂纹，板料自此开始进入塑性变形阶段，材料内部出现位错，撤去外力后，会存在不可恢复的变形量，随着冲裁过程的继续进行，在凸模刃口与板料接触的地方也开始出现裂纹，如图中蓝色线段部分。板料在外力作用下继续下移，两端出现的裂纹继续拓展延伸，最终裂纹汇合进入断裂分离阶段（图c），所受外力超过材料的强度极限，从而产生材料的分离。

由于冲裁变形三个阶段的变形特点及板料受力特征，使得冲裁出来的工件断面不平整，粗糙且光洁度较低。对断面进行分析，将冲裁断面分为四个特征区，即圆角带、光亮带、断裂带、及毛刺区域。圆角带产生的原因是由于凸模与板料初始接触时产生材料拉伸作用时形成的，圆角带的大小与形状与凸凹模间隙有很大联系。光亮带即为产生塑性变形时凸模侧面与板料接触挤压下移形成的，通常占整个断面的50%-67%左右，是断面质量最好的区域，光亮带所占比例在一定程度上反映了冲裁断面质量；断裂带即为裂纹拓展延伸时材料相对运动产生的撕裂面；毛刺的产生则是由于在冲裁过程中，在刃口处的材料受压应力较大，在静水压力的作用下，刃口刀尖位置的材料塑性得到提升，在拉应力作用下相比其他部分材料断裂之前产生更大的伸长，即产生了毛刺区域，对于落料件毛刺区域常出现在上部，而冲孔件则出现在下部。

2.冲裁模具结构特点分析

凸凹模刃口形状有斜刃口和平刃口，采用平刃口冲裁时与待冲裁件接触面积大，需要接触面的一周同时断裂，需要的力较大；如果采用斜刃就可以以一个切入点逐渐切入材料，进而逐步切断；在顶出方式上有上顶出、下顶出，需要根据冲裁件的尺寸与类型，以及模具的整体结构选用。

在选择模具类型的时候也要根据冲裁件的排样图、所需批量、精度进行选择，不同的模具类型对凸凹模的设计要求也不尽相同，对于单工序模来说四个特征区域的出现及大小与凸凹模的间隙值有很大关系，比如冲裁间隙过小时会造成二次剪切，形成两段光亮带，冲裁间隙过小，会产生二次撕裂，出现两个斜度，降低了冲裁件断面质量。凸凹模间隙值过大或过小也会影响冲裁工件的尺寸精度，如果冲裁间隙过大对于落料件来说会较大的拉伸变形，落下后会有缩小现象，造成尺寸偏小，对应的，冲孔件孔径受拉恢复时会使尺寸偏大，从而对产品质量合格率造成影响。

对整个冲裁过程中的受力进行分析，主要有冲裁力、凸凹模与板料接触处产生的摩擦阻力（所受摩擦阻力均指向刃口方向）等，板料在冲裁时会受到弯矩作用，产生弯曲变形，导致凸模周围板料在弯矩作用下发生翘曲变形，影响工件的平整度，在实际生产中，通常对平整度要求较高的工件，采用带有压边的装置进行冲裁，在选择冲裁模时也选用带有压料功能的模具结构，如带有弹性卸料装置的冲裁模，弹性卸料板则兼具压料功能。

3.冲裁工艺未来发展趋势

随着人们对先进制造业的不断追求，冲裁技术发展至今，在广度和深度上都力求与高新技术相结合，而且随着科技的不断进步，汽车、电子、航空航天等工业的不断发展，冲裁工艺的应用更加广泛，也向模具加工提出了更高的要求。

冲裁技术的发展应满足低成本高质量高精度，为满足这一要求，冲裁工艺的发展趋势如下：

3.1选用更加优质的冲裁材料

在传统工艺加工过程中，冲裁材料以铜及铜合金，铝及铝合金和钢铁为主，现代汽车航空航天等工业发展对材料提出了更高的要求，钛合金，镁合金，复合材料等新材料应运而生。现以汽车工艺为例，高强度钢在汽车结构中占比高达25%，为了使车身减重，力求轻量化，低密度合金受到了人们的广泛关注，镁铝合金等低密度材料如果应用在汽车上，可以使车身减重20%左右。而且自九十年代以来，镁的产量也以每五年增加一倍的速度上升，镁铝合金材料有望成为模具加工的主要材料。

3.2成型技术数字化

随着技术的不断发展，传统成型技术与计算机技术，自动化技术相互渗透融合。近年来模具加工企业加大对成型技术的投资力度，这就要求企业需要不断提高技术培训力度，降低软件对人员的专业要求，以利于成型技术数字化在中小型企业的普及与推广。目前，cad等二维软件已经在模具企业中普遍运用，在国内，华中科技大学，湖南大学等也自主研发了很多具有自助知识产权的模具成型软件。在所有的仿真技术中，计算机辅助过程分析仿真（cae）是一款有限元模拟分析软件，对金属成型的进步具有开拓性意义，未来成型技术势必从cad技术向cae技术普及改进，努力让虚拟制造成为可能。

3.3模具加工系统自动化

自动化加工不仅可以弥补人工识图所耗费的时间与人工操作的不连续性，而且可以大大降低人工成本和人为性的失误率。模具加工系统的自动化不仅需要多台数控机床系统合理组合，并且需要完整的质量检测系统，目前的智能化控制正努力从简单零件成型向复杂覆盖件成型发展，模具加工实现自动化也是冲压技术发展的长远目标

参考文献：

[1]石秀芬.冲压模具的现状及发展趋势[J].机械管理开发，2013，（3）：120-121.

[2]李健.孔冲模设计[D].山东：山东建筑大学，2016.

[3]姜奎华.冲压工艺与模具设计，机械工业出版社.1998