22沖裁變形過程分析

1、2.2 沖裁變形過程分析為正確設(shè)計(jì)沖裁工藝和模具，控制沖裁件質(zhì)量，需認(rèn)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(shí)板料變形區(qū)受力情況分析圖2.2.1所示是無(wú)壓邊裝置的模具對(duì)板料進(jìn)行沖裁時(shí)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(dāng)凸模下降至與板料接觸時(shí)，板料就受到凸、凹模的作用力， 其中：Fi、F2 、凹模對(duì)板料的垂直作用力；F3、F4、凹模對(duì)板料的側(cè)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(guān)，一般從模具刃口指向外； 卩也、uF、凹模側(cè)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(shí)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(gè)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(yán)重。同時(shí)，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(yīng)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(dāng)材料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)便開始進(jìn)入塑性變形階段。凸模擠入板料上部，同時(shí)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(cè)面的材 料由于拉應(yīng)力的作用出現(xiàn)微裂紋時(shí)，塑性變形階段便告終，此時(shí)沖裁變形抗力達(dá)到最大值。由于凸、凹模 間存在有間隙，故在這個(gè)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(cè)面產(chǎn)生，緊接著才在凸模刃口附近的側(cè)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(yīng)力方向不斷向材料內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)上下裂紋重合時(shí)，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(gè)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(diǎn)為沖裁力的最大值，在此點(diǎn)材料開始剪裂， BC段為微裂紋擴(kuò) 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模孔口時(shí)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(zhì)量及其影響因素沖裁件質(zhì)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(yīng) 該保證在圖紙規(guī)定的公差范圍之內(nèi)。零件外形應(yīng)該滿足圖紙要求；表面盡可能平直，即拱彎小。影響零件 質(zhì)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(jié)構(gòu)形式等。1 沖裁件斷面質(zhì)量及其影響因素由于沖裁變形的特點(diǎn)，沖裁件的斷面明顯地分成四個(gè)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(dāng)凸模刃口壓入材料時(shí)，刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長(zhǎng)變形，材料被拉 入間隙的結(jié)果。光亮帶b:該區(qū)域發(fā)生在塑形變形階段，當(dāng)刃口切入材料后，材料與凸、凹模切刃的側(cè)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(yīng)力作用下不斷擴(kuò)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(shí)， 刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應(yīng)力狀態(tài)，使裂紋的起點(diǎn)不會(huì)在刃尖處發(fā)生，而是在模具側(cè)面 距刃尖不遠(yuǎn)的地方發(fā)生，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋加長(zhǎng)，材料斷裂而產(chǎn)生毛刺，？裂紋的產(chǎn)生點(diǎn)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(yīng)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(shí)0.050.080.100.130.15試模時(shí)0.0150.020.030.040.05在四個(gè)特征區(qū)中，光亮帶越寬，斷面質(zhì)量越好。但四個(gè)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(zhì)量的因素有：（1）材料性能的影響材料塑性好，沖裁時(shí)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(shí)，斷裂面上下裂紋是否重合，與凸、凹模間隙值的大小有關(guān)。當(dāng)凸、凹間隙合適時(shí)，凸、凹模刃口附近沿最大切應(yīng)力方向產(chǎn)生的裂紋在沖裁過程中能會(huì)合，此時(shí)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(zhì)量較好（圖2.2.5b）所示。當(dāng)間隙增大時(shí)，材料內(nèi)的拉應(yīng)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(dāng)間隙減小時(shí)，變形區(qū)內(nèi)彎矩小、壓應(yīng)力成分高。由凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進(jìn)入凸模下面的壓應(yīng)力 區(qū)而停止發(fā)展；由凸模刃口附近產(chǎn)生的裂紋進(jìn)入凹模上表面的壓應(yīng)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(dāng)上裂紋壓入凹模時(shí)，受到凹模壁的擠壓，產(chǎn)生第二光亮帶，同 時(shí)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(dāng)間隙過小時(shí)，雖然塌角小、拱彎小，但斷面質(zhì)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(zhǎng)的毛刺。？當(dāng)間隙過大時(shí)，因?yàn)閺澗卮螅瓚?yīng)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(gè)斜角和2，斷面質(zhì)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(zhì)量下降。如圖2.2.5c所示。因此，？模具間隙應(yīng)保持在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。另外，當(dāng)模具裝配間隙調(diào)整得不均勻時(shí)，模具會(huì)出現(xiàn)部分間

10、隙過大和過小的質(zhì)量現(xiàn)象。因 此，模具設(shè)計(jì)、制造與安裝時(shí)必須保證間隙均勻。圖2.2.5間隙對(duì)剪切裂紋與斷面質(zhì)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(duì)沖裁過程中的應(yīng)力狀態(tài)及制件的斷面質(zhì)量有較大影響。當(dāng)刃口磨損成圓角時(shí)，擠壓作用增大，所以制件塌角帶和光亮帶增大。同時(shí)，材料中減少了應(yīng)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(dāng)凸、凹刃口磨鈍后，既使間隙合理也會(huì)在制件產(chǎn)生毛刺，如圖2.2.6所示。當(dāng)凸模刃口磨鈍時(shí)，則會(huì)在落料件上端產(chǎn)生毛刺（圖b）;當(dāng)凹模刃口磨鈍時(shí)，？則會(huì)在沖孔件的

11、孔口下端產(chǎn)生毛刺（圖a）;當(dāng)凸、凹模刃口同時(shí)磨鈍時(shí)，？則沖裁件上、下端都會(huì)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(shí)際尺寸與圖紙上基本尺寸之差。差值越小，精度越高。這個(gè)差值 包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對(duì)于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。沖裁件的尺寸精度與許多因素有關(guān)。如沖模的制造精度、材料性質(zhì)、沖裁間隙等。（1 ）沖模的制造精度沖模的制造精度對(duì)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(dāng)沖裁模具有合理間隙與鋒利刃口時(shí)，其模具制造精度與沖裁件精度的關(guān)系。需要指出的是沖模的精度與沖模結(jié)構(gòu)、加工、裝配等多方面因素

12、有關(guān)。圖2.2.6凸、凹模刃口磨鈍時(shí)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(zhì)材料的性質(zhì)對(duì)該材料在沖裁過程中的彈性變形量有很大影響。對(duì)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(guān)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(fù)，將 使沖裁件尺寸向?qū)嶋H方向收縮。對(duì)于落料件，其尺寸將會(huì)小于凹模尺寸，對(duì)于沖孔件，其尺寸將會(huì)大于凸 模尺寸。但因拱彎的彈性恢復(fù)方向與以上相反，故偏差值是二者的綜合結(jié)果。間隙過小，則板料的沖裁過程中除剪切外還會(huì)受到較大的擠壓作用，沖裁后。材料的彈性恢復(fù)使沖裁 件尺寸向?qū)嶓w的反方向脹大。對(duì)于落料件，其尺寸將會(huì)大于凹模尺寸，對(duì)于沖孔件，其尺寸將會(huì)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(huì)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、