《沖壓工藝與模具設計》課件第3章

第3章沖裁工藝3.1沖裁變形分析3.2沖裁件質量的分析3.3沖裁間隙3.4沖裁各工藝力的計算3.5沖裁模刃口尺寸的計算3.6沖裁件的排樣設計

沖裁是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產生分離的一種沖壓工序，如圖3.1所示。它包括落料、沖孔、切口、切邊、剖切、整修、精密沖裁等，但通常是指落料和沖孔工序。沖裁后若封閉曲線以內的部分為零件，則稱為落料；沖裁若封閉曲線以外的部分為零件，則稱為沖孔。如圖3.2所示的墊圈即是由落料和沖孔兩道工序共同完成的。圖3.1沖裁加工示意圖圖3.2落料件與沖孔件

沖裁工藝是沖壓生產的主要工藝方法之一，在沖壓加工中應用極廣，它既可以直接沖制成品零件，又可為彎曲、拉深和成形等工序制備毛坯。如圖3.3所示的桑塔納汽車儀表盤極板、極環(huán)即是由沖裁直接得到的。圖3.3桑塔納汽車儀表盤極板和極環(huán)

3.1沖裁變形分析

3.1.1沖裁變形過程

從凸模接觸板料到板料被一分為二的過程即為板料的沖裁變形過程，這個過程是瞬間完成的，在間隙正常、凸模及

凹刃口鋒利情況下，沖裁變形過程可分為三個階段，如圖3.4所示。圖3.4沖裁變形過程

1．彈性變形階段(圖3.4(a))

在凸模壓力的作用下，板料受到彈性剪切和擠壓作用，板料被稍微擠入凹模洞孔內，在與凸、凹模接觸處形成很小的圓角。由于凸、凹模之間存在間隙，板料同時受到彎曲和拉伸作用，凸模下端面的板料產生彎曲，凹模端面的板料向上翹曲(穹彎)。間隙越大，彎曲和翹曲越嚴重。隨著凸、凹模刃口壓入板料，刃口處的材料所受到的應力逐漸增大，直至達到板料的彈性極限，但未超過板料的屈服應力。此時，若使凸?；厣?，板料即可恢復原狀。

2．塑性變形階段(圖3.4(b))

凸模繼續(xù)下壓，由于板料翹曲，凸模、凹模與板料僅在刃口處接觸，此時刃口處將會產生應力集中，此處的材料應力產生達到屈服極限，塑性變形便從刃口附近的材料表面處開始。凸模擠入板料上部，同時板料下部擠入凹模洞孔，在對應凸、凹模刃口的板料上、下表面處形成圓角(或塌角)，同時形成一個與板料表面垂直的、環(huán)形的、光亮的塑性剪切面。隨著凸模擠入板料深度的增大，塑性變形區(qū)由刃口附近的材料表面向材料深度發(fā)展、擴大，直到在板料的整個厚度方向上產生塑性變形，塑性變形程度增大，同時加工硬化加劇，變形抗力不斷上升，應力也隨之增加，直至刃口附近處的材料達到極限應力值而出現(xiàn)裂紋時，塑性變形階段便告結束，此時沖裁力達到最大值。

3.斷裂分離階段(圖3.4(c)和圖3.4(d))

材料內裂紋的起點是在凸、凹模刃口側面距刃尖很近的材料處，裂紋在凹模一側開始產生，然后才在凸模刃口側面產生。隨著凸模繼續(xù)下壓，在拉應力的作用下，已產生的上、下裂紋沿最大剪應力方向不斷向材料內部擴展(圖3.4(c))。當間隙合理時，上、下裂紋擴展相遇，材料被切斷分離(圖3.4(d))。隨后，凸模將分離的材料推入凹模洞孔內。3.1.2沖裁力－行程曲線

沖裁變形過程中沖裁力與凸模行程關系曲線如圖3.5所示。

圖中OA段對應沖裁的彈性變形階段，近似直線上升。凸模開始接觸材料時，由于板料翹曲等原因，沖裁力增加相對緩慢，之后便迅速上升。AB段對應塑性變形階段：模具切刃一旦擠入材料，由于加工硬化，沖裁力上升，但同時由于材料的幾何軟化(即厚度方向上的承載面積在減小，抵抗變形的能力在下降)，沖裁力的上升速度有所緩慢。當加工硬化與幾何軟化作用影響相當時，沖裁力便達到最大值，在此點(B點)材料開始出現(xiàn)裂紋。BC段對應于裂紋擴展直至板料斷裂階段，幾何軟化超過了加工硬化的影響，于是沖裁力下降。CD段主要是用于克服摩擦力將工件推入凹模洞孔時所需要的力。圖3.5沖裁力-行程曲線3.1.3沖裁過程受力分析

圖3.6是無壓邊裝置沖裁時板料的受力圖。從圖中可以看出，沖裁過程中板料主要受到四對力的作用，它們分別是：圖3.6沖裁過程板料受力情況分析

(1)剪切力Fp與Fd：凸、凹模端面對板料施加的垂直壓力，使作用力點(凸、凹模刃口處)間的板料產生剪切變形，并使對著刃口處的板料形成圓角。由于凸、凹模之間存在間隙Z/2，F(xiàn)p與Fd不在同一垂直線上，故板料受到彎矩M?≈?FpZ/2而翹曲，使模具表面與板料的接觸面僅限制在刃口附近的狹小區(qū)域，其接觸寬度約為板厚的0.2～0.4倍。剪切力Fp與Fd在接觸面上呈不均勻分布，隨著向刃尖靠近而急劇增大。

(2)橫向側壓力Pp與Pd：板料因翹曲而擠壓凸、凹模側面，因受模具的橫向反作用力，材料受橫向擠壓變形而形成光亮帶。橫向側壓力Pp與Pd在接觸面上也呈不均勻分布，隨著向刃尖靠近而增大。

(3)端面摩擦力μFp與μFd：凸、凹模端面與板料間的摩擦力，其方向與間隙大小有關，一般是指向刃尖。

(4)側壁摩擦力μPp與μPd：凸、凹模側壁與板料之間的摩擦力，其方向是指向刃尖。上述摩擦力的值較小，因此對沖裁變形過程的影響也較小，但可以造成模具刃口的磨損。

由以上分析可知，由于有間隙存在，因此在沖裁時材料將會受到垂直方向壓力(剪切力)、橫向側壓力、摩擦力、彎矩和拉力的作用，變形不是純剪切過程，除產生剪切變形外，還伴隨著彎曲、拉伸、擠壓等。間隙越大，彎曲和拉伸變形也越大，而擠壓變形卻越小。3.1.4沖裁斷面的特征

由于沖裁變形的上述特點，沖裁件的斷面具有明顯的四個區(qū)域特征，如圖3.7所示。

(1)圓角帶a：又稱塌角，凸模刃口剛切入材料時，刃口附近的材料被牽連拉入間隙、產生彎曲和伸長變形的結果。

(2)光亮帶b：光亮、垂直的斷面，通常占整個斷面的1/2～1/3。該區(qū)域在塑性變形階段形成，由于凸模壓入材料，材料受到凸、凹模側面的強烈擠壓和摩擦所致。

(3)斷裂帶c：表面粗糙且?guī)в绣F度的部分。該區(qū)域在斷裂分離階段形成，是由于刃口附近的微裂紋在拉應力的作用下不斷擴展而形成的撕裂面。

(4)毛刺d：在斷裂帶周邊上形成的不規(guī)則的撕裂毛邊。它是由于微裂紋的起點在模具側面距刃尖不遠處發(fā)生而產生的。若凸模繼續(xù)下行，則將使已形成的毛刺拉長并殘留在沖裁件上。圖3.7沖裁件斷面的四個區(qū)域特征斷裂帶與毛刺的形成過程如下(圖3.8)：當刃尖附近材料達到極限應力與應變時，材料便開始產生裂紋。由于凸、凹模端面的靜水壓力比側面的高，裂紋起點不在刃尖，而是在距刃尖很近的刃口側面A、E點處產生。顯然，裂紋產生的同時也就形成了毛刺，當凸模繼續(xù)下壓時，毛刺將會逐漸被拉長。因為裂紋是在刃口側面開始產生，所以在普通沖裁時，毛刺的產生是不可避免的。圖3.8毛刺的形成過程

3.2沖裁件質量的分析

沖裁件質量主要是指斷面質量、尺寸精度及形狀誤差三個方面。沖裁件質量好的標志：斷面應盡可能垂直光滑、光潔，尺寸精度及零件外形應滿足圖紙要求，毛刺小，表面盡可能平整，即拱彎小。如圖3.9所示。圖3.9沖裁件斷面形狀3.2.1沖裁件斷面質量

沖裁件斷面應平直、光滑、無裂紋、無撕裂、無夾層和無毛刺等缺陷。在沖裁斷面的四個特征區(qū)中，光亮帶越寬，斷裂帶越窄，圓角及毛刺越小，沖裁件的質量就越好。影響斷面質量的因素主要有沖裁間隙、材料力學性能、模具刃口狀態(tài)等，其中影響最大的是沖裁間隙，這將在3.3.1節(jié)中詳細論述。

1．材料力學性能

塑性好的材料，沖裁時裂紋出現(xiàn)得較遲，材料被塑性剪切的深度較大，光亮帶所占的比例較大，圓角、毛刺和穹彎也較大，斷裂帶則窄一些；而塑性差的材料，容易被拉斷，材料被塑性剪切不久便會出現(xiàn)裂紋，使光亮帶所占比例大、圓角所占比例小，并且大部分是粗糙的斷裂面。

2．模具刃口狀態(tài)

模具刃口越鋒利則拉力越集中。當模具刃口變鈍出現(xiàn)圓角時，不能很好地使材料分離，刃口與材料的接觸面積增加，應力集口效應減輕，擠壓作用增強，延緩了裂紋的產生，光亮帶寬、圓角與斷裂帶增大，但裂紋發(fā)生點由刃口側面向上移動，毛刺高度加大，如圖3.10所示。當凸模磨鈍后，會在落料件上端產生毛刺(圖3.10(a))；當凹模磨鈍后，會在沖孔件的孔口下端產生毛刺(圖3.10(b))；當凸、凹模同時磨鈍時，沖裁件上、下端面都會產生毛刺(圖3.10(c))。圖3.10模具磨損時毛刺的形成情況另外，由于長期受到振動沖擊而使凸模與凹模中心線發(fā)生變化，軸線不重合致使凸模與凹模之間的間隙不均勻，在間隙大的一側毛刺會增大。

3．模具和設備情況

若模具導向裝置(圖1.2中的導柱、導套)具有較高的精度，壓力機滑塊導向精確可靠，則可保證沖裁時間隙合理，沖裁件斷面質量好。

關于沖裁間隙對沖裁件質量的影響，將會在3.3.1節(jié)中講述。3.2.2沖裁件尺寸精度

沖裁件尺寸精度是指沖裁件實際尺寸與設計要求的基本尺寸的差值，差值越小，表明沖裁件精度越高。這個差值包括兩方面的偏差：一是由模具本身的制造、磨損引起的偏差；二是沖裁件相對于凸、凹模尺寸的偏差。后者是由于沖裁時模具和沖裁件的彈性變形引起的。

1．模具的制造精度

如圖3.11所示，由于凸、凹模之間存在間隙，因此無論是沖孔件還是落料件，其斷面均帶有錐度。而在沖裁件尺寸的測量和使用中，都是以光亮帶的尺寸為準。落料件的光亮帶處于大端尺寸，是因凹模刃口擠切材料產生的；而沖孔件的光亮帶處于小端尺寸，是由凸模刃口擠切材料產生的。

落料件的大端(光面)尺寸等于凹模尺寸，沖孔件的小端(光面)尺寸等于凸模尺寸。即

沖孔件：沖孔尺寸?=?凸模尺寸dp

落料件：落料尺寸?=?凹模尺寸Dd圖3.11刃口尺寸與沖壓件尺寸的關系沖裁模具制造精度越高，沖壓件的精度也越高。刃口的尺寸及公差必須根據(jù)零件的尺寸及公差來決定，一般模具精度要比零件精度高2～4級。模具精度與沖裁件精度的關系如表3-1所示。

2．模具的磨損和彈性變形

模具的磨損和彈性變形對沖裁件的尺寸精度有影響，而且會影響到沖裁間隙及材料的應力狀態(tài)。

對于薄板沖裁模，由于模具受到的沖擊載荷不大，在正常的使用過程中，模具因摩擦產生的刃口磨損是主要的失效形式。磨損過程可分為初期磨損、正常磨損和急劇磨損三個階段，如圖3.12所示。圖3.12沖裁件尺寸與沖裁次數(shù)的關系

(1)初期磨損階段：模具刃口與板料相碰時接觸面積很小，致使刃口的單位壓力很大，造成了刃口端面的塑性變形，一般稱為塌陷磨損。磨損集中在刃尖處，由于此處有應力集中，故磨損較快。

(2)正常磨損階段(或稱為穩(wěn)定磨損)：當初期磨損達到一定程度后，刃口部位的單位壓力會逐漸減輕，同時刃口表面因應力集中產生應變硬化，刃尖略呈圓角。這時，刃口和被加工坯料之間的摩擦磨損成為主要磨損形式。刃尖略呈圓角，使應力集中有所緩和，進入長期穩(wěn)定的正常磨損階段，該階段時間越長，說明其耐磨性能越好。

(3)急劇磨損階段(或稱為過度磨損)：刃口經長期工作以后，經受了頻繁沖壓會產生疲勞磨損，表面出現(xiàn)了損壞剝落。此時進入了急劇磨損階段，磨損加劇，刃口呈現(xiàn)疲勞破壞，模具已無法正常工作。在使用模具時，必須控制在正常磨損階段以內，當出現(xiàn)急劇磨損時，要立即刃磨修復。

對于厚板沖裁模，由于凸、凹模受到的作用力增大，在過大應力的作用下，不僅會產生磨損，而且可能造成刃口變形、疲勞崩刃等現(xiàn)象。當沖裁凸模較細長時，還會引起彎曲變形或折斷，如圖3.13所示。圖3.13凸模斷裂和塑性變形

3．沖裁件的彈性變形

沖裁后板料的擠壓、拉深、穹彎變形都會產生彈性恢復，使沖孔件、落料件與模具尺寸不會完全相等。詳細內容參見3.3.1節(jié)。

材料性能對沖裁過程中的彈性變形量有很大的影響，如軟鋼的彈性變形量小，沖裁后的回彈量小，因而沖裁件的精度較高，硬鋼則相反。板料軋制造成各向異性(各方向回彈不同)，使各向偏差值不同。

4．沖裁件的形狀及尺寸

沖裁件的形狀越簡單，其精度越高。沖裁件的厚度大，因穹彎小，彈性變形量小，所以精度高。若沖裁件小，則相對誤差大，絕對誤差??；若沖裁件大，則精度易保證，相對誤差小，絕對誤差大。

此外，工藝過程(如操作的偶然因素造成定位不準)、模具結構形式對沖裁件精度也有影響。

3.2.3沖裁件的形狀誤差

沖裁件的形狀誤差是指變形、翹曲、扭曲等缺陷。沖裁件的變形是由于坯料的邊緣沖孔與孔距太小等原因，因脹形而產生的，如圖3.14(b)所示。沖裁件呈曲面不平現(xiàn)象稱之為翹曲，如圖3.14(c)所示。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生翹曲。沖裁件呈扭彎曲現(xiàn)象稱為扭曲，如圖3.14(d)所示，它是由于材料的不平、間隙不均勻等對材料摩擦不均勻等原因而造成的。圖3.14沖裁件的變形、翹曲、扭曲現(xiàn)象3.2.4沖裁件的毛刺

在正常沖裁時允許的毛刺高度如表3-2所示。若沖裁過程不正常，毛刺會明顯增大，影響工件的正常使用。影響毛刺大小的主要因素有沖裁間隙和模具刃口狀態(tài)等。

1．沖裁間隙

間隙過小，部分材料被擠出材料表面形成高而薄的毛刺；間隙過大，材料易被拉入間隙中，形成拉長的毛刺。

2．模具刃口鋒利程度

模具刃口越鋒利，則拉力越集中，毛刺越少。若落料凹模形孔有倒錐，則當落料件從凹?？淄ㄟ^時，工件邊緣將被拉出毛刺。當沖模工作部分由于長期磨損而出現(xiàn)毛刺時，就不能起到很好的材料分離作用，整個斷面因斷裂而不規(guī)則，產生較大的毛刺。刃口磨損后，壓縮力增大，容易形成根部很厚的大毛刺，尤其是在落料時的凸模刃口及沖孔時的凹模刃口不鋒利時所產生的毛刺更為嚴重，如圖3.8所示。

3．模具使用時的振動

凸模與凹模由于長期受振動沖擊而使中心線發(fā)生變化，軸線不重合則易產生單邊毛刺。

3.3沖裁間隙

沖裁間隙是指沖裁模的凹模刃口橫向尺寸與凸模刃口橫向尺寸的差值，如圖3.15所示。常用Z表示沖裁雙邊間隙，單邊間隙用Z/2表示。如無特殊說明，沖裁間隙就是指雙邊間隙。Z可為正值，也可為負值，但在普通沖裁中均為正值。

對于圓形沖裁凸、凹模，雙邊間隙為：Z=Dd－Dp。式中：Dd為沖裁模凹模洞口直徑，mm；Dp為沖裁模凸模直徑，mm。圖3.15沖裁間隙圖

3.3.1間隙對沖裁件質量的影響

沖裁間隙直接影響到沖裁時的彎曲、拉伸、擠壓等附加變形的大小，因此其對沖裁件質量、沖裁力大小、模具壽命等有很大的影響。沖裁間隙是沖裁工藝及模具設計中一個主要的工藝參數(shù)。

1．間隙對沖裁件斷面質量的影響

由3.2.1節(jié)內容可知，影響斷面質量的主要因素有沖裁間隙、材料力學性能、模具刃口狀態(tài)、模具和設備的情況等，其中沖裁間隙是影響斷面質量的主要因素。提高斷面質量的關鍵在于推遲裂紋的產生，以增大光亮帶寬度，其主要途徑就是減少沖裁間隙。

另外，斷面質量還與裂紋走向有關，裂紋走向不同會造成沖裁斷面斜度不同，而裂紋走向與沖裁間隙有關。

(1)間隙過小時(圖3.16(a))：沖裁變形區(qū)的彎矩小、壓應力成分高。裂紋由凹模刃口附近材料進入凸模下面的壓應力區(qū)面停止發(fā)展。上、下裂紋不重合，在兩條裂紋之間的材料被第二次剪切。當上裂紋壓入凹模時，受到凹模壁的擠壓，產生第二光亮帶，同時部分材料被擠出，在表面形成薄而高的毛刺。光亮帶寬度增加，圓角、毛刺、斷面斜度、翹曲、拱彎等弊病都有所減小，工件質量較好；但斷面有撕裂夾層，端面易形成擠長的毛刺。

(2)間隙合理時(圖3.16(b))：上、下裂紋重合，斷面斜度很小，圓角及毛刺較小，無裂紋分層，稍不平坦，有較好的綜合斷面質量。圖3.16間隙大小對斷面質量的影響

(3)間隙過大時(圖3.16(c))：上、下裂紋不重合，出現(xiàn)第二次拉裂及斷裂帶；塑性變形階段結束較早，致使光亮帶較窄，圓角與斜度較大，穹彎厲害，毛刺大，并且斷面會出現(xiàn)兩個斜度，斷面質量也不理想。

2．間隙對尺寸精度的影響

如圖3.17所示，是反映間隙對尺寸精度的影響規(guī)律。圖中圓陣列箭頭表示沖裁過程中沖孔時的內孔(虛線)及落料時的外形(虛線)受力情況，沖裁后內孔及外形的回彈方向與箭頭相反，回彈后的內孔及外形為細實線圓。

(1)沖裁間隙大時，變形區(qū)材料受拉應力作用大，沖裁結束后因材料彈性恢復，沖裁件尺寸向實體方向收縮，使沖孔尺寸大于凸模直徑，落料件尺寸小于凹模尺寸。

(2)沖裁間隙小時，變形區(qū)材料受凸、凹模的擠壓力作用大，壓縮變形大，沖裁后材料必然彈性伸展，使沖孔尺寸小于凸模直徑，落料件尺寸大于凹模尺寸。圖3.17間隙對尺寸精度的影響規(guī)律

3．間隙對平面度的影響

在沖裁過程中，材料受到彎矩作用產生穹彎，會影響工件的平面度(彎曲度)，產生翹曲現(xiàn)象，如圖3.14(c)所示。通常間隙愈大，因彎矩增大，變形拉伸和彎曲成分增多，彎曲現(xiàn)象就愈嚴重；有時在小間隙情況下，由于凹模側面對工件有擠壓作用，也會出現(xiàn)較大的彎曲。如圖3.18所示。

為了減小彎曲，可在模具上加壓料板，或在凹模中加反向壓板，如圖3.19所示；當沖壓件平整度要求較高時，須另加校平工序。圖3.18平面度與間隙的關系圖3.19在凹模中加反向壓板3.3.2間隙對沖裁力的影響

如圖3.20所示，當沖裁間隙大時，材料所受的拉應力增大，沖裁力有一定程度的降低。此時落料件小于凹模尺寸，沖孔件大于凸模尺寸，如圖3.17所示。因此，卸料力、推件力及頂件力均小。但若繼續(xù)增大間隙值，則會由于刃口處上、下裂紋不重合的影響，沖裁力的下降會變緩。當單邊間隙介于材料厚度的5%～20%時，沖裁力的降低并不顯著(不超過5%～10%)。另一方面，沖裁間隙減小，材料所受到的拉應力將會減小，壓應力增大，材料不易產生撕裂，使沖裁力增大。在間隙合理的情況下(一般為料厚的10%～15%)，沖裁力最小。間隙對卸料力、推件力的影響比較顯著。隨著間隙的增大，從凸模上卸料或從凹?？字型屏隙际×?，卸料力和推件力都將減小。當單邊間隙增大到材料厚度的15%～25%時，卸料力幾乎降到零。但當間隙繼續(xù)增大時，因毛刺增大等因素，卸料力將會迅速增大。如圖3.21所示。圖3.20間隙對沖裁力的影響規(guī)律圖3.21卸料力和間隙的關系3.3.3間隙對模具壽命的影響

模具壽命通常以保證獲得合格產品時的沖壓次數(shù)來表示。模具壽命分為刃磨壽命和模具總壽命。刃磨壽命是用兩次刃磨之間的合格工件數(shù)來表示的。模具總壽命是用到模具失效為止的總的合格工件數(shù)來表示。模具因某種原因損壞，或者模具損傷積累至一定程度而導致模具損壞，無法繼續(xù)服役，稱為模具的失效。在實際生產中，凡模具的主要工作部件損壞，不能繼續(xù)沖壓出合格的工件時，即可認為模具失效。在沖裁過程中，凸、凹模刃口受到材料對它的作用力，其方向與圖3.6中材料受到的作用力相反。在這些力的作用下，沖壓模具的失效形式一般為塑性變形、磨損、斷裂或開裂、金屬疲勞及腐蝕等，如圖3.22所示。圖3.22凹模的失效形式間隙主要對模具的磨損和脹裂有影響：

(1)間隙偏?。耗＞咦饔玫臄D壓力大，落料件或廢料往往梗塞在凹模洞口內，使模具磨損加劇，甚至使模具與材料之間產生粘結現(xiàn)象，并引起崩刃、凹模脹裂、小凸模折斷、凸模與凹模相互啃刃等異常損壞。

(2)間隙偏大：可使沖裁力、卸料力等減少，從而使刃口磨損減少；但當間隙過大時，零件毛刺會增大，從而引起卸料力增大，加劇刃口的磨損。

(3)間隙適當：模具磨損小，起到延長模具使用壽命的

作用。如圖3.23所示，不均勻間隙對模具使用壽命也是不利的，與均勻間隙相比，磨損顯著增加。所以，為了減少凸、凹模的磨損，延長模具使用壽命，在保證沖裁件質量的前提下適當采用較大的間隙值是十分必要的。圖3.23間隙不均勻對模具磨損的影響3.3.4合理間隙的確定

1．理論計算法

理論計算法的主要根據(jù)是保證上、下裂紋重合，以獲得良好的沖裁斷面質量。如圖3.24所示為沖裁過程中開始產生裂紋的瞬時狀態(tài)。

圖3.24沖裁過程中產生裂紋的瞬時狀態(tài)

根據(jù)圖中三角形的幾何關系可以確定邊間隙Z，即

(3-1)

式中：h0為產生裂紋時凸模壓入板料的深度，mm；t為材料厚度，mm；β為裂紋方向與垂線間的夾角。從式(3-1)可以看出，間隙Z與材料厚度t、相對切入深度h0/t及裂紋方向角β有關。而h0、β又與材料有關。因此，影響間隙值的主要因素是材料的性質和厚度，材料越硬、越厚，所需的合理間隙值越大。h0/t與β值可查表3-3。由于理論計算法在生產中使用不便，故目前廣泛采用的是經驗數(shù)表法。

2．經驗數(shù)表法

不同行業(yè)的沖裁間隙值也有所不同，可詳見國家標準(GB/T16743—1997)。

1)選用合理間隙值的原則

(1)對于斷面垂直度、尺寸精度要求不高的零件，在保證零件精度要求的前提下，應以降低沖裁力，提高模具壽命為主，采用大的間隙值，如汽車、農機及五金用品等行業(yè)用間隙值如表3-4所示。

(2)對于斷面垂直度、尺寸精度要求較高的零件，應選用較小的間隙值，如在IT行業(yè)，儀器、儀表，精密機械等行業(yè)，間隙值如表3-5所示。常用非金屬材料沖模間隙如表3-6所示。

2)增減沖裁間隙值的情形

由于各類間隙值之間沒有絕對的界限，因此，必須根據(jù)沖裁件的尺寸與形狀、模具材料和加工方法，以及沖壓方法、速度等因素來酌情增減間隙值。對下列情況，應酌情增減沖裁間隙值：

(1)在同樣條件下，非圓形比圓形間隙大，沖孔間隙比落料間隙可大些。

(2)沖小孔(孔徑小于料厚)時間隙應大些。這時要采取有效措施，防止廢料回升。

(3)硬質合金沖裁模應比鋼模的間隙大30%左右。

(4)復合模的凸凹模壁單薄時，為防止脹裂，應放大沖孔凹模間隙。

(5)硅鋼片隨著含硅量的增加，間隙值應相應取大些。

(6)采用彈性壓料裝置時，間隙可大些。

(7)高速沖壓時間隙應增大，行程次數(shù)超過每分鐘200次，間隙值應增大10%左右。

(8)電火花穿孔加工凹模型孔時，其間隙值應比磨削加工小0.5%～2%。

(9)加熱沖裁時，間隙應減小。

(10)凹模為斜壁刃口時，應比直壁刃口間隙小。

(11)對需攻絲的孔，間隙值應取小些。3.3.5沖裁間隙的取向

在設計落料模時，以凹模為基準(即先設計計算好凹模刃口尺寸)，間隙取在凸模上(即凸模刃口尺寸由凹模刃口尺寸減去沖模間隙得到)；在設計沖孔模時，以凸模為基準，間隙取在凹模上。

3.4沖裁各工藝力的計算

3.4.1沖裁力的計算圖3.25凸模所受沖裁力

沖裁力是沖裁過程中凸模對材料施加的壓力，如圖3.25所示，F(xiàn)′?可理解為材料對模具施加的反作用力。沖裁力隨凸模行程而變化，如圖3.5所示，通常所說的沖裁力是指沖裁力的最大值。沖裁力是壓力機選用、模具設計以及模具強度校核的重要依據(jù)。影響沖裁力的因素很多，主要有材料的力學性能、厚度、沖裁件周邊長度、模具間隙以及刃口鋒利程度等。圖3.25凸模所受沖裁力沖裁力的計算方法如下。

(1)沖裁是一個剪切過程，普通平刃沖模的沖裁力可按下式來計算：

F=KLt

(3-2)

式中：F為沖裁力，N；L為沖裁周邊長度，mm；t為材料厚度，mm；τ為材料抗剪強度，MPa；K為安全系數(shù)，一般取K=1.3。安全系數(shù)K是考慮到實際生產中，沖裁間隙值的波動和不均勻、刃口的磨損、板料力學性能和厚度波動等因素的影響而增加的安全系數(shù)。

(2)為了計算簡便，也可用材料的強度極限

b(MPa)，按下式估算沖裁力：

F=Lt

b

(3-3)

式中：

b為材料的抗拉強度，MPa。

(3)通過實測材料的維氏硬度值，也可按下式計算沖裁力：

F=Ltp

(3-4)

式中：p為單位沖裁力，MPa，根據(jù)材料維氏硬度HV值由表

3-7可查得。例3-1如圖3.26所示落料件,材料為50鋼,料厚t=3.0mm，試計算其沖裁力。

解：查表2-9可知，材料的抗剪強度τ

=

440～580MPa，取中間值510?MPa。此落料件沖裁周邊長度為各輪廓長度之和(圖3.26(b))，即L=570mm。

L=100+32.5+60+105+60+32.5+55+20+45+60?

=?70mm

由式(3-2)得到

F=KLt

=1.3×570×3×510=1133730N圖3.26落料件

3.4.2卸料力、推件力及頂件力的計算

沖裁結束時，由于材料的彈性回復(包括徑向彈性回復和彈性翹曲的回復)及摩擦的存在，使落料件或沖孔廢料梗塞在凹模內，而帶孔板料緊箍在凸模上。為了使沖裁工作繼續(xù)進行，必須將箍在凸模上的板料卸下，將卡在凹模內的工件或廢料向下推出或向上頂出。如圖3.27所示，將緊箍在凸模上的帶孔板料(零件或廢料)脫下所需的力稱為卸料力Fx；將材料從凹模內順著沖裁方向推出所需的力稱為推件力Ft；將材料從凹模內逆著沖裁方向頂出所需的力稱為頂件力Fd。圖3.27沖裁時的卸料力、推件力、頂件力影響卸料力、推件力和頂件力的因素較多，主要有材料性能及厚度、沖裁間隙、零件形狀及尺寸、模具結構以及潤滑情況等。因此，不可能準確計算這些力，在生產中一般用經驗公式來計算：

Fx=KxF

(3-5)

Ft=nKtF???

(3-6)

Fd=KdF

(3-7)

式中：Fx、Ft、Fd分別為卸料力、推件力、頂件力，N；Kx、Ｋt、Kd分別為卸料力、推件力、頂件力系數(shù)，其數(shù)值見表3-8。n為同時卡在凹模洞口內零件或廢料的數(shù)目，n=h/t(h為凹模刃口直壁高度，mm，如圖3.28所示。其中，t為板料厚度，mm)。圖3.28凹模刃口直壁高度例3-2如圖3.26所示落料件，假設凹模刃口直壁高度h=9?mm，試分別計算其卸料力、推件力及頂件力。

解：因板料厚度t=3?mm，查表3-8可知，Kx

=

0.035(取中間值)，Kt=?0.045，Kd=0.05，同時卡在凹模洞口內零件的數(shù)目n=h/t=9/3=3個。

由例3-1知，沖裁力F=1133730N，則由式(3-5)～式(3-7)

得到：

Fx=KxF=0.035×1133730=39680N

Ft=nKtF=3×0.045×1133730=153053N

Fd=KdF=0.05×1133730=56687N3.4.3壓力機噸位的確定

壓力機噸位必須大于或等于各種工藝力的總和Pz。Pz的計算應根據(jù)不同的模具結構分別對待。

(1)當采用剛性卸料裝置和下出料方式時(如圖3.29(a)所示)：

Fz=F+Ft

(3-8)

(2)當采用彈性卸料裝置和剛性出料方式時(如圖3.29(b)

所示)：

Fz=F+Fx

(3-9)

(3)當采用彈性卸料裝置和下出料方式時(如圖3.29(c)所示)：

Fz=F+Fx+Ft

(3-10)

(4)當采用彈性卸料裝置和彈性上出料方式時(如圖3.29(d)所示)：

Fz=F+Fx+Fd

(3-11)圖3.29卸料及出料方式例3-3如圖3.26所示落料件，若分別采用圖3.29所示的卸料及出料方式，則所需的壓力機噸位分別是多少？

解：若分別采用圖3.29所示的卸料及出料方式，根據(jù)式

(3-8)～式(3-11)計算得到所需的壓力機噸位分別為1286783N(約128.7噸)，1173?410N(約117.3噸)，1326463N(約132.6噸)，1230097N(約123.0噸)。3.4.4降低沖裁力的措施

當沖裁高強度的材料，或者外形尺寸和厚度大的零件時，沖壓力總和可能超過車間設備噸位。為了實現(xiàn)用較小噸位的壓力機沖裁，或使沖裁過程平穩(wěn)，以減少壓力機的振動和噪音，應想辦法降低沖裁力。從式(3-2)可知，降低沖裁力應從降低材料的抗剪強度τ及沖裁周邊長度L著手，常采用下列幾種方法。

1．階梯凸模沖裁

階梯凸模是指在多凸模的沖模中，將凸模做成不同長度，使其工作端面呈階梯式布置，如圖3.30所示。在幾個凸模相距很近的情況下，將小尺寸凸模做短一些，能避免因大凸模沖裁時材料側向流動而造成小尺寸凸模折斷或傾斜的現(xiàn)象(見圖3.13)。圖3.30凸模的階梯布置法

采用階梯凸模的作用是使各凸模沖裁力的最大峰值不同時出現(xiàn)，以此降低總的沖裁力。但此類結構由于刃磨不方便，因此僅在小批量生產時采用。

(1)凸模高度差h應大于沖裁斷面光亮帶高度，與板料厚度t有關：當t<3?mm時，h=t；當t>3?mm時，h=0.5t。

(2)當布置各層凸模時，位置應對稱，使沖裁合力位于模具中心，以免工作時模具偏斜。

(3)階梯凸模沖裁力應按相同高度凸模的最大沖裁力之和來確定，以選擇沖床。

2．斜刃沖裁

用平刃口模具沖裁時，整個零件周邊同時被剪切，沖裁力較大。如圖3.31所示，若將凸模(或凹模)平面刃口做成與其孔口軸線傾斜一個角度的斜刃，沖裁時刃口不是全部同時切入材料，而是逐步地將材料切離，這樣就相當于把沖裁件整個周邊長分成若干小段進行剪切分離，因而沖裁力能顯著下降；同時，還可減小沖裁時的振動和噪聲。采用這種凸模(或凹模)端面呈斜刃的沖裁叫做斜刃沖裁。采用斜刃沖裁時，材料會產生彎曲。因而斜刃配置的原則是必須保證零件平整，只允許廢料發(fā)生彎曲變形。所以，沖孔時凹模應做成平刃，凸模做成斜刃，如圖3.31(a)所示；落料時凸模應做成平刃，凹模做成斜刃，如圖3.31(b)所示。圖3.31斜刃沖裁模斜刃主要參數(shù)設計：斜刃角

和斜刃高度H與板料厚度有關(如圖3.32所示)，斜刃參數(shù)可按表3-9選用。設計斜刃時應注意：圖3.32斜刃尺寸

(1)應將斜刃對稱布置，以避免沖裁時模具承受單向側壓力而發(fā)生偏移，啃傷刃口，如圖3.31所示。

(2)向一邊斜的斜刃，只能用于切舌或切開，如圖3.33所示。圖3.33切口斜刃沖裁模及蚊香架

(3)如圖3.34所示，對于大型沖裁模，斜刃應按波浪式對稱布置。圖3.34矩形件的斜刃沖裁模斜刃沖裁力F′用下面簡化公式來進行計算：

F′=K′Lt

(3-12)

式中：F′為沖裁力，N；L為沖裁周邊長度，mm；t為材料厚度，mm；τ為材料抗剪強度，MPa；K′為降低沖裁力系數(shù)，與斜刃高度有關，可查表3-9。

斜刃沖模雖然有降低沖裁力使沖裁過程平穩(wěn)的優(yōu)點，但模具制造復雜，刃口易磨損，修磨困難，沖裁件不夠平整，且不易沖裁復雜的零件，因此在一般情況下盡量不使用斜刃沖模，斜刃沖模只用于大型件的沖裁或厚板的沖裁。

3．加熱沖裁(紅沖)

在常溫時，金屬的抗剪強度

是一定的。但是當板料被加熱到一定溫度后，抗剪強度

會明顯下降，從而降低了沖裁力。材料加熱后易產生氧化皮及熱變形，且因高溫、勞動條件差，因此加熱沖裁應用比較少，一般只適用于厚板或表面質量及精度要求不高的零件。

加熱沖裁力可按平刃沖裁力公式(3-2)計算，但材料的抗剪強度

值應取沖裁溫度時的數(shù)值，如表3-10所示。應注意，實際沖裁溫度要比加熱溫度低150℃～200℃。

4．部分沖裁法

部分沖裁法是指沿零件周邊將廢料分別切除，剩下的為零件。如圖3.35所示，一塊毛坯，分別沖下廢料①～⑥后剩下的就是落料件。對于大型零件和形狀復雜的零件，為了降低沖裁力，可采用部分沖裁法，但零件精度較低。圖3.35部分沖裁法3.4.5壓力中心的確定

沖壓力合力的作用點稱為壓力中心，如圖3.36所示。為了保證壓力機和沖模正常平穩(wěn)地工作，必須使壓力中心、沖模中心、模柄軸線、壓力機的滑塊中心四者相重合，否則，在沖裁過程中壓力機滑塊和沖模將會受到偏心載荷，使滑塊導軌和沖模導向部分產生不正常磨損，合理間隙得不到保證，刃口迅速變鈍，從而影響沖壓件質量和模具壽命，甚至損壞模具致使發(fā)生沖壓事故。因此，在設計沖模時，應正確計算出沖裁時的壓力中心O′-O′，并盡量使壓力中心與模柄軸線O-O相重合。在實際生產中，可能會出現(xiàn)由于沖壓件的形狀特殊或排樣特殊的情況，從模具結構設計與制造角度考慮不能使壓力中心與模柄中心線相重合，這時應注意須使壓力中心的偏離不致超出所選壓力機允許的范圍。圖3.36模具壓力中心與壓力機滑塊的中心

1．形狀簡單沖壓件壓力中心的確定

形狀簡單或對稱的單個沖壓件，其壓力中心位于沖壓件輪廓圖形的幾何中心上：

(1)對稱沖壓件的壓力中心，位于沖壓件輪廓圖形的幾何中心上；

(2)沖裁直線段時，其壓力中心位于直線段的中心；

(3)沖裁圓弧線段時，其壓力中心位于圓弧中心角分線上，如圖3.37所示，具體位置按下面公式計算：

(3-13)

式中：b為弧長，mm。其余符號含義如圖3.37所示。圖3.37簡單沖壓件的壓力中心

2．形狀復雜沖壓件壓力中心的確定

可以先將復雜沖壓件形狀分成簡單的直線段及圓弧段，分別計算各段沖裁力即各分力，由各分力之和算出合力。然后任意選擇直角坐標軸xOy，并計算出各線段的壓力中心至x軸和y軸的距離。最后根據(jù)“合力對某軸之力距等于各分力對同軸力距之和”的力學原理，即可求出壓力中心坐標。

求解如圖3.38所示沖壓件的壓力中心的步驟如下：

(1)將組成圖形的輪廓線劃分為若干簡單的線段，求出各線段的長度L1，L2，L3，…，Ln；

(2)按式(3-2)求出各線段的沖裁力(分力)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)n；

(3)選定坐標軸x和y；

(4)確定各線段的重心位置x1，x2，x3，…，xn和y1，y2，y3，…，xn；

(5)對于平行力系，沖裁力的合力F等于各分力的代數(shù)

和。即

F=F1+F2+F3+…+Fn

(3-14)

(6)根據(jù)力學原理“合力對某軸之力距等于各分力對同軸力距之和”，則可得到壓力中心坐標(x0，y0)計算公式：(3-15)(3-16)由式(3-2)可知，沖裁力與沖裁輪廓長度成正比，所以式(3-15)及式(3-16)中各沖裁力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)n可分別用沖裁輪廓長度L1，L2，L3，…，Ln來代替。即(3-17)(3-18)圖3.38復雜形狀件的壓力中心計算

3．多凸模模具壓力中心的確定

確定多孔沖模、級進模等多凸模模具的壓力中心，是將各凸模的壓力中心確定后，再計算模具的壓力中心。

多凸模模具的壓力中心的計算原理與復雜形狀沖裁時的計算原理基本相同：如圖3.39所示，選定坐標系后，按前述辦法計算出每一圖形的壓力中心到坐標軸的距離(xi，yi)，并計算

每一圖形輪廓的周長Li，將計算數(shù)據(jù)分別代入式(3-17)及式

(3-18)，即可求得壓力中心坐標(x0，y0)。圖3.39多凸模模具的壓力中心例3-4如圖3.40所示排氣管墊片，采取復合模一次性將所有孔及外形沖出，試計算其壓力中心。

解：畫出坐標軸x，y，按比列畫出每一個凸模刃口輪廓的位置并確定其坐標系，計算出各段壓力中心坐標點，如圖3.41所示。

沖裁壓力中心計算數(shù)據(jù)見表3-11。圖3.40排氣管墊片圖3.41壓力中心計算圖3.5沖裁模刃口尺寸的計算

模具工作部分即凸、凹模刃口部分的尺寸及精度決定得合理與否，將直接影響沖裁件的尺寸精度及合理間隙能否得到保證，也關系到模具的加工成本和使用壽命，是沖模設計中一項重要的工作。3.5.1刃口尺寸的計算原則

1．計算沖裁凸、凹模刃口尺寸的依據(jù)

(1)沖裁變形規(guī)律：從圖3.11可知，沖裁時落料件的大端(斷面光亮帶)尺寸等于凹模尺寸，沖孔件的小端(斷面光亮帶)尺寸等于凸模尺寸；

(2)模具磨損規(guī)律：在沖裁過程中，凸、凹模與沖裁零件或廢料之間發(fā)生摩擦，凸模輪廓越磨越小，凹模輪廓越磨越大，結果使間隙越磨越大。

(3)合理的間隙值：設計模具時應采用最小合理間隙值，以保證模具磨損在一定范圍內，仍能沖出合格的沖壓件。

(4)沖裁件尺寸精度：一般模具精度要比沖裁件尺寸精度高2～4級；

(5)沖模的加工方法：一般有凸、凹模分別加工法與配合加工法。

2．凸、凹模刃口尺寸的計算原則

(1)設計落料模時應以凹模為基準件，凹模刃口基本尺寸Dd應接近或等于沖裁件的最小尺寸Dmin；間隙取在凸模上，即凸模刃口的基本尺寸Dp按凹模刃口基本尺寸Dd減去一個最小合理間隙Zmin。

(2)設計沖孔模時應以凸模為基準件，凸模刃口基本尺寸dp應接近或等于沖裁件的最大尺寸dmax；間隙取在凹模上，即凹模刃口的基本尺寸dd按凸模刃口基本尺寸dp加上一個最小合理間隙Zmin。

(3)凸模、凹模刃口的制造公差(模具制造精度)一般要比沖裁件精度高2～4級，沖裁件的精度與模具制造精度的關系見表3-1。

①為保證新模具的間隙值不小于最小合理間隙Zmin，一般凹模公差標注成?+

d，凸模公差標注成?－

p。

②對于形狀簡單的圓形、方形刃口，其制造偏差值可按IT6～IT7級來選??；

③對于形狀復雜的刃口，制造偏差可按沖裁件相應部分公差的1/4來選??；

④若沖裁件未標注公差，則按國家標準“非配合尺寸的公差數(shù)值”IT14精度處理，沖模則按IT11精度制造。3.5.2凸、凹模刃口尺寸的計算方法

由于沖模加工方法不同，刃口尺寸的計算方法也不同，基本上可以分為以下兩類。

1．凸模與凹模分別加工法

凸、凹模分別加工法是指凸模與凹模分別按各自的圖紙加工至最后的尺寸。在凸模、凹模圖紙上要分別標注凸模、凹模刃口基本尺寸及公差，如圖3.42所示；在加工制造時可以分別進行，互不影響。此方法適用于圓形或簡單、規(guī)則形狀的沖裁件。沖模刃口與沖裁件尺寸及公差分布情況如圖3.43所示。圖3.42凸模、凹模分別加工的圖紙

1)落料

根據(jù)上述原則，落料時以凹模為設計基準。首先確定凹模的刃口尺寸Dd，使其接近或等于落料件的最小尺寸Dmin=(Dmax－Δ)；將凹模的刃口尺寸減去最小合理間隙值Zmin，便得到凸模刃口尺寸Dp。

2)沖孔

根據(jù)上述原則，落料時以凸模為設計基準。首先確定凸模的刃口尺寸dp,使其接近或等于沖孔件的最大尺寸dmax=(dmin+Δ)將凸模的刃口尺寸加上最小合理間隙值Zmin，便得到凹模刃口尺寸dd。

3)中心距

孔心距屬于磨損后基本不變的尺寸，如圖3.44所示。在同一工步中，在沖裁件上沖出孔距為L的2個孔時，其凹模型孔中心距(或2個凸模之間距離)Ld可按下式確定：(3-23)式(3-19)～(3-23)中：Dp、Dd分別為落料凸、凹模刃口尺寸，mm；dp、dd為沖孔凸、凹模刃口尺寸，mm；Dmax為落料件的最大尺寸，mm；dmin為沖孔件的最小尺寸，mm；L、Ld為沖裁件孔心距和凹?？仔木嗟墓Q尺寸，mm；Δ為沖裁件公差，mm；Zmin為最小合理間隙，mm；

p、

d分別為凸、凹模制造公差，mm，可分別按IT6、IT7級來選取(查表3-12)，也可直接查表3-13選取。x·

為磨損量，磨損系數(shù)x是為了使沖裁件的實際尺寸盡量接近沖裁件公差帶的中間尺寸，其值在0.5～1之間，與沖裁件精度有關?？砂聪铝嘘P系選?。?/p>

(1)零件精度在IT10以上，取x=1。

(2)零件精度在IT11～IT13之間，取x=0.75。

(3)零件精度在IT14以下，取x=0.5。

為了保證合理間隙，必須滿足下列間隙公差條件：

|δp|+|δd|≤Zmax?－Zmin(3-24)

(4)如果出現(xiàn)?|δp|?+?|δd|>Zmax

－Zmin的情況，則只好縮小

p和

d，即提高制造精度才能保證間隙在合理范圍內，此時凸、凹模的制造公差應按下式選?。?/p>

δp?=?0.4(Zmax

－Zmin)(3-25a)

δd?=?0.6(Zmax－Zmin)(3-25b)

(5)如果出現(xiàn)

|δp|?+?|δd|>>Zmax－Zmin的情況，則應采用凸、凹模配作法。圖3.44模具及零件的中心距例3-5沖裁如圖3.45所示零件，材料為Q235鋼，料厚t=0.5mm。計算沖裁凸、凹模刃口尺寸及制造公差。

解：該零件屬于無特殊要求的一般沖孔、落料件。外形

f36由落料獲得，2×f6及(18±0.09)mm由沖孔同時獲得。由于零件形狀簡單，故采用凸、凹模分別加工法制造。

查表3-4可得：Zmin=0.04mm，Zmax=0.06mm。

查標準公差表3-12得：孔f6＋0.12為IT12級，取x=0.75；外形f36－0.62為IT14級，取x=0.5。圖3.45沖裁件

(注：根據(jù)基本尺寸6.09mm及6.13mm，凸、凹模制造公差分別先按IT6、IT7級查標準公差表3-12得

p=0.008mm，

d=0.012mm。)校核?|δp|+|δd|≤Zmax

－Zmin：有0.009+0.015≤0.06－0.04，即滿足間隙公差條件，故上述dp、dd及

p、

d即為模具刃口尺寸與公差。圖3.46凸模及凹模的尺寸標注

2．凸模與凹模配作加工法

采用凸模與凹模分別加工法時，為了保證凸、凹模間有一定的間隙值，必須嚴格限制沖模制造公差

p和

d，以免造成沖模制造困難。此時宜采用凸模與凹模配作加工法。

配作加工法是指制作模具時，先按沖壓件尺寸設計并制造出一個基準件(沖孔以凸模為基準件，落料以凹模為基準件)，然后根據(jù)基準件的實際尺寸，按最小合理間隙Zmin配作另一件(凹?；蛲鼓?。此方法適合于薄料沖裁件(因Zmax與Zmin的差值很小)、形狀復雜的沖裁件或單件生產的沖模。當采用配作法計算凸?；虬寄Ｈ锌诔叽鐣r，首先是根據(jù)凸?；虬寄Ｄp后輪廓變化情況，正確判斷出模具刃口各個尺寸在磨損過程中是變大、變小還是不變這3種情況，然后分別按不同的公式計算。

如圖3.47及圖3.48所示，模具基準件刃口磨損后的輪廓如虛線所示，其刃口尺寸可分為3類。圖3.47沖孔件和凸模尺寸圖3.48落料件和凹模尺寸

(1)磨損變大尺寸(A類尺寸)。落料凹?；驔_孔凸模磨損后將會增大的尺寸，其磨損規(guī)律相當于簡單形狀的落料凹模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式(3-19)相同。

(3-26)

(2)磨損變小尺寸(B類尺寸)。落料凹?；驔_孔凸模磨損后將會減小的尺寸，其磨損規(guī)律相當于簡單形狀的沖孔凸模尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式(3-21)相同。

(3-27)

(3)磨損不變尺寸(C類尺寸)。落料凹?；驔_孔凸模磨損后基本不變的尺寸，不必考慮磨損的影響，其磨損規(guī)律相當于簡單形狀的孔心距尺寸，所以它的基本尺寸及制造公差的確定方法與公式(3-23)相同。

(3-28)

根據(jù)式(3-26)～式(3-28)來計算模具基準件的尺寸及公差，而在配作件上只標注上述三個公式計算出的公稱尺寸，不標注制造公差，同時在配作件零件圖紙中的“技術要求”中注明“凹模(或凸模)刃口尺寸按凸模(或凹模)刃口實際尺寸配作，保證最小雙邊間隙值為Zmin～Zmax”。

例3-6如圖3.26所示落料件，試計算其沖裁凸、凹模刃口尺寸及制造公差。

解：由于落料件的形狀比較復雜，故采用配合加工法。該沖裁件屬落料件，故選凹模為設計基準件，只需計算落料凹模刃口尺寸及制造公差，凸模刃口尺寸由凹模的實際尺寸按間隙要求配作。

查表3-4可得：Zmax=0.66mm，Zmin=?0.48mm。

查標準公差表3-12得：沖裁件所標注的6個尺寸精度均為IT13級，故對于所有尺寸均取x=0.75。

凹模的磨損示意圖如圖3.49所示。圖3.49落料件及其凹模磨損示意圖圖3.50落料凹模、凸模尺寸標注電火花加工已成為模具加工的一種主要方法。一般是用成形磨削加工凸模與電極，然后用尺寸與凸模相同或相近的電極(有時直接用凸模作為電極)在電火花機床上加工凹模。對電火花加工來說，制造公差只適用于凸模，對于凹模不存在機械加工的制造公差，只有放電火花間隙的誤差，它的尺寸精度主要靠電極精度來保證，如圖3.51所示。采用電火花加工時，凸模的尺寸由式(3-20)、式(3-21)和式(3-23)轉換而來，即圖3.51電火花加工機床及工作原理3.5.3模具分別加工法及配作加工法對比

根據(jù)凸模與凹模分別加工法及配作加工法來計算沖裁刃口尺寸時，兩者具有不同特點及應用場合，如表3-14所示。

3.6沖裁件的排樣設計

3.6.1排樣的意義

排樣是指沖裁件在條料、帶料或板料上的布置方法，如圖3.52所示。排樣方案是模具結構設計的重要依據(jù)之一。圖3.52排樣圖排樣的意義在于保證用最低的材料消耗和最高的勞動生產率得到合格的零件。排樣方式不同，材料利用程度、模具結構及生產效率也不同，如圖3.53所示沖裁件。若采用如圖3.53(a)所示的排樣方式，僅需要一副落料模具，一次沖裁即可得到零件，生產效率高，但廢料多；若采用如圖3.53(b)所示的排樣方式，則需要兩副模具，先沖孔后切斷，生產效率低，但廢料少。因此，合理的排樣是提高材料利用率、降低成本、保證沖壓件質量及延長模具壽命的有效措施。圖3.53同一沖裁件的不同排樣方式3.6.2材料的經濟利用

1．材料利用率

在沖壓零件的成本中，材料費用約占總成本的60%以上，因此材料的經濟利用具有非常重要的意義，特別是對貴重的有色金屬。排樣是否合理，經濟性是否良好，均可用材料利用率來衡量。

材料利用率是指沖裁件的實際面積與所用板料面積的百分比，它是衡量合理利用材料的經濟性指標。如圖3.54所示，一個步距S(每次沖裁后板料送進的距離)內的材料利用率

是指零件的實際面積A與所用矩形板料面積B×S的百分比，即圖3.54材料利用率的計算(3-29)式中：A為一個進距內沖裁件的實際面積，mm2；n為一個進距內沖裁件的個數(shù)；B為板料寬度，mm；S為送料進距，mm。例3-7如圖3.52(a)所示的零件及其排樣方式，試計算其材料利用率。

解：零件的面積

在一個進距S=35mm內沖裁出一個零件，即n=1，材料寬度B=38mm。所以其材料利用率為

考慮到板料的料頭、料尾和邊余料的材料消耗，同一張板料(或帶料、條料)上總的材料利用率

為

(3-30)

式中：n

為一張板料或帶料、條料上沖裁件的總數(shù)目；L為板料總長度，mm。

2．提高材料利用率的方法

沖裁所產生的廢料分為結構廢料和工藝廢料，如圖3.55

所示。

(1)結構廢料：是由零件的結構特點產生的廢料，一般不能改變，但可以利用大尺寸的廢料沖制小尺寸的零件。

(2)工藝廢料：是排樣圖中零件之間、零件與條料側邊之間的廢料，以及料頭、料尾和邊余料。圖3.55結構廢料與工藝廢料結構廢料由工件的形狀特點決定，一般不能改變。因此，提高材料利用率主要從減少工藝廢料著手：設計合理的排樣方案，選擇合適的板料規(guī)格和合理的裁板法(減少料頭、料尾和邊余料)，或利用廢料沖裁小零件等。此外，在不影響使用條件許可下，當取得零件設計單位同意后，也可以改變零件結構形狀，提高材料利用率，見圖3.56。若將圖3.56(a)所示零件設計成圖3.56(b)所示的零件形狀，可以使材料利用率提高40%，而且一次能沖出2個零件，生產率提高1倍。圖3.56改善零件結構的示例3.6.3排樣方式

1．排樣類型

如圖3.57所示，對于同一沖裁件，采用不同的排樣方式，材料的利用率也不同。其對應的材料利用率如表3-15

所示。圖3.57不同的排樣方式根據(jù)材料的合理利用情況，條料排樣方法可分為三種，如圖3.58所示。

(1)有廢料排樣：沿工件全部外形沖裁，沖壓件周邊都留有余料(搭邊)，如圖3.58(a)所示。沖壓件尺寸完全由沖模來保證，因此沖壓件精度高，模具使用壽命也高，但材料利用率低。圖3.58三種排樣方式

(2)少廢料排樣：沿沖壓件部分外形切斷或沖裁，只在沖壓件局部有余料，如圖3.58(b)所示。因受沖裁前剪裁板料質量和沖裁時板料定位誤差的影響，沖壓件質量稍差，同時條料邊緣毛刺被凸模帶入沖裁間隙也影響模具壽命，但材料利用率稍高，沖模結構簡單。另外，用寬度等于零件的條料沖裁，縮短了刃口長度，減輕了沖床的負載。

(3)無廢料排樣：沖壓件周邊無任何余料，沿直線或曲線切斷條件而獲得沖壓件，材料利用率接近100%(存在毛刺廢料)，如圖3.58(c)所示。沖壓件的質量和模具壽命更差一些，但材料利用率最高。另外，如圖3.58(c)所示，當送進步距為兩倍零件寬度時，一次切斷便能獲得兩個沖壓件，有利于提高勞動生產率。采用少、無廢料的排樣可以簡化沖裁模結構，減小沖裁力，提高材料利用率。但是，因條料本身的公差以及條料導向與定位所產生的誤差影響，沖裁件公差等級低，如圖3.59所示。同時，由于模具單邊受力(單邊切斷時)，不但會加劇模具磨損，降低模具壽命，而且也會直接影響沖裁件的質量。為此，排樣時必須統(tǒng)籌兼顧、全面考慮。圖3.59少、無廢料的送料造成的零件誤差上述三種排樣方法，按工件的外形特征，又可以分多種排樣方式，如表3-16所示。

2．排樣方式的選擇

一個沖裁件，可有多種排樣方式，排樣時必須選擇一個合理的排樣方式。選擇排樣方式時必須考慮如下幾個因素。

(1)零件形狀。由表3-15可見，零件的合理排樣與其形狀有密切關系，例如圓形零件是不可能實現(xiàn)無廢料排樣的。

(2)零件質量及精度要求。當零件的斷面質量和尺寸精度要求較高且形狀復雜時，應采用有廢料排樣方式。

(3)沖模結構。有廢料排樣的沖模結構比較復雜，例如小、無廢料排樣沖裁多用連續(xù)模、導板模，當零件孔與外形相對位置公差很小時，可采用復合模。在無廢料沖裁中，多數(shù)凸模單邊切割，受到很大的側向力及偏心載荷，為此，凸模后面要有支撐，它與凸模固定在一起，同時又起擋料作用，如圖3.60

所示。圖3.60無廢料排樣沖裁模簡圖

(4)模具壽命。有廢料排樣模具全部刃口參與沖裁，受力均勻，模具使用壽命高。少、無廢料排樣時凸模單邊切割，有時毛刺會被凸模帶入間隙，致使模具壽命較短。

(5)操作方式與安全。有廢料排樣模具的零部件較為齊全，操作方便、安全；少、無廢料排樣的模具結構簡單，操作時往往欠方便與安全。

(6)生產率。如圖3.58所示，有的少、無廢料排樣模具一次沖裁即可獲得兩個以上的零件，有利于提高生產率。3.6.4沖裁搭邊

1．搭邊及其作用

(1)搭邊：排樣圖中沖裁