冲裁模具间隙

    由3．1节可知，模具间隙不仅影响冲裁件的断面质量，而且还影响模具寿命、卸料力、冲裁力及冲件精度。因此，冲裁间隙是模具设计中的一个重要工艺参数。

    3．2．1 间隙对冲裁件尺寸精度的影响

    冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值。这个差值包括两方面的偏差：一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差；二是模具本身的制造偏差。

    冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，主要是制件从凸模中卸下（冲孔件）或从凹模中推出（落料件）时，因材料挤压变形、纤维伸长、翘曲等产生弹性恢复而造成的。其值可能为正，也可能为负，影响因素有：凸凹模间隙、材料性质、工件形状和尺寸。其中，凸凹模间隙是主要的。

    （1）凸、凹模间隙的影响

    凸、凹模间隙Z对制件尺寸精度（δ为制件相对于模具尺寸的偏差）的影响如图3．5所示。曲线与OZ的交点表示冲裁件尺寸与模具尺寸完全一样。

    图3．5 冲裁间隙对冲裁件精度的影响

    当间隙较大时，材料受拉伸作用增大，冲裁后因材料弹性回复使冲孔件孔径大于凸模直径；落料件尺寸小于凹模尺寸。

    当间隙较小时，则情况与间隙较大时相反。

    （2）材料性质的影响

    材料性质直接决定了该材料在冲裁过程中的弹性变形量。材料较软时，弹性变形量小，弹性回复量小，冲裁件尺寸精度高；硬材料与软材料的情况相反。

    材料的相对厚度t／D（t为冲裁件料厚，D为冲裁件直径）越大，弹性变形量越小，制件的精度越高。

    （3）冲裁等尺寸的影响

    冲裁件尺寸越小、形状越简单，则精度越高。

    以上讨论的冲裁件精度都是在一定的模具尺寸前提下进行的，实际上还有冲模制造精度的因素，冲模制造精度越高，冲裁件的精度相应越高。除此之外，冲模结构、定位方式等对冲裁件质量也有较大的影响。冲模制造精度与冲裁件精度之间的关系见表3．2。

    表3．2 冲模制造精度与冲裁件精度之间的关系

    3．2．2 间隙对模具寿命的影响

    冲裁模常以刃口磨钝和崩刃的形式而失效。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，如图3．6所示。凸模刃口磨钝时，在落料件边沿产生毛刺；凹模刃口磨钝时，在孔口边沿产生毛刺；凸、凹模刃口均磨钝时，则制件边沿和孔口边沿均产生毛刺。消除凸、凹模刃口圆角的方法是修磨凸、凹模工作端面。

    图3．6 凸、凹模磨钝后毛刺形式

    冲裁时凸、凹模受力情况及磨损情况如图3．7所示。

    图3．7 冲裁时凸、凹模受力及磨损情况

    F1、F2—材料对凸模与凹模的垂直反作用力

    F3、F4—材料对凸、凹模的侧压力；

    μF1、μF2—材料对凸、凹模端面的摩擦力

    μF3、μF4—材料对凸、凹模侧面的摩擦力；

    虚线—凸、凹模刃口的摩擦情况

    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，垂直力和侧压力增大，摩擦力增大，加剧模具刃口的磨损；二次剪切产生的碎屑加剧了刃口侧面的磨损；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，另外，模具受到制造误差和装配精度的限制，凸模不可能绝对垂直于凹模平面，间隙分布不是绝对均匀，过小的间隙对模具寿命极为不利，采用较大间隙可减缓间隙不均匀的不利影响，因此为了减少凸、凹模的磨损，延长模具的使用寿命，在保证冲裁件质量的前提下，适当采用较大间隙对提高模具寿命有利。

    3．2．3 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的减小，但当单面间隙介于材料厚度的5％～20％时，冲裁力减小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、推件力的影响比较大，一般随间隙增大，卸料力、推件力都将减小。当单面间隙增大到材料厚度的15％～25％时，卸料力几乎降到零。

    3．2．4 冲裁模具间隙值的确定

    凸模与凹模间单侧的间隙称为单面间隙，两侧间隙之和称为双面间隙。无特殊说明，冲裁间隙是指双面间隙。

    如图3．8所示，冲裁间隙等于凹模与凸模刃口尺寸之差。计算如下：

    Z＝DA－d T（3．1）

    式中 Z——冲裁间隙；

    DA——凹模刃口尺寸；

    d T——凸模刃口尺寸。

    图3．8 冲裁问题

    （1）间隙值确定原则

    在生产实际中，主要是根据冲裁件断面质量、尺寸精度和模具寿命3个因素给间隙值规定了一个范围。只要间隙在这个范围内，就能得到合格的冲裁件及较长的模具寿命，这个间隙范围就称为合理间隙。这个间隙范围的最小值称为最小合理间隙，最大值称为最大合理间隙。

    由于模具在使用过程中，凸、凹模逐渐被磨损，使得间隙值增大，因此在设计和制造模具时应采用最小合理间隙。

    （2）间隙值的确定方法

    确定凸、凹模合理间隙的方法有两种：

    1）理论计算法

    图3．9 冲裁过程中产生裂纹的瞬间状态

    理论计算法是根据上、下裂纹重合的原则进行的。如图3．9所示是冲裁过程中产生裂纹的瞬间状态，从图中可以得出合理间隙为

    式中 ——材料厚度；

    h0——产生裂纹时凸模挤入材料的深度；0——产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度；

    β——剪切裂纹与垂线间的夹角。

    式（3．2）表明，合理间隙值Z主要取决于材料厚度t和相对挤入深度h0／t，而h0／t不仅与材料塑性有关，而且还受料厚的综合影响。一般材料厚度越大，塑性越差的硬材料，Z值越大；反之，材料厚度越小，塑性越好的软材料，Z值越小。各种材料的h0／t和β选取参考表3．3。

    表3．3 h0／t和β值

    2）经验确定法

    根据经验，对于尺寸精度、断面质量要求高的制件，选用较小的间隙值；对于断面质量、尺寸精度要求不高的制件，以降低冲裁力、提高模具寿命为主，选用较大的间隙值。可按以下方法或按表3．4和表3．5推荐的间隙值选用。

    软材料：

    t＜1mm， Z＝（3％～4％）t

    t＝1～3mm， Z＝（5％～8％）t

    t＝3～5mm， Z＝（8％～10％）t

    硬材料：

    t＜1mm， Z＝（4％～5％）t

    t＝1～3mm， Z＝（6％～8％）t

    t＝3～5mm， Z＝（8％～13％）t

    表3．4 冲裁模初始双面间隙Z／mm

    续表

    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．在使用过程中，由于模具工作部分的磨损，间隙将有所增加，因而间隙的使用最大数值要超过表列数值。

    ①ωC为碳的质量分数，用其表示钢中的含碳量。

    表3．5 冲裁模初始双面间隙Z／mm

    续表

    注：冲裁皮革、石棉和纸板时，间隙取08钢的25％。