冲裁变形分析

从广义讲，冲裁是利用冲模使材料相互分离的工序。冲裁的应用非常广泛，它既可直接冲制成品零件，也可为其他成形工序制备坯料。

3．1．1 冲裁变形过程

如图3．1所示为无弹性压板金属冲裁的变形过程。当凸、凹模间隙正常时，工件受力后必然从弹性变形进入塑性变形，最后以断裂分离结束。因此，冲裁变形过程可以分为3个阶段，如图3．2所示。

第一阶段：弹性变形阶段。板料在凸模的压力作用下，产生弹性压缩、弯曲、拉伸等弹性变形底面略挤入凹模洞口。此时，凸模下的材料略呈拱形，凹模上的材料略有上翘，间隙越大，拱弯和上翘越严重，如图3．2Ⅰ所示。由于产生的是弹性变形，凸模卸载后，板材立即恢复原状。

第二阶段：塑性变形阶段。当凸模继续下压，材料内应力达到屈服极限时，板材开始产生塑性剪切变形。凸模挤入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面，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，塑性变形终告结束。由于凸、凹模间有间隙，＇故在这一阶段中冲裁区还伴有金属的弯曲和拉伸（见图3．2Ⅱ），间隙越大，拉伸和弯曲越严重。

第三阶段：断裂和分离阶段。材料内裂纹首先在凹模刃口附近的侧面产生，紧接着在凸模刃口附近侧面产生，已形成的上、下裂纹随凸模的继续压入，沿最大切应力方向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入凹模洞口（见图3．2Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。

图3．1 冲裁变形过程

3．1．2 冲裁件断面特征

如图3．3所示，冲裁件正常的断面特征由4个特征区组成。

图3．2 冲裁变形过程分析

图3．3 冲裁件断面特征

a—圆角带；b—光亮带；c—断裂带；d—毛刺

（1）圆角带

该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。

（2）光亮带

该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成光亮垂直的断面。通常占断面的1／2～1／3。

（3）断裂带

该区域在断裂阶段形成，是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下，不断扩展而形成的撕裂面，其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。

（4）毛刺

毛刺的形成是由于在塑性变形后期，凸模和凹模的刃口切入被加工的板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖呈高静水压应力状态，使微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。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。

3．1．3 影响冲裁件断面质量的因素

（1）材料的性能

塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料被剪切的深度较大。所得到的断面光亮带所占比例大，圆角和拱弯也大，断裂带较窄。而塑性较差的材料，当剪切开始不久，材料便被拉裂，使断面光亮带所占比例小，圆角、拱弯小，大部分是有斜度的粗糙断裂带。

（2）模具冲裁间隙

间隙合适时，冲模上、下刃口处所产生的剪切裂纹基本重合，这时光面占板厚的1／3～1／2，切断面的塌角、毛刺和斜度均较小，完全可以满足一般冲裁的要求（见图3．4（b））。

间隙较小时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。上、下裂纹之间的材料，随冲裁的进行将被第二次剪切，然后被凸模挤入凹模洞口。这样，在冲裁件的切断面上形成第二光面，在两个光面之间形成撕裂面，在断面出现挤长的毛刺。但挤长的毛刺易于去除，且断面的塌角、斜度及冲裁件的翘曲会变得更小。因此，只要中间的撕裂带不是很深，仍可以使用，如图3．4（a）所示。

间隙过大时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙值时向内错开一段距离，材料的弯曲与拉伸增大，拉应力增大，易产生剪切裂纹，塑性变形较早结束，致使断面光面减小，塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除，同时翘曲严重，如图3．4（c）所示。

图3．4 间隙大小对冲裁件断面质量的影响

1—断面带；2—光亮带；3—圆角带

当模具间隙不均时，冲裁件会出现部分间隙过大或部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件的断面质量有一定的影响，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。普通冲裁毛刺的允许高度见表3．1。

表3．1 普通冲裁毛刺的允许高度／mm

（3）模具刃口状态

刃口状态对冲裁过程中应力状态有较大影响。当模具刃口磨钝后，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上也将产生较大的毛刺。凸模较钝时，落料件上毛刺增大；凹模较钝时，冲孔件上毛刺增大。