4.2 沖裁工藝

級進模沖裁是利用模具內的凸模和凹模對帶料（條料）產生分離的一種沖壓工序。從廣義上講，沖裁是分離工序的總稱，它包括落料、沖孔、切斷、修邊、切舌、剖切等多種工序。在多工位級進模里，沖裁主要是指落料和沖孔工序。

落料是指用沖模沿封閉輪廓曲線沖切，沖下部分為零件；

沖孔是指用沖模按封閉輪廓曲線沖切，沖下部分是廢料。

多工位級進模沖裁件的工作部分零件與成形模不同，它一般都具有鋒利的刃口來對材料進行剪切加工，并且凸模進入凹模的深度較小，以減少刃口磨損。

沖裁在多工位級進模里應用較為廣泛，它既可以直接沖出所需形狀的成品制件，又可以為其他成形工序制備毛坯，如多工位級進模里有彎曲、拉深、成形等工序，那么先沖出制件要成形的部位。

根據變形機理的不同，沖裁可以分為普通沖裁和精密沖裁兩類。

4.2.1 沖裁過程工藝分析

1.沖裁變形過程及剪切區的應力狀態

（1）沖裁變形過程 沖裁時板料的變形具有明顯的階段性，由彈性變形過渡到塑性變形，最后產生斷裂分離。

1）彈性變形階段（見圖4-1a）。凸模接觸板料后開始加壓，板料在凸、凹模作用下產生彈性壓縮、拉伸、彎曲、擠壓等變形。此階段以材料內的應力達到彈性極限為止。在該階段，凸模下的材料略呈彎曲狀，凹模上的板料向上翹起，凸、凹模之間的間隙越大，則彎曲與翹起的程度也越大。

2）塑性變形階段（見圖4-1b）。隨著凸模繼續壓入板料，壓力增加，當材料內的應力狀態滿足塑性條件時，開始產生塑性變形，進入塑性變形階段。隨凸模擠入板料深度的增大，塑性變形程度增大，變形區材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，直到刃口附近側面的材料由于拉應力的作用出現微裂紋時，塑性變形階段結束，此時沖裁變形抗力達到最大值。

3）斷裂分離階段（見圖4-1c、d、e）。凸模繼續下壓，使刃口附近的變形區的應力達到材料的破壞應力，在凹、凸模刃口側面的變形區先后產生裂紋。已形成的上、下裂紋逐漸擴大，并沿最大切應力方向向材料內層延伸，直至兩裂紋相遇，板料被剪斷分離，沖裁過程結束。

（2）剪切區的應力狀態 根據試驗的結果，沖裁時，板料最大的塑性變形集中在以凸模與凹模刃口連線為中線的紡錘形區域內，如圖4-2所示。

圖4-1 沖裁變形過程

a）彈性變形階段 b）塑性變形階段 c）、d）、e）斷裂分離階段

圖4-2 沖裁板料的變形區

a）初始沖裁 b）切入板料 1—變形區 2—已變形區

圖4-2a表示初始沖裁時的變形區由刃口向板料中心逐漸擴大，截面呈紡錘形。材料的塑性越好，硬化指數越大，則紡錘形變形區的寬度將越大。

圖4-2b表示變形區隨著凸模切入板料深度的增加而逐漸縮小，但仍保持紡錘形，其周圍已變形的材料被嚴重加工硬化了。紡錘形內以剪切變形為主，特別是當凸模與凹模的間隙較小時，紡錘形的寬度將減小。但由于沖裁時板料的變形受到材料的性質、凸模與凹模的間隙、模具刃口變鈍的程度等因素的影響，不可能只產生剪切變形，還有彎曲變形，而彎曲又將使板料產生受拉與受壓兩種不同的變形，因此沖裁變形區的應力狀態是十分復雜的。圖4-3所示為沖裁時板料的應力狀態。

圖4-3 沖裁時板料的應力狀態

A點：位于凸模端面靠近刃口處，受凸模正壓力作用，并處于彎曲的內側，因此受三向壓應力作用，為強壓應力區。

B點：位于凹模端面靠近刃口處，受凹模正壓力作用，并處于彎曲的外側，因此軸向應力σ_z為壓應力，徑向應力σρ和切應力σ_θ均為拉應力，但主要是受壓應力作用。

C點：位于凸模側面靠近刃口處，受凸模的拉伸和垂直方向摩擦力的作用，因此軸向應力σ_z為拉應力。徑向受凸模側壓力作用并處于彎曲的內側，因此徑向應力σ_ρ為壓應力。切向受凸模側壓力作用將引起拉應力，而板料的彎曲又引起壓應力。因此切應力σ_θ為合成應力，一般為壓應力。

D點：位于凹模刃口側面靠近刃口處，軸向受凹模側壁垂直方向摩擦力作用將產生拉應力σ_z。凹模側壓力和板料的彎曲變形導致徑向應力σρ和切應力σ_θ均為拉應力，因此D點為強拉應力區。

2.沖裁件斷面分析

沖裁件斷面可分為明顯的四部分：塌角、光面（光亮帶）、毛面（斷裂帶）和毛刺，如圖4-4所示。

（1）塌角 塌角也稱為圓角帶，是由于沖裁過程中刃口附近的材料被牽連拉入變形（彎曲和拉伸）的結果。材料的塑性越好，凸模與凹模的間隙越大，塌角越大。

（2）光面（光亮帶） 光面也稱為剪切面，是刃口切入板料后產生塑性變形時，凸、凹模側面與材料擠壓形成的光亮垂直的斷面。光面是最理想的沖裁斷面，沖裁件的尺寸精度就是以光面處的尺寸來衡量的。普通沖裁時，光面的寬度約占板料厚度的1/3～1/2。材料的塑性越好，光面就越寬。

（3）毛面（斷裂帶） 毛面是由主裂紋貫通而形成的表面十分粗糙且有一定斜度的撕裂面。塑性差的材料撕裂傾向嚴重，毛面所占比例也大。

（4）毛刺 沖裁毛刺是在刃口附近的側面上，材料出現微裂紋時形成的。當凸模繼續下行時，便使已形成的毛刺拉長并殘留在沖裁件上。沖裁間隙越小，毛刺的高度越小。

圖4-4 沖裁件斷面的狀態

a—塌角 b—光面（光亮帶） c—毛面（斷裂帶） d—毛刺

4.2.2 沖裁間隙

沖裁凸模和凹模之間的間隙，不僅對沖裁件的質量有極重要的影響，而且還影響模具壽命、沖裁力、卸料力和推件力等。因此，間隙是沖裁凸模與凹模設計的一個非常重要的參數。

1.間隙對沖裁件質量的影響

沖裁件的質量主要通過切斷面質量、尺寸精度和表面平直度來判斷。在影響沖裁件質量的諸多因素中，間隙是主要的因素之一。

（1）間隙對斷面質量的影響 沖裁件的斷面質量主要指塌角的大小、光面（光亮帶）約占板厚的比例、毛面（斷裂帶）的斜角大小及毛刺高度等。

間隙合適時，沖裁時上、下刃口處所產生的剪切裂紋基本重合。這時光面約占板厚的1/3～1/2，切斷面的塌角、毛刺和斜度均很小，完全可以滿足一般沖裁的要求。

間隙過小時，凸模刃口處的裂紋比合理間隙時向外錯開一段距離。上、下裂紋之間的材料隨沖裁的進行將被第二次剪切，然后被凸模擠入凹模洞口。這樣，在沖裁件的切斷面上形成第二個光面，在兩個光面之間形成毛面，在端面出現擠長的毛刺。這種擠長毛刺雖比合理間隙時的毛刺高一些，但易去除，而且毛面的斜度和塌角小，沖裁件的翹曲小，所以只要中間撕裂不是很深仍可使用。

間隙過大時，凸模刃口處的裂紋比合理間隙時向內錯開一段距離。材料的彎曲與拉伸增大，拉應力增大，塑性變形階段較早結束，致使斷面光面減小，塌角與斜度增大，形成厚而大的拉長毛刺，且難以去除，同時沖裁件的翹曲現象嚴重，影響生產的正常進行。

若間隙分布不均勻，則在小間隙的一邊形成雙光面，大間隙的一邊形成很大的塌角及斜度。普通沖裁毛刺的允許高度見表4-3。

表4-3 普通沖裁毛刺的允許高度 （單位：mm）

（2）間隙對尺寸精度的影響 沖裁件的尺寸精度是指沖裁件的實際尺寸與公稱尺寸的差值，差值越小，則精度越高。從整個沖裁過程來看，影響沖裁件的尺寸精度有兩大方面的因素：一是多工位級進模本身的制造偏差；二是沖裁結束后沖裁件相對于凸模或凹模尺寸的偏差。

材料性質直接決定了該材料在沖裁過程中的彈性變形量。對于比較軟的材料，彈性變形量較小，沖裁后的彈性回復值也較小，因而沖裁件的精度較高，硬的材料則正好相反。

材料的相對厚度越大，彈性變形量越小，因而沖裁件的精度也越高。

沖裁件尺寸越小，形狀越簡單，則精度越高。這是由于模具精度易保證，間隙均勻，沖裁件的翹曲小，以及沖裁件的彈性變形絕對量小的緣故。

2.間隙對沖裁力的影響

試驗證明，隨間隙的增大，沖裁力有一定程度的降低，但當單面間隙介于材料厚度的5%～20%范圍內時，沖裁力的降低不超過5%～10%。因此，在正常情況下，間隙對沖裁力的影響不是很大。

間隙對卸料力、推件力的影響比較顯著。隨間隙增大，卸料力和推件力都將減小。一般當單面間隙增大到材料厚度的15%～25%時，卸料力幾乎降到零。

3.間隙對模具壽命的影響

沖裁模常以刃口磨鈍與崩刃的形式失效。凸、凹模磨鈍后，其刃口處形成圓角，沖裁件上就會出現不正常的毛刺。凸模刃口磨鈍時，在落料件邊緣產生毛刺；凹模刃口磨鈍時，所沖孔口邊緣產生毛刺；凸、凹模刃口均磨鈍時，則制件邊緣與孔口邊緣均產生毛刺。

由于材料的彎曲變形，材料對模具的反作用力主要集中于凸、凹模刃口部分。當間隙過小時，垂直力和側壓力將增大，摩擦力增大，加劇模具刃口的磨損；隨后二次剪切產生的金屬碎屑又加劇刃口側面的磨損；沖裁后卸料和推件時，材料與凸、凹模之間的滑動摩擦還將再次造成刃口側面的磨損，使得刃口側面的磨損比端面的磨損大。

4.沖裁模間隙值的確定

在多工位級進模中，凸模與凹模間每側的間隙稱為單面間隙，兩側間隙之和稱為雙面間隙。如無特殊說明，沖裁間隙就是指雙面間隙。

（1）間隙值確定原則 從上述的沖裁分析中可看出，找不到一個固定的間隙值能同時滿足沖裁件斷面質量最佳，尺寸精度最高，翹曲變形最小，模具壽命最長，沖裁力、卸料力、推件力最小等各方面的要求。因此，在沖壓實際生產中，主要根據沖裁件斷面質量、尺寸精度和模具壽命這幾個因素給間隙規定一個范圍值。只要間隙在這個范圍內，就能得到合格的沖裁件和較長的模具壽命。這個間隙范圍就稱為合理間隙，合理間隙的最小值稱為最小合理間隙，最大值稱為最大合理間隙。設計和制造時，應考慮到沖裁凸、凹模在使用中會因磨損而使間隙增大，故應按最小合理間隙值確定模具間隙。

（2）間隙值確定方法 確定凸、凹模合理間隙的方法有理論法和查表法兩種。

1）理論法。用理論法確定合理間隙值，是根據上下裂紋重合的原則進行計算。圖4-5所示為沖裁過程中開始產生裂紋的瞬時狀態，根據圖中幾何關系可求得合理間隙Z為

式中 t———材料厚度（mm）；

h₀———產生裂紋時凸模擠入材料深度（mm）；

h₀/t———產生裂紋時凸模擠入材料的相對深度，見表4-4；

β———剪切裂紋與垂線間的夾角，見表4-4。

圖4-5 沖裁產生裂紋的瞬時狀態

表4-4 h₀/t與β值

由式（4-1）可知，合理間隙Z主要取決于材料厚度t和凸模擠入材料的相對深度h₀/t，然而h₀/t不僅與材料塑性有關，而且還受料厚的綜合影響。因此，材料厚度越大、塑性越低的硬脆材料，則所需間隙值Z就越大；料厚越薄、塑性越好的材料，則所需間隙值Z就越小。

2）查表法。由于理論計算法在生產中使用不方便，故常用查表法來確定間隙值。有關間隙值的數值，可在一般沖壓手冊中查到。對于尺寸精度、斷面垂直度要求高的制件，應選用較小間隙值，見表4-5。對于斷面垂直度與尺寸精度要求不高的制件，以提高模具壽命為主，應采用大間隙值，見表4-6、表4-7。

表4-5 較小間隙沖裁模具初始用雙面間隙

（續）

注：1.初始間隙的最小值相當于間隙的公稱數值。

2.初始間隙的最大值是考慮到凸模和凹模的制造公差所增加的數值。

3.本表適用于電子電器等行業尺寸精度和斷面質量要求高的沖裁件。

表4-6 沖裁模初始雙面間隙（汽車、拖拉機行業） （單位：mm）

（續）

表4-7 沖裁模初始雙面間隙（電器、儀表行業） （單位：mm）

（續）

注：有*處均指無間隙。

按沖裁件尺寸精度、剪切面質量、模具壽命和力能消耗等主要因素，將金屬板料沖裁間隙分成五類，即Ⅰ類（小間隙）、Ⅱ類（較小間隙）、Ⅲ類（中等間隙）、Ⅳ類（較大間隙）和V類（大間隙）。

Ⅰ類沖裁間隙適用于沖裁件剪切面、尺寸精度要求高的場合；Ⅱ類沖裁間隙適用于沖裁件剪切面、尺寸精度要求較高的場合；Ⅲ類沖裁間隙適用于沖裁件剪切面、尺寸精度要求一般的場合，因殘余應力小，能減小破裂現象，故適用于繼續塑性變形的工件的場合；Ⅳ類沖裁間隙適用于沖裁件剪切面、尺寸精度要求不高的場合，以利于提高沖模壽命；V類沖裁間隙適用于沖裁件剪切面、尺寸精度要求較低的場合。

4.2.3 沖裁凸、凹模刃口尺寸計算

沖裁凸、凹模的刃口尺寸和公差直接影響沖裁件的尺寸精度。合理的間隙值也是靠凸模和凹模刃口的尺寸和公差來保證的，它的確定需考慮到沖裁變形的規律、沖裁件精度要求、模具磨損和制造特點等情況。

1.凸、凹模刃口尺寸計算原則

實踐證明，落料件的尺寸接近于凹模刃口的尺寸，而沖孔件的尺寸則接近于凸模刃口的尺寸。在測量與使用中，落料件以大端尺寸為基準，沖孔件以小端尺寸為基準，即落料和沖孔是以光亮帶尺寸為基準的。沖裁時，凸模會越磨越小，凹模會越磨越大?？紤]以上情況，在決定凸、凹模刃口尺寸及其制造公差時應遵循以下原則：

1）落料時，制件尺寸取決于凹模尺寸；沖孔時，孔的尺寸取決于凸模尺寸，故料帶（條料）設計落料時，應以凹模為基準，間隙取在凸模上；在料帶（條料）設計沖孔時，應以凸模為基準，間隙取在凹模上。因使用中隨著模具的磨損，凸、凹模間隙將越來越大，所以初始設計時，凸、凹模間隙應取最小合理間隙。

2）由于沖裁中凸模、凹模的磨損，故在設計落料時，凹模公稱尺寸應取制件尺寸公差范圍內的較小尺寸；設計沖孔時，凸模公稱尺寸應取制件尺寸公差范圍內的較大尺寸。這樣，在凸模、凹模受到一定磨損的情況下仍能沖出合格制件。

3）凹、凸模的制造公差主要與沖裁件的精度和形狀有關。一般比沖裁件的精度高2～3級。若制件沒有標注公差，則對于非圓形件，按國家標準“非配合尺寸的公差數值”的IT14精度處理；對圓形件，可按IT10精度處理。模具精度與沖裁件精度對應關系見表4-8。

表4-8 模具精度與沖裁件精度對應關系

圖4-6 沖裁件刃口尺寸與公差位置

a）落料 b）沖孔

4）沖裁件刃口尺寸均按“入體”原則標注，即凹模刃口尺寸偏差標注正值，凸模刃口尺寸偏差標注負值；而對于孔心距，以及不隨刃口磨損而變的尺寸，則取為雙向偏差。

沖裁件刃口尺寸與公差位置如圖4-6所示。

2.凸、凹模刃口尺寸計算

由于多工位級進模的加工和測量方法不同，凸模與凹模刃口部分尺寸的計算方法可分為兩類。

（1）凸模與凹模分開加工 這種方法適用于圓形或簡單規則形狀的沖裁件。為了保證合理的間隙值，其制造公差（凸模制造公差δ，凹模制造公差δ_d）必須滿足下列關系：

其取值有以下幾種方法：

①按表4-9查取。

②規則形狀一般可按凸模IT6、凹模IT7精度查標準公差表選取

③按下式取值：

表4-9 規則形狀（圓形、方形）沖裁時凸、凹模制造公差 （單位：mm）

1）沖孔。

2）落料。

3）孔心距。

式中 D_d、D_P———落料凹模與凸模刃口尺寸（mm）；

d_d、d_P———沖孔凹模與凸模刃口尺寸（mm）；

L_min———制件孔距最小極限尺寸（mm）；

D_max———落料件最大極限尺寸（mm）；

d_min———沖孔件最小極限尺寸（mm）；

δ_P、δd———凹模上極限偏差與凸模下極限偏差（mm）；

Δ———沖裁件公差（mm）；

Z_min———凸、凹模最小初始雙面間隙（mm）；

x———磨損系數，與制造精度有關，可按表4-10選取，或按下列關系選?。?/p>

沖裁件精度IT10以上時 x=1

沖裁件精度IT11～IT13時 x=0.75

沖裁件精度IT14以下時 x=0.5

表4-10 系數x

（2）凸模與凹模配合加工 對于形狀復雜或薄材料的制件，為了保證凸、凹模間一定的間隙值，必須采用配合加工。此方法是先加工其中一件（凸?；虬寄＃┳鳛榛鶞始?，再以它為標準來加工另一件，使它們之間保持一定的間隙。因此，只在基準件上標注尺寸和公差，另一件配模只標注公稱尺寸及配作所留的間隙值。這樣δ_P、δ_d就不再受間隙的限制。通常可取δ=Δ/4。這種方法不僅容易保證很小的間隙，而且還可放大基準件的制造公差，使制模容易，成本降低。

1）落料。落料時應以凹模為基準模，配制凸模。設圖4-7a為某落料凹模刃口形狀及尺寸，工作時，凹模磨損后尺寸分變大、變小和不變三種情況。

①凹模磨損后變大的尺寸（如圖4-7a中A₁、A₂），可按落料凹模尺寸公式計算。

②凹模磨損后變小的尺寸（如圖4-7a中B₁、B₂），相當于沖孔凸模尺寸。

③凹模磨損后不變的尺寸（如圖4-7a中C₁、C₂），相當于孔心距。

落料凸模刃口尺寸按凹模尺寸配制，并在圖樣技術要求中注明“凸模尺寸按凹模實際尺寸配制，保證雙面間隙為Z_min～Z_max”。

2）沖孔。沖孔時應以凸模為基準模，配制凹模。設圖4-7b為某沖孔凸模刃口形狀及尺寸，工作時，凸模磨損后尺寸分變大、變小和不變三種情況。

①凸模磨損后變小的尺寸（如圖4-7b中A₁、A₂），可按沖孔凸模尺寸公式計算。

②凸模磨損后變大的尺寸（如圖4-7b中B₁、B₂），可按落料凹模尺寸公式計算。

③凸模磨損后不變的尺寸（如圖4-7b中C₁、C₂），相當于孔心距。

圖4-7 沖裁模刃口尺寸類型

a）落料凹模刃口 b）沖孔凸模刃口

此時，沖孔凹模刃口尺寸按凸模尺寸配制，并在圖樣技術要求中注明“凹模尺寸按凸模實際尺寸配制，保證雙面間隙為Z_min～Z_max”。

例4-1 如圖4-8所示某拖拉機用墊圈，材料為Q235，料厚t=2mm，該制件采用多工位級進模進行沖壓，試計算凸、凹模刃口尺寸。

解方法一：凸模與凹模分開加工。

查表4-6得：Z_max=0.360mm，Z_min=

0.246mm，Z-Z_min=0.114mm。max

落料部分，δ_d按IT7、δ_P按IT6查標準公差表，得

δ_d=+0.025mm，δ_P=-0.016mm

δ_d+δ_P=0.041mm<Z_max-Zmin

圖4-8 墊圈

a）制件圖 b）排樣圖

查表4-10得落料部分x=0.5，落料部分刃口尺寸為

沖孔部分，δ_d按IT7、δ_P按IT6查標準公差表，得

查表4-10得沖孔部分x=0.75，沖孔部分刃口尺寸為

方法二：凸模與凹模配合加工。

落料部分以凹模為基準，且凹模磨損后該處尺寸增大。查表4-10得x=0.5，所以落料凹模刃口尺寸為

落料凸模配制，查表4-6取最小間隙初始為0.246～0.360mm。

沖孔部分以凸模為基準，且凸模磨損后該處尺寸減小。查表4-10得x=0.75，所以沖孔凸模刃口尺寸為

沖孔凹模配制，取最小間隙初始為0.246～0.360mm。

4.2.4 沖裁力及卸料力、推料力、頂料力計算

1.沖裁力

沖裁力是指沖壓時材料對凸模的最大抵抗力。沖裁力的大小主要與材料的厚度、力學性能和制件的輪廓長度有關。沖裁力的計算是為了選用合適的壓力機、校驗模具的強度。

式中 F———沖裁力（N）；

L———沖裁件周邊長度（mm）；

t———材料厚度（mm）；

τ———材料抗剪強度（MPa）。

2.卸料力、推料力、頂料力

1）卸料力是將箍在凸模上的材料卸下所需的力，即

2）推料力是將落料件順著沖裁方向從凹?？淄瞥鏊璧牧?，即

3）頂料力是將落料件逆著沖裁方向頂出凹?？姿璧牧?，即

式中 k_卸———卸料力系數；

k_推———推料力系數；

k_頂———頂料力系數；

n———凹模孔內存件的個數，n=h/t（h為凹模刃口直壁高度，t為制件厚度）；

F———沖裁力。卸料力、推料力和頂料力系數可查表4-11。

表4-11 卸料力、推料力、頂料力系數

4.2.5 純沖裁級進模沖壓設備的選擇

如在多工位級進模沖壓過程中同時存在卸料力、推料力和頂料力時，那么總沖壓力F_總=F+F_卸+F_推+F_頂，這時所選壓力機的噸位須大于F_總約30%。

當F_卸、F_推、F_頂并不與F同時出現時，則計算F_總只加與F同一瞬間出現的力即可。

4.2.6 降低沖裁力的措施

在多工位級進模上降低沖裁力的目的是使較小噸位的壓力機能沖裁較大、較厚的制件，常采用階梯沖裁和斜刃沖裁等方法。

（1）階梯沖裁 在多凸模的多工位級進模中，將凸模做成不同高度，按階梯分布，可使各凸模沖裁力的最大值不同時出現，從而降低沖裁力。

階梯式凸模不僅能降低沖裁力，而且能減少壓力機的振動。在直徑相差較大、距離又很近的多孔沖裁中，一般將小直徑凸模做短些，可以避免小直徑凸模因受被沖材料流動產生水平力的作用而產生折斷或傾斜的現象。圖4-9中H為階梯凸模高度差，對于薄料，可取長、短凸模高度差H等于料厚；對于t>3mm的厚料，H取料厚的一半即可。

圖4-9 階梯沖裁

圖4-10 斜刃沖裁凸模中間部分凹進

（2）斜刃沖裁 用平刃口沖裁時，整個制件周邊同時參加沖裁工作，沖裁力較大。采用斜刃沖裁時，模具整個刃口不與制件周邊同時接觸，而是逐步將材料切離，因此，沖裁力顯著降低。

在多工位級進模中一般將沖切外形輪廓廢料和沖孔的凸模采用斜刃口，其凹模應為平刃。為防止側向力的存在，斜刃應當是兩面對稱的中間部分凹進或凸出一定距離。圖4-10所示為凸模中間部分凹進一定距離。