冲裁间隙对冲压件质量影响的实验研究吕建强，王玲(1. 淮阴工学院 ， 机械工程学院 江苏 淮安 223003)摘要：本文通过一套刚性卸料冲模，以一组十个不同尺寸的冲头，形成不同的冲裁间隙，研究了在自由冲裁状态时，冲裁间隙的取值对冲裁件尺寸精度、冲裁面质量、平面度的影响。
关键词：冲裁件；间隙；断面质量中图分类号：TG386.41 文献标识码：A 文章编号：前言冲裁是利用模具使板料分离的冲压工序，在自由冲裁时（即在没有压板和顶出器的情况下），板料冲裁变形区的受力状态如图1所示。
冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内（图1-b ）所示），纺锤形内以剪切变形为主。
当凸模与凹模的间隙（以下称冲裁间隙）较小时，纺锤形区域的宽度将减小，冲裁变形将更接近剪切。
由于冲裁间隙的存在，使得板料在受到凸、凹模正压力作用的同时还受到弯矩M 的作用。
由于弯矩M 的影响，材料的变形及受力情况变的非常复杂，且随冲裁间隙的变化及冲裁过程的进行而发生相应的变化。
a ）b ）图1 刃口处的受力情况由冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的，所有这些冲裁间隙值是主要的影响因素。
本文从冲裁间隙值的变化对冲裁件的质量影响作一次探讨。
研究条件及试验数据材料为厚2.5mm 的08F 钢板，正装下出料刚性卸料冲模一副，凹模刃口尺寸：mm D d 82.34Φ=，为了得到不同的冲裁间隙，采用表一所示凸模刃口不同尺寸的一组十个冲头，进行冲裁比较。
表一 凸模刃口参数 组号 凸模参考尺寸(mm)相对间隙（Z/t ×100%）保证间隙Z 值1 77.341Φ=p D2.5% 0.05 2 72.342Φ=p D 5% 0.1 3 67.343Φ=p D 7.5% 0.15 4 62.344Φ=p D 10% 0.2 557.345Φ=p D12.5%0.256 52.346Φ=p D 15% 0.37 42.347Φ=p D 20% 0.48 32.348Φ=p D 25% 0.59 22.349Φ=p D 30% 0.6 1012.3410Φ=p D35%0.7我们对每组冲裁出的零件进行了零件尺寸、光亮带宽度、圆角带宽度、内斜角和平面度的测量，数据列于表二。
断面的光亮带、圆角带情况如图2所示,端面的圆角带情况如图3所示。
表二 冲裁件的质量情况 (mm)组号 零件直径（mm ） 光亮带宽度(平均) 塌角 内斜角（°） 平面度h/t(%)断面形态 1 34.8261 — 10.3% — 均匀双光亮带 2 34.8127 53.0% 13.1% 3.757连续岛形双光亮带 3 34.8240 50.4% 13.7% 3.782 连续岛形双光亮带 4 34.8126 44.4% 14.5% 4.568 断续岛形双光亮带 5 34.8174 40.0% 15.9% 5.494 点状岛形双光亮带 6 34.8018 37.0% 16.4% 6.252 点状岛形双光亮带7 34.8097 35.5% 17.7% 7.132 单光亮带 8 34.8091 34.6% 20.1% 9.462 单光亮带 9 34.8071 32.0% 20.9% 10.22 单光亮带 1034.778131.4%25.5%13.42单光亮带图2 光亮带、断面圆角带图3 端面圆角冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响尺寸精度是指制件的实际尺寸与图样上标注的基本尺寸的差值δ所能达到的公差等级。
冲裁件的外形尺寸精度主要受凸、凹模刃口尺寸制造精度和冲裁间隙的影响。
若忽略材料的弹塑性共存规律的影响，则理论上落料件的尺寸与凹模孔尺寸一致，但是，由于材料塑性变形时具有弹塑性共存规律，冲裁结束后制件从模具中脱离出来，原来在冲裁时所承受的力及产生的变形将发生一定程度的弹性回复，这使得冲裁件与凹模的刃口尺寸及形状产生了偏差。
图4所示，当冲裁间隙（Z/t 值）较小时，凸、凹模刃口周围的材料，所受弯矩较小，此时拉应力较小，挤压应力较大，凸、凹模刃口周围材料的径向呈弹性压缩变形，落料后因板料的弹性恢复使落料件尺寸将大于凹模孔尺寸，产生正偏差。
随冲裁间隙（Z/t 值）的增大，弯矩逐渐变大，拉应力增大，凸、凹模刃口周围材料的径向呈弹性拉伸变形，落料后因板料的弹性恢复使冲裁件向实体方向收缩，则产生负偏差。
由图4变化趋势分析，理论上当冲裁间隙值为一特定值时，偏差可能为零（但这在实际中是不可能的）。
冲裁间隙 Z/t(%)零件尺寸 D (m m)图4 零件尺寸精度冲裁间隙对冲裁件光亮带、圆角带的影响由变形区应力特征点的分析可知，凹模侧壁靠近刃口处的静水压力最低，材料呈现的塑性较差。
当凸模切入板料一定深度时，由于加工硬化和组织缺陷的增多，促使材料塑性进一步降低。
随着材料内部的应力达到强度极限，裂纹首先在凹模侧壁刃口处出现。
图5-a)所示，当凸模与凹模的间隙正常时，裂纹的发展可能有两种方式：一是如A 曲线所示，凹模侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中，因为进入压应力区比较困难，此时在凸模刃口侧壁也将产生裂纹，上、下裂纹对向发展，贯通后便使冲裁件断裂分离开来，形成粗糙的断裂面（又称为断裂带）；第二种如B 曲线所示，凹模刃口侧壁产生的裂纹选择静水压力较低的路径发展，且直接到达凸模刃口侧壁而贯通。
一般第一种情况比较多见。
a) b) c) d)图5 冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响当冲裁间隙值较小时，由于弯曲作用的减小，冲裁变形区的静水压力明显增大。
从凹模刃口侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中将进入强压应力区，使裂纹无法继续扩展而隐没在材料内部，成为潜伏裂纹。
当凸模继续下压时，将发生二次剪切现象，冲裁结束时将形成明显的第二光亮带。
在第一与第二光亮带之间有区域较小的断裂带，圆角的高度也很小（如图画5-b)所示）。
图5-c)所示，随冲裁间隙增大时，因为静水压力作用有所减弱，下裂纹可能向材料深处发展，形成较深的潜伏裂纹。
由图2、图6可见随冲裁间隙增大（Z/t约为5%—15%），第一光亮带逐渐减小，同时第二光亮带呈块状分布，并形成逐渐强度较小的尖舌状的断面，称为舌片（或舌翘）。
在冲裁中一些舌片的脱落，而粘附在凸、凹模刃口，加大了凸、凹模间的磨料磨损，加剧了凸、凹模的磨损。
目前多数观念认为，大间隙可以提高模具使用寿命，这也是采用大间隙以离开产生岛形光亮带的刃口间隙区，减小磨料磨损的影响。
当冲裁间隙过大时，由于弯矩的增大，凹模刃口侧壁处的材料所受的拉应力将明显增大，材料的塑性变得较差。
如图5-d)所示，在凸模切入板料深度不大时，凹模刃口侧壁处的裂纹提前产生，这时凸模刃口侧壁往往不产生裂纹。
凹模刃口侧壁处的裂纹一般发展不大就停止了，当凸模下压达到一定程度时，裂纹至凸模刃口侧壁处的材料才逐渐缩颈直至断裂。
所得的冲裁件的圆角高度、断裂带高度及斜角β明显增大，光亮带宽度大大减小（如图6所示）。
5101520253035h/t(%)10203050冲裁间隙Z/t(%)光亮带图6 圆角带、光亮带与冲裁间隙的变化关系冲裁间隙对冲裁件平面度的影响图1-a)所示,由于凸、凹模之间存在间隙，板料在受到凸、凹模正压力作用的同时还受到冲裁力与间隙形成的弯矩M的作用。
弯矩M使板料产生了弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹，影响冲裁件的平面度。
图7为凸模与零件接触变形情况，由图可见凸模仅在刃口处很小的一般范围内与零件有接触痕迹，这也验证了图1-a）所述冲裁时凸、凹模与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触。
因此凸、凹模作用于上、下板面的正压力的分布是不均匀的，越靠近刃口压力越大，这也是凸、凹模的磨损主要集中于刃口处及崩刃产生的主要原因。
图7 凸模与零件接触痕迹由于板料的弯曲变形，对凸、凹模刃口的侧壁产生了挤压作用，同时刃口侧壁也对材料产生了反挤压。
反挤压形成了弯矩M´，其方向与弯矩M相反，阻止了板料的进一步弯曲变形。
因此自由冲裁时冲压制件虽有一定的不平整度，但程度有限。
冲裁间隙过大时，对制件的平整度也有较大的影响。
这是由于间隙越大，弯曲作用就越大，从而引起的板料翘曲变形就越严重。
如图8所示，当冲裁间隙不超过20%时，制件平整度基本能满足一般性的使用要求。
冲裁间隙Z/t(%)图8 零件平面度结束语冲模间隙较小时，落料件的尺寸接近于凹模，甚至大于凹模尺寸，且零件光亮带尺寸大、零件也较平整，零件精度高，但此时零件和模口的接触面积和接触应力增加，将使凸、凹模的磨损急剧增加，影响模具的使用寿命。
一般在满足零件质量要求的前提下应尽量取较大的冲裁间隙，以提高模具的使用寿命。
当零件的质量要求较高时，可设置压料装置，以减小刃口处的弯矩，减小零件的不平度，增加光亮带宽度，确需取较小冲裁间隙时，凸、凹模应选用特殊的模具材料，同时要提高凸、凹模刃口处的硬度和降低粗糙度。
在剪切变形时，由于凸、凹模与材料接触面的相对运动而产生了摩擦力，刃口侧壁的摩擦力对板料断裂分离过程的影响要比端面的摩擦力大得多，但其影响机制尚需进一步研究。
另外，摩擦力对凸、凹模刃口造成的磨损是影响模具寿命的重要因素之一。
由冲裁件的断裂特点，冲裁中凸模不必进入凹模，这样不仅可以防止发生啃刃现象，同时可以减少凸模刃口侧面的磨损，提高凸模修磨的质量。