關于沖壓模具沖裁過程間隙問題的探討

文／樊燕朋，張永朝，何洋，齊康寧·長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心

關于沖壓模具沖裁過程間隙問題的探討

文／樊燕朋，張永朝，何洋，齊康寧·長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心

通過分析沖壓模具沖裁板料的過程，板料受力情況、變形機理及成形斷面狀態，來探討不同間隙情況對沖裁斷面的影響和沖裁間隙對沖裁件質量的影響，使模具沖裁過程及其會出現的異常更具體地呈現出來，從而探討如何選取適合的沖裁間隙，對沖裁異常進行針對性處理。

沖裁過程及斷面分析

沖壓件的斷面具有的區域特征

圖1為沖壓模具沖壓板件時的受力圖，沖裁時板料在垂直方向壓力、橫向擠壓力、摩擦力、彎矩和拉力的作用下產生復雜形變（彎曲、拉伸、剪切、擠壓)，其主要過程包含彈性變形階段、塑性變形階段、剪切斷裂分離。由此產生的結果就是在沖壓件的斷面處有明顯的區域特征，可分為圓角帶、塑剪帶（光亮帶)、剪裂帶（斷裂帶)及毛刺四部分區域，如圖2所示。

其中圓角帶即塌角帶是板料與凹模相接觸的一側在沖裁開始時，被擠入凹模的洞口，由于受拉伸的作用形成的，隨著受力的增加而逐漸增大，直到出現裂紋；它是模具切入時被下壓的自由表面部分；當沖裁間隙增大時，其相對應的塌角帶也會相應的出現增大的變化。

圖1 沖壓模具沖壓板件時的受力圖

塑剪帶（光亮帶)是模具擠壓和切入材料使其產生塑性變形而形成的，是整個斷面上質量最好的部分，其在整個斷面區域的比例會隨著板料材料、模具的間隙、刃口的鋒利程度及工作條件的不同而不同，其中模具的結構形式和凸凹模之間的間隙大小對沖裁切口斷面質量的影響最為明顯，當沖裁間隙增大時其塑剪帶的寬度將會相應減小。

剪裂帶也稱為粗糙帶，是刃口處的微裂紋在拉應力作用下不斷擴展斷裂而形成的，其表面粗糙且帶有錐度，當模具的間隙值合適時，在凹凸模刃口附近產生的微細裂紋繼續發展，并在最后出現表面粗糙并且無光澤的情況；由于這部分為產生裂紋而破斷的部分，在此處出現晶粒狀的表面。這種粗糙的剪裂帶隨著沖裁間隙的增大而增大；但是到一定程度后，會出現減小的趨勢。

圖2 沖壓件的斷面有明顯的區域特征

毛刺區是在斷裂帶周圍形成的不規則的撕裂毛邊，各部分所占比例隨材料性能、料厚、刃口鋒利程度、模具結構及凹凸模間隙等方面的不同而變化，塑性差的材料，斷裂傾向嚴重，斷裂帶增寬，光亮帶圓角帶所占比例較小，毛刺也小；塑性好的材料則相反。想要提高沖裁件的斷面質量，可通過增加光亮帶的高度和增加整形工序來實現。增加光亮帶高度是通過延長塑性變形階段推遲裂紋的產生來實現的。同時由于此區域為應力集中區域，因此也是衡量板料沖裁質量的重要參數指標，通過板料沖裁斷面及毛刺的呈現形式來對模具間隙進行調整，使其得到較好的沖裁板料。

沖裁間隙對板料斷面的影響

沖裁間隙是影響斷面質量的主要因素，只有當凹凸模沖裁間隙恰當時，上下兩條裂紋才能重合，此時板料斷面斜度很小，比較平直，表面光滑，毛刺小且無裂紋分層。不同沖裁間隙對板料斷面產生不同的影響。

模具間隙過小

材料在凸模刃口處附近產生的裂紋進入凸模下面的壓應力區而停止發展，使材料在凸凹模刃口附近產生的裂紋不重合，此時斷面材料在兩條裂紋間距較近的地方發生二次拉裂，產生第二光亮帶——雙光亮帶，還有部分材料被擠出表面形成毛刺。或者沒有形成第二光亮帶，卻在斷裂面有斷續的小光亮塊，即制件斷面光亮帶太寬，有齒狀毛刺，其斷面及毛刺情況如圖3所示。

模具間隙過大

材料中的拉應力會使拉伸斷裂過早發生，因而使得斷裂面寬光亮帶變窄。間隙過大時產生的裂紋也不重合，第二次拉裂產生的斷裂層的斜度會增加沖裁斷面出現的兩個斜度。有時斷面中間呈現明顯的凹狀，毛刺不但高而且呈三角狀，即制件斷面粗糙圓角大，光亮帶小，有拉長的毛刺，其毛刺及斷面情況如圖4所示。

模具間隙不均

相應的沖裁板料也會出現部分間隙過大或過小的情況，即制件斷面光亮帶不均勻或一邊有帶斜度的毛刺，其毛刺情況及斷面如圖5所示。

圖3 間隙過小產生的斷面及毛刺情況

圖4 間隙過大產生的毛刺及斷面情況

圖5 間隙不均勻產生的毛刺與斷面情況

模具刃口鋒利度

模具刃口的鋒利情況也會對其沖裁過程產生影響，當模具刃口磨損成圓角而變鈍時，刃口與材料的接觸面積增加，應力集中效應減輕，擠壓作用增大，從而延緩了裂紋的產生，因此制件圓角大，光亮帶寬，但毛刺高度也變大。

沖裁間隙值的選取

在沖壓模具中，落料尺寸取決于凹模尺寸（作為基準側)，間隙值從凸模上取出；沖孔尺寸取決于凸模尺寸（作為基準側)，間隙值從凹模上取出。所謂合理的間隙，就是采用這一間隙進行沖裁時，能夠得到令人滿意的工件斷面質量，較高的尺寸精度和使沖裁力(卸料力和推件力)最小，并使模具有較長的使用壽命。但是如果采用一個間隙的數值要求同時滿足以上諸多要求是不可能的。因此，生產上根據零件的具體要求，綜合考慮各種因素的影響，選擇適當的間隙范圍作為合理間隙，其上限為最大合理間隙，其下限為最小間隙。合理間隙指的是一個范圍值，在具體設計沖模時，根據零件和生產上的具體要求可按下述原則進行選取。

⑴當對沖裁件斷面質量無特殊要求時，為了提高模具的使用壽命和減小沖裁力，以獲得較大的經濟效益，可以選擇較大間隙值。

⑵當對沖裁件斷面質量有較高要求時，應選擇較小間隙值。

⑶在設計沖裁模刃口尺寸時，考慮到模具在使用過程中會磨損，會使刃口間隙增大，應按最小間隙值來計算刃口的尺寸。因為計算法在生產中使用不方便，故目前普遍使用查表選取法。

不同沖裁間隙的適用范圍：

⑴小間隙。要求有最大的直壁斷面，最小的塌角，不進行二次加工，并對模具要求較高的場合。

⑵較小間隙。適用于沖裁成形后需要進行修邊的工序。

⑶中等間隙。因殘余應力小，能減少變形破裂，適用于需要繼續彎曲、拉伸、成形和翻邊的場合。

⑷較大間隙。要求具有最高的模具壽命，但不要求有大的直邊切面的場合。

⑸大間隙。要求模具壽命長，對切口斷面質量要求不高的場合。

結束語

通過對沖裁過程板料受力形式以及沖裁斷面各區域形成過程可以了解到，在沖裁模中沖裁間隙是個非常重要的參數，間隙的取值和均勻性直接影響制件的質量、尺寸精度及模具壽命。為了保證模具壽命，同時提高產品的質量與精度，必須采用合理的間隙值，并對間隙的均勻性進行調整和控制。