关于冲压模具冲裁过程间隙问题的探讨

文／樊燕朋，张永朝，何洋，齐康宁·长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心

关于冲压模具冲裁过程间隙问题的探讨

文／樊燕朋，张永朝，何洋，齐康宁·长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心

通过分析冲压模具冲裁板料的过程，板料受力情况、变形机理及成形断面状态，来探讨不同间隙情况对冲裁断面的影响和冲裁间隙对冲裁件质量的影响，使模具冲裁过程及其会出现的异常更具体地呈现出来，从而探讨如何选取适合的冲裁间隙，对冲裁异常进行针对性处理。

冲裁过程及断面分析

冲压件的断面具有的区域特征

图1为冲压模具冲压板件时的受力图，冲裁时板料在垂直方向压力、横向挤压力、摩擦力、弯矩和拉力的作用下产生复杂形变（弯曲、拉伸、剪切、挤压)，其主要过程包含弹性变形阶段、塑性变形阶段、剪切断裂分离。由此产生的结果就是在冲压件的断面处有明显的区域特征，可分为圆角带、塑剪带（光亮带)、剪裂带（断裂带)及毛刺四部分区域，如图2所示。

其中圆角带即塌角带是板料与凹模相接触的一侧在冲裁开始时，被挤入凹模的洞口，由于受拉伸的作用形成的，随着受力的增加而逐渐增大，直到出现裂纹；它是模具切入时被下压的自由表面部分；当冲裁间隙增大时，其相对应的塌角带也会相应的出现增大的变化。

图1 冲压模具冲压板件时的受力图

塑剪带（光亮带)是模具挤压和切入材料使其产生塑性变形而形成的，是整个断面上质量最好的部分，其在整个断面区域的比例会随着板料材料、模具的间隙、刃口的锋利程度及工作条件的不同而不同，其中模具的结构形式和凸凹模之间的间隙大小对冲裁切口断面质量的影响最为明显，当冲裁间隙增大时其塑剪带的宽度将会相应减小。

剪裂带也称为粗糙带，是刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展断裂而形成的，其表面粗糙且带有锥度，当模具的间隙值合适时，在凹凸模刃口附近产生的微细裂纹继续发展，并在最后出现表面粗糙并且无光泽的情况；由于这部分为产生裂纹而破断的部分，在此处出现晶粒状的表面。这种粗糙的剪裂带随着冲裁间隙的增大而增大；但是到一定程度后，会出现减小的趋势。

图2 冲压件的断面有明显的区域特征

毛刺区是在断裂带周围形成的不规则的撕裂毛边，各部分所占比例随材料性能、料厚、刃口锋利程度、模具结构及凹凸模间隙等方面的不同而变化，塑性差的材料，断裂倾向严重，断裂带增宽，光亮带圆角带所占比例较小，毛刺也小；塑性好的材料则相反。想要提高冲裁件的断面质量，可通过增加光亮带的高度和增加整形工序来实现。增加光亮带高度是通过延长塑性变形阶段推迟裂纹的产生来实现的。同时由于此区域为应力集中区域，因此也是衡量板料冲裁质量的重要参数指标，通过板料冲裁断面及毛刺的呈现形式来对模具间隙进行调整，使其得到较好的冲裁板料。

冲裁间隙对板料断面的影响

冲裁间隙是影响断面质量的主要因素，只有当凹凸模冲裁间隙恰当时，上下两条裂纹才能重合，此时板料断面斜度很小，比较平直，表面光滑，毛刺小且无裂纹分层。不同冲裁间隙对板料断面产生不同的影响。

模具间隙过小

材料在凸模刃口处附近产生的裂纹进入凸模下面的压应力区而停止发展，使材料在凸凹模刃口附近产生的裂纹不重合，此时断面材料在两条裂纹间距较近的地方发生二次拉裂，产生第二光亮带——双光亮带，还有部分材料被挤出表面形成毛刺。或者没有形成第二光亮带，却在断裂面有断续的小光亮块，即制件断面光亮带太宽，有齿状毛刺，其断面及毛刺情况如图3所示。

模具间隙过大

材料中的拉应力会使拉伸断裂过早发生，因而使得断裂面宽光亮带变窄。间隙过大时产生的裂纹也不重合，第二次拉裂产生的断裂层的斜度会增加冲裁断面出现的两个斜度。有时断面中间呈现明显的凹状，毛刺不但高而且呈三角状，即制件断面粗糙圆角大，光亮带小，有拉长的毛刺，其毛刺及断面情况如图4所示。

模具间隙不均

相应的冲裁板料也会出现部分间隙过大或过小的情况，即制件断面光亮带不均匀或一边有带斜度的毛刺，其毛刺情况及断面如图5所示。

图3 间隙过小产生的断面及毛刺情况

图4 间隙过大产生的毛刺及断面情况

图5 间隙不均匀产生的毛刺与断面情况

模具刃口锋利度

模具刃口的锋利情况也会对其冲裁过程产生影响，当模具刃口磨损成圆角而变钝时，刃口与材料的接触面积增加，应力集中效应减轻，挤压作用增大，从而延缓了裂纹的产生，因此制件圆角大，光亮带宽，但毛刺高度也变大。

冲裁间隙值的选取

在冲压模具中，落料尺寸取决于凹模尺寸（作为基准侧)，间隙值从凸模上取出；冲孔尺寸取决于凸模尺寸（作为基准侧)，间隙值从凹模上取出。所谓合理的间隙，就是采用这一间隙进行冲裁时，能够得到令人满意的工件断面质量，较高的尺寸精度和使冲裁力(卸料力和推件力)最小，并使模具有较长的使用寿命。但是如果采用一个间隙的数值要求同时满足以上诸多要求是不可能的。因此，生产上根据零件的具体要求，综合考虑各种因素的影响，选择适当的间隙范围作为合理间隙，其上限为最大合理间隙，其下限为最小间隙。合理间隙指的是一个范围值，在具体设计冲模时，根据零件和生产上的具体要求可按下述原则进行选取。

⑴当对冲裁件断面质量无特殊要求时，为了提高模具的使用寿命和减小冲裁力，以获得较大的经济效益，可以选择较大间隙值。

⑵当对冲裁件断面质量有较高要求时，应选择较小间隙值。

⑶在设计冲裁模刃口尺寸时，考虑到模具在使用过程中会磨损，会使刃口间隙增大，应按最小间隙值来计算刃口的尺寸。因为计算法在生产中使用不方便，故目前普遍使用查表选取法。

不同冲裁间隙的适用范围：

⑴小间隙。要求有最大的直壁断面，最小的塌角，不进行二次加工，并对模具要求较高的场合。

⑵较小间隙。适用于冲裁成形后需要进行修边的工序。

⑶中等间隙。因残余应力小，能减少变形破裂，适用于需要继续弯曲、拉伸、成形和翻边的场合。

⑷较大间隙。要求具有最高的模具寿命，但不要求有大的直边切面的场合。

⑸大间隙。要求模具寿命长，对切口断面质量要求不高的场合。

结束语

通过对冲裁过程板料受力形式以及冲裁断面各区域形成过程可以了解到，在冲裁模中冲裁间隙是个非常重要的参数，间隙的取值和均匀性直接影响制件的质量、尺寸精度及模具寿命。为了保证模具寿命，同时提高产品的质量与精度，必须采用合理的间隙值，并对间隙的均匀性进行调整和控制。