第一节 冲裁过程变形分析

一、冲裁过程

冲裁变形过程可分为三个阶段：

（1）弹性变形阶段

如图1-1所示，凸模与材料接触后，先将材料压平，继而凸模及凹模刃口压入材料中，由于弯矩M的作用，材料不仅产生弹性压缩且略有弯曲，随着凸模的继续压入，材料中刃口部分所受到应力逐渐增大，直到h1 深度时，材料内应力达到弹性极限。此为材料的弹性变形阶段。

（2）塑性变形阶段

凸模继续压入，压力增加，材料的内应力达到屈服点，产生塑性变形。随着塑性变形程度增大，材料内部的拉力和弯矩随之增大，变形区材料硬化加剧，当压力深度达到h2时，刃口附近的应力值达到最大。此为塑性变形阶段。

（3）断裂阶段

凸模压入深度达到h3时，先后在凸模、凹模刃口侧面产生裂纹，裂纹产生后沿最大切口应力方向向材料内层发展，当凸模、凹模口处的裂纹相遇重合时，材料便被切断分离。

冲裁变形的三个阶段，可以在剪切曲线图中得到验证，如图1-2 所示。料厚为4.8mm。

板料切断后，冲裁件与孔断面的形状如图1-3所示。现将切断面各部分加以说明。

图1-3中的a塌角约为5%t，t为板料厚度。它是凸模压入材料时，刃口附近的材料被牵连拉入变形的结果。b为光亮带，约为1/3t，其表面光滑，断面质量最佳；c为断裂带，约为62%t，表面倾斜且粗糙；d为毛刺，其高度约为（5% ～10%）t，它是在出现裂纹时形成的。

二、变形过程力学分析

在冲裁压边装置时，材料所受外力如图1-4所示。主要包括：

Fp、Fd——凸模、凹模对板料的垂直作用力。

F1、F2——凸模、凹模对板料的侧压力。

μFp、μFd——凸模、凹模端面与板料间的摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口，其中，μ是摩擦力系数。

μF1、μF2——凸模、凹模侧壁与板料间的摩擦力。

由图1-4可见，板料由于受到模具刃口的力偶作用而弯曲、翘起，使模具表面的材料接触面仅局限在刃口的狭小区域内，宽度约为厚板的0.2～0.4。接触面间互相作用的垂直压力分布不是均匀的，它随着模具刃口逼近而急剧增大，如图1-5（a）所示。凸模压入材料一定深度后，变形区可按纺锤来考虑，但变形区被在此以前已经变形并加工硬化了的区域包围，如图1-5（b）所示。

由于冲裁时板料弯曲的影响，变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关，对于去压料的冲裁，塑性变形阶段的应力状态如图1-6所示。从A、B、C、D、E各点的应力状态可以看出，凸模与凹模端面的B、D处的静水压力状态高于侧面A、E点处。即凸模与凹模侧面处的静水压力较低，且凹模侧面处产生裂纹，上、下裂纹会合后材料便切断、分离。在裂纹形成的同时，冲件就形成了毛刺。