影响冲裁刃口质量、冲裁载荷和冲头应力的工艺参数很多。冲模间隙、冲头和冲模拐角半径、冲头尖端几何形状、卸料器压力和冲头之间的摩擦是本节研究的因素。本节的目的是通过有限元模拟确定对毛边质量和冲头应力影响最大的参数。
表5.1：模拟中用于研究各种参数影响的参数
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参数 |
价值 |
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板材/厚度 |
C51100/0.2毫米 |
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打孔 材料/直径 |
WC/1.5毫米 |
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脱模器 - 直径'db' - 压力（'fb'/面积） |
1.506毫米 4兆帕（580磅/平方英寸） |
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冲模间隙 |
6.5%板材厚度 |
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冲模圆角半径 |
0.0127毫米 |
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冲孔速度 |
行程功能（图4.16） |
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摩擦系数 |
0.1 |
采用直径为1.5mm的冲头冲裁厚度为0.2mm的C51100材料，对不同参数的影响进行了模拟研究。本研究中使用的其他参数如表5.1所示。这些参数对应的条件下，冲裁边缘质量和冲裁负荷-行程曲线进行了比较实验和模拟结果。这是基线模拟，其各种参数在以下各节中有所不同。
5.1. 冲模间隙对零件质量和冲头应力的影响
模拟了不同冲模间隙（板厚1%～12%）对冲头和零件边缘的影响。冲模间隙是影响冲裁件剪切区长度的重要参数之一。图5.1显示了冲模间隙对毛边质量的影响。从图5.1可以看出，冲模间隙为1%-3%时，板材厚度的剪切边缘为75%，而间隙为5%时，剪切边缘下降到55%，并保持50%到12%的恒定间隙。较低的冲模间隙会导致较高的刀具磨损，因此应根据零件质量要求和刀具磨损余量选择最佳间隙值。
图5.2显示了其对冲头载荷的影响。冲头载荷变化可忽略（3%），从1%间隙时的384 N到12%间隙时的372 N。这种影响可以忽略不计。
图5.1：冲模间隙对零件边缘质量的影响（通过有限元分析获得）
图5.2：不同冲模间隙下的最大冲头载荷（通过有限元分析获得）[表-
0.2mm厚C51100]
图5.3显示了其对最大冲头应力的影响。冲头应力随着冲模间隙的增大而减小，直至间隙达到6.5%，然后随着间隙的增大而增大。当冲模间隙从1%增加到6.5%时，冲头应力降低25%。小冲模间隙导致材料严重剪切，导致板材中的高应变，进而导致更高的冲头应力。随着冲模间隙的增大，板材中达到的应变水平减小，从而导致冲头应力降低。冲模间隙存在一个使冲头应力最小的最佳范围。如果冲模间隙增加超过此最佳范围，则冲头应力增加，因为板材在冲头中经历严重弯曲，从而导致弯曲应力。冲模间隙的最佳范围取决于板材、冲头的厚度和几何形状。
图5.3：不同冲模间隙下的最大冲头应力（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
5.2. 圆角半径对零件质量和冲头应力的影响
研究了凸模圆角半径对凸模应力和零件边缘质量的影响。采用0.0127mm、0.02mm、0.03mm三种冲头圆角半径。当使用0.02mm/0.03mm的圆角半径代替0.0127mm的圆角半径时，冲头应力显著降低（50%），如图5.4所示。角半径的微小增加可将冲头应力减少一半，进而可将冲头寿命延长许多倍。然而，在重新锐化过程中实现精确的拐角半径的实际困难是一个需要进一步研究的问题。
图5.4：冲头拐角半径对最大冲头应力的影响（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
冲头圆角半径对零件边缘质量的影响见图5.5。剪切带和断裂带的长度有约7%的微小变化，可以忽略不计。当冲头圆角半径从0.0127mm增加到0.03mm时，毛刺长度增加了80%左右。这可能是一个问题，因为在生产中允许的毛刺长度通常是非常低的数字，可以低于10μ 就电子元件而言。对于零件规范不要求严格的毛刺公差的零件，较高的冲头拐角半径有助于显著提高刀具寿命。
图5.5：冲头拐角半径对零件边缘区域的影响（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
5.3. 冲头形状对冲头载荷的影响
根据冲裁材料的强度和厚度，可以估算冲裁过程中的冲头载荷。如果冲头不能承受如此高的载荷，或有可能发生卡扣力，则必须降低冲头载荷。通过具有剪切角或锥形冲头改变冲头尖端几何形状，可以降低冲头上的载荷。表5.2讨论了不同冲头几何形状的优缺点。在本研究中，锥形、单剪和双剪中使用的剪切角为10。在Deform-3D中进行模拟，以获得冲头力，同时使用图5.6所示的几何图形。由于无法使用Deform-3D可视化断裂，因此不会比较这些几何图形的零件边缘质量。图5.7显示了不同尖端几何形状的变形段塞的形状。
图5.6：研究冲头尖端几何形状对冲头载荷的影响
表5.2：不同冲头几何形状的优缺点
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冲头端 形状 |
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优势 |
缺点 |
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扁平的 |
• • |
易于制造 磨损较小 |
•产生较大的冲力 |
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单剪 |
• • |
降低冲头力，因为局部剪切而不是整个刀具边缘 减少反向吨位 |
•冲头上的不平衡力；冲头倾向于偏转 |
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锥形双剪 |
• • |
下冲头力 冲头无不平衡力 |
•段塞变形 •削片可能发生在锥形区域 |
![图5.7：使用不同冲头尖端几何形状获得的段塞形状（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]](/images/1-210FG53T9150.png "图5.7：使用不同冲头尖端几何形状获得的段塞形状（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]")
图5.7：使用不同冲头尖端几何形状获得的段塞形状（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
图5.8显示了使用不同冲头尖端几何形状时冲头上的载荷。需要观察的两个重要特征是：（i）使用单剪时，冲头载荷减少到几乎一半；使用双剪时，冲头载荷略有减少；（ii）除平冲头外，冲头载荷从不立即上升，而是随着行程逐渐增加，这可以大大减少冲头的冲击和瞬时载荷�；褂ψ⒁�，剪切角对冲头载荷有影响。对于双剪，不同的剪切角可以降低冲头力。
单剪在冲头上的载荷最小，可用于切割高强度或厚规格板材的应用。由于它不是对称的，冲头有可能根据冲头的几何形状和负载而偏转。
图5.8：使用不同冲头尖端几何形状（通过有限元分析获得）下料过程中的冲头载荷[表-0.2mm厚C51100]
5.4. 摩擦对冲头和零件的影响
研究了摩擦对零件边缘质量、冲头载荷和冲头应力的影响。冲裁时的摩擦系数一般在0.1-0.3之间，从图5.9可以看出，在这个CoF范围内，零件边缘质量没有明显变化。
但是，非常低的摩擦值（如0.01）表明剪切边缘质量有小幅提高。在0.1-0.3cof范围内，最大冲头载荷变化不大（~3%）（图5.10）。最大冲头应力在0.2 CoF和950 MPa时最低。在CoF为0.3之前，最大冲头应力没有显著差异，此后，CoF 0.5增加了约38%（图5.11）。0.5的CoF对于下料来说是很高的，特别是在润滑的情况下。因此，可以得出结论，在一般操作条件下，CoF在0.1和0.3之间的变化不会导致毛边、冲头载荷和冲头应力的显著差异。
图5.9：摩擦系数对零件边缘质量的影响（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
图5.10：摩擦系数对最大冲头载荷的影响（通过有限元分析获得）[表-
0.2mm厚C51100]
图5.11：摩擦系数对最大冲头应力的影响（通过有限元分析获得）[薄板-0.2mm厚C51100]
5.5. 卸料器压力对零件边缘质量的影响
脱模板不仅有助于从冲头上剥离板材，而且在板材被冲裁时对其施加压缩力。板材在受到剪切时受到压缩应力，在断裂时受到拉伸应力。拉伸应力的开始越延迟，毛坯边缘上获得的剪切力就越大。此外，压缩应力的应用也会影响板材的侧翻。本节研究了卸料器压力与零件边缘质量的关系。
通过增加板材和剥离器板之间的接触压力，在板材中产生更高的压应力�？赏ü谋浒肫鞯膳渲没虬肫靼宓募负涡巫蠢锤谋浒肫骱桶肫靼逯涞慕哟パ沽�。为了进行有限元模拟，通过增加剥离板上的力来增加剥离板和带钢之间的接触压力。实际上，这可能是由设计变更带来的。在有限元分析中，接触压力从5MPa增加到350MPa（材料屈服强度的2/3），以了解对零件边缘质量的影响。虽然接触压力增加不大，但接触压力越高½ 如图5.12所示，板材屈服强度的2/3可以提供更好的边缘质量。将接触压力增加到350MPa可将翻滚区减少一半，与接触压力小于等于10mpa相比，剪切区增加15%。
图5.12：接触压力对毛边质量的影响（通过有限元分析获得）[板材-0.2mm厚C51100，冲头直径-0.2mm]
实验验证了脱料板与板材接触压力对毛边质量的影响。直径为0.2mm的孔使用两种接触压力（i）进行封堵，这两种压力对应于<10 MPa的低接触压力和（ii）大于10 MPa的高接触压力½ 板材的厚度。这是通过在工具设计中加入小的设计变更来实现的。精确的接触压力无法通过实验测量，但可以通过模拟和计算两种情况得到。图5.13显示了使用两个非常不同的接触压力获得的零件边缘质量的差异�？梢钥闯�，在这两种情况下得到的毛边质量有很大的差别。从有限元分析中可以看出，当在剥离器板和板材之间使用较高的接触压力时，翻滚区显示出显著的减少。
此外，当使用较高的接触压力时，存在干净的剪切断裂。
图5.13：剥离器板和板材之间的接触压力对零件边缘质量的影响（左）低接触压力<10 MPa（右）高接触压力>½ 板材的厚度
因此，对于需要非常高零件边缘质量的应用，通过增加剥离板施加的压力，可在板材中产生压缩应力。
5.6. 冲头不对中对零件边缘质量的影响
冲头没有牢固地固定在冲头座上，因此在其移动过程中可能会错位。冲头由卸料板引导。脱料板内壁和冲头外表面之间有一个小间隙。冲头可能在这个小间隙中错位。这项研究是为了确定这种错位对冲头应力和毛边质量的影响。
直径为1.5毫米的冲头与直径为1.506毫米的冲头之间可能出现的最大偏差
脱料器孔直径为0.015。如图5.14所示。在这种情况下，剥离板的长度取21mm。
图5.14：未对准冲头（冲头直径-1.5mm）；最大偏差–α = 0.015⁰
模拟了平面应变条件下的三种情况。图5.15给出了这三种情况的示意图。图5.15（a）表示完全笔直的冲头（b）表示有标题的冲头，（c）表示直线未对齐的冲头。
表5.3显示了理想平面应变条件和未对准冲裁条件下冲裁边缘质量和最大冲裁应力的差异。对于所研究的不同条件，冲头应力变化不超过3%。重要的是，最大冲头应力变化不大。毛坯边缘质量也没有显示出显著的差异。剪切带和断裂带的长度相差不到10%，翻滚带的长度相差更小。因此，冲头的不对中在一定程度上不会影响冲头应力和零件质量。
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图5.15：有限元模拟中使用的（a）无错位的平面应变条件（b）倾斜冲头和（c）两侧间隙不等的垂直冲头示意图
表5.3：冲裁边缘质量和最大冲裁应力随冲头的不同不对中而确定（模拟）
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条件 |
边缘 |
滚动 (μ) |
结束 |
剪切带 (μ) |
断裂带 (μ) |
最大冲头 下料应力（MPa） |
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（a） 无冲头错位的平面应变 |
A. |
33 |
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98 |
68 |
795 |
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B |
29 |
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98 |
68 |
795 |
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（b） 倾斜冲头 |
A. |
35 |
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89 |
75 |
785 |
|
B |
34 |
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97 |
69 |
783 |
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（c） 不等间隙立式冲头 |
A. |
34 |
|
89 |
77 |
792 |
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B |
32 |
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106 |
62 |
779 |
5.7. 总结与结论
1. 通过有限元分析，研究了设计参数和工艺参数对毛边质量、冲头载荷和冲头应力的影响。
2. 冲模间隙影响冲头应力和毛边质量。有一个最佳范围的冲模间隙，使最低的冲压应力取决于板料和厚度。冲模间隙小于5%时，剪切力更长，翻滚更小，之后几乎保持不变。
3. 冲头圆角半径对冲头应力影响显著。冲头拐角半径从0.0127mm变为0.02mm时，冲头应力减少一半，但对冲头边缘的翻滚、剪切和断裂的影响可以忽略不计。冲头圆角半径为0.02mm时，毛刺长度增加50%，冲头圆角半径为0.03mm时，毛刺长度增加80%。如果使用较大的角半径获得的毛刺长度是可接受的，则可以使用较大的冲头角半径来提高冲头寿命。
4. 冲头尖端几何形状影响冲头载荷，尖端上的单个剪切角将最大冲头载荷减少到使用平冲头获得的载荷的50%。有一个剪切角可以（i）降低峰值冲裁载荷和（ii）逐渐地在冲头上施加载荷震惊。
5.根据有限元分析结果，CoF和冲头不对中对冲头应力和零件边缘质量的影响可以忽略不计。
