作者：李小海,王晓霞
出版社：电子工业出版社
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模具设计与制造试读：
前言
模具作为工业生产的基础工艺装备，其生产制件所表现出的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产效率和低耗能、低耗材特点，是一般机械加工不可比拟的。模具设计与制造技术已越来越引起各产业部门的重视，国外将模具比喻为“金钥匙”、“金属加工帝皇”、“进入富裕社会的原动力”。日本、美国等发达国家模具工业的产值早已超过了机床工业的产值。模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一，是十分重要的装备工业。但是，在我国的模具市场上，技术含量较低的低档模具已供过于求，技术含量较高的中高档模具却供不应求，技术含量较高的大型、精密、复杂、长寿命模具60%以上需要进口，每年需要花10多亿美元。因此，发展高精度、高技术产品的模具是我们未来发展的目标和方向。
目前，在我国模具设计与制造方面的人才还是相当紧缺的，这也是制约我国模具快速发展的一个瓶颈，大力加强模具方面人才的培养是十分紧迫的问题。随着科技进步和产业结构的调整，机械行业对高级应用型人才的综合能力要求越来越高，对复合型人才的需求越来越强，因而在应用型人才的培养中，就需要拓宽他们的知识面，以适应社会发展的需要。根据模具行业对人才能力的培养要求，让学生在自己动手的实践中，掌握技能，学习专业知识。我们基于行动导向的教学方法，应用了大量的模具结构简图，编写出理论实践一体化的特色教材，以适应应用型人才培养教育课程体系的改革。本书内容全面，通俗易懂，在模具装配和调试章节中，提供了冲压模具典型零件及模具结构的三维立体图形，直观形象。同时，本书最后以附录的形式，摘录了部分相关的设计资料和必要的技术数据。
本书以冲压模具和塑料模具设计与制造为主要内容，共分10章，可按56学时计划授课，包括冲压模具中的冲裁模、弯曲模、拉深模和局部成形模具设计、塑料成型基础知识、注射成型模具设计、其他塑料成型模具设计、典型模具零件制造工艺和模具装配与调试。本书以强化应用为重点，突出工程实践能力的培养，是我们在多年从事冲压工艺与模具设计与制造、塑料成型工艺和模具设计与制造教学及科研经验的基础上，参考国内外先进技术成果编写而成的，以培养高技能人才为目标。本书以就业为导向，体现了教学内容的先进性和前瞻性。
本书由佳木斯大学李小海副教授（编写第1～4章）、王晓霞教授（编写第6～8章）任主编；佳木斯大学张霞副教授（编写第9章）、殷宝麟讲师（编写第10章）、鹤岗市斯达排沙潜水泵有限公司郭臣高级工程师（编写第5章）任副主编；佳木斯大学史立秋副教授、颜兵兵副教授和西北工业大学明德学院雷玲讲师也参与部分编写和整理工作，并由佳木斯大学王俊发教授任主审。全书由李小海副教授统稿与定稿。
由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请有关专家和读者不吝赐教。
李小海
2011年5月于佳木斯
第1章 绪论
1.1 模具及模具制造技术概念
模具是用来成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。
模具是能生产出具有一定形状和尺寸要求的零件的一种生产工具，也就是通常人们所说的模子。例如，电视机、电话机的外壳，塑料桶等商品，是把塑料加热软体注进模具冷却成型生产出来的；蒸饭锅也是由金属平板用模具压成这样的形状的。如图1-1所示为多工位精密级进模。图1-1 多工位精密级进模
那么模具又是怎样做出来的呢?首先它由模具设计人员根据产品（零件）的使用要求，把模具结构设计出来，绘出图纸，再由技术工人按图纸要求通过各种机械的加工（如车床、刨床、铣床、磨床、电火花、线切割）做好模具上的每个零件，然后组装调试，直到能生产出合格的产品。
模具制造就是指在相应的制造装备和制造工艺的条件下，直接对模具零件用材料进行加工，以改变其形状、尺寸、相对位置和性质，使之成为符合要求的零件，再将这些零件经配合、定位、连接并固定装配成为模具的过程。这一过程是按照各种专业工艺、工艺过程管理以及工艺顺序进行加工和装配来实现的。
模具制造技术就是运用各类生产工艺装备和加工技术，生产出各种特定形状和加工作用的模具，并使其应用于实际生产中的系列工程应用技术。它包括：产品零件的分析技术，模具的设计、制造技术，模具的质量检测技术，模具的装配、调试技术，以及模具的使用、维护技术等。
1.2 模具在工业生产中的作用
模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电动机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中，60%～80%的零部件都要依靠模具成型。螺钉、螺母、垫圈等标准件，没有模具就无法大量生产。并且，推广工程塑料、粉末冶金、橡胶、合金压铸、玻璃成型等工艺也全部需要用模具来完成批量生产。因此，模具是发展和实现材料成型不可缺少的工具，也是工业生产中应用极为广泛的重要工艺装备。模具生产能够提高效率，易于大批量、标准化生产，少切削、无切削的生产，降低产品成本。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。在工业生产中，产品的更新换代少不了模具。如果模具供应不及时，很可能造成停产；如果模具精度不高，产品质量就得不到保证；模具结构及生产工业落后，产品质量难以提高。随着近代工业的发展和产品更新换代周期的加快，模具的需求量日益增长，对模具设计与制造水平不断提出更高的要求。
模具工业在我国国民经济中的重要地位和作用表现在以下几点：
第一，模具工业是高新技术产业的一个组成部分。例如，属于高新技术领域的集成电路的设计与制造，不能没有做引线框架的精密级进冲模和精密的集成电路塑封模；计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造，也必须有精密塑料模具和精密冲压模具；数字化电子产品（包括通信产品）的发展，没有精密模具也不行。因此，可以说，许多高精度模具本身就是高新技术产业的一部分。有些生产高精度模具的企业，已经被命名为高新技术企业。
第二，模具工业又是高新技术产业化的重要领域，用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平，是推动模具工业技术进步的关键环节。CAD/CAE/CAM技术在模具工业中的应用，快速原型制造技术的应用，使模具的设计制造技术发生了重大变革。
第三，模具工业是装备工业的一个组成部分。根据《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》的具体要求，模具设计与制造新技术被列为国家紧缺人才培养计划。我国目前正在成为国际的制造中心，成为制造业大国，而模具是各种产品大批量生产的基础装备，没有模具就不能实现批量生产，提高产品质量，降低成本。一个国家从制造大国走向制造强国，模具在其中扮演着十分重要的角色。
第四，国民经济的五大支柱产业——机械、电子、汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应。机械、电子、汽车工业需要大量的模具，特别是轿车大型覆盖件模具、电子产品的精密塑料模具和冲压模具，目前在质与量上都远不能满足这些支柱产业发展的需要。我国石化工业一年生产500多万吨聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂，很大一部分需要塑料模具成型，做成制品，才能用于生产和生活的消费。生产建筑业用的地砖、墙砖和卫生洁具，需要大量的陶瓷模具；生产塑料管件和塑钢门窗，也需要大量的塑料模具成型。
1.3 模具的种类
模具分类方法很多，过去常使用的有：按模具结构形式分类，如单工序模、复式冲模等；按使用对象分类，如汽车覆盖件模具、电动机模具等；按加工材料性质分类，如金属制品用模具、非金属制品用模具等；按模具制造材料分类，如硬质合金模具等；按工艺性质分类，如拉深模、粉末冶金模、锻模等。这些分类方法中，有些不能全面地反映各种模具的结构和成型加工工艺的特点，以及它们的使用功能。为此，采用以使用模具进行成型加工的工艺性质和使用对象为主的综合分类方法，将模具分为十大类，如表1-1所示，又可根据模具结构、材料、使用功能及制模方法等将其分为若干小类或品种。表1-1 模具的种类
1.4 模具材料的选择
模具选材是整个模具制作过程中非常重要的一个环节。模具选材需要满足三个原则：模具满足耐磨性、强韧性等工作需求，模具满足工艺要求，同时模具应满足经济适用性要求。
1.模具满足工作条件要求
1）耐磨性
坯料在模具型腔中塑性变形时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。
硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。
2）强韧性
模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。
3）疲劳断裂性能
模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度，以及材料中夹杂物的含量。
4）高温性能
当模具工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下具有较高的硬度和强度。
5）耐冷热疲劳性能
有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。
6）耐蚀性
有些模具如塑料模具在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后解析出HCl、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。
2.模具满足工艺性能要求
模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。
1）可锻性
具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。
2）退火工艺性
球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。
3）切削加工性
切削用量大，刀具损耗低，加工表面粗糙度低。
4）氧化、脱碳敏感性
高温加热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。
5）淬硬性
淬火后具有均匀而高的表面硬度。
6）淬透性
淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。
7）淬火变形开裂倾向
常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。
8）可磨削性
砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。
3.模具满足经济性要求
在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。
另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。
1.5 工业生产对模具的基本要求
模具是一种高精度、高效率的工艺设备，是生产制件的专用工具，模具的精度直接影响制件的质量。对于模具的基本要求是使模具在足够的寿命期内，能够稳定地生产出质量合格的制件。因此，对模具的基本要求是：精度高、质量好、寿命长、成本低、结构简单、安全可靠。
1.模具精度
模具精度主要是指模具成型零件的工作尺寸及精度和成型表面的表面质量。模具精度可分为模具本身的精度和发挥模具效能所需的精度。例如，凸模、凹模、凸凹模等零件的尺寸精度、形状精度和位置精度属于模具零件本身的精度，各零件装配后，面与面或面与线之间的平行度、垂直度、定位及导向配合等精度，都是为了发挥模具效能所需的精度。但通常所讲的模具精度主要是指模具工作零件或成型零件的精度及相互位置精度。
模具精度越高，则成型的制件精度也越高。但过高的模具精度会受到加工技术手段的制约。故模具精度的确定一般要与所成型的制件精度相协调，同时，还要考虑现有模具的生产条件。
2.模具寿命
模具的寿命是指模具能够生产合格制品的耐用程度，是模具因为磨损或其他形式失效终至不可修复而报废之前所成型的制件总数。
模具在报废之前所完成的工作循环次数或所产生制件的数量称为模具的总寿命。除此以外，还应考虑模具在两次修理之间的寿命，如冲裁模和刃磨寿命。在设计和制造模具时，用户都会提出关于模具寿命的要求，这种要求称为模具的期望寿命。确定模具的期望寿命应综合考虑技术上的可能性和经济上的合理性。一般而言，制件生产量较小时，模具寿命只需满足制件生产量的要求就足够了。此时，在保证模具寿命的前提下，应尽量降低模具成本。当制件为大批量生产时，即使需要很高的模具成本，也应尽可能提高模具的使用寿命和使用效率。
3.模具结构
在工业生产中，模具的用途广泛，种类繁多，模具的结构也多种多样。模具结构对模具受力状态的影响很大，合理的模具结构能使模具工作时受力均匀，应力集中小，也不易偏载，更能提高模具寿命。模具结构设计时，在保证产品质量的前提下，应考虑零件制造工艺，降低加工难度，合理选择模具材料，减少模具成本，尽量使模具结构简单，工人操作方便，确保人身安全，防止设备事故。
4.模具制造周期
模具制造一般都是单件生产，其生产周期较长。模具生产周期（T）大致可按下式表达。生产
T=T+T+T+T+T+T+T生产准备（开始）设计准备生产零件制造装配验收终结
为了控制好模具制造周期，按时完成生产任务，在模具生产过程中应做好以下几项工作：
① 模具设计时，须采用标准零部件，并力求采用标准坯料。
② 采用高效生产工艺和装备，力求最大限度地缩短模具和零件的制造工艺过程。
③ 制定严格的时间控制规则，保证计划进度。
1.6 模具设计与制造的发展趋势
1.模具设计技术的发展趋势
模具设计长期以来依靠人的经验和机械制图来完成。自从20世纪80年代中国发展模具计算机辅助设计（CAD）技术以来，这项技术已获得认可，并且得到快速的发展。90年代开始发展的模具计算机辅助工程分析（CAE）技术，现在也为许多企业应用，它对缩短模具制造周期及提高模具质量有显著的作用。近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造了良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，它将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国模具工业中发挥越来越重要的作用。就大多数模具制造企业而言，今后的发展方向应以提高数控化和计算机化水平为主，积极采用高新技术，逐步走向CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化。模具无纸化制造将逐渐替代传统的设计和加工。
除了模具CAD/CAE技术之外，模具工艺设计也非常重要。计算机辅助工艺设计（CAPP）技术已开始在中国模具企业中应用。由于大部分模具都是单件生产，其工艺规程有别于批量生产的产品，因此应用CAPP技术难度较大，也难以有适合各类模具和不同模具企业的CAPP软件。为了较好地应用CAPP技术，模具企业必须做好开发和研究工作。虽然CAPP技术应用和推广的难度比CAD和CAE为高，但也必须重视这一发展方向。
基于知识的工程（KBE）技术是面向现代设计决策自动化的重要工具，已成为促进工程设计智能化的重要途径，近年来受到重视，将对模具的智能、优化设计产生重要的影响。
2.模具加工技术的发展趋势
不同类型的模具有不同的加工方法，同类模具也可以用不同加工技术去完成。模具加工的工作主要集中在模具型面加工、表面加工和装配，加工方法主要有精密铸造、金属切削加工、电火花加工、电化学加工、激光及其他高能波束加工，以及集两种以上加工方法为一体的复合加工等。数控和计算机技术的不断发展，使它们在许多模具加工方法中得到广泛的应用。在工业产品品种多样化及个性化日益明显，产品更新换代加快，市场竞争越来越激烈的情况下，用户要求模具制造交货期短、精度高、质量好、价格低，带动模具加工技术向以下几方面发展。
1）高速铣削技术
近年来中国模具制造业一些骨干重点企业，先后引进高速铣床和高速加工中心，它们已在模具加工中发挥了很好的作用。当前国外高速加工机床主轴的最高转速已超过100 000r/min，快速进给速度可达120m/min，加速度可达1～2g，换刀时间可提高到1～2s。这样可大幅度提高加工效率，并可获得Ra≤1μm的加工表面粗糙度，可切削HRC 60以上的高硬度材料，给电火花成形加工带来挑战。随主轴转速的提高，机床结构及其所配置的系统及关键部件和零配件、刀具等都必须配合，令机床造价大为提高。中国进口的高速加工机床主轴最高转速在短期内仍将以10 000～20 000r/min为主，少数会达到40 000r/min左右。虽然向更高转速发展是必然方向，但目前最主要的还是推广应用。高速加工是切削加工工艺的革命性变革，从技术发展角度看，高速铣削正与超精密加工、硬切削加工相结合，开辟了以铣代磨的领域，并大大地减轻了模具的研抛工作量，缩短了模具制造周期，在中国模具企业的应用将会越来越多。并联机床（又称虚拟轴机床）和3D激光6轴铣床的诞生，以及开放式数控系统的应用更为高速加工增添了光彩。
2）电火花加工技术
电火花加工（EDM）虽然已受到高速铣削的严峻挑战，但是EDM技术的一些固有特性和独特的优点，是高速铣削所不能完全替代的，如模具的复杂型面、深窄小型腔、尖角、窄缝、沟漕、深坑等处的加工。虽然高速铣削也能满足上述部分加工要求，但成本比EDM高得多。较之铣削加工，EDM更易实现自动化。复杂、精密小型腔及微细型腔和去除刀痕，完成尖角、窄缝、沟漕、深坑加工及花纹加工等，将是今后EDM应用的重点。
3）快速原型制造（RPM）和快速制模（RT）技术
模具未来竞争因素是如何快速地制造出用户所需的模具。RPM技术可直接或间接用于RT。金属模具快速制造技术的目标，是直接制造可用于工业化生产的高精度耐久金属硬模。间接法制模的关键技术是开发短流程工艺、减少精度损失、低成本的层积和表面光整技术的集成。RPM技术与RT技术的结合，将是传统快速制模技术（如中低熔点合金铸造、喷涂、电铸、精铸、层、橡胶浇固等）进一步发展的方向。RPM技术与陶瓷型精密铸造相结合，为模具型腔精铸成形提供了新途径。应用RPM/RT技术，从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4左右，具有广阔的发展前景。要进一步提高RT技术的竞争力，需要开发数据和加工数据生成更容易、高精度、尺寸及材料限制小的直接快速制造金属模具的方法。
4）超精密加工、微细加工和复合加工技术
随着模具向精密化和大型化方向发展，超精密加工、微细加工和集电、化学、超声波、激光等技术于一体的复合加工将得到发展。目前超精密加工已稳定地达到亚微米级，纳米精度的超精密加工技术也被应用到生产。电加工、电化学加工、束流加工等多种加工技术，已成为微细加工技术的重要组成部分，国外更有用波长仅0.5nm的辐射波制造出的纳米级塑料模具。在一台机床上使激光铣削和高速铣削相结合，已使模具加工技术得到新发展。
5）先进表面处理技术
模具热处理和表面处理，是能否充分发挥模具材料性能的关键。真空热处理、深冷处理、包括PVD和CVD技术的气相沉积（TiN、TiC等）、离子渗入、等离子喷涂及TRD表面处理技术、类钻石薄膜覆盖技术、高耐磨高精度处理技术、不沾粘表面处理等技术已在模具制造中应用，并呈现良好的发展前景。模具表面激光热处理、焊接、强化和修复等技术及其他模具表面强化和修复技术，也将受到进一步重视。
6）模具研磨抛光
模具的研磨抛光目前仍以手工为主，效率低，劳动强度大，质量不稳定。中国已引进了可实现三维曲面模具自动研抛的数控研磨机，自行研究的仿人智能自动抛光技术已有一定成果，但目前的应用很少，预计会得到发展。今后应继续注意发展特种研磨与抛光技术，如挤压珩磨、激光珩磨和研抛、电火花抛光、电化学抛光、超声波抛光以及复合抛光技术与工艺装备。
7）模具自动加工系统
随着各种新技术的迅速发展，国外已出现模具自动加工系统。模具自动加工系统应有以下特征：多台机床合理组合；配有随行定位夹具或定位盘；有完整的夹具和刀具数控库；有完整的数控柔性同步系统，以及有质量监测控制系统。也有人称同时完成粗加工和精加工的机床为模具加工系统。这些今后都会得到发展。
第2章 冲裁及冲裁模设计
冲裁是利用安装在压力机上的模具使材料产生分离的冲压工序。
冲裁通常包括落料、冲孔、切边、切口、剖切、切断等多种工序。
冲裁可以直接制成零件，也可为弯曲、拉伸、成形、冷挤压等工序准备毛坯。因此，冲裁的各工序在冲压生产中得到了广泛应用。
2.1 冲裁变形过程分析及其断面特征
2.1.1 冲裁变形过程分析冲裁时，板料在凸、凹模中间，由于压力机滑块的作用，凸模逐渐靠近凹模，使板料分离。分离过程是在瞬时完成的。冲裁变形过程如图2-1所示。
1）弹性变形阶段
在凸模压力作用下，板料产生弹性压缩、弯曲变形等，并略微挤入凹模孔口，板料与凸、凹模接触处形成很小的圆角。凸模继续下压，板料的内应力达到弹性极限，此时凸模下的板略有弯曲，凹模上板料则向上翘。材料越硬，冲裁间隙越大，弯曲和上翘越严重，如图2-1（a），（b）所示。
2）塑性变形阶段
在弹性变形阶段末期，凸模继续压入板料，材料内部的应力逐渐增加到材料的屈服极限时，板料进入塑性变形阶段，此时由于凸、凹模之间存在间隙，材料同时伴有弯曲和拉伸变形。随着变形程度的不断增大，凸模压入板料的深度增加，变形区内材料加工硬化也逐渐加剧，冲裁力相应增大，刃口处产生应力集中，直至凸模和凹模刃口处出现剪裂纹，如图2-1（c）所示。冲裁力达到最大值时塑性变形阶段即告终止。图2-1 冲裁变形过程
由于凸模和凹模挤入金属板料产生塑性变形，因而分离后的断面是光亮的。塑性变形阶段剪裂纹的产生时间与材质、冲裁间隙有关。
当冲裁间隙较小，材料塑性较高时，剪切裂纹的出现较迟。这是因为冲裁间隙小，变形区对拉应力的出现有抑制作用。相反，冲裁间隙较大，板料塑性较低，剪切裂纹的出现就会提前，光亮带也就变窄。
3）断裂阶段
冲裁过程中，凸模压入金属板料进入塑性变形阶段后，应力达到剪切强度极限时，出现剪裂纹，而且剪裂纹不断向金属板料内部扩展。当凸模和凹模刃口处上、下剪裂纹重合时，则板料被拉断分离，冲裁变形过程即告结束，如图2-1（d），（e）所示。
冲裁变形过程主要以剪切变形为主，同时伴随有拉伸、弯曲和横向挤压变形，故制件常出现翘曲不平等现象。在冲裁工艺中改变这些因素的影响，即可提高工件质量。2.1.2 冲裁断面特征
板料经冲裁后，断面上会出现塌角、光亮带、断裂带和毛刺，如图2-2所示。由这些构成了冲裁断面的特征。图2-2 冲裁断面a—圆角带；b—光亮带；c—断裂面；d—毛刺
塌角的形成是由于凸模压入板料开始产生塑性变形时，凸模和凹模刃口附近的材料被拉伸和弯曲产生变形的结果。塌角区又称圆角带，其大小与材质、料厚及冲裁间隙有关。
光亮带的形成是在冲裁过程中，凸模挤入板料后而未出现剪裂纹之前塑性变形的结果。变形区内受到剪切应力τ和挤压应力σ的作用，使材料产生塑性变形，其断面光亮而垂直。光亮带的宽窄主要取决于板料的塑性、冲模结构和冲裁间隙。塑性好的材料，冲裁间隙适当时，光亮带占板料厚度的比例也越大。
断裂带的出现是在剪切应力τ达到最大值时，在刃口处产生剪裂纹，在拉应力σ的作用下剪裂纹不断扩展而断裂的区域。其断面粗糙，具有金属本色，有斜度。断裂带的宽度主要取决于材质和冲裁间隙。塑性好的材料，冲裁间隙合适时，剪裂纹出现较迟，断裂带宽度占板料厚度的比例较小，斜角也小。
毛刺的产生是由于凸、凹模存在冲裁间隙，以及剪裂纹产生的位置不是在刃口尖角处，而是产生在凸模刃口外侧面和凹模刃口内侧的附近，在拉应力的作用下，金属被拉断而形成的。在普通冲裁时，毛刺是不可避免的，且高出冲件平面。模具冲裁间隙正常时，毛刺的高度很小。
2.2 冲裁件的工艺性
冲裁件的工艺性是指零件对冲裁加工工艺的适应性，即加工的难易程度。
良好的冲压工艺性，是指在满足零件使用要求的前提下，能以高生产率及最经济的冲裁方式加工出来。
由冲裁变形过程的分析可知，材料除剪切变形外，刃口附近的材料还存在着拉伸、弯曲、横向挤压等变形，冲裁件断面具有明显的区域性特征。所以，在拟订冲裁件的工艺规程或设计冲裁件时，必须从制件结构形状、材料性能、尺寸精度、粗糙度及模具强度等方面分析零件的结构工艺性。2.2.1 对结构的基本要求
① 冲裁件的形状应力求简单、规则，使排样时废料最少。
② 制件内、外形转角处应避免设计成尖角，一般在转角处应使R>0.25t。
③ 冲孔制件的孔不能太小。冲模可冲出的最小孔径如表2-1和表2-2所示。表2-1 带护套式凸模冲孔的最小尺寸（mm）表2-2 各种材料的最小冲孔值（mm）
④ 制件上孔与孔之间的距离，制件孔与边缘的距离。c值不宜太小（见图2-3），一般要求c≥（1.5～2）t，并保证c或c′应大于3～4mm，在弯曲或拉深件上冲孔时应保证l≥R+0.5t，l≥R+0.5t（如图2-4所11示）。
⑤ 制件外形应避免有长悬臂或过窄的凹槽，悬臂和凹槽的宽度要大于料厚的1.5～2倍。深度b≥（1.5～2）t（如图2-3所示）。图2-3 冲裁件的结构工艺性图2-4 弯曲件的冲孔位置2.2.2 冲裁件的尺寸精度和粗糙度
制件的尺寸精度以不高于IT12级为宜。如无特殊要求，外形尺寸精度应低于IT10级，内形尺寸精度应低于IT9级。对精度要求高于IT10级的冲裁件，应在模具结构设计方面采取措施，如提高定位精度，采用弹压卸料顶件装置，提高模具制造精度或采用精冲技术等。
制件的断面质量要求不高时，材料厚度和硬度的影响尤甚。通常材料厚度 t＜1mm 的制件，断面粗糙度可达Ra 3.2μm；t＞1mm的制件，断面粗糙度将高于Ra 6.3μm。
2.3 冲裁间隙
2.3.1 冲裁间隙的概念冲裁模的凸模横断面，一般小于凹模孔。凸、凹模刃口部分，在垂直于冲裁力方向的投影尺寸之差，称为冲裁间隙。
间隙有两种含义：一种指凸模与凹模间每侧空隙的数值，称为单边间隙；另一种指凹模与凸模间两侧空隙之和，称为双面间隙。对于圆形刃口的凸、凹模来说，双面间隙就是两者直径之差，常用Z来表示。2.3.2 间隙对冲裁的影响
实践证明，间隙值的大小，分布是否均匀等，对冲裁件的断面质量、尺寸精度、冲裁力和模具寿命等均有直接影响。间隙大小可分三种情况，即间隙合理、间隙过大和间隙过小，如图2-5所示。
1.断面质量
间隙合理，材料在分离时，凸、凹模刃口处的裂纹重合，冲裁断面比较平直、光滑，塌角和毛刺均较小，制件质量较好，如图2-5（b）所示。
但合理的冲裁间隙并非是一个绝对值，而是某一个数值范围，在此范围内都可得到冲裁断面好的制件；间隙过大，凸、凹模刃口处的裂纹不重合，凸模刃口附近的裂纹在凹模刃口附近裂纹的里边，如图2-5（c）所示，材料受很大的拉伸，光亮带小，毛刺、塌角及斜度都较大；间隙过小，裂纹也不重合，凸模刃口附近的裂纹在凹模刃口附近裂纹的外边，两条剪裂纹之间的一部分材料随冲裁的继续又被二次剪切和挤压，在断面上形成第二次光亮带，并在其间出现夹层和毛刺，如图2-5（a）所示。图2-5 间隙对冲裁断面的影响
2.尺寸精度
落料或冲孔后，因发生弹性恢复，会影响尺寸精度。间隙小到一定界限，由于压缩变形弹性恢复，落料件尺寸会大于凹模尺寸，而使冲出的孔小于凸模。
间隙大到一定界限，由于拉伸变形弹性恢复，落料件尺寸会小于凹模，而使冲出的孔大于凸模。间隙对于落料和冲孔精度的影响是不同的，而且与材料轧制的纤维方向有关。
3.冲裁力和模具寿命
间隙大时，冲裁力有一定程度的减小，卸料力和推件力也随之降低。
冲裁时，坯料对凸、凹模刃口产生侧压力，凸模与被冲孔以及凹模与落料件之间均有摩擦力。间隙越小，侧压力和摩擦力越大。此外，受模具本身的制造误差和装配误差影响，凸模不可能绝对垂直于凹模平面，而间隙分布也不可能十分均匀。因此，过小的间隙会使凸、凹模刃口磨损加剧，寿命缩短。而较大的间隙则可使凸、凹模侧面与材料间摩擦减小，并减缓间隙不均的不利影响，从而提高模具寿命；但间隙过大，坯料弯曲相应增大，使凸模与凹模刃口端面上的压应力分布不均匀，易产生崩刃或产生塑性变形，因而对模具寿命也不利。2.3.3 间隙值确定
确定冲裁间隙值的主要依据，是在保证断面质量和尺寸精度的前提下，使模具寿命最高。可根据制件技术要求、使用特点和生产条件等因素选用冲裁间隙。
选用方法一般有理论计算法、查表法、经验公式法等。
1）理论计算法
根据图2-6所示的几何关系可得：
式中 Z——冲裁间隙双面值（mm）；
h——产生裂纹时凸模压入深度（mm）；0
t——料厚（mm）；图2-6 冲裁间隙几何关系
——产生裂纹时凸模压入材料的相对深度；
β——剪裂纹与垂线间的夹角，一般为4°～6°。
由上式可知：间隙值大小主要取决于t和h/t两个因素。0
2）查表法
如表2-3所示，非金属材料的间隙值一般都较小，最大也不会超过料厚的2%。表2-3 材料抗剪强度与间隙值关系
3）经验公式法
式中 C——与材料性能、厚度有关的系数（见表2-4）。表2-4 C系数值
2.4 冲裁模刃口尺寸计算
2.4.1 凸、凹模尺寸计算原则冲裁时，冲孔直径和落料件外形尺寸均取决于光亮带的尺寸。
实践证明，落料件的尺寸接近于凹模刃口尺寸；冲孔件的尺寸接近于凸模刃口的尺寸。所以，落料时取凹模作为设计的基准件；冲孔时取凸模作为设计的基准件。
确定凸、凹模尺寸原则如下：
① 落料时，先确定凹模刃口尺寸，其大小应接近于或等于制件落料部分的最小极限尺寸，以保证凹模磨损至一定尺寸范围内，也能冲出合格制件。凸模刃口的相应基本尺寸应比凹模刃口基本尺寸小一个最小合理间隙。
② 冲孔时，先确定凸模刃口尺寸，其大小应接近于或等于制件所冲孔的最大极限尺寸，以保证凸模磨损至一定尺寸范围内，也能冲出合格的孔。凹模刃口的基本尺寸应比凸模刃口对应的基本尺寸大一个最小合理间隙。
凸、凹模的制造公差与制件精度和形状有关，一般比制件精度高2～3级。2.4.2 凸、凹模分开加工时尺寸与公差的计算
凸、凹模分开加工，是指凸模与凹模分别按图加工至尺寸，要求凸、凹模具有互换性，便于成批制造。若形状简单，特别是圆形件，采用这种方法较为适宜。
为了保证凸、凹模间初始间隙合理，凸、凹模要有较高的制造精度，并分别标注公差。公差应满足如下条件：
式中 T、T——凸、凹模制造公差；pd
Z、Z——凸、凹模最大与最小双面间隙。maxmin
对于圆形或简单规则形状的冲裁件，其落料、冲孔模允许偏差位置分布如图2-7所示。图2-7 落料、冲孔模允许偏差位置分布
凸、凹模尺寸计算如下。
落料：设制件外形尺寸为D-则T
式中 D、D——分别为落料凸、凹模刃口基本尺寸（mm）；dp
D——制件外形基本尺寸（mm）；
T——制件公差（mm）；
T、T——凸、凹模制造公差（mm）；dp
X——系数，与制件精度有关。
一般模具精度为IT6～7级，也可以取T=（0.2～0.25）T，pT=0.25T。d
X取值：制件精度为IT10级以上时取l，制件精度为IT11～13级时取0.75，制件精度为IT14级以下时取0.5。X值也可以由表2-5选取。表2-5 系数X+T
冲孔：设制件孔尺寸为d，则
式中 d、d——冲孔凸、凹模刃口基本尺寸（mm）；pd
d——制件孔的基本尺寸（mm）。
其余符号同式（2-3）、式（2-4）。2.4.3 凸、凹模配合加工时尺寸与公差的计算
目前模具生产中广泛采用配合加工法。它使模具制造方便、成本降低，对模具间隙的配制容易保证。凸、凹模配合加工时，其凸、凹模刃口尺寸计算可如下进行。
1.落料
以图2-8（a）所示制件为例，落料时以凹模为基准件，按凹模实际加工尺寸配合加工凸模，以保证最小间隙。凹模公称尺寸及公差按凹模磨损后尺寸变化规律分别计算。变化规律见图2-8（b），凹模轮廓1是磨损前，轮廓2是磨损后，分为变大、变小和不变三类情况。
① 凹模磨损后变大的尺寸：A、A、A及A。123
② 凹模磨损后变小的尺寸：B。图2-8 凹模的分析计算
③ 凹模磨损后不变的尺寸：C。
此情况应按制件尺寸偏差标注方式不同而又分为以下三种情况。+T
当制件尺寸按C标注时：
式中 A、B、C——分别为制件的基本尺寸（mm）；
A、B、C——分别为相应凹模的基本尺寸（mm）；ddd
T——制件公差（mm）；
T′——制件偏差（mm）；
T——凹模制造公差（mm），通常T=T/4，但当标注为±T时，ddd则T=T/8。d
配合加工时，凹模按计算尺寸标注公称尺寸及公差，凸模只标公称尺寸，不标公差，但注明“配作”字样，保证最小间隙Z值。min
2.冲孔
冲孔时以凸模为基准配作凹模，凸模同样根据以上磨损分类原理分析计算。2.4.4 配合加工计算实例【实例】 如图2-9所示制件，其材料为10号钢，料厚2mm，求凸、凹模刃口尺寸及公差。
解：此制件外形加工属落料；φ5为冲孔，故应分别计算。（1）间隙值确定。查表2-4并代入式（2-2）得Z=2C·t=0.36；maxZ=2C·t=0.24。min（2）外形落料尺寸计算。根据磨损情况分为三类。图2-9 零件图
① 凹模磨损后变大的尺寸：、、、，其中尺寸44及16的公差为自由公差，一般按ITl4级取值。再根据公差值与料厚查表2-5，磨损系数X=0.5，由式（2-7）计算：
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