冲裁间隙对冲压件质量影响的实验研究
吕建强，王玲
(1. 淮阴工学院 ， 机械工程学院 江苏 淮安 223003)
摘要：本文通过一套刚性卸料冲模，以一组十个不同尺寸的冲头，形成不同的冲裁间隙，研究了在自由冲裁状态时，冲
裁间隙的取值对冲裁件尺寸精度、冲裁面质量、平面度的影响。
关键词：冲裁件；间隙；断面质量
中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：
前言
冲裁是利用模具使板料分离的冲压工序，在自由冲裁时（即在没有压板和顶出器的情况下），板料
冲裁变形区的受力状态如图 1 所示。冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的
纺锤形区域内（图 1-b）所示），纺锤形内以剪切变形为主。当凸模与凹模的间隙（以下称冲裁间隙）
较小时，纺锤形区域的宽度将减小，冲裁变形将更接近剪切。由于冲裁间隙的存在，使得板料在受到凸、
凹模正压力作用的同时还受到弯矩 M 的作用。由于弯矩 M 的影响，材料的变形及受力情况变的非常复
杂，且随冲裁间隙的变化及冲裁过程的进行而发生相应的变化。
a ） b ）
图 1 刃口处的受力情况
由冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的，所有这些冲裁间隙值是主要的影响因素。
本文从冲裁间隙值的变化对冲裁件的质量影响作一次探讨。
研究条件及试验数据
材料为厚 的 08F 钢板，正装下出料刚性卸料冲模一副，凹模刃口尺寸： ，
为了得到不同的冲裁间隙，采用表一所示凸模刃口不同尺寸的一组十个冲头，进行冲裁比较。
表一 凸模刃口参数
组号 凸模参考尺寸(mm) 相对间隙（Z/t×100%） 保证间隙 Z 值
1 %
mmDd
pD
2 5%
3 %
4 10%
5 %
6 15%
7 20%
8 25%
9 30%
10 35%
我们对每组冲裁出的零件进行了零件尺寸、光亮带宽度、圆角带宽度、内斜角和平面度的测量，数
据列于表二。断面的光亮带、圆角带情况如图 2 所示,端面的圆角带情况如图 3 所示。
表二 冲裁件的质量情况 (mm)
组号
零件直径
（mm）
光亮带宽度
(平均)
塌角
内斜角
（°）
平面度 h/t(%) 断面形态
1 — % — 均匀双光亮带
2 % % 连续岛形双光亮带
3 % % 连续岛形双光亮带
4 % % 断续岛形双光亮带
5 % % 点状岛形双光亮带
6 % % 点状岛形双光亮带
7 % % 单光亮带
8 % % 单光亮带
9 % % 单光亮带
10 % % 单光亮带
图 2 光亮带、断面圆角带
pD
pD
pD
pD
pD
pD
pD
pD
pD
图 3 端面圆角
冲裁间隙对冲裁件尺寸精度的影响
尺寸精度是指制件的实际尺寸与图样上标注的基本尺寸的差值 δ 所能达到的公差等级。冲裁件的外
形尺寸精度主要受凸、凹模刃口尺寸制造精度和冲裁间隙的影响。
若忽略材料的弹塑性共存规律的影响，则理论上落料件的尺寸与凹模孔尺寸一致，但是，由于材料
塑性变形时具有弹塑性共存规律，冲裁结束后制件从模具中脱离出来，原来在冲裁时所承受的力及产生
的变形将发生一定程度的弹性回复，这使得冲裁件与凹模的刃口尺寸及形状产生了偏差。
图 4 所示，当冲裁间隙（Z/t 值）较小时，凸、凹模刃口周围的材料，所受弯矩较小，此时拉应力
较小，挤压应力较大，凸、凹模刃口周围材料的径向呈弹性压缩变形，落料后因板料的弹性恢复使落料
件尺寸将大于凹模孔尺寸，产生正偏差。随冲裁间隙（Z/t 值）的增大，弯矩逐渐变大，拉应力增大，
凸、凹模刃口周围材料的径向呈弹性拉伸变形，落料后因板料的弹性恢复使冲裁件向实体方向收缩，则
产生负偏差。由图 4 变化趋势分析，理论上当冲裁间隙值为一特定值时，偏差可能为零（但这在实际中
是不可能的）。
图 4 零件尺寸精度
冲裁间隙对冲裁件光亮带、圆角带的影响
由变形区应力特征点的分析可知，凹模侧壁靠近刃口处的静水压力最低，材料呈现的塑性较差。当
凸模切入板料一定深度时，由于加工硬化和组织缺陷的增多，促使材料塑性进一步降低。随着材料内部
冲裁间隙 Z/ t ( %)
零
件
尺
寸
D
(m
m)
的应力达到强度极限，裂纹首先在凹模侧壁刃口处出现。
图 5-a)所示，当凸模与凹模的间隙正常时，裂纹的发展可能有两种方式：一是如 A 曲线所示，凹
模侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中，因为进入压应力区比较困难，此时在凸模刃口侧壁
也将产生裂纹，上、下裂纹对向发展，贯通后便使冲裁件断裂分离开来，形成粗糙的断裂面（又称为断
裂带）；第二种如 B 曲线所示，凹模刃口侧壁产生的裂纹选择静水压力较低的路径发展，且直接到达
凸模刃口侧壁而贯通。一般第一种情况比较多见。
a) b) c) d)
图 5 冲裁间隙对冲裁件断面质量的影响
当冲裁间隙值较小时，由于弯曲作用的减小，冲裁变形区的静水压力明显增大。从凹模刃口侧壁产
生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中将进入强压应力区，使裂纹无法继续扩展而隐没在材料内部，
成为潜伏裂纹。当凸模继续下压时，将发生二次剪切现象，冲裁结束时将形成明显的第二光亮带。在第
一与第二光亮带之间有区域较小的断裂带，圆角的高度也很小（如图画 5-b)所示）。
图 5-c)所示，随冲裁间隙增大时，因为静水压力作用有所减弱，下裂纹可能向材料深处发展，形成
较深的潜伏裂纹。由图 2、图 6 可见随冲裁间隙增大（Z/t 约为 5%—15%），第一光亮带逐渐减小，同
时第二光亮带呈块状分布，并形成逐渐强度较小的尖舌状的断面，称为舌片（或舌翘）。在冲裁中一些
舌片的脱落，而粘附在凸、凹模刃口，加大了凸、凹模间的磨料磨损，加剧了凸、凹模的磨损。目前多
数观念认为，大间隙可以提高模具使用寿命，这也是采用大间隙以离开产生岛形光亮带的刃口间隙区，
减小磨料磨损的影响。
当冲裁间隙过大时，由于弯矩的增大，凹模刃口侧壁处的材料所受的拉应力将明显增大，材料的塑
性变得较差。如图 5-d)所示，在凸模切入板料深度不大时，凹模刃口侧壁处的裂纹提前产生，这时凸模
刃口侧壁往往不产生裂纹。凹模刃口侧壁处的裂纹一般发展不大就停止了，当凸模下压达到一定程度时，
裂纹至凸模刃口侧壁处的材料才逐渐缩颈直至断裂。所得的冲裁件的圆角高度、断裂带高度及斜角β明
显增大，光亮带宽度大大减小（如图 6 所示）。
图 6 圆角带、光亮带与冲裁间隙的变化关系
冲裁间隙对冲裁件平面度的影响
图 1-a)所示,由于凸、凹模之间存在间隙，板料在受到凸、凹模正压力作用的同时还受到冲裁力与
间隙形成的弯矩 M 的作用。弯矩 M 使板料产生了弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的
板料下凹，影响冲裁件的平面度。图 7 为凸模与零件接触变形情况，由图可见凸模仅在刃口处很小的一
般范围内与零件有接触痕迹，这也验证了图 1-a）所述冲裁时凸、凹模与板料仅在刃口附近的狭小区域
内保持接触。因此凸、凹模作用于上、下板面的正压力的分布是不均匀的，越靠近刃口压力越大，这也
是凸、凹模的磨损主要集中于刃口处及崩刃产生的主要原因。
图 7 凸模与零件接触痕迹
由于板料的弯曲变形，对凸、凹模刃口的侧壁产生了挤压作用，同时刃口侧壁也对材料产生了反挤
压。反挤压形成了弯矩 M´，其方向与弯矩 M 相反，阻止了板料的进一步弯曲变形。因此自由冲裁时冲
压制件虽有一定的不平整度，但程度有限。冲裁间隙过大时，对制件的平整度也有较大的影响。这是由
于间隙越大，弯曲作用就越大，从而引起的板料翘曲变形就越严重。如图 8 所示，当冲裁间隙不超过 20%
时，制件平整度基本能满足一般性的使用要求。
5 10 15 20 25 30 350
h/
t(
%)
10
20
30
40
50
冲裁间隙Z/ t ( %)
光亮带
圆角带
图 8 零件平面度
结束语
冲模间隙较小时，落料件的尺寸接近于凹模，甚至大于凹模尺寸，且零件光亮带尺寸大、零件也较
平整，零件精度高，但此时零件和模口的接触面积和接触应力增加，将使凸、凹模的磨损急剧增加，影
响模具的使用寿命。一般在满足零件质量要求的前提下应尽量取较大的冲裁间隙，以提高模具的使用寿
命。当零件的质量要求较高时，可设置压料装置，以减小刃口处的弯矩，减小零件的不平度，增加光亮
带宽度，确需取较小冲裁间隙时，凸、凹模应选用特殊的模具材料，同时要提高凸、凹模刃口处的硬度
和降低粗糙度。
在剪切变形时，由于凸、凹模与材料接触面的相对运动而产生了摩擦力，刃口侧壁的摩擦力对板料
断裂分离过程的影响要比端面的摩擦力大得多，但其影响机制尚需进一步研究。另外，摩擦力对凸、凹
模刃口造成的磨损是影响模具寿命的重要因素之一。
由冲裁件的断裂特点，冲裁中凸模不必进入凹模，这样不仅可以防止发生啃刃现象，同时可以减少
凸模刃口侧面的磨损，提高凸模修磨的质量。
冲裁间隙Z/ t ( %)
