冲压模具设计

1-1典型的外表特徵

（Typical appearance characteristics）

打坯和衝孔後材料所呈現於外表的特徵，對於工具製造者和模具製造者來說是極應重視的因素。用目視的檢查這些特徵他就可以知道衝頭和陰模之間是否已具有適當的間隙（Clearance）。他也由此

適當的切割間隙。第1-5圖中的坯料或隙片是在一適當的切割狀況之下產生的。圖中的邊緣半徑（Edge radius）是在剪切作用之下第一階段由最初的塑性變形所產生。

在剪切作用下第二階段所形成的則稱作切口帶（Cut band），是成一條帶狀顯得極光亮平整的區域。切口帶的寬度約是材料的厚度之三分之一。其餘部份則為裂口（Break），此乃切下作用第三階段（斷裂）所造成的結果。

切割間隙是衝頭進入陰模開口之中，衝頭的一邊與陰模相應的一邊之間的空隙。因此，切割間隙乃被認作是每一邊的間隙大小。

毛糙面。毛糙面（Burr side）乃是指緊接著裂口的表面。其被稱作毛糙面乃是因為如果有不平整的情況發生的話，它總是發生在這一表面上。不過，如果衝頭和陰模之間的切割間隙是恰到好處，而它們的刀口也夠快的話，毛糙面事實上是不存在的。此外，在實際的生產過程當中，工件上所出現毛糙面的程度，也是告訴我們模具的切口是不是該磨了。

再參閱第1-5圖，不難發現坯料或隙片所呈現的外表特徵恰好和材料被衝後所留的開口的特徵完全相反。坯料和隙片的毛糙面總是朝向衝頭的那一邊，但材料衝後的開口毛糙面則總朝向陰模的開口。

此種不規則區域有時延伸至切口帶，甚至會侵入到邊緣半徑之處。這乃因材料被拖入間隙之中，當斷裂的時候，斷裂處就產生較大的毛頭所致。

在加工後的工件之中可能會發現有不完全斷裂（Incomplete Fracture）情形。這是因為材料在剛接觸到刀口時斷裂是正常的，但由於切割間隙太大，此太大的間隙會容許材料發展另外一道裂口而不能完成一正常的斷裂。

切割間隙過小。如果切割間隙只稍微小一點時，切口帶會加寬也會變得較不規則。但如切割間隙再小一點，則切口帶會像第1-7圖所顯示的那樣呈現出兩條或更多的條數。前述的現象雖然是把實際上的情形更理想化了一點，但却可作為切割間隙太小時材料反應的典型。因為在這種情形下，衝頭和

陰模刀口間所成的角度變得很陡，增加了材料斷裂的阻力，聚集的壓力將會促使材料不是在刀口之切割下斷裂，而是在間隙不足所產生的力量下斷裂，假如此種裂斷延伸，其裂口當然不會平整而完全。這樣就成為部分的裂口。於是壓力再聚集而形成再一次的切割作用，也形成再一次的裂口。

切割間隙太小也會產生不為我們所期望的毛頭。切割間隙過大時產生毛頭，而切割間隙不足又產生毛頭，這種說法似乎不合邏輯，但事實確是如此。在間隙過大時，毛頭是因為拖拉而產生，間隙不足時，毛頭則是因壓擠而產生。

衝頭和陰模未對正。第1-8圖顯示當衝頭和陰模未對正時切割表面所呈現的特徵。這對於工具及模具製造者說來是很有價值的，藉此，他可以知道該如何去發掘以及如何去校正未對正的模具。

件上產生我們不期望的特徵，間隙不足則因衝壓力之增加導致參與切割的零件承受更大的壓力而減短使用壽命。

例外。不過，例外總是有的，圓形的模件（衝頭和陰模）可以用較正常切割間隙為小的間隙。有時候，為了避免隙片可能發生的不脫去的現象，也會把切割間隙予以減少。也有些時候是為了使工件上的切口帶的寬度增加。

此外，使用較大的切割間隙則有助於硬脆的衝頭和陰模的切口。因為這樣可以用較小的衝壓力量，相對的也減小了模具刀口的壓力。

切割間隙之決定。材料的物理性能及厚度是決定切割間隙的最重要因素。材料的厚度很容易就可以測量出來，但物理性能與切割間隙之間的關係就很難測計了。因此，最恰當的切割間隙只好由實際的驗證而得了。不過我們應該切記增加切割間隙是非常容易的，但減少切割間隙就意味著衝頭和陰模的重新製造。所以，在有凝慮時，就不妨將切割間隙作得較預計的小些。然後用適當的材料來試壓，如果不合，再將間隙放大，至於放大時去除衝頭的尺寸抑是加大陰模的開口則視情形決定。

切割間隙應以材料厚度的百分比（每邊）來表示。此百分比因材料的性質不同而各異。各種材料之此項目百分比可參考第1-9圖所列數字。雲母、纖維材料、塑膠等材料的百分比較表列在任何金屬為小。

關於切割間隙所造成的結果，還有一項為工具及模具製造者所必需了解。那就是切割間隙對於工件本身尺寸大小所具的影響。此將在下段及第1-9圖中敍述。

:mm

⊙尖端緣與直線或曲線緣相對時a p＝1.3 ×a，b p＝1.3 ×b ⊙尖端緣相互相對時b w＝1.5 ×b

* 材料板如下述情況，a與b及e與f應加以修正。

●纖維，賽璐珞時(無韌性、脆性)

表1或表2加20%

●雲母、酚樹脂時

表1或表2加40%

矽鋼板時表1或表2加50%

表4 平行帶剪斷之廢料量

:mm

Ⅳ. 剪斷廢料量

i.曲線狀之剪斷

PS. 若需考慮強度問題時ì強度較ììì強度要好。PS. 最小值取捨需考量實際情況。

2-3修剪邊緣、剪缺口之材料預留料

圖例中省略導引孔。

:mm

2-4圓形下料之多列取料與材料成品率之關係

圓形下料要作多列取料時，如圖解之右下方，以交差取料對材料之成品率最為經濟。亦即此種下料所採取之方法（稱為下料配置）對於要取n列時所要之材料之寬度W為多少？可由本節最下段所示之計算公式求出。此公式中之胚隙寬度a可參考002節由001之表1圓形下料之直徑D之大小找出。

圖表所示為圓形下料其列數取n列時（圖表中n至20）所得之「材料成品率」。

材料之成品率可如下法求得，取ｎ列時ｎ等分之長方形狀之素材料之表面積為A R。A R＝Ｗ×（D ＋a）。但圖形下料之實際表面積為14πD2，因此ｎ等分之實際表面積為A a為A a＝14˙πD2˙n ，因此材料×100%素示之。

之成品率以A a A

R

A R之中包含有下料直徑D與板厚及由材質所求出之胚寬度a，因此材料之成品率無法以一條曲線來表示。因此，在此圖表中縱軸為成品率，橫軸為列數，ａ以肋變數表示之。至於ａ之尺寸，以Ｄ為分母由1/10至1/200為止區分之10等分表示之。如無剛好之a尺寸時，可由夾在上下2曲線間以補間之方法推定。

【例】t＝0.8mm，D＝40mm之圓形下料，以3列之多數同時下料時所要之材料寬度及材料之成品率。

【解】由001節之表1，D＝40時，a＝1.2mm、b＝0.8mm（均為採用最小值之尺寸），在計算上，採用較大之a值。

材料寬度W，將各值代入公式中

W＝(3－1) ×40＋0.8

2×√3 ＋40 ＋2 ×1.2 ＝113.1mm

其次，由a與D之關係求a ＝ 1

33.3D（在此D

a之值作為分母之係數）。由成品率之圖表，

a ＝130D ，n＝3 時成品率為79.8%

a ＝140D ，n＝3時成品率為81.2%

以補間法79.8 ＋(81.2－79.8) ×3310＝80.3%

W ＝(n－１) ×D＋b

2×√3 ＋D ＋2.a

PS. 因單工程模較無需考慮材料因素，則可沖製之成品數也較高。

* 關於導引孔P之尺寸，記載於025中。

2-6原材料之反應：剪切作用

（Reaction of the stock material：Shearing action）打坯和衝孔模所給予原材料的力所產生的結果是剪切作用。這一剪切作用可以分作三個階段，對於模具製造者來說，這三個階段的狀況是非常重要的，因為它們關係到工件尺寸的是否精確及外觀是

原材料就產生塑性變形。

第二階段－－貫穿（Penetration），視圖B。在壓機推桿繼續向下推壓之下，逼使衝頭貫入原材料，於是所謂的坯料或隙片就從陰模的開口中被推離原位，其大小就與陰模的開口一樣。這就是切割循環中真正的剪切部分，也是「剪切作用」（Shearing action）一詞的由來。

第三階段－－斷裂（Fracture），視圖C。再繼續的衝頭壓力，促使材料在衝頭和陰模之切口（Cutting edge）之處開始斷裂，因為在這一個地位，原材料所產生的應力集中（Stress concentration）為最大。在正常的切割情形下，裂口擴大而衝頭與陰模相向會合。最後，斷裂完成，而坯料或隙片就從原材料分離，衝頭進入陰模之開口，將坯料或隙片再向下推，使其您於陰模的切口。

這三個階段是打坯和衝孔模具所產生的工件一極為顯著而必然呈現的特徵。

⊙低碳鋼板（最大硬度、HRB75）之沖剪或沖孔時，剪斷端面之形狀之比例及其特性

板厚之﹪表示

2-8工件大小與衝頭及陰模大小的關係

（Relationship of piece-part sizes to punch and die size）衝孔或打坯所得的工件，在測量時應以切口帶為測量的部位。坯料或隙片所測得的尺寸通常較其原材料上被衝下的開口為大。其緣故可以由圖1-9表示之。坯料或隙片在實際切割行動中是由陰模上的刀口切下來的；所以陰模的開口決定了坯料及隙片的大小。而材料上的開口，其切割行動是由衝頭完成的；故材料上開口的尺寸由衝頭的尺寸來決定。模具製造者對此應確實了解。由此，我們也就知

此後，曲線有在接近底部處趨向於水平的態。負荷曲線的最後一部分表示衝頭貫穿材料之後繼續穿入材料所承受的摩擦力。也包括已被衝入陰模開口的坯料或隙片所產生的阻力。負荷並未完全水平，但却以極小的斜度繼續下去直到衝切作用達到底部為止。負荷的此種極微小的減低乃是由於坯料或隙片在通過模具開口的角間隙時，因角間隙的效果所受的阻力將愈來愈小的緣故。

2-10打坯和衝孔的脫卸力

（Strirring force for blanking and piercing）

脫卸力的計算可以達到某種合理的精確程度，但却無法定下一概括所有狀況的法則。對於每一特定的工作，如果作精準的計算，由於涉及的因素太多必須有極特殊的算法，故只是對該一工作適用。

影響脫卸力的重要因素（Important factor which affect stripping force）

1.材料。摩擦力大的材料及黏貼性強的材料都比較難於脫除。

2.刀口的情況。如刀口較銳利則所需的脫卸力較小。

3.外壁表面的情況。衝頭外表面較平整光滑的容易脫卸，而外表較差的則較難。

4.各衝頭間的距離。各衝頭間的距離愈近則所需的脫卸力愈大。

5.需要脫除材料的面積。第-18圖所示者為兩個工件，一大一小。材料的類別和厚度都一樣。所

衝開口及形狀也完全相同，事實上是由一個衝頭在一個模具上衝製的。因之，所需的切割力是相同的。然而，大的工件却需要較大的脫卸力。此乃由於在衝頭四周材料的面積較大，故更強固，加之於衝頭的黏貼力也更大的緣故。

以上這些因素就是為何計算脫卸力不易精確的道理。

脫卸力的算式（Formula for stripping force）

根據有代表性的金屬加工廠的研究，認為脫卸力的大小約在切割力百分之五到二十之間。下面的

算式可以作為預估脫卸力用：K＝LTS5噸

其中K

L

較高規號的材料應用較大百分數的間隙

圖1-19切割間隙

變形為t之5%以下為限。

⊙沖剪溝形或長方形缺口時之臨界值：參照右之圖解。由長度L上表S之值。

⊙下料之突起部分之寬度：參照右之圖解。突出長度L之關係而用上表之S值。

⊙下料角之圓角：模具沖模孔之角與沖頭部分之角作成0(銳角)時，下料結果也有一點圓角(下圖

●r0

●r0

在銳角或不需要角時

●r0 ＝R > 3mm 或2 ×t

PS. 沖孔下料時，成品尺寸依沖頭判定。

2-12沖小孔沖頭等賦予剪角時之條件

例如在表面稍有起伏之板（不是平坦表面），要沖孔時，在沖小孔沖頭如本節圖解所示，其剪斷表面有時賦予剪角。一般，刃尖徑在13mm以下時，剪斷表面做成凸狀，其以上之徑則做成凹狀。由此種剪角沖頭之刃尖與材料板接觸時不會因滑動而在沖頭尖端產生必要以上之彎曲作用，因此最好