沖壓理論

本研究所使用的沖壓模具參考精密下料模具的設計。精密下料製程又稱光邊 切料（Fine Blanking），是從普通沖壓技術發展而來的一種沖壓技術，一般使用在 下料製程，如圖 2.8 所示，一般具有 V 形壓料板。但 V 形壓料板會破壞工件表 面，不適合使用在本實驗的沖孔製程。參考余俊德先生的研究[32]，在使用平壓 料板及壓料力足夠的情況下，沖壓斷面品質不亞於 V 形壓料板的使用。以下將介 紹沖壓參數的意義、精密下料的工作原理、沖壓斷面之分析、冲壓過程中金屬的 塑性變形、沖壓過程中金屬的加工硬化[33]。

2.4.1 沖壓參數的意義

本研究使用伺服沖床進行精密沖壓可以調整的沖壓參數有模具間隙、母模與 沖頭倒角半徑、壓料板壓力、反壓板壓力、沖頭行程模式和沖頭速度。以下將對 各沖壓參數的定義做解釋：

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(1) 模具間隙

所謂間隙，既母模與沖頭工作部分的尺寸差。一般上間隙與板厚成固定比 例。間隙適合則沖壓品質佳、間隙太小也會降低模具壽命。

(2) 母模與沖頭倒角半徑

一般上，母模與沖頭的刀刃皆成 90 度的直角，若在母模的刀刃部位故意製 造一倒角半徑，則材料的硬化梯度、光亮面、破裂位置將會隨之改變。

(3) 壓料板壓力

壓料板主要功能是在沖壓的過程中給予固定工件的力量，這個壓力稱為壓料 板壓力。適當的壓料板壓力可以抑制材料在沖壓過程中扭曲翹曲，改善材料的斷 面品質。

(4) 反壓板壓力

反壓板主要的功能是給予材料和沖頭方向相反的壓力，這個壓力稱為反壓板 壓力。反壓板壓力、壓料板壓力和沖頭壓力可形成 3 向靜水壓力，延伸材料的塑 性變形，但壓力太大會增加母模側向負荷及造成沖頭負擔，影響母模及沖頭壽 命。

(5) 沖頭行程模式

沖頭行程模式為沖頭一個週期行程中的運動模式。傳統沖床因為由飛輪帶 動，沖頭行程模式為曲柄模式。但伺服沖床的沖頭是由直驅伺服馬達所驅動，可 任意控制沖頭的位置和速度，進行不同沖頭行程模式。

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2.4.2 精密下料的工作原理

精密下料製程跟普通沖壓製程最大的差異是多了反壓板給予工件與沖頭方向 相反的靜水壓力，防止材料在剪切區內撕裂和金屬的橫向流動，使精密下料比傳 統沖壓可以使用更小的模具間隙。如圖 2.8 所示，精密下料時壓料板將工件壓 緊，在沖頭壓入材料的同時反壓板也給予工件足夠的壓縮靜水壓力，材料因為受 三向壓應力而延伸了沖壓時工件的塑性變形區，達到沖壓零件尺寸公差小、形狀 精度高、沖壓斷面品質佳的目的。

2.4.3 沖壓斷面之分析

沖壓斷面之品質如圖 2.9 所示因材料變形階段不同可分為 4 個區塊。彈性區

（Roll over zone）、光亮面（Burnish zone）、破斷面（Fracture zone）和毛邊

（Burr）。以下將對各區塊的生成原因逐一說明[32]：

(1) 彈性區（Roll over zone）

沖頭接觸工件表面後，開始對工件施加壓力，此時工件受到沖頭和母模的作 用力產生彈性變形。

a. 傳統下料 b. 精密下料

圖 2.8 傳統下料與精密下料示意圖[34]

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(2) 光亮面（Burnish zone）

工件在彈性變形區受到沖頭的作用力超過材料的降伏點，開始塑性變形流 動，形成光亮面。光亮面在沖壓斷面品質中精度最好，一般沖壓加工希望增加材 料的塑性變形區來增加光亮面的比例。

(3) 破斷面（Fracture zone）

破斷面是由裂縫所造成的粗糙面。當工件在光亮面發生塑性變形直到沖頭超 過工件材料的最大強度，材料開始產生裂縫。如圖 2.10 所示，裂縫與模具間隙 有著很大關係。沖頭和母模之間的間隙為材料的剪切區，當材料受沖頭和母模的 擠壓作用力超過材料的強度後，材料靠近沖頭刀刃尖端及母模邊緣開始產生裂縫 並成長，直到兩端裂縫重合則材料斷裂。如圖 2.10（a）所示，若間隙過小，材 料塑性提高並且兩端裂縫成長的角度過小導致材料二次剪切，使得破斷面在兩層 光亮面之間。圖 2.10（b）所示為間隙適合，裂縫將沿著沖頭刃邊及母模邊緣的 對角線方向成長，兩端裂縫成長重合後材料斷裂。圖 2.10（c）所示為間隙過大 時，兩端裂縫成長的角度過大導致裂縫無法重合而造成撕斷，破斷面斜度增大，

斷面垂直度差，表面粗糙並且有毛邊的產生。

(4) 毛邊（Burr）

當沖壓間隙過大或過小時，材料在破斷面產生的裂縫無法重合而被撕斷，形 成毛邊。

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圖 2.9 沖壓斷面示意圖[35]

圖 2.10 沖壓間隙與斷面品質[36]

2.4.4 沖壓過程中金屬的塑性變形

電磁鋼片在沖壓加工之後留有部分的塑性應變和殘留應力以至於影響其電磁 特性。分析沖壓過程中金屬的塑性變形和受力狀況是本研究分析的基礎。由於沖 壓變形屬於非穩態問題，以下將對沖壓過程作一定程度的簡化以利分析。

一般沖壓加工將會經過彈性變形、塑性變形和破斷三個階段。如 2.4.3 節所 提到的會呈現三個特徵帶。但是在精密沖壓時，因為工件材料受三相靜水壓力，

控制得宜的話材料將一直處在塑性變形狀態，使工件沖壓後沖壓斷面都是光亮

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面。

當沖頭壓入材料一定深度時，剪切區的材料產生了強烈的塑性流動。如圖 2.11 所示，剪切區的材料貫串著塑性伸長。參考圖 2.12 所示模型，沖壓時位於 壓料板及沖頭邊緣之間的材料纖維 ab 不斷被塑性拉長達到最大值，直到材料斷 裂為止。以此類推，剪切區內材料的塑性流動將如纖維 ab 一般，在沖孔時，沖 頭側面的材料纖維將留在工件內；相對的，在母模刃口側面的材料纖維則破裂為 廢料。這些材料纖維因為受到很大的塑性流動，將影響剪切區及剪切區周圍的材 料發生加工硬化、差排、晶界扭曲等變化[33]。

圖 2.11 精密沖壓時剪切區的塑性流動照片[33]

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2.4.5 沖壓過程中金屬的加工硬化

在沖壓過程中，材料經受了大量的塑性變形，使得材料晶界扭曲，硬度增 高，發生加工硬化現象。圖 2.13 所示為典型的沖裁面及其內部各層的硬度分佈 曲線。其中沖壓剪斷表面的硬度最高，並且依不同材料將會造成數毫米深的硬化 層。加工硬化影響的程度將受材料的基體強度、組織結構和工件厚度而異[33]。

圖 2.13 沖裁面及其內部各層的硬度分佈曲線[33]

a. 變形前 b. 變形後 圖 2.12 精密沖壓剪切區的變形[33]

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