铜排与铝排的冲裁间隙

冲裁间隙是冲头刃口与凹模刃口之间的间隙。它只是一个数字，却很容易取错，而在母排加工中，它出错的频率高于其他任何模具参数。已发表的指导资料大多是针对 1-3 mm 板材冲压写的；母排则是 6-20 mm 厚、软、塑性好、会加工硬化的铜。百分比可以照搬，后果不能。

有两种表述方式，两者相差一倍。双边间隙是凹模孔口尺寸与冲头尺寸之差；单边间隙是它的一半，即沿孔周任一点处的径向间隙。供应商图表上写“铜，20%”和车间里执行的 10%，可能说的是同一套模具。拿一个数字去和别的数字比较之前，先弄清它用的是哪一种。本文通篇采用单边间隙，必要时对引用来源做了换算。

断面在告诉你什么

母排上冲出的孔有四个区，在孔壁上可见，在冲孔废料上呈镜像。读懂它们是你手上最快的诊断手段，而且不花一分钱。

塌角位于冲头进入的一面，材料在被剪断之前先屈服并被拉入孔内，留下一圈圆角。塌角深度随间隙增大、刃口变钝和材料变软而增加，因此它本身并不是缺陷。在退火态铜排上，塌角总是看得见的。

光亮带是塌角下方那圈明亮的带，孔壁在这里被冲头侧面擦过。它光滑而平直，从尺寸上说，孔就是它。Dayton Lamina 的模具指导资料把最佳间隙描述为：冲孔废料上的光亮带约占材料厚度的三分之一，并有一个与之齐平的均匀断裂面——这条判据用在母排上同样管用。

断裂带是余下那片暗而粗糙的区域。它是斜的，因为裂纹从冲头刃口向凹模刃口扩展，而角度由间隙决定。断裂面平直、均匀、并与光亮带连续，说明两条裂纹汇合到了一起。这正是全部目标所在。

毛刺在冲头穿出的一面：最后一段材料不是被剪断，而是被拉长后撕裂。毛刺高度随间隙增大、刃口磨损和材料变软而升高。

有两种失效特征比其余的更重要。二次剪切带——孔壁中段出现第二圈光亮带，两圈之间有一道台阶——说明来自冲头的裂纹和来自凹模的裂纹没有在同一平面上汇合，夹在中间的材料只能被剪切两次。这是间隙过小。塌角很大、毛刺又薄又碎、光亮带很短，则是间隙过大。

每套新模具都留一枚冲孔废料，标注材料、厚度和间隙。把可疑的废料和一枚已知合格的对比一下只要十五秒，模具该不该刃磨、还是间隙不对，多数争论到此就结束了。

以厚度百分比表示的单边间隙

计算式为：

c = k × t          （单边间隙，mm）
凹模孔口 = 冲头尺寸 + 2c

式中 t 为材料厚度，k 为间隙比。对铜排而言，单边 k 落在 5-12% 这一区间。低于 5%，就进入二次剪切和热损伤的范围；厚排上高于约 12% 之后，塌角和废料控制开始成为主要矛盾。单边 10% 左右是常用的工作值，多数模具供应商对半硬态排给出的也是这个数。

按成套开关设备中常见的厚度，把这一区间算出来：

于是 6 mm 铜排单边大致需要 0.3-0.7 mm，10 mm 铜排取区间上半段则大致是单边 0.8-1.2 mm。如果你的直觉来自薄板加工，这些凹模孔口摆在冲头旁边会大得吓人。它们是对的。10 mm 铜排上，13 mm 冲头按单边 10% 配出的凹模是 15 mm，而冲出来的孔实测接近 13 mm，因为决定孔径的是光亮带，不是凹模。

已发表的表格互不一致，这是有原因的。Conic 的模具指南对伺服压力机和液压压力机上的铜给出 0.20-0.25 的间隙比，这是双边值，相当于单边 10-12.5%，并注明厚度超过 3.2 mm 时要乘以 1.4。照字面执行，厚铜排会被推到单边 14-17%。UniPunch 对铜列出半硬态为厚度的 20%、硬态为 25%，同样是双边值。Dayton 关于工程化间隙的研究针对的是薄板冲压，取值还要更高。这种离散是真实的，而不是马虎：最优值取决于你要买的是模具寿命、最小毛刺还是尺寸重复性，而这三者并不在同一个间隙上达到最好。

间隙过小

来自冲头的裂纹和来自凹模的裂纹各自从自己的刃口起裂，相向扩展。间隙正确时，它们位于同一平面上并汇合。间隙不足时，它们彼此错过，夹在中间的材料只能在第二次撕裂中被扯断。结果就是二次剪切带、粗糙而不一致的孔壁，以及相对冲头偏小的孔。

对模具的后果比对零件的后果更严重。铜在冲穿之后会回弹抱住冲头侧面，因此间隙偏紧时孔会夹住冲头，每一次行程结束都形成一个必须在回程中强行拔出的过盈配合。卸料力上升，冲头侧面被磨蚀，头部积聚摩擦热。Dayton 的现场案例显示，正是这一机理会在冲头头部后方留下变色，冲头的热处理组织被破坏，寿命在刃口本身磨损之前就已经结束。严重时头部疲劳，直接被拉脱。

大量磨损发生在回抽阶段，而不是剪切行程。Dayton 认为回抽可占冲头总磨损的三分之二，而它完全取决于孔把冲头侧面抱得有多紧。这是反对在铜排上把间隙取在区间下限的最有力理由。铜很软，压力机从不抗议，抗议的是模具账单。

间隙偏紧时峰值吨位也会上升，因为厚度中被剪切而非被撕裂的比例更大。在余量不多的机器上，这有可能导致滑块卡停在这批活里最厚的一根排上。

间隙过大

材料在被剪断之前先弯入凹模。塌角变大，光亮带变短，断裂带占据孔壁的大部分，毛刺高度上升。孔径偏大，孔口不再方正——当这个孔位于螺栓接头面上时，这一点是要紧的。

生产上的故障是废料上跳。间隙越大，冲孔废料在凹模里配合越松，回抽时不往下掉，而是跟着冲头一起被带上来。它落在排上，被压进下一个孔，或者卡在卸料板里。在铜上，机理是油膜黏附，以及拱起的废料与冲头端面之间形成的真空。磁性吸附——钢件加工中通常的第三个元凶——在这里不适用。

对策都是机械性的：在冲头端面装一根带侧向通气孔的弹簧顶料销；磨出剪切角使废料拱曲，靠它自身的回弹脱开；或者采用刃带很短、随后接一段更窄让位段的凹模，把废料卡住使它无法上爬。把下死点时冲头进入凹模的深度限制在约 0.5-0.8 mm 也有帮助，因为进入越深，退出时形成的真空越大。完整的措施清单和各自的价值见模具寿命与单孔成本。

厚排上的小孔

母排有一个薄板冲压没有的几何问题。M12 的过孔是 13 或 13.5 mm。在 10 mm 排上，孔径与厚度之比约为 1.3；在 12 mm 排上约为 1.1。这是一个直径小、深度大的孔，它的表现不同于 3 mm 板上的 25 mm 孔。

当孔径与厚度之比低于约 1.5 时，冲孔废料变得难以弯曲和断离。冲头受载上升，光亮带变长，毛刺变大，孔径偏小。Dayton 的建议是：孔径降到厚度的 1.5 倍时，在名义间隙上单边再加 1%；孔径等于厚度时，单边额外增加量升至大约 4%。用在 12 mm 铜排上的 13 mm 孔，这项修正不是可选项；它也解释了为什么在同一个名义百分比下，一套模具在 6 mm 上表现极好，到 12 mm 上就出问题。

PASS Stanztechnik 的模具寿命数据从另一个方向印证了这一点：对小于板厚 1.5 倍的切割特征，其折减系数为 0.6-0.8；小于板厚 1.0 倍的为 0.3-0.5。厚排上的小孔，会让你损失原本可得模具寿命的一半到三分之二。

冲孔力，以及冲头端面几何形状对它的影响

所需的力等于被剪切的面积乘以材料的抗剪强度，即 F = 周长 × t × τ，圆孔则为 F = π × d × t × τ。计算实例和一套抗剪强度参考值见配套文章母线冲孔的压力机吨位选型，这套算术也可以直接在母线冲孔力计算器里跑。

间隙会影响这个力，冲头端面几何形状同样会。平端面冲头一次剪断整个孔周，因此全部的力以一个尖峰到来，冲穿时的卸载也很剧烈。在冲头端面磨出剪切角，可以让剪切错开发生，峰值吨位随之下降，但在厚母排上，下降幅度小于宣传所说。H. Weiss 的剪切系数表给出：在 1/4 in (6.35 mm) 料上，1/16 in (1.6 mm) 的剪切深度对应系数 0.90，3/32 in (2.4 mm) 对应 0.85，3/16 in (4.8 mm) 对应 0.65。厚铜排上磨一个浅剪切角，只买到 10%。要拿到 35%，剪切深度需要接近排厚的四分之三，那是一个又长又脆弱的冲头头部。

平端面峰值力最高，孔最方正，废料最平整。单斜面——端面沿一个方向整体磨斜——减力最多，但会把冲头往侧向推，而在短粗的母排冲头上，这个侧向载荷会落到导向和卸料板上。屋脊形关于中心线对称，侧向载荷相互平衡，除最小的孔以外通常都选它。冲孔时把剪切角磨在冲头上，而不是凹模上：带角度的一方会使自己这一侧的断面变形，而在冲孔中废料是要扔的，排才是产品。

铝不是铜，6101 也不是 1350

换成铝，有两件事变了。抗剪强度大幅下降，而且在母排常用的各个牌号之间下降得并不一致。

软态 1xxx 导电级铝的抗剪强度在 60-80 N/mm² 附近；UniPunch 列出 1100-O 为 62 N/mm²、1100-H14 为 76 N/mm²，1350-H111 排也在这个量级上。合金化并经热处理的排则是另一种材料。6101-T6 已发表的抗剪强度约为 22 ksi，即大约 150 N/mm²，6061-T6 列出的是 207 N/mm²。按“铝，80 N/mm²”去选压力机或模具，然后拿到手的却是 6101-T6 排，实际需要的力差不多要翻一倍。做吨位计算之前，先把合金牌号和状态确定下来。

同厚度下铝排的间隙略低于铜，通常在单边 8-10% 左右，因为抗剪强度较低，裂纹更容易扩展。铝的问题是黏附。它会咬合到模具钢上，在冲头侧面堆积，随后把接下来的上百个孔划伤。涂层有帮助，PASS Stanztechnik 给出的合适涂层模具寿命系数为 2.0-4.0，这里指的是铝专用的涂层牌号，而不是通用的 TiN。润滑的作用更大。PASS 对不加板材润滑作业给出的折减系数是 0.4-0.6，因此干冲铝母排是得不偿失的。

铜的状态也同样重要。按 EN 13601，Cu-ETP 排以 R220 软态退火（抗拉强度 220-260 N/mm²）、R240 半硬态（240-300）和 R290 硬态（290-360）供货。差距大到按一种状态调好的模具，用在另一种状态上不会是最优的。

在图纸上标注毛刺

多数母排图纸对毛刺只字不提，然后检验环节又按一条没有写下来的标准判退零件。把它说清楚的手段是 ISO 13715，技术产品文件——未定义形状的边缘——指示与标注，2017 年第三版。

该标准给出一个画在边缘上的图形符号，符号内标一个正负号和一个数值。含义由这个正负号承载：

• + 表示允许存在多余材料，标准称之为过剩（passing）。毛刺被明确定义为外部过剩的一种特例。只给出一个正值时，另一侧的极限即为零，因此不允许出现欠缺。
• − 表示要求去除材料，即欠缺（undercut）。只给出一个负值时，不允许出现过剩，也就是完全不允许有毛刺，边缘必须倒钝。
• ± 表示两者皆可，并且只能与一个尺寸值一起使用。

数值是允许的最大偏差，写在正负号之后。上下极限可以上下叠写，同时给出。ISO 13715 还规定了如何指明允许过剩或欠缺的方向，这一条在母排上最要紧，因为螺栓连接接触面上的毛刺，和自由面上的毛刺是两个不同的问题。

ISO 13715 不做的事，是告诉你该写多少。数值来自这条边缘的功能：

• **螺栓接头面：**毛刺夹在两块相配的导体之间，把它们顶开，减小接触面积并抬高接头电阻。由于 IEC 61439 对外部导体连接用端子规定了 70 K 的温升限值，接头电阻是合规问题，而不是外观问题。要指明毛刺允许在哪一面，并且把数值定紧。
• **螺栓杆穿过的孔壁：**这里的毛刺会妨碍装配，还可能划伤螺栓。控制到中等程度就够了。
• **靠近绝缘隔板或空气间隙的边缘：**这属于 IEC 60664-1 的电气间隙与爬电距离问题，因为凸起的尖锐毛刺会局部抬高场强。这里也正是常有人声称某个标准强制要求倒角的地方。没有任何标准这样要求。边缘处理是满足绝缘耐压条款的一种手段，本身并不是一项要求。

对于按 DIN 43673-1 制定的孔型——该标准规定了矩形母排上的孔位和孔径，以及螺栓连接的基础数据——毛刺要求应当与孔型标在同一张图纸上。

当限值紧到单靠冲孔守不住时，办法是增加一道后续工序，而不是把间隙越收越紧。用 BND800-2 这类设备做毛刷式或砂带式去毛刺，可加工厚 0.5 至 50 mm、宽 100 至 800 mm 的排，争论到此为止。想靠收紧间隙去追 0.05 mm 的毛刺，会同时赔上冲头寿命和孔的质量。

在机器上设定与检查

间隙属于模具，不属于压力机，因此在数控母线冲剪机上，它在订购冲头和凹模时就已定下，在装配时验证。分别测量冲头和凹模再算出间隙，不要相信标签；一支被刃磨过侧面而非端面的冲头，尺寸已经不是上面打的那个数了。然后检查同心度，因为单边数值必须在整个孔周都成立。名义间隙 0.8 mm 时，冲头偏心 0.1 mm 就会一边 0.7 mm、另一边 0.9 mm，毛刺会明显不对称。在定位精度保持 ±0.05 mm 的多模位转塔母线加工中心上，模位对中和转塔清洁也是间隙链条的一部分。

这种局部塑性流动对排的直线度有什么影响，见加工后的平面度、直线度与扭曲；冲孔工艺概览则说明了孔在整条工艺路线中的位置。