冲孔・成型的冲床力模拟器

参数设置

冲头直径 d

板厚 t

材料的极限剪切应力 τ

MPa

软钢 ≈ 300、SUS304 ≈ 450、铝合金 ≈ 180

剪角（冲头斜面）θ

0°＝平冲头，30°时峰值力下降约40%

剥离系数

拉起冲头所需力与剪切力的比率

计算结果

—

剪切周长 (mm)

—

剪切面积 (mm²)

—

无剪角基本冲孔力 (kN)

—

剪角时的峰值力 (kN)

—

总冲床力（包括剥离）(kN)

—

每次冲孔的功能能量 (J)

—

冲床机构的动作 — 冲孔周期

冲头下降→板材剪切→废料推出→上升→剥离板将板材拉下，每秒重复一次。颜色表示峰值荷载时的力的大小。

冲床力 vs 板厚

冲床力 vs 剪角

理论・主要公式

$$F_{punch}=\tau\cdot \pi d\cdot t\cdot\left(1-0.4\,\frac{\theta_{shear}}{30^{\circ}}\right),\qquad F_{press}=F_{punch}+F_{strip}$$

τ：极限剪切应力，d：冲头直径，t：板厚，θ：剪角。加剪角后峰值力下降30~50%，但边缘会略微变形。

$$F_{strip}=k_{s}\cdot \tau\cdot \pi d\cdot t,\qquad W_{punch}\approx 0.6\cdot F_{basic}\cdot t$$

剥离力（系数 k_s ≈ 0.05～0.20）和每次冲孔的功能 W。冲床机的飞轮必须能瞬时供应这个 W。

冲孔・剪断的冲床力

🙋

板金打孔时，冲床机"砰"的一下打开孔洞。那股力是怎么决定的？

🎓

基础是"剪切周长 × 板厚 × 剪切应力"决定的，超简单的公式。圆孔的话剪切周长是π·d。比如直径50 mm的孔打在3 mm软钢上，π·50·3 ≈ 471 mm²是剪切面积。乘以软钢的剪切应力300 MPa，所需力约141 kN，14吨多。家电筐体或面板一次打几十个孔，所以冲床机要几百吨级别。

🙋

14吨！超出想象。那孔更大、板更厚的话，冲床机就得更大？

🎓

对，200 mm的孔打在6 mm钢板上，计算出来就1000多kN，100吨以上。小工厂的冲床机做不了。所以前辈们发明了"降低峰值力的魔法"3招。第一招是剪角（剪裁角）——冲头端部研成5～15°的斜面，像剪刀剪纸一样从一端逐步剪开。光这就能降低峰值力30～50%。滑一下左边的剪角滑块，你会看到峰值力"咔"一下掉下去。

🙋

真的，30°时峰值力降了40%！但力降了，功也降了吧？这样白白降力好像很奇怪…

🎓

问得好！功（能量）其实几乎没变。剪角是"把峰值力在时间上拉长、降低"的操作，力×行程的面积（＝功）基本一样。对冲床机的好处是，飞轮的瞬间冲击降低了，需要的瞬间吨数也下来了。坏处是，剪切不均，孔的边缘会略微变形，冲头研磨也变复杂。精密垫圈这种孔的平面度很重要的部件，反而不加剪角，用直线剪。

🙋

结果里还有"剥离力"。这是什么？

🎓

冲孔后拉起冲头时，板材会贴在冲头上想一起抬起来。把它拉下来所需的力就是剥离力。约占剪切力的5～20%。剥离板（斜坡压板）承担这个力，但力的出处还是冲床机，所以总冲床力＝冲孔力＋剥离力。板厚、材料韧性好、间隙小的时候，系数会大，一般安全起见按20%来算。最后还有间隙（冲头和模具的间隙）也超重要，标准是板厚的5～10%。太窄了剪面会粗糙出现二次剪切，太宽了会出毛刺。

常见问题

冲孔（冲压、Punching）是用硬质金属模具冲头押下板材以打开孔洞的加工工艺，剩余的板材是产品，被冲出的小片是废料。成型（Blanking）是相同机制的加工，但被冲出的小片才是所需的部件。例如，在洗衣机侧板上打开安装孔是冲孔，冲取硬币或垫圈是成型。两种工艺的冲床力计算公式完全相同，必要荷载由"剪切周长×板厚×极限剪切应力"决定。

基本公式是 F = τ · L · t。τ 是材料的极限剪切应力（软钢约300 MPa，SUS304约450 MPa），L 是剪切周长（圆形为π·d），t 是板厚。例如，在50 mm直径的孔中冲开3 mm软钢时，F = 300·π·50·3 ≈ 141 kN（约14.4吨）。加上剥离力（5~20%）的值是冲床机要求的总吨数。实际应用中的惯例是选择具有计算值1.3～1.5倍能力的冲床机。

在冲头端部加上5～15°的斜面（剪角），剪切从一端逐渐进行，因此峰值荷载下降30～50%。本工具采用了剪角30°时降低约40%的近似公式（k = 1 − 0.4·θ/30°）。总功功量保持不变，但峰值力下降，给冲床机能力留出了余量，瞬间负荷也得以缓解。缺点是孔的边缘会略微变形，冲头研磨会变得复杂。

剥离力是冲孔后拉起冲头时，需要从冲头上将板材引拔所需的力。约占剪切力的5～20%，本工具默认为20%（系数0.20）。这由剥离板承担，但力的来源是冲床机，所以总冲床力 = 峰值冲孔力 + 剥离力。当板厚较厚、材料韧性好、间隙较小时，建议用较大系数（0.15～0.25）来估算，更加安全。

实际应用

家电・电子产品筐体冲压：洗衣机侧板、空调室外机面板、PC机箱等，通常对薄板（0.6～2.0 mm）进行大量同步打孔（螺钉孔・通气孔・连接器孔）。一个周期打几十个孔，所以冲床机一般是100～400吨级。为了降低成本，通常不加剪角，用平冲头高速打孔。

汽车车体部件冲压：车门面板或翼子板的开口、底盘部件的安装孔，使用3～6 mm高强度钢板（HSS、超高强钢UHSS）的冲孔・成型。HSS的极限剪切应力可达600～800 MPa，是软钢的2倍多，需要的冲床力也大得多。转移冲床机或伺服冲床机结合剪角＋多级送料，来降低峰值力并保证生产效率。

电子部件・连接器精密冲压：引脚架、屏蔽盒、端子（连接器触点）等用0.1～0.5 mm薄板进行±5 μm精度的连续打孔。不加剪角，采用极限窄间隙（间隙3～5%）的设定，使剪切面100%达到"光亮面（Burnish）"的精密打孔（Fine Blanking）。冲床力虽然小，但金模的精度和耐久性要求很高。

金属包装・容器成型：饮料罐的拉环盖、纽扣电池外壳、药剂泡罩铝箔的取出等，都是典型的成型加工。产品成本主要由冲压工程决定，需要每分钟数百到数千冲的高速冲床机。此时冲床力次于周期时间和金模寿命成为重要指标。

常见误解和注意点

最大的陷阱是"把材料的抗拉强度（UTS）直接代入剪切应力"。冲孔需要的是极限剪切应力 τ_u，约为抗拉强度 σ_u 的0.7～0.8倍。软钢SS400的σ_u≒400 MPa，τ_u≒300～320 MPa。直接用抗拉强度会过高估计冲床力25～30%，反而选太大的冲床机。反过来用"淬火料的话按硬度HRC"估算也会低估剪切应力。参考材料数据表的"剪切强度"栏，没有的话用抗拉强度的0.75倍为目标。

其次是"不考虑间隙（缝隙）的冲床力计算"。冲头和模具间隙标准为板厚的5～10%，但太窄（2～3%）会发生二次剪切，所需力增加15～25%。太宽（15%以上）变成撕裂而不是剪切，冲床力下来了，但毛刺（翻边）大增，产品品质下降。本工具的计算基于"标准间隙（5～10%）"的基础公式。对于窄间隙精密打孔（Fine Blanking），需另外乘1.3～1.5倍的安全系数。

最后是"只看冲孔力，不考虑总冲床力"。实际冲床机选型要把冲孔力（峰值）＋剥离力（5～20%）＋垫圈力（深拉时）加起来。另外多孔同时打的金模，要把所有冲头的合力算进去。"单边力偏斜"会导致金模导轨偏磨损，所以设计时要"均重打孔"，把重心放在金模中心。冲床机吨数按计算值的1.3～1.5倍确保，飞轮功能按计算功的3～5倍确保，这是现场的通用安全余度。

冲孔・剪断的冲床力

常见问题

实际应用

常见误解和注意点

使用指南

具体计算示例

实务中的注意事项