工艺参数对板料冲裁断面质量影响

工艺参数对板料冲裁断面质量的影响

【摘要】在板料冲裁过程中，工艺参数对断面质量的影响比较大，探讨该影响规律有较大的研究意义。基于国内研究现状，介绍了压边力、顶件力、模具结构与尺寸、弹性介质、冲裁速度等工艺参数对板料断面质量的影响规律。研究表明，合理的工艺参数能有效改善板料的冲裁断面质量。

【关键词】板料；冲裁；工艺参数；断面质量

0.引言

冲裁工艺具有生产效率高，操作方便，质量稳定，互换性好，节省材料，可加工复杂形状零件等优点，在国民经济各个领域应用范围相当广泛。然而普通冲裁工艺得到的冲裁件质量较差，以致冲压技术的发展受到一定限制。目前，评定冲裁件质量好坏的主要指标为冲裁件的断面质量[1]。冲裁断面由塌角、剪切面（又称光亮带）、断裂面和毛刺等4个部分组成，光亮带较宽，塌角、断裂面、毛刺均很小时，表示冲裁件断面质量较好，反之，则表示冲裁件断面质量差。影响冲裁件断面质量的因素十分复杂，它随压边力、反顶力、冲裁速度、模具结构等工艺参数的不同而变化。近年来，为了探索合理的板料冲裁方法，研究工艺参数对板料的冲裁件断面质量的影响规律，国内外学者开展了大量的研究[1，2]。目前，冲裁件断面质量已成为研究热点，本文介绍板料冲裁时几个重要工艺参数对其断面质量的影响规律。

1.压边力和反顶力

冲裁件在普通冲裁下存在着拉应力，会导致板料产生裂纹，降低板料断面质量。当采用压边力fb和反顶力fc时即采用精密冲裁，能消除普通冲裁中存在的拉应力，模具结构如图1所示。

反顶力是逆冲裁方向将材料从凹模内顶出的力，而压边力则是通过压边圈将板料压紧的力。板料冲裁过程中，在冲裁力、压边力和反顶力三力作用下，板料所受的应力状态将改变为三向压应力状态，防止了裂纹的产生，并且光亮带随着压边力和反顶力的增加明显变宽[3]。

根据国内学者黄荣学等[4]的研究表明：压边力较小时，增加压边力的方法可以很有效地提高板料断面质量。但增加压边力也有其局限性，由该研究结果图2可以看出：当压边力达到500 kn时，光亮带高度超过了板料厚度的70%；但超过500 kn后，曲线上升趋势受到抑制，光亮带变宽不明显。

压边力虽然有其局限性，但其除了影响光亮带高度，也影响板料毛刺的高度h，使板料冲裁断面质量得到进一步的提高。国内学者徐洪[5]研究了压边力对毛刺高度的影响规律，压边力在100 kn —400 kn范围内，毛刺高度受压边力影响较大；当压边力达到一定程度，毛刺高度变化趋于稳定，如图3所示。

学者樊曙天等[3]采用有限元数值模拟方法，分别在普通冲载、精冲1（压边力和反顶力分别为100 kn和50 kn）、精冲2（压边力和反顶力分别为200 kn和100 kn）三种条件下对冲裁件断面撕裂带进行了分析，结果如图4所示。由图中可知：普通冲裁中冲

裁件断裂带较宽，光亮带只占板料厚度的40%；与普通冲裁相比，采用精冲1时得到的冲裁件光亮带较宽，约占板料厚度的70%；精冲2时，增大压边力和反顶力，得到的光亮带约占板料厚度的85%。采用压边力和反顶力的精冲方法很好的提高了板料的断面质量，在同样的精冲试验中，学者周开华等[6]用单、双齿圈进行了试验，结果显示：压边力越大，冲裁件越好，表面越光洁，若采用上下齿圈，压边力达500 kn时，得到冲裁断面接近绝对光滑，没有任何撕裂，关系图如图5所示。但也存在缺点：模具制造成本增大，且其技术不够完善。

2.凸凹模间隙

凸凹模间隙z的取值不但对板料的尺寸精度有影响，同时对板料的断面质量有直接的影响。张磊等[7]研究了间隙对断面质量的影响规律，并对冲裁后的工件进行观测，如图6所示。

研究结果表明：冲裁间隙过大，冲裁比较容易，但得到的板料精度不高，且断面很粗糙；采用小间隙冲裁，冲裁件的光亮带和断裂带十分明显，并且光亮带较宽，断面平整，可以达到无毛刺的效果。因此，冲裁时选取小的凸凹模间隙能改善冲裁件的断面质量。此外，与改变压边力和反顶力的方法相比，采用改变间隙的冲裁方法在操作上更为简便。

根据国内学者徐洪[5]的研究显示：当间隙小于0.02 mm时，冲裁件断面光滑平整，毛刺较小；当间隙在0.02—0.04 mm之间时，毛刺高度急剧增大；间隙大于0.04 mm时，毛刺逐渐增高，如图7

所示。

为了进一步研究间隙对冲裁断面质量的影响，李建华、张忠美[8]采用负间隙与反顶件相结合的冲裁方式，可获得现有普通冲裁工艺无法获得的无飞边剪口。但是采用负间隙冲裁时，所需冲裁力大，模具磨损非常严重。

为了降低冲裁力，黄少东等[9]基于阶梯形凸模负间隙冲裁方法研究了冲裁件的断面质量，模具结构如图8所示。研究结果显示，冲裁时的冲裁力明显减小，而板料纯剪切区也得到延长[10]，使冲裁件质量进一步提高。但该方法由于很难确定其最佳工艺参数，在应用上受到了一定限制。

3.弹性介质

加弹性介质冲裁对断面质量也有一定的影响[11]。冲裁时，与改变模具间隙相比，通过加弹性介质更容易得到较宽的光亮带。根据邓将华等[12]的磁脉冲冲孔研究表明，板料直接冲裁得到的断面质量最差；弹性介质越厚，得到的冲裁断面越好。初红艳等[13]对加弹性介质磁脉冲裁成形也进行了研究，得到如表1所示的结论。若上下放置弹性介质的冲裁，断面几乎无毛刺，质量最佳，几乎接近理想化的冲裁断面。但该冲裁方法所需能量最大，设备难以满足其所需能量的要求，在实际生产中的应用受到抑制。

4.模具结构

模具的凸凹模结构对冲裁断面有直接的影响。加弹性介质冲孔对铝板、钢板的冲裁效果比普通冲孔要好，四川维尼纶厂机修厂王正

富证明了石棉橡胶板冲裁时加弹性介质冲裁也适用，结构如图9所示。模具凹模采用了尖刃口，减小了冲裁力，使板料更容易冲断，且所冲出的冲裁件表面折痕基本消失。但由于平刃冲模中断面有严重撕裂、有部分形成蜂窝状缺陷的基本特性未能得到根本改变，断面质量仍不能得到很好的改善。为了得到更好的冲裁断面，采用斜刃冲模，结构如图10所示。

图9 尖刃凹膜与反压垫块的模具结构图

在橡胶板下面加上结实的硬木板，减少了材料自身的弹性，锋利的刃口可以轻快地切断材料，断面质量大大提高。其中斜刃角度的取值对断面有直接的影响，厚度为t=4 mm，刃尖宽度为0.05—0.10 mm的板料斜刃角度的变化对断面质量的影响如表2所示。刃口角度过大时，效果和平刃冲裁相似，断面质量有明显分离层，对断面质量没有起到改善的作用；适当的角度可以使冲裁变得轻快，甚至使断面质量基本稳定，不受角度变化的影响。

5.冲裁速度

冲裁速度对冲裁件的断面质量有较大的影响。张磊等[7]的研究表明，相同间隙下，光亮带宽度随速度的增加而变宽，有利于改善冲裁件的断面质量和精度。但当速度超过100 mm/s时，速度的增加不一定对断面质量有利。根据黄珍媛等[14]的研究结果显示，当冲裁速度由100 mm/s增加到600 mm/s时，光亮带有减小的趋势；在100 mm/s～300 mm/s之间时，毛刺高度随速度的增加而增加；当速度在300 mm/s～600 mm/s时，毛刺又逐渐减小，即高度先