提高冲裁件断面剪切面高度的新方法

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冲裁工艺是冲压加工中最古老、应用最广泛的一种方法，即利用冲压设备对模具间的材料施加压力，使之在一定间隙刃口处产生剪切等变形，进而分离破断的工序。普通冲裁的基本工序主要是冲孔和落料。

    如众所知，普通冲裁件断面由塌角、剪切面、断裂面和毛刺4个部分组成，如图1所示。

 

    按照细观力学分析的冲裁变形过程6个阶段的理论，其形成机理如下：

    ( 1) 塌角 是凸模下降冲击压缩材料，并继续压入剪切材料形成的。

    ( 2) 剪切面 主要是金属材料从压入剪切阶段直至裂缝开始产生时形成的，即冲头压入材料的内部，材料与冲头侧面相接触同时被挤光的平面。

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    ( 3) 断裂面 是在冲裁变形过程中，由于裂缝不断扩展直至上下裂缝重合而形成的。

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    ( 4) 毛刺 由于裂纹是在凸、凹模刃口尖端的侧面产生的，即在冲裁变形的裂缝生长阶段自然就产生了毛刺。

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    就冲裁件质量而言，主要指冲裁件的断面与精度。在冲裁件断面的4个组成部分里，更被注重的是剪切面、断裂面和毛刺。在实际生产中，主要希望冲裁件获得较高的剪切面。当某些零件对剪切面有超过普通冲裁所能达到的高度要求时，普通冲裁便难以实现。为提高冲裁件的断面质量，尤其是剪切面的高度，在100多年的历史中，先后出现了一些特殊的冲压工艺，如整修、精密冲裁和半精密冲裁。但要求增加加工工序或采用贵重设备，这又与大多数企业的生产现状和目标要求不相适应。

    在实际生产中，由于有些冲裁件尤其是厚板冲裁件(如钢圈轮辐等)，其断面不要求全为光亮的剪切面，而仅要求剪切面能稳定在料厚的1/3以上；且基于经济效益的考虑，大多不希望采用上述提高剪切面高度的方法或机加工的方式，而希望尽可能采用普通冲裁这种简单的分离方法。然而，普通冲裁即使在合理间隙的条件下，也难以得到较高的剪切面，特别是对硬度大的厚钢板件。

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    于是，很需要一种能在普通冲裁条件下，使冲裁件断面的剪切面高度稳定在料厚的1/3或1/2，甚至2/3的冲裁工艺，以解决汽车钢圈轮辐大孔及其他产品零件孔形加工的急需。为此，我们提出了一种新的冲裁方法。

    1. 新工艺原理

    该新方法采用结合普通冲裁、整修与挤压的变形特点，变形原理是这三种工艺的组合。对于冲孔，是将冲头设计成连续阶梯形状，阶梯的高度h 为料厚δ的1/3～1/2 ，凹模为传统形；其间隙均为正间隙，其中取C1=(2% ～10 %)δ，取C2=(12.5 % ～20 %)δ；冲裁完成后还有一完整薄圈废料随同冲孔废料掉下。冲孔原理如图2所示。同理，对于落料，是将凹模设计成连续阶梯形，冲头为传统形，工艺参数选取与冲孔雷同，也有一完整薄废料生成。其落料原理如图3所示。

    2. 原理试验

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    试验分别采用100kN、250kN 的普通压力机，被冲材料是厚度为4mm的纯铝板和黄铜板，冲裁间隙取C1=(2 %～10%) δ，C2=(2.5%～20%)δ，工件尺寸D=20mm。试验模为一普通冲裁模，分别制造了几种阶梯形冲头和阶梯形凹模，分别与普通冲裁用冲头和凹模进行试验。

    试验测取冲孔件断面之剪切面高度的数据分别如表1和表2所示。

 

    对比普通冲裁时，即相同的冲裁条件( 材料、材料厚度、压力机) 下，C取0.1 δ时，纯铝板材料剪切面高度<1.5mm，黄铜板材料剪切面高度<1.0mm。试验结果表明，新的冲裁工艺比普通冲裁工艺所获得的剪切面显然高许多，无论冲孔和落料，其剪切面高度均大于料厚的一半，黄铜板工件的断面照片参见图4，从而实现了在普通冲裁的基础上提高剪切面的目的。试验中发现: 当C1较小时，该工艺试验工件的剪切面高度并不均匀，相差较大。若间隙C1从2% 放大到7.5 %左右，间隙C2也相应放大些，则得到了较均匀的剪切面，且剪切面高度仍然大于料厚的一半。

 

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    3. 生产试验

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    江铃汽车集团生产的一种汽车钢圈轮辐，如图5所示，其大孔尺寸为138.8 +0.20 mm，料厚δ=6mm，材料牌号为Sδ37 —2。原工艺和原冲大孔模加工时，大孔剪切面只有1.5mm 左右，比图样要求的2mm还要低。利用生产中被更换下来的一副旧的冲大孔凸模，将原来直筒形冲头的工作刃口处按新工艺原理在两端头分别加工出台阶形，其尺寸形状如图6 所示。将修改后的冲头装于原冲大孔模后，并置于原用压力机上，先后进行两次