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精密冲裁件质量分析与控制 |
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作者：李荣洪 杜贵江 于建国 李建京 |
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摘要：从精冲件质量入手，列举了批量生产过程中模具和材料状况与零件质量的关系，对各种现象进行分析，针对具体情况提出相应的解决措施。
关键词：精密冲裁件；质量
一、概述
精密冲裁是一种新型的金属压力加工方法，可以取代扁平类零件的机械加工，具有优质、高效、低耗的特点，技术经济效果十分显著，深受各个工业部门的重视。自1923年德国人发明了这种冲裁方法以来，精冲技术已在全球得到普及和推广，并已经从仪器仪表、办公机械、轻工机械等部门扩展到汽车、农机、拖拉机、运输机械、起重机械、纺织机械、军械、飞机和航空器械等制造部门［1］。特别是在汽车工业方面的发展尤为迅速，如在一辆小轿车中就有70多种精冲件，精冲工艺已经成为汽车制造业降低成本、提高性能、增加产量的重要技术措施之一。
北京机电研究所在精冲领域已经研究和开发了几十年，形成了一定的规模，在精冲工艺、变形机理、模具设计和制造、润滑剂、力能参数以及精冲压力机开发等方面都进行了探索，特别是在模具制造和精冲件生产方面已积累了不少经验。本文将列举在实际生产中所能碰到的剪切面质量问题，加以分析并提出相应的解决办法。
二、精冲变形模式
在精冲时为了抑制冲裁过程中材料产生撕裂，精冲工艺要求三个力(冲裁力、压边力和反压力)。在冲裁前，“V”形压边圈压住材料，防止剪切变形区以外的材料在剪切过程中随凸模而流动。压边圈和反压板的夹持作用，再结合凸凹模之间的小间隙(只有被冲材料厚度的5‰～10‰)，使材料在冲裁过程中始终保持与冲裁方向垂直，将材料紧紧的压在模具之间，防止因零件的翘曲形成拉应力而导致脆性断裂，从而构成塑性剪切的条件。必要时为了增大变形区的三向压应力张量，提高材料的塑性，可以将冲孔凸模和落料凹模刃口倒成圆角，以减少刃口处的应力集中，避免或减缓裂纹的产生。
图1
三、精冲件质量
合格的精密冲裁件具有很高的质量，可以免去后续工序，直接用于装配，但关键是如何获得高质量的精冲件?精密冲裁件的质量包含有尺寸精度、剪切面质量、塌角、毛刺高度和平面度等。精冲件的质量取决于模具的结构是否合理、模具的制造精度、刃口的状况、被冲材料的塑性和金相组织、零件几何形状的复杂程度、工艺润滑剂、力能参数以及压力机的调整等［2］。
在实际生产中要获得高质量的精冲件并不是一件很容易的事。要获得如图2所示的正常的剪切面，使得剪切面上具有100%的光亮带，塌角比较小，毛刺大小也适中，首先模具必须要保持良好的工作状态，模具间隙合理，导柱导套以及闭锁销精度达到要求，保证模具上下对中，冲切元件刃口圆角适度。
图2
众所周知，在实际生产中，很难时刻保持模具处于最佳状态，模具设计和生产人员都能将各方面因素考虑周详，下面就模具和材料方面的因素引起的精冲件质量不合格进行举例与分析。
在精冲件的剪切面上有许多鳞片状的细而密的裂纹，如图3所示。显然精冲件质量是不能满足要求的，这种状况的模具不能继续生产，必须进行调整。产生这种现象的起因很多。绝大部分是因为被冲材料不合适，需要更换塑性较好的材料，或者将原材料进行球化退火处理，以改变原材料的金相组织，提高材料的塑性指标。模具的冲孔凸模、落料凹模圆角太小或者不均匀，使得三向压应力建立不起来，也会导致零件的质量下降。凹模型腔剪切刃口表面太粗糙时，冲制的精冲件也会出现类似的情况，如果在不影响模具合理间隙的前提下，可以对模具刃口进行抛光，减小摩擦，最好是在模具制造时就采用高精度慢走丝线切割机床切割精冲模具的关键部件，以避免因模具刃口表面质量低而影响零件的质量。模具润滑不充分对零件的剪切面质量也有影响，而且会削弱模具的使用寿命。
图3
在精冲件剪切面中部出现较长而且很深的撕裂，如图4所示。碰到这种现象时，精冲技术人员应当从以下几个方面入手：检查是否是强力压边的“V”型齿圈压力太小，或者压边圈齿形不合适，应该改善压边圈的结构，改变齿形尺寸或者增大压边力，以保证在模具的冲切区域形成良好的三向压应力场；检查是否是模具的凹模圆角太小或不均匀，应该合理地增大模具的凹模圆角或使其沿刃口周边均匀一致；检查精冲材料是否适合精冲，如果原材料的塑性比较差就会导致材料塑性枯竭。当然如果这种撕裂现象是出现在零件的尖角部分，而且圆角半径比较小时，或者出现在与其他剪切面比较近的剪切面上(即壁厚较小)，这类情况属于产品设计人员过分追求某些功能或造型，影响了零件的结构工艺性，模具设计人员应当与产品 设计人员协商，兼顾两个方面，使获得高质量的零件成为可能。
图4
当精冲件出现图5所示的剪切面时，在剪切面上靠近精冲件的塌角一侧比较光洁，而靠近毛刺一侧出现了脆性断裂，就零件的剪切面质量而言，很象普通冲裁件。这主要是凸凸模之间的间隙太大引起的。在生产中一旦出现了这种情况，没有别的办法，只有重新制造凸模或凹模，以改善模具的间隙。
图5
当精冲件出现图6所示的剪切面时，即从剪切面来看，光洁度很好，但是，垂直度不好，很明显地出现了锥形，毛刺侧的外形尺寸比塌角一侧的尺寸大。这是因为模具凹模的圆角太大，将更多的材料“拉入”凹模中，当零件从凹模中推出时，就会出现了图6所示的情况。重新刃磨凹模即可消除倒锥现象。另外如果凹模的相对位置总变化，也会出现这种现象。那么，模具的设计人员就应该采取更牢靠的模具固定办法从根本上解决，消除隐患。
图6
当精冲件出现图7所示的剪切面时，即剪切面光洁度很好，只是在凸模一侧毛刺较厚，而且剪切面呈锥形。这是由于凸凹模之间的间隙较小而引起的，只需采用合理的模具间隙即可消除。但是要具体问题具体分析，因为有时在冲裁某些特殊质量的材料时，尽管凸凹模的间隙比较合理，也会出现这种现象。
图7
当精冲件出现图8所示的剪切面时，在剪切面上出现了象“水波纹”一样的亮带，迎着光线，“水波纹”更明显，常常被误认为是由于润滑油附着在剪切面上所产生的视觉误差。凸凹模侧表面的光洁度越好这种现象就越容易发生，反差也就越明显。这是由于凹模圆角比较大，加上凸凹模之间的间隙比较小产生的。这种现象往往是由于设计人员把精冲的小间隙错误的看成是模具间隙越小越好，在设计模具时把模具的间隙取得过小，加上高精度数控线切割机床很容易保证特别复杂形状的模具间隙在μ级精度，甚至0间隙，同时在精冲件生产时由于凹模刃口磨损严重圆角过大而引起的。从变形机理上来看，精冲更接近于冷挤压，与普通冲裁相比差距较大，因此在模具间隙很小时，凸模压入被冲材料的过程中，贴近凸模一侧在凸模周围的材料已经与凸模下面的材料因塑性流动而发生分离，而在贴近凹模一侧的材料在圆角处因凹模圆角过大不能使材料发生分离，在凸模继续向下运动时，只能将凸模下方的材料拉入凹模型腔中，材料在与凹模摩擦而产生了“水波纹”。如果是这样，那么模具设计人员就应该很好地了解一下精冲工艺和变形机理，模具的间隙是在一个很窄的范围内，与被冲材料的厚度有一定的比值，这样的模具都可以冲出100%光洁的剪切面，但获得100%光洁的精冲件并不是唯一的目标，应该考虑模具的使用寿命和模具的总体成本等。
图8
当出现如图9所示的剪切面时，零件上塌角过大。这是由于凹模圆角太大而引起的。如果在凸模压下材料时，反压力小而压不住材料，当材料发生塑性流动在剪切刃口处分离时，凸模下的材料不平，也就是说工件是在弯曲状态下被拉入凹模的，冲出的工件不仅塌角过大，而且零件会不平。当然，这种大塌角现象出现在尖角处或者是在圆角半径比较小的部位，尚属正常现象。
图9
在被冲裁的原材料如果没有进行校平处理就进行精冲时，原始的应力状态被保留到精冲件上，使得冲出的零件平直度受到影响，常常会出现“扭麻花”或沿长度方向发生翘曲。因此，在精冲之前一定要将原材料进行校平处理。
经过多年的实践发现，在实际生产中出现不合格品种类越来越多，这里不能一一列举。总之，只有认真分析总结，对症下药，防微杜渐，才能顺利解决，才能延长模具的使用寿命，保证精冲零件的质量，最终降低成本，使您的企业在市场竞争的大潮中立于不败之地。
参考文献
［1］涂光祺.精冲技术.北京：机械工业出版社，1990.
［2］王焱山等.锻压工艺标准应用手册.北京：机械工业出版社，1998：656(end)
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(6/17/2007) |
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