初析精冲毛刺侧凸边的形成

2013-08-08卢险峰南昌大学

锻造与冲压 2013年24期

关键词：冲裁压边凸模

文/ 卢险峰·南昌大学

周开华·中国北方工业公司

初析精冲毛刺侧凸边的形成

文/ 卢险峰·南昌大学

周开华·中国北方工业公司

本文针对毛刺侧凸边——精冲件质量问题中的这个较精细的新问题，采用细观力学的分析方法，探讨了凸边形成机理和过程，提出了它是在精冲变形最后阶段的拉伸变形，和凸模端面于精冲变形过程中的弹性压缩，两种作用和两种结果迭加而致的认识。此种新认识对精冲理论与实践的发展具有参考价值。

本文探讨精冲零件上的凸边（凸起）问题。首先，提出关于对象范围的两个约定。

一是此精冲指强力齿圈压边的精冲，为精密冲裁工艺中最为基础的型式。因为，迄今的文献资料对精密冲裁有多种分类方法，比如：普通精冲、强力压板精冲、对向凹模精冲、同步剪挤精冲、往复冲裁［1］；整修、光洁冲裁、压板精冲、对向凹模精冲、往复冲裁［2］；光洁冲裁、负间隙冲裁、齿圈压板冲裁、整俢［3］；专指的（齿圈压边的）精冲（并列的有半精冲与整修）［4］；齿圈压边精冲、对向凹模精冲（并列的有半精冲与精整）［5］；专门定义的（为齿圈压边的）精冲（并行同位的有冲裁、整修与半精冲）［6］［7］等等。本文取最为基础的且为公知的形式予以讨论。

二是此种精冲模间隙范围取为被冲材料厚度的（0.5～1.2）% 。因为，上述文献资料中，给定的精冲间隙虽均在小范围内，可仍有差异，有的为料厚的 0.5%［1］［2］［3］［5］，有的为料厚的 1.0%［4］，有的为料厚的（0.5 ～ 1.2）%［6］［7］。

其中，按瑞士、徳囯著名精冲公司提出的精冲间隙计算方法，各种形状精冲零件的间隙值均在1.2%之内［2］，也有小于0.5%甚至为0的情况，但尚未查阅到超过1.2%的，更不要说达1.5%或2%了。亦就是说，精冲的重要工艺参数（如间隙及凹、凸模小圆角等）及具体取值是有规范或已被认定的。

此外，如众所知，普通冲裁件断面由塌角、剪切面、断裂面与毛刺4部分组成，精密冲裁件断面由塌角、剪切面与毛刺3部分组成（精细划分应由塌角、光洁剪切面、断裂面、撕裂面、端面凸边与毛刺6部分组成）；冲裁件的精度主要指有弯拱即平面挠度、尺寸精度及斜度3个方面，而精冲件的精度有平面挠度、尺寸精度、斜度及端面凸边（凸起）4个方面（精细划分可有平面挠度、尺寸精度、冲裁面质量、斜度、塌角、毛刺及端面凸边7个方面）。

在上述对象与前提下，所讨论的精冲毛刺侧端面凸边问题，在囯内是一个较新的问题，有很多方面值得探讨并深入认识。

问题

其实，国外最晚在20年前就已渉足了这个精冲变形中的问题。

德国工程师协会于1994年制定的精冲技术规程VDI 2906-5中阐述：“精冲可能形成凸边，这是100%光亮冲裁面的轮廓范围内，横向镦压材料所致。凸边位于毛刺侧，凸边高度hw可达材料厚度的5%，凸边宽度bw可达材料厚度的30%”［8］。显然，它对凸边的形成及特征作了归纳。2008年，中国锻压协会精冲技术委员会开始报道了这个精冲件质量指标值［9］。

端面凸边（图1）在精冲零件形状精度中，可视其是较之平面挠度更为精细的一个问题。其形成的原因，先后出现有以下几种观点：⑴在100%光亮冲裁剪切面的轮廓范围内的“横向镦压材料所致”［8］；⑵在高静水压下材料无法朝垂直只有朝水平方向流动的“由外向内流”［10］；⑶在凸、凹模横向力“共同挤压作用下的堆积”等，至今仍在分析探讨中，尚未见定论。

图1 精冲毛刺侧凸边位置示意

这些对于精冲件毛刺侧端面凸边形成的认识与分析，均具有一定的道理，但仍存在有未能尽如人意之处。由于上述认识都是从宏观的外力作用上着眼的，故本文拟从较为细观的角度，进行细观的力学分析，试图能较为深入地探寻其形成机理。

变形机理与形成过程

⑴精冲是塑—剪变形。细观工件与板料最后分离的一瞬间，即在精冲变形最后阶段，变形区材料产生塑性分离或剪切分离，其前提条件是：处在凸模和凹模刃尖连线为中心，及邻域变形区内部材料，必定存在一种拉应力场（图2虚线）；必定存在一个有裂缝产生、发展、相连通，并进而断裂分离的过程。此种分析完全符合金属学中断裂分离的经典理论，尽管变形区仍处于高静水压这种实现塑性分离的大环境应力场内。

也就是说，精冲变形最后阶段，于特定位置和环境里的变形区材料，在拉应力作用下，产生了拉伸变形并断裂了。于是，这必然会有相顺应的现象发生，那就是在凸模刃尖附近材料的端面，产生一定程度的拉伸凸边（图2），且于其侧面产生初始毛刺。在往后推出工件的过程中，初始毛刺及其侧面材料，在凸模和凹模间的小间隙空间内再度被挤光而呈现薄而高状的最终毛刺［6］［7］（图 3）。

图2 精冲断离阶段变形区拉应力场

图3 毛刺与凸边形成示意图

⑵在精冲变形的整个过程里，形成高静水压的外力（冲裁力、压边力及反顶力等）中，冲裁力P为最大，即凸模受到的反压力P1为最大。而精冲中的凸模还应加上反顶力PG。进一步细观精冲凸模这个最大的力，它并非均匀地分布在凸模的整个端面上，而是从凸模的外侧缘向内中心逐渐减小，如图4a所示。

图4 精冲变形过程中冲头端面压力分布

■ 表1 主要变形条件与现象粗略比较

于是，精冲进行时，在如图2中所示的多种外力作用下，凸模上承载的平均压应力（图4b）的数学表达式为：

所以，凸模上此种不均匀载荷近似地按三角形规律分布，故刃口处最大的接触压应力，又是平均载荷的1.5～2倍。即：

显然，这种处于高压区作用的高反压力，势必使凸模外侧缘的较大弹性压缩空间，产生一定的弹性压缩量（尽管它在模拟分析中假定为刚性体），且其外侧缘端面的弹性压缩量，更大于内中心端面处。而这种高压区和高弹性压缩量的位置，正好与处于拉力场内的精冲变形区（凸模与凹模刃尖连线为中心及邻域变形区材料，实现了塑性分离）位置相对应。从而，使得在凸模外侧缘容纳塑性流动的材料高度，会高于内中心处的高度。最终，在工件外侧缘部位，形成一定程度的凸边。图5为凸模在载荷作用下的受力状态示意图。

⑶对比分析普通冲裁未能在毛刺一侧形成凸边的原因，正是因为它不具备高静水压的变形条件或工艺措施，不存在形成凸边的上述条件。上述条件中，尤为重要的是强力V形压边力、反顶力、小间隙及凹模或凸模的小圆角（还有不同倒角）等。通过表1所列项目的比较，可以对这一分析推断作出明确而清楚的解释。