钣金零件的数控加工工艺性分析

摘 要：本文主要介绍了钣金零件数控加工（剪、冲、折）的加工过程、工艺分析及加工过程中所出现的一些问题。

关键词：钣金零件 数控加工 展开尺寸计算 数控转塔冲床

中图分类号：TG547 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）0116-02

金属板材是现代工业的一个重要组成部分，应用广泛。近年来，随着需求的增加，钣金加工发展迅猛，涵盖从原材料到成品加工的各个过程：剪、冲、折、焊、铆接、表面处理、装配等，以“冲”为例，经历了普通冲床配合模具、连续模具冲压、多工位冲压、数控冲压、激光切割机等的发展历程。目前，数控剪、冲、折设备仍是钣金行业的首选设备，当需求向多品种、小批量转移后，原来普通的冲压模式就不能满足行业的发展需要了，而数控剪冲折正是以其灵活的优势，顺应了这一趋势。本文结合作者多年来的钣金加工经验，着重对数控钣金的剪、冲、折加工做工艺性分析，希望对钣金加工人员和技术人员有所帮助。

1 板料展开长度计算

钣金零件的展开长度计算是钣金零件加工的首要步骤，展开长度计算的精确程度，直接影响着零件成型后的尺寸精度，所以，展开长度计算是整个钣金零件加工的基础。

（1）弯曲过程。弯曲前，板料断面上三条线相等（如图1所示），即ab=a`b`=a"b"。弯曲后，板料内层缩短，外层伸长。即ab

在近似计算中可认为中性层在材料厚度的二分之一位置。另外，对于窄的板条料（宽度小于三倍板厚时）在压缩部位宽度将有所增加；对于宽度大于三倍板厚的板料，其宽度可视为不变。

（2）展开长度计算。在进行数控钣金零件的加工中经常遇到零件展开长度的计算，零件的展开长度与板料的厚度、板材的弯曲半径、折弯型槽的大小等因素有关，目前尚无统一标准。下面给出了两种钣金零件展开长度的计算方法。

①弯曲零件展开长度的一般计算法，如图2所示。

L=L1+L2+（R+X0δ）

其中L1、L2为平直部分长度；

ψ=180°-α；α为弯曲角，X0为中性层系数，一般小于0.5，该系数随料厚及弯曲半径R的改变而改变。

②简便计算法。

在实际加工中，由于我们使用折弯机的模具都是固定的，对于不同材料和厚度的板材，其折弯半径都是固定的。所以我们通常使用简便计算法。

L=A+B-α

式中：L为展开尺寸，A、B为 单直角弯曲时零件外形尺寸，α为折弯系数（图3）。这种方法对于数控冲经常加工的各种薄板弯成的零件当其弯曲半径R=1～2 mm，板厚δ<2.5 mm时使用非常方便。

**α—— 折弯系数的计算：

实际加工中，如果不知道折弯系数，可通过试折弯的方法获得。利用数控剪板板机剪下两块100 mm×100 mm的正方形，用卡尺精确测量两方向尺寸，并在数控折弯机上分别沿平行和垂直于轧制方向折弯90度，折弯尺寸为50 mm，测出折弯后两边尺寸A和B，根据折弯系数公式α=A+B-L，即可得出各方向的折弯系数。

2 数控剪板机下料

计算出零件的展开尺寸后，就可以采用数控剪板机进行下料工作了。数控剪板机不仅具有互成90度的上下两组刀片，可以在一次行程中完成板材垂直方向的切断加工，而且具有防止板料下垂的托板机构，可以将剪切长度、刀口的间隙、刀口角度、加工尺寸等参数编制成程序进行加工。

数控剪板机的选用，是数控加工工艺首先考虑的问题。一般情况下根据机床的加工范围和加工能力以及零件的材质、厚度、加工尺寸、加工精度等要求来选定。

（1）加工力的确定。剪板机的剪切加工力的计算可采用下面公式计算：

P=57.29t2K

式中：P为切断力（N）；

t为被剪切板材厚度（mm）；

K为板材剪切阻力（Mpa）。

通常冷轧钢板的剪切阻力300～350 MPa，不锈钢板的剪切阻力520～560 MPa，铝板的剪切阻力70～180 MPa。

（2）刀口间隙和刀口角度的确定。正确选择上下刀口之间的间隙和角度，是获得良好切断面和提高刀口使用寿命的保证也是必须考虑的工艺因素之一。剪切间隙主要由材料和料厚来决定，普通钢板约为料厚的10%，热轧钢板和不锈钢钣约料厚的12%，铝钣约为料厚的8%～9%。剪切角度一般为2.5度，对于下料尺寸窄长的薄料来说，剪切角度要小一些，否则，剪出的料会扭曲的很厉害。

（3）加工中常见问题及解决方法。

①剪板机下料两边不垂直，对角线不好。调整剪板机角尺为直角。对整张板料裁剪时，首先要将板料的一边靠紧直角尺剪去毛边。②剪板机下料毛刺太大。刀口钝，更换刀口；刀口间隙大，调整刀口间隙合适。③剪板机下料两端尺寸不一样。刀口与后挡料两端距离不一样，调整后挡料相对刀口平行；下料太宽，后端下垂，需适当托一下。④剪板机下料扭曲变形。下料较窄较长，上下刀口角度不合适。⑤剪板机下料具有挠度。上下刀口不平行，调整刀口平行。⑥剪板机下料具有划伤。料本身具有划伤；加工过程中划伤。选用好料并在加工中注意表面保护。

3 数控冲床冲压加工

数控冲床主要用于加工钣金零件上的圆孔、方孔、缺口及一些异形孔。最常见的结构形式为数控的转塔式结构。板材经过装夹定位后，控制系统执行预先编制好的程序，控制机床在X、Y方向定位和更换模具冲孔，并能自动改变冲孔次数、其他工艺参数和辅助功能。

（1）冲床模具的选择。冲床模具的选择是否得当直接影响工艺实施质量的好坏和机床的使用寿命。其中，冲床模具间隙是影响冲切质量的最重要工艺因素，如果间隙选则不合适，会使模具寿命缩短或出现毛刺，引起二次剪断等，使得切口形状不规则，脱模力增大而带料。间隙受材料和材质的影响很大，它与加工的板厚和材质有关，钢板一般为板厚的10%～15%，铝板8%～12%，不绣钢板15%～20%。凸模和凹模的间隙用总差值来表示，例如：使用φ10的凸模和φ10.3的凹模时，间隙为10.3-10= 0.3mm。

模具在使用过程中应经常研磨，这样可以延长模具的使用寿命。模具的磨损程度可以从模具边缘判断：边缘部分变圆或下了霜一样发白，光泽消失，这时需要研磨，否则模具刃口更钝，需要的冲压吨位会更大，模具会急剧磨损。研磨后的凸凹模边远应呈直角，并用油石处理。

模具的寿命与下列因素有关：

板料越厚 寿命越短

板料越硬 寿命越短

步冲加工 寿命变短

（2）冲孔力的计算。选择模具时，要求每个模具的冲孔力不得超过冲床最大公称力。冲孔力P可由下式计算：

P=KLtτ

式中：P为冲孔力的大小（N）；

L为模具刃口的周长（mm）；

t为板料厚度（mm）；

τ为材料的剪切强度（MPa）；

K为系数。考虑到刃口钝化、间隙不均匀、材料。

厚度波动而增加的安全系数。K值常取1.3。

如果知道机床吨位和冲裁的板料厚度、材质则可计算出能加工的最大孔径。最小加工孔径与材质和料厚有关，钢板和铝板应大于或等于料厚，不锈钢板应大于或等于两倍料厚。

（3）编制冲床程序。编程需要根据钣金零件图，计算零件的展开尺寸，绘制零件的展开图，并将零件上的孔、缺口的位置重新定位。绘制零件的展开图是数控钣金加工工艺的重点所在。然后根据展开图并参考工艺要求，合理的选用模具、加工方法和加工路线进行程序编制。

数控冲床的加工步骤如下。

①审核图纸。首先参考工艺和折弯系数，将图纸转变为展开图，并详细检查尺寸，合理的考虑夹钳禁区而确定下料尺寸和加工方法。

②确定坐标系编程（FANUC系统）。可以以板材一角为零点，一般以加工元素不多的一边为X轴，X向以定位块为基准，Y向以夹钳为基准。使用编程软件编程或手工编程。

③选择安装模具。根据加工要求合理的选择模具并将模具安装到冲床模座，此时应注意模具间隙与板厚相适应。

④输入程序。

⑤冲床冲压锁定空运行。

⑥冲床加工。考虑到程序的准确性，首件加工后，应根据图纸仔细检查，如有错误及时修改程序，直到工件合格再生产。

（4）加工中常见问题及解决方法

①加工零件的尺寸不合图纸要求。程序错误；模具安装错误；机床未回参考点；机床操作错误等。修改程序，选用合适的模具，机床重新回参考点或重新开机。②加工中模具带料、毛刺大或冲不下料来。压料套不合适；模具钝；模具总程短。调整或更换压料套，研磨模具，加长模具总程。③零件加工两点距离与机床精度误差相差太大。冲床加工中模具带料或板材不平引起碰撞；加工中夹钳口板材移动；长时间使用机械有较大反向间隙。修调模具并且校平板材，更换夹钳齿板，重新夹好板材，修改参数。④加工好零件边上尺寸误差较大。板材两边垂直度引起定位误差；板材加工中脱离夹钳基准边；X方向定位基准边磨损；板料装夹方向不当。修剪板材基准边，排除引起板材相对夹钳移动原因，调整参数，更换装夹方向。

4 数控折弯加工

数控折弯机用于钣金零件的折弯成型，它利用机床所配备的通用模具或专用模具，将金属板材折弯成各种几何截面形状的工件。现在的数控折弯机利用数控系统对滑快行程（凸模进入凹模深度）和后挡料位置进行自动控制，实现对折弯工件的不同角度和折弯尺寸的折弯成型。

（1）折弯机模具。折弯机模具是折弯工艺中必须要考虑的问题。上模主要有直刀形和鹅颈形，下模则有不同宽度的V形槽，各V形槽口角度为88度，由于钢板折弯后存在回弹现象，折弯90度时，V形槽口应小于90度。凹模开口尺寸是重要的折弯参数，它与折弯板厚和折弯力有关。在相同的板厚前提下，开口尺寸越大，所需折弯力越小，板厚越厚，所需开口尺寸越大。折弯时V形槽的宽度应是料厚的6～8倍。假如凹模开口距过小，则由于弯曲半径减小，可能会使折弯层断裂。折弯加工应根据需要合理的选用模具的种类及模具长度，采用合理的加工顺序，防止干涉。

（2）折弯半径（内半径）和最小折弯尺寸。 折弯半径（内半径）和最小折弯尺寸也是折弯工艺中要考虑的问题。在自由折弯时，不管板料厚度如何，最适宜的折弯半径约等于凹模开口距的0.156倍。折弯半径小于或等于板料厚度时，弯曲层很容易断裂。

（3）折弯工艺力的计算。折弯加工需要用到折弯工艺力参数，折弯工艺力计算公式：

P=650SL2V（kN）；

式中：P为压力（kN）；

S为所折板料厚度（mm）；

L为所折板料长度（m）；

V为下模开口尺寸（mm）。

计算出的压力是根据普通钢板的抗张力δb=450 N/mm2为计算依据，铝板需乘以0.8的系数，不锈钢乘以1.5～2.0的系数。具体工作中可查看机床上的压力表格。折弯时严禁超出模具耐压值。

（4）加工中常见问题及解决方法。

①折弯尺寸不符合图纸要求。程序错误；未回参考点；更改程序，回参考点。②折弯角度过大或过小。下模型槽不合适；角度补偿值参数不合适；压力不合适。选用合适的下模，调整角度补偿值，调整压力。③折弯角度两端不一致。模具磨损不一致；机床上下模具不平行。调整模具一致或修磨模具。调整机床上下模具之间距离相同。④折弯尺寸两端不一致。两个（或多个）后定位挡料指距离模具中心不一致；材料扭曲变形。调整后定位挡料指并靠齐重新折弯。校正材料变形。⑤零件加工中发生干涉，不能完全折弯。折弯时模具配制不合适；折弯顺序不合理；结构设计不合理。重新配置合适的模具，更改折弯顺序，更改结构设计。

5 结语

数控剪板机、数控冲床、数控折弯机所组成的小型自动化数控钣金生产加工系统，能够完成钣金零件的下料、冲孔和折弯工作，大大缩短了工件的加工周期，提高了劳动生产率和加工精度，降低了加工成本，减轻了工人的劳动强度，而且具有比激光切割相对较低的加工成本，所以其在今后相当长的一段时间内仍将是钣金加工的主流手段。

参考文献

[1] 实用数控加工技术编委会.实用数控加工技术[M].兵器工业出版社，1995.

[2] 卢时平，杨振宇.折弯机技术[M].兵器工业出版社，1990.