文/ 盧險(xiǎn)峰·南昌大學(xué)

周開華·中國北方工業(yè)公司

初析精沖毛刺側(cè)凸邊的形成

文/ 盧險(xiǎn)峰·南昌大學(xué)

周開華·中國北方工業(yè)公司

本文針對(duì)毛刺側(cè)凸邊——精沖件質(zhì)量問題中的這個(gè)較精細(xì)的新問題，采用細(xì)觀力學(xué)的分析方法，探討了凸邊形成機(jī)理和過程，提出了它是在精沖變形最后階段的拉伸變形，和凸模端面于精沖變形過程中的彈性壓縮，兩種作用和兩種結(jié)果迭加而致的認(rèn)識(shí)。此種新認(rèn)識(shí)對(duì)精沖理論與實(shí)踐的發(fā)展具有參考價(jià)值。

本文探討精沖零件上的凸邊（凸起）問題。首先，提出關(guān)于對(duì)象范圍的兩個(gè)約定。

一是此精沖指強(qiáng)力齒圈壓邊的精沖，為精密沖裁工藝中最為基礎(chǔ)的型式。因?yàn)椋竦奈墨I(xiàn)資料對(duì)精密沖裁有多種分類方法，比如：普通精沖、強(qiáng)力壓板精沖、對(duì)向凹模精沖、同步剪擠精沖、往復(fù)沖裁［1］；整修、光潔沖裁、壓板精沖、對(duì)向凹模精沖、往復(fù)沖裁［2］；光潔沖裁、負(fù)間隙沖裁、齒圈壓板沖裁、整俢［3］；專指的（齒圈壓邊的）精沖（并列的有半精沖與整修）［4］；齒圈壓邊精沖、對(duì)向凹模精沖（并列的有半精沖與精整）［5］；專門定義的（為齒圈壓邊的 ）精沖 （并行同位的有沖裁、整修與半精沖 ）［6］［7］等等。本文取最為基礎(chǔ)的且為公知的形式予以討論。

二是此種精沖模間隙范圍取為被沖材料厚度的（0.5～1.2）% 。因?yàn)?，上述文獻(xiàn)資料中，給定的精沖間隙雖均在小范圍內(nèi)，可仍有差異，有的為料厚的 0.5%［1］［2］［3］［5］，有的為料厚的 1.0%［4］，有的為料厚的 （0.5 ～ 1.2）%［6］［7］。

其中，按瑞士、徳囯著名精沖公司提出的精沖間隙計(jì)算方法，各種形狀精沖零件的間隙值均在1.2%之內(nèi)［2］，也有小于0.5%甚至為0的情況，但尚未查閱到超過1.2%的，更不要說達(dá)1.5%或2%了。亦就是說，精沖的重要工藝參數(shù)（如間隙及凹、凸模小圓角等）及具體取值是有規(guī)范或已被認(rèn)定的。

此外，如眾所知，普通沖裁件斷面由塌角、剪切面、斷裂面與毛刺4部分組成，精密沖裁件斷面由塌角、剪切面與毛刺3部分組成（精細(xì)劃分應(yīng)由塌角、光潔剪切面、斷裂面、撕裂面、端面凸邊與毛刺6部分組成）；沖裁件的精度主要指有彎拱即平面撓度、尺寸精度及斜度3個(gè)方面，而精沖件的精度有平面撓度、尺寸精度、斜度及端面凸邊（凸起）4個(gè)方面（精細(xì)劃分可有平面撓度、尺寸精度、沖裁面質(zhì)量、斜度、塌角、毛刺及端面凸邊7個(gè)方面）。

在上述對(duì)象與前提下，所討論的精沖毛刺側(cè)端面凸邊問題，在囯內(nèi)是一個(gè)較新的問題，有很多方面值得探討并深入認(rèn)識(shí)。

問題

其實(shí)，國外最晚在20年前就已渉足了這個(gè)精沖變形中的問題。

德國工程師協(xié)會(huì)于1994年制定的精沖技術(shù)規(guī)程VDI 2906-5中闡述：“精沖可能形成凸邊，這是100%光亮沖裁面的輪廓范圍內(nèi)，橫向鐓壓材料所致。凸邊位于毛刺側(cè)，凸邊高度hw可達(dá)材料厚度的5%，凸邊寬度bw可達(dá)材料厚度的30%”［8］。顯然，它對(duì)凸邊的形成及特征作了歸納。2008年，中國鍛壓協(xié)會(huì)精沖技術(shù)委員會(huì)開始報(bào)道了這個(gè)精沖件質(zhì)量指標(biāo)值［9］。

端面凸邊（圖1）在精沖零件形狀精度中，可視其是較之平面撓度更為精細(xì)的一個(gè)問題。其形成的原因，先后出現(xiàn)有以下幾種觀點(diǎn)：⑴在100%光亮沖裁剪切面的輪廓范圍內(nèi)的“橫向鐓壓材料所致”［8］；⑵在高靜水壓下材料無法朝垂直只有朝水平方向流動(dòng)的“由外向內(nèi)流”［10］；⑶在凸、凹模橫向力“共同擠壓作用下的堆積”等，至今仍在分析探討中，尚未見定論。

圖1 精沖毛刺側(cè)凸邊位置示意

這些對(duì)于精沖件毛刺側(cè)端面凸邊形成的認(rèn)識(shí)與分析，均具有一定的道理，但仍存在有未能盡如人意之處。由于上述認(rèn)識(shí)都是從宏觀的外力作用上著眼的，故本文擬從較為細(xì)觀的角度，進(jìn)行細(xì)觀的力學(xué)分析，試圖能較為深入地探尋其形成機(jī)理。

變形機(jī)理與形成過程

⑴精沖是塑—剪變形。細(xì)觀工件與板料最后分離的一瞬間，即在精沖變形最后階段，變形區(qū)材料產(chǎn)生塑性分離或剪切分離，其前提條件是：處在凸模和凹模刃尖連線為中心，及鄰域變形區(qū)內(nèi)部材料，必定存在一種拉應(yīng)力場(chǎng)（圖2虛線）；必定存在一個(gè)有裂縫產(chǎn)生、發(fā)展、相連通，并進(jìn)而斷裂分離的過程。此種分析完全符合金屬學(xué)中斷裂分離的經(jīng)典理論，盡管變形區(qū)仍處于高靜水壓這種實(shí)現(xiàn)塑性分離的大環(huán)境應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)。

也就是說，精沖變形最后階段，于特定位置和環(huán)境里的變形區(qū)材料，在拉應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了拉伸變形并斷裂了。于是，這必然會(huì)有相順應(yīng)的現(xiàn)象發(fā)生，那就是在凸模刃尖附近材料的端面，產(chǎn)生一定程度的拉伸凸邊（圖2），且于其側(cè)面產(chǎn)生初始毛刺。在往后推出工件的過程中，初始毛刺及其側(cè)面材料，在凸模和凹模間的小間隙空間內(nèi)再度被擠光而呈現(xiàn)薄而高狀的最終毛刺［6］［7］（圖 3）。

圖2 精沖斷離階段變形區(qū)拉應(yīng)力場(chǎng)

圖3 毛刺與凸邊形成示意圖

⑵在精沖變形的整個(gè)過程里，形成高靜水壓的外力（沖裁力、壓邊力及反頂力等）中，沖裁力P為最大，即凸模受到的反壓力P1為最大。而精沖中的凸模還應(yīng)加上反頂力PG。進(jìn)一步細(xì)觀精沖凸模這個(gè)最大的力，它并非均勻地分布在凸模的整個(gè)端面上，而是從凸模的外側(cè)緣向內(nèi)中心逐漸減小，如圖4a所示。

圖4 精沖變形過程中沖頭端面壓力分布

■ 表1 主要變形條件與現(xiàn)象粗略比較

于是，精沖進(jìn)行時(shí)，在如圖2中所示的多種外力作用下，凸模上承載的平均壓應(yīng)力（圖4b）的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

所以，凸模上此種不均勻載荷近似地按三角形規(guī)律分布，故刃口處最大的接觸壓應(yīng)力，又是平均載荷的1.5～2倍。即：

顯然，這種處于高壓區(qū)作用的高反壓力，勢(shì)必使凸模外側(cè)緣的較大彈性壓縮空間，產(chǎn)生一定的彈性壓縮量（盡管它在模擬分析中假定為剛性體），且其外側(cè)緣端面的彈性壓縮量，更大于內(nèi)中心端面處。而這種高壓區(qū)和高彈性壓縮量的位置，正好與處于拉力場(chǎng)內(nèi)的精沖變形區(qū)（凸模與凹模刃尖連線為中心及鄰域變形區(qū)材料，實(shí)現(xiàn)了塑性分離）位置相對(duì)應(yīng)。從而，使得在凸模外側(cè)緣容納塑性流動(dòng)的材料高度，會(huì)高于內(nèi)中心處的高度。最終，在工件外側(cè)緣部位，形成一定程度的凸邊。圖5為凸模在載荷作用下的受力狀態(tài)示意圖。

⑶對(duì)比分析普通沖裁未能在毛刺一側(cè)形成凸邊的原因，正是因?yàn)樗痪邆涓哽o水壓的變形條件或工藝措施，不存在形成凸邊的上述條件。上述條件中，尤為重要的是強(qiáng)力V形壓邊力、反頂力、小間隙及凹模或凸模的小圓角（還有不同倒角）等。通過表1所列項(xiàng)目的比較，可以對(duì)這一分析推斷作出明確而清楚的解釋。

圖5 精沖凸模端面受力狀況

結(jié)束語

⑴精沖零件外側(cè)緣端面凸邊的形成，是由于在鐓壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，材料于精沖變形最后階段的拉伸變形和凸模端面于精沖變形整個(gè)過程中的彈性壓縮，二者的共同作用和兩種結(jié)果的迭加而產(chǎn)生的。也可以認(rèn)為它貫穿于精沖變形的全過程。

⑵精沖零件的毛刺，產(chǎn)生于精沖變形的最后塑性分離階段，以及隨后的工件推（頂）出凹模階段。精沖毛刺的薄而高的特點(diǎn)，能使得后續(xù)去除它較沖裁件更容易。

⑶精沖零件的平面撓度、端面凸邊及側(cè)面毛刺，為精沖變形的必然結(jié)果，均不可能避免（欲消除定須后續(xù)加工）。且撓度、凸邊和毛刺三者為不同概念，有不同的成形機(jī)理，但有一定的聯(lián)系。

［1］ 周開華，幺廷先，齊翔憲編.簡(jiǎn)明精沖手冊(cè).北京，國防工業(yè)出版社，1993

［2］ 周開華主編.簡(jiǎn)明精沖手冊(cè)（第2版）.北京，國防工業(yè)出版社，2006

［3］ 姜奎華主編.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì).北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1997

［4］ 涂光祺編著.精沖技術(shù).北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1990

［5］ 李碩本主編.沖壓工藝學(xué).北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1982

［6］ 盧險(xiǎn)峰編著.沖壓工藝模具學(xué).北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1998

［7］ 盧險(xiǎn)峰編著.沖壓工藝模具學(xué)（第2版）. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2006

［8］ VDI 2906 Part 5 May 1994 VDI-Association of German Engineers

［9］ 周開華，陳幼琳主編.精沖技術(shù)圖解.北京，國防工業(yè)出版社，2008

［10］ 高志生.精沖毛刺面凸起的形成機(jī)理.鍛造與沖壓，2011.9，48～50