管件精密剪切研究?

鄭曉華，徐志杰，付 宇，朱榮春，李 星

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.山西省筑路機械廠，山西 太原 030024）

0 引言

剪切加工是一種經(jīng)濟的下料方法，廢料損失小且生產(chǎn)效率高，特別適合大批量生產(chǎn)。目前，針對棒材發(fā)展了多種精密剪切下料方法，但中空管材的剪切還存在許多問題，有待進一步研究。本文主要研究管件剪切力及刃口間隙對剪切質(zhì)量的影響，為管材精密剪切工藝及裝置設計提供依據(jù)［1，2］。

1 試驗工藝分析

1.1 試驗材料

試驗材料分別為45鋼、銅、鋁合金，制件尺寸如圖1所示。

圖1 制件圖

1.2 工藝性分析

剪切力、刃口間隙對制件變形量的大小有很大的影響。為保證制件的剪切毛刺不至于太大，在確定合理的剪切力后應合理確定剪切時的刃口間隙。本文中對45鋼、銅、鋁合金3種材料進行了剪切試驗，由于45鋼所需的剪切力最大，故在計算時只需要滿足它的剪切力要求即可滿足其他兩種材料的剪切力要求。

1.2.1 剪切力計算

剪切力Fs（N）計算公式為：

其中：A為剪切面積，A＝π（D2－d2）／4，D為工件外徑，此處為42mm，d為工件內(nèi)徑，此處為34.5mm；［τ］為抗剪強度，45鋼的［τ］＝360MPa。

將相關參數(shù)代入式（1）計算得：

1.2.2 模具材料

在總結前人經(jīng)驗和查詢有關資料的前提下，選用T8A鋼為本模具的切刀材料。對毛坯在退火狀態(tài)下進行粗加工，然后淬火低溫回火至高硬度，再精加工，獲得高的耐磨性。T8A鋼在淬火加熱（溫度達到800℃）時不致過熱，仍能保持細晶粒組織；淬火后鋼中未溶的過剩碳化物使T8A具有較T10A高的耐磨性，適于制造切削刀口，能滿足本套模具的要求［3－5］。

1.2.3 試驗儀器設備

（1）100t材料試驗機。

（2）剪切模具，如圖2所示。

（3）SC－16型光線記錄示波器。

（4）DY－3型電源供給儀與Y6D－3A型動態(tài)電阻應變儀。

圖2 剪切模具

2 試驗結果與分析

圖3為45鋼管件在剪切時剪切力隨變形量的變化趨勢，可以看出剪切力在變形量為0.5mm之后開始趨于平緩，在2.5mm處開始急劇上升達到最大剪切力。

圖3 45鋼管件剪切力變化曲線

圖4為銅管件在剪切時剪切力隨變形量的變化趨勢，可以看出在變形量為1.5mm前剪切力呈近似于直線趨勢上升，在1.5mm～2mm之間呈小幅度下降，然后繼續(xù)上升到最大剪切力。

圖4 銅管件剪切力變化曲線

圖5為鋁管件在剪切時剪切力隨變形量的變化趨勢，在變形量為1.8mm前剪切力呈近似于直線上升，1.8mm～2mm之間急劇小幅度下降，然后急速上升到最大剪切力。

圖5 鋁管件剪切力變化曲線

從上述試驗曲線可以看出剪切過程曲線基本由3段組成。第1段曲線材料產(chǎn)生彈性變形，剪切力隨變形量的增大呈直線上升趨勢；第2段曲線材料產(chǎn)生塑性變形，在此階段管材上、下端部首先達到了材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，而剪切力基本不再增大，在此階段管件形成塌角和光亮帶；第3階段為斷裂分離階段，此階段材料通過了屈服階段，變形抗力增大，剪切力增大，一直增大到材料的強度極限時，材料產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著最大應變速率方向擴展、會合、斷裂分離。管材剪切示意圖如圖6所示。

圖6 管材剪切示意圖

通過測量在不同的刃口間隙下3種材料管件的斷面質(zhì)量得出表1、表2、表3數(shù)據(jù)，并得出以下結論：45鋼試件中1號試件斷面平整度最好，為0.25mm，2號試件壓塌量最小，為0.14mm；銅試件中4號試件斷面平整度最好，為0.23mm，5號試件的壓塌量最小，為0.14mm；鋁合金試件中7號試件斷面平整度最好，為0.24mm，8號試件壓塌量最小，為0.13mm。

表1 45鋼管件試驗數(shù)據(jù) mm

表2 銅管件試驗數(shù)據(jù) mm

表3 鋁管件試驗數(shù)據(jù) mm

從試驗數(shù)據(jù)可以看出：刃口間隙對斷面質(zhì)量有影響，間隙越小，管件的斷面平整度越好，但管件產(chǎn)生的壓塌量也會比較大；在刃口間隙增大時，由于上、下刃口間形成的裂紋不能重合，會產(chǎn)生撕裂裂紋，從而影響斷面質(zhì)量；同時斷面質(zhì)量的好壞與管件材料也有很大關系，銅管和鋁合金管材的硬度較低，材料塑性好，容易出現(xiàn)壓塌等缺陷，而45鋼硬度相對較高，剪切效果比較好。

從剪切間隙對斷面質(zhì)量的影響中可見，因為有芯棒，內(nèi)、外徑尺寸變化不大，一般管材，間隙取壁厚的3%，壓塌量最小；硬度低的管材，間隙取壁厚的4%時，壓塌量最小。

3 提高剪切質(zhì)量的方法

（1）采用高速切削，利用材料在高速下的慣性效應使裂紋早期產(chǎn)生，并能基本上沿剪切方向迅速擴展和會合，而不是像一般的剪切時裂紋偏離剪切方向。這樣可使剪切面的上下部分和左右部分的端口平整，截面整體幾何畸變也大大減小。

（2）軸向加壓，即在剪切過程中對坯料施加一定的軸向力，抑制剪切裂紋的產(chǎn)生，使剪切變形能向下分裂，從而減少向兩側的裂變，使整個切面趨于平整［6］。

4 結論

管材剪切時，刃口間隙越小，斷面平整度越好，但是管件壓塌量越大。要得到好的斷面質(zhì)量，需要合理選取刃口間隙，管件硬度較高對刃口間隙取管件壁厚的3%時，管件的綜合斷面質(zhì)量較好；硬度低的管材，間隙取壁厚的4%時，管件綜合斷面質(zhì)量較好。

［1］ 模具實用技術叢書編委會.沖模設計實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］ 張榮清.模具制造工藝［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 高軍，李熹平，修大鵬.沖壓模具標準件選用與設計指南［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［4］ 王芳.冷沖壓模具設計指導［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［5］ 王樹勛.模具實用技術綜合手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［6］ 馮丙先.模具設計與制造簡明手冊［M］.上海：上海科技出版社，1991.