304不銹鋼圓盤剪精密裁切斷面質(zhì)量的實驗研究

張東靈，黃 佳

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州 510530）

IT、汽車零配件、辦公器材、家用電器、核電軍工等行業(yè)的發(fā)展驅(qū)動著金屬薄板精密裁切行業(yè)的迅速發(fā)展。節(jié)能環(huán)保是目前的經(jīng)濟發(fā)展理念，其要求人們不斷地提高材料的利用率以及金屬制品的精度，而制作精密金屬制品的基礎是將幅面較寬的金屬卷材縱向分切成所需寬度的條材，因此，要保證材料的利用率與金屬制品的精度需充分保證分切加工精度，這就對金屬帶材精密分切技術提出了越來越高的要求。所以為促進我國金屬帶材分條行業(yè)以及對IT、汽車配件、家用電器、核電軍工等行業(yè)的發(fā)展，加強對高精度金屬帶材圓盤剪分切加工核心技術進行研究具有重大的的現(xiàn)實意義和必要性。

目前針對圓盤剪分切帶材的研究多是基于一些實用性課題或者是對某一問題的具體分析，如文獻[1-4]對切邊圓盤剪剪切力能參數(shù)進行了理論分析與實驗驗證，這有助于在實踐中，設計和使用圓盤剪設備；文獻[5-7]對實際生產(chǎn)中圓盤剪縱切時主軸軸向竄動、分條翹曲、切邊浪形、斷面開裂產(chǎn)生的原因進行了分析并提出改善方法；文獻[8-12]對圓盤剪切過程進行了數(shù)值模擬與動力學分析。很顯然，圓盤剪分切理論的發(fā)展速度明顯已跟不上裝備技術飛速發(fā)展的需求。分切斷面質(zhì)量對零件整體質(zhì)量影響很大，而剪切過程許多因素影響著分切斷面形狀和尺寸精度，目前針對這些影響因素的研究仍然缺乏深入認識，尤以針對圓盤分切斷面形貌的實驗研究的文獻較少，從而缺乏對生產(chǎn)實踐有效的理論指導。實際生產(chǎn)中的許多設計都是借助于經(jīng)驗知識來完成，具有很大的盲目性。故本文以304不銹鋼為研究對象，結(jié)合生產(chǎn)實踐與單因素實驗法，研究了在剪切設備、材料性能、壓邊情況等客觀因素一定得情況下，側(cè)間隙、重疊量、板料厚度等因素對剪切斷面質(zhì)量的影響程度和規(guī)律。

1 圓盤剪精密裁剪原理

圖1 圓盤剪剪切原理圖

圓盤剪分切是屬于360°旋轉(zhuǎn)的滾動剪切，其由上下垂直、錯位的兩片圓形刀片組合而成，通過選取適當工藝參數(shù)的側(cè)間隙C與重疊量δ，對通過上下成對圓盤刀片之間的帶鋼進行剪切，如圖1所示，為一對普通圓盤剪對板料進行剪切加工時的情形。板帶表面與上下刀片首先在AB點接觸，隨著圓盤刀旋轉(zhuǎn)，刀刃從A、B點位置轉(zhuǎn)到C、D點位置時，通過其間的板料被剪開；在此過程中，帶鋼與刀片接觸區(qū)域內(nèi)的板料經(jīng)歷彈性變形、塑性滑移、裂紋產(chǎn)生與成長等過程；與之對應的剪切力P在BC段內(nèi)經(jīng)歷從零逐漸增加到一定值后后又逐漸下降的歷程。

帶料的物理力學性能，帶料厚度，成對圓盤刀側(cè)間隙、重疊量，刃口傾斜角度與磨損狀態(tài)，板料約束狀態(tài)，圓盤刀尺寸與精度等因素影響著圓盤精密裁剪斷面質(zhì)量。材料的物理力學性能與厚度是分切工藝設計的基礎；側(cè)間隙與重疊量不僅是影響剪切面質(zhì)量的重要參數(shù)，而且對刀具的使用壽命有著重要的影響，間隙太小會導致擠出型毛刺，降低刀具使用壽命，間隙太大又會導致拉斷型毛刺和過大的撕裂區(qū)；刀具的傾斜角度與圓角大小決定著刀具的鋒利程度與剛度；圓盤刀尺寸影響著咬入角的大小，其端面、外圓柱面尺寸精度影響著側(cè)間隙與重疊量的大小。因此，使用圓盤剪裁切帶料時，必須參考已有設備和實際工況來平衡側(cè)間隙與重疊量、刀片尺寸、板料厚度以及約束狀態(tài)之間的關系。

2 實驗設備與實驗方案[13]

2.1 實驗設備與條件

圖2 圓盤剪分切板料實驗裝置

如圖2所示，是圓盤剪分切帶料加工實驗裝置。其包括有上圓盤刀、下圓盤刀、上壓料環(huán)、下壓料環(huán)、上刀軸、下刀軸、定距環(huán)。通過螺紋預緊環(huán)提供的軸向預緊力將圓盤刀與壓料環(huán)固定在刀軸上，利用具有高精度的不同厚度規(guī)格的定距環(huán)來調(diào)節(jié)上下成對圓盤刀之間的軸向間隙；電機帶動刀軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動刀盤與壓料環(huán)同速轉(zhuǎn)動。橡膠壓環(huán)在分切過程中提供壓邊力與反壓力，防止分切過程中板料的翹曲。表1為實驗的初始條件。

表1 實驗初始條件

2.2 實驗方案

影響圓盤剪分切斷面質(zhì)量的主要工藝參數(shù)為側(cè)間隙C、重疊量、板料厚度，因此以上述工藝參數(shù)作為實驗因素。以板料厚度為0.66 mm為基本樣本，由經(jīng)驗公式確定工廠實際生產(chǎn)的側(cè)間隙和重疊量，并確定為水平4；以次基礎上調(diào)整工藝參數(shù)，進而分析各參數(shù)對分切質(zhì)量的影響。實驗按單因素法進行，在水平4基礎上以板厚的5%增減來確定其他水平，當改變某一因素的不同水平時，其余因素皆控制水平4不變，如表2所示。利用線切割方法垂直剪切面方向切割分切樣本，以獲取大小合適便于檢測的樣本，并用細砂紙打磨剪切面的橫截面。用無水酒精清洗干凈并烘干；采用VHX600超景深數(shù)碼顯微系統(tǒng)觀察剪切面以及剪切面的橫截面，并測量剪切面的形貌特征參數(shù)大小。毛刺高度采用千分尺測量，在10個不同位置點測量毛刺邊厚度與非毛刺邊板厚，并取其平均值，二者差的絕對值即為毛刺高度h。

表2 實驗因素及水平

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 圓盤剪裁剪斷面質(zhì)量評價

實際圓盤剪分切斷口的典型形貌如圖3所示。從圖3（a）可以看出分切面出現(xiàn)了光滑的剪切面和粗糙的斷裂面，而從圖3（b）中還可以發(fā)現(xiàn)分切面有圓角部分和毛刺帶，而且斷裂面與光滑面之間存在一定的夾角。

圖3 圓盤分切斷口形貌圖

為了深入研究圓盤剪剪切工藝參數(shù)對剪切面面質(zhì)量的影響，根據(jù)圖3所示的形貌特征建立如圖4所示的剪切面形貌特征圖作為剪切面質(zhì)量評價體系。塌角的深度與剪裂角越大，分切面的不垂直度越嚴重，且塑剪帶面積越小，斷面的粗糙度越差，耐蝕性能相對也就越差；而毛刺大小直接影響后續(xù)產(chǎn)品性能，一般情況，毛刺越大，后續(xù)需增加去毛刺工序；因此認為塌角深度、毛刺高度、剪裂角越小且塑剪帶面積越大分切質(zhì)量越好，反之越差。

圖4 分切面狀態(tài)及其代表符號

3.2 圓盤裁剪側(cè)間隙對分切面質(zhì)量的影響

通過測量a、b、h、α值得到了曲線圖。由圖5可以看出剪切斷面的塌角深度b隨著軸向正間隙的增加而增大，間隙為0時，塌角深度僅為0.073 mm，間隙為25%t，塌角深度為0.219 mm；塑剪帶a隨著軸向正間隙的增加而減小，間隙為0時，塑剪帶高度為0.456 mm，占到板料厚度的70%；而當間隙為25%t，塑剪帶只有0.156 mm；毛刺高度在零間隙時較大，此后隨側(cè)間隙的增大的會有所減小，間隙增大到一定程度，毛刺高度又增大；剪裂角在小間隙時（間隙為0和0.03 mm）出現(xiàn)負值，隨后隨剪切間隙的增大而增大。

圖5 側(cè)間隙與剪切面形貌特征關系曲線圖

剪切變形區(qū)是屬于剪切、拉伸、彎曲、擠壓的組合變形，如圖6所示，在微間隙條件下（C＜5%t），剪切變形區(qū)體積較小，且變形區(qū)主要受徑向剪切力，在徑向剪切力的作用下，裂紋形成的時機延后，一般在刀具切入較深時才會產(chǎn)生裂紋，另外ad與ec部分回彈與刀具側(cè)面擠壓摩擦導致形成大面積塑剪帶；多余材料bce部分，在上刀側(cè)面的剪切與擠壓下，一部分被擠到左側(cè)材料斷面凹陷處外，還有一部分被擠到剪切面邊緣，形成細長型毛刺，導致小間隙條件下毛刺較高，這是因為在微間隙條件下，當剪切過程快完成時，上下刀具刀刃之間的多余材料主要受剪切力和擠壓力，塑性變形過程長，且材料的回彈與刀具的側(cè)面發(fā)生擠壓拉伸，進而形成細長型毛刺;另外，微間隙條件下，剪切力大，橡膠壓環(huán)提供的壓邊力不足以完全壓住帶料，導致邊料在翹起的狀態(tài)下被圓盤刀具分切，從而使分切斷面出現(xiàn)了“倒錐”現(xiàn)象（剪切面下方尺寸大于上方尺寸），如圖7（a）所示。

圖6 微間隙剪切面示意圖

在小間隙條件下（5%t＜C＜15%t），剪切區(qū)類似上述變形組合，但此時b、d點向c點接近，上下刃口的裂紋重合性比微間隙條件下更好，因此ec回彈部分形成的塑剪帶面積減小，多余材料bce也顯著減少，形成的毛刺高度相應減??；另外，小間隙條件下的剪切力的減小，橡膠壓環(huán)提供的壓邊力足以保證避免帶料翹起現(xiàn)象的發(fā)生，因為斷面的“倒錐”現(xiàn)象消除，剪裂角為正值，并有逐漸增大的趨勢。

圖7 不同間隙條件分切橫截面示意圖

在大間隙條件下（15%t＜C），b、d點位置交換，變形區(qū)的拉伸與彎曲變形比例增大，撕裂帶面積增大，而且ef部分的回彈小于此時的間隙值，刀具側(cè)面無法對其形成擠壓，ef形成的塑剪帶消失；另一方面，壓入大間隙內(nèi)的變形材料更多，裂紋出現(xiàn)的位置將離開刃口更遠一些[14]，形成拉斷型毛刺，致使毛刺高度與寬度都會相應增加，另外，塌角深度和剪裂角迅速增大，斷面的垂直度發(fā)生明顯的變化。

3.3 重疊量的影響

圖9為重疊量與剪切面形貌特征關系曲線圖。從圖中可以看出重疊量對分切斷面質(zhì)量的影響相對于側(cè)間隙來說并不明顯，但也存在一定的影響。當24%≤δ≤32%t，分切面各特征值相對穩(wěn)定，分切質(zhì)量相對較好。但重疊量過大或者過小都會影響圓盤分切的斷面質(zhì)量。當δ=35%t時，剪裂角和塌角深度都相對較大，而當δ重疊量為零時，分切斷面的剪裂角與塌角深度都達到最大值，塑剪帶的面積卻最小。

圖9 重疊量與剪切面形貌特征關系曲線圖

重疊量為零時，上、下橡膠壓環(huán)之間的徑向距離增大，導致其對板料的壓邊力不足，在剪切過程中帶材邊料翹起，邊料以下刀刃點為支點進行剪切，分切側(cè)間隙就相對變大，由上述結(jié)論得出塌角深度與剪裂角都相應的變大。實驗結(jié)果表明當重疊量為負值并大于板厚的55%時，會產(chǎn)生剪不斷的現(xiàn)象。另外，合理的重疊量會影響剪切力與軸向力的大小[4]，重疊量過大會導致被剪切帶料與圓盤剪側(cè)面接觸面積的增大，從而使軸向力增大，這樣會加劇圓盤剪剪刃側(cè)面的磨損，且會降低塑剪帶的粗糙度；重疊量過小則會增大剪切力，其原因則相當于減小斜刃剪切機剪刃傾角，使直接受剪的面積增大，如此也會加劇剪刃的磨損，進而降低圓盤刀具的使用壽命。所以合理重疊量的選擇對剪切質(zhì)量以及刀具的使用壽命都有重要的影響。

3.4 板料厚度的影響

對不同厚度的板料在相同工藝條件下的剪切斷面形貌及其橫截面形貌進行測量得到的特征曲線圖10。

圖10 板料厚度與剪切面形貌特征關系曲線圖

由圖10可以得出，隨著板料厚度的增加，剪切面塑剪帶面積的厚度值增加，而剪裂角減小，厚度t為0.56 mm與0.76 mm時，塌角深度與毛刺高度都相對較大。

一方面，在壓料環(huán)間距一定得條件下，隨著料厚的增加，壓料環(huán)提供的壓邊力與反頂力越來越大；另一方面，材料厚度越大，塑性滑移距離相對大，斷裂來的遲，從而塑剪帶面積越大。

前面已經(jīng)分析到影響毛刺高度大小的因素較多。經(jīng)分析認為，板料厚度t為0.56 mm時，與“板料厚度”因素相比，側(cè)間隙為主導因素，此時屬于大間隙分切，由此形成的毛刺與塌角最大。而當板料厚度t為0.76 mm時，“板料厚度”因素取代側(cè)間隙成了影響剪切質(zhì)量的主導因素，從而導致毛刺高度、塌角深度相對也大，而當料厚t為0.66 mm與0.88 mm時，加工間隙與板料厚度對剪切面的影響力相對均衡，兩者都沒有成為突出矛盾，因此，毛刺高度與塌角深度反而都相對較小。

前面的分析可知剪切角主要跟壓邊力與軸向正間隙相關，這里實驗加工間隙為0.1 mm，對于0.88 mm、0.56 mm厚的板料來說，分別為11%t、18%t，顯然0.88 mm厚的板材加工間隙相對更?。徊⑶覍ζ渥饔玫膲哼吜s相對較大，故剪裂角隨料厚的增加而減小。

4 結(jié)論

本文以304不銹鋼為研究對象，采用單因素實驗法，研究了側(cè)間隙、重疊量、板料厚度對圓盤剪剪切斷面質(zhì)量的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）側(cè)間隙對圓盤剪切斷面質(zhì)量的影響最大，斷面質(zhì)量隨著側(cè)間隙的增大而下降，塑剪帶所占斷面比例降低，塌角深度和剪裂角都會增大，毛刺高度先減小后增大，并由擠出型毛刺轉(zhuǎn)為拉斷型毛刺；

（2）重疊量為板料厚度的24%～32%時，分切斷面的各特征值較為穩(wěn)定，重疊量過大或者過小都會降低圓盤分切斷面質(zhì)量，甚至可能出現(xiàn)“剪不斷”、在刀盤前“卷曲”等現(xiàn)象；

（3）帶材的厚度對圓盤剪分切面的質(zhì)量的影響情況較復雜，在保證剪斷的前提條件下，隨著板料厚度增加，塑剪帶面積增加，剪裂角減小，因此，實際生產(chǎn)中應當重視薄板厚度對圓盤分切質(zhì)量的影響，即便板料厚度相差不大時，也應相應調(diào)整工藝參數(shù)，保證剪切質(zhì)量。

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