鄭曉華，徐志杰，付 宇，朱榮春，李 星

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

0 引言

剪切加工是一種經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)提供依據(jù)［1，2］。

1 試驗(yàn)工藝分析

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(yīng)合理確定剪切時(shí)的刃口間隙。本文中對45鋼、銅、鋁合金3種材料進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，由于45鋼所需的剪切力最大，故在計(jì)算時(shí)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(jì)算

剪切力Fs（N）計(jì)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(qiáng)度，45鋼的［τ］＝360MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）計(jì)算得：

1.2.2 模具材料

在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)和查詢有關(guān)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(jìn)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(dá)到800℃）時(shí)不致過熱，仍能保持細(xì)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(yàn)儀器設(shè)備

（1）100t材料試驗(yàn)機(jī)。

（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(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。

圖2 剪切模具

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為45鋼管件在剪切時(shí)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(dá)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(shí)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(shí)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(yàn)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(dá)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(qiáng)度極限時(shí)，材料產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著最大應(yīng)變速率方向擴(kuò)展、會(huì)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(jié)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(yàn)數(shù)據(jù) mm

表2 銅管件試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

表3 鋁管件試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

從試驗(yàn)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(huì)比較大；在刃口間隙增大時(shí)，由于上、下刃口間形成的裂紋不能重合，會(huì)產(chǎn)生撕裂裂紋，從而影響斷面質(zhì)量；同時(shí)斷面質(zhì)量的好壞與管件材料也有很大關(guān)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?yàn)橛行景?，?nèi)、外徑尺寸變化不大，一般管材，間隙取壁厚的3%，壓塌量最??；硬度低的管材，間隙取壁厚的4%時(shí)，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(yīng)使裂紋早期產(chǎn)生，并能基本上沿剪切方向迅速擴(kuò)展和會(huì)合，而不是像一般的剪切時(shí)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(cè)的裂變，使整個(gè)切面趨于平整［6］。

4 結(jié)論

管材剪切時(shí)，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(shí)，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(shí)，管件綜合斷面質(zhì)量較好。

［1］ 模具實(shí)用技術(shù)叢書編委會(huì).沖模設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：機(jī)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(biāo)準(zhǔn)件選用與設(shè)計(jì)指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］ 王芳.冷沖壓模具設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］ 王樹勛.模具實(shí)用技術(shù)綜合手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［6］ 馮丙先.模具設(shè)計(jì)與制造簡明手冊［M］.上海：上?？萍汲霭嫔?，1991.