數(shù)控沖床加工過程中工件變形的問題分析和研究

李 強(qiáng) 霍永思

(北方信息控制集團(tuán)有限公司，江蘇南京 211153)

隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，傳統(tǒng)的鈑金加工設(shè)備無法滿足生產(chǎn)柔性化要求，數(shù)控鈑金加工設(shè)備在生產(chǎn)中迅速普及。在各種數(shù)控鈑金設(shè)備中，數(shù)控沖床具有加工范圍大，柔性化程度高，成本低的特點(diǎn)，在鈑金加工中應(yīng)用得最為普及。在數(shù)控沖床加工過程中經(jīng)常會(huì)遇到工件加工變形的情況，特別是在工件中孔、筋、槽較多時(shí)，工件變形尤為嚴(yán)重。圖1所示工件加工后常產(chǎn)生扭曲變形，必須增加后續(xù)整形工序，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1 工件特點(diǎn)分析

分析圖1中2種工件的異同:工件1的中間部位材料被完全切除掉，只留四邊細(xì)邊框;工件2的兩邊部位材料被大量切除掉，方孔之間僅以幾道細(xì)筋連著，中間部位密密麻麻分布著散熱孔。這2種工件有個(gè)共同點(diǎn)，就是加工過程中有大量的材料從毛坯中切除。

2 加工過程分析

以工件1為例，數(shù)控沖床的常用加工編程軌跡:第一步用修邊刀修整板材基準(zhǔn)邊平整垂直(修邊過程見圖2);第二步再進(jìn)行正式的零件加工，先沖孔，次沖內(nèi)圓弧，再用方?jīng)_頭把中間部位材料打碎掏空，最后切邊刀把零件切下。最后一道工序一般由2個(gè)工人配合操作，一個(gè)工人負(fù)責(zé)操控機(jī)床，另一個(gè)工人守候在沖頭邊，機(jī)器切完最后一刀后，機(jī)床暫時(shí)停頓，工件從毛坯板脫落，工人用鑷子或鉤子把工件取下來。操作機(jī)器的工人再啟動(dòng)機(jī)床切第2個(gè)工件，周而復(fù)始，直到把工件全部加工完成。沖裁過程中卸料板懸空，距離板面0.5 mm左右。這種編程方法排料時(shí)工件和工件之間只留切刀寬度，切邊時(shí)同時(shí)切出相鄰工件的鄰邊輪廓，加工速度快，節(jié)約材料，但是加工出來的零件嚴(yán)重扭曲變形。技術(shù)人員取消方?jīng)_頭打碎掏空中間部位這一步驟，只加工圓孔和外輪廓。加工出來的零件變形相對(duì)于前一種零件則小得多。從而得出結(jié)論:打碎掏空中間材料是引起加工變形的重要原因。圖3為沖裁過程圖形模擬。

沖裁由凸模和凹模完成，凸模和凹模組成一組刃口，把材料壓在中間，凸模逐步靠近凹模，使材料分離。整個(gè)過程可以分成3個(gè)階段(見圖4)。

(1)彈性變形階段:由于凸模所施加的壓力，材料產(chǎn)生彈性彎曲并略有擠入凹?？凇Ｔ谶@一階段，若板材應(yīng)力沒有超過材料的彈性極限時(shí)，當(dāng)凸模卸載后，材料立刻恢復(fù)原狀。

(2)塑性變形階段:材料受力已超過彈性限度。這時(shí)凸模擠入材料，同時(shí)材料也擠入凹模，由于材料反抗凸模及凹模的擠入，產(chǎn)生彎矩，在彎矩M作用下材料彎曲。這時(shí)已經(jīng)有微小裂紋發(fā)生。

(3)剪裂階段:隨著凸模繼續(xù)下行，已形成的上、下微小裂紋將逐漸擴(kuò)大，并向材料內(nèi)部發(fā)展，當(dāng)上、下裂紋相遇重合時(shí)，材料便開裂分離;完成整個(gè)沖裁工作。

在彈性變形階段和塑性變形階段材料都產(chǎn)生扭矩使材料變形，塑性變形階段產(chǎn)生的是永久變形。在工件1的加工過程中加工中間方框時(shí)采用的是方?jīng)_頭打碎的方式，沖擊次數(shù)太多，再加上工件的邊框和筋都很細(xì)，沖裁產(chǎn)生的扭矩使得板材產(chǎn)生的變形量很大。由此可見，減少加工過程中的沖擊次數(shù)和預(yù)防扭矩力變形是解決加工變形的主要途徑。

3 相應(yīng)解決方案

3.1 修改編程方式

技術(shù)人員修改編程方式，中間方框不再采用打碎掏空的方式，而是采用細(xì)長(zhǎng)模具切斷。

如圖5所示，用細(xì)長(zhǎng)切斷模具加工零件內(nèi)形，方框中部的毛坯廢料不打碎，而是通過微小連接與工件內(nèi)形連接。細(xì)長(zhǎng)切斷模具加工工件外形，不完全切斷，留幾處微小連接部位與毛坯板材連接。陰影部分為細(xì)長(zhǎng)模具加工軌跡。工件和工件之間間隔5～10 mm左右?guī)Э颉７娇蛑虚g部位不打碎，減少了沖擊次數(shù)。盡管工件的框和筋的尺寸都很細(xì)，但工件的內(nèi)外形與毛坯廢料微連接，增加了強(qiáng)度，減小了工件的變形量。

3.2 應(yīng)用壓料沖

在上文沖裁過程分析，我們已經(jīng)知道在塑性變形階段材料反抗凸模及凹模的擠入，產(chǎn)生彎矩，在彎矩M作用下材料彎曲是工件加工變形的重要原因。解決這個(gè)問題的方法就是應(yīng)用壓料沖(圖6)。在沖裁的同時(shí)卸料板緊緊壓住板材，在卸料板的阻礙作用下，彎矩M無法使材料變形。沖裁結(jié)束，卸料板松開，沖頭上抬，板材中殘存的剪切應(yīng)力導(dǎo)致的板材變形也是很小的。壓料沖的缺點(diǎn)是沖裁速度將有一定程度的降低。數(shù)控沖床的工作模式是步?jīng)_式，沖擊一次后，夾鉗帶動(dòng)板材移動(dòng)，沖頭在新的位置沖裁。如果應(yīng)用壓料沖功能，每沖裁一次，卸料板要抬起來，方便板材移動(dòng)，這樣沖裁速度勢(shì)必受到一定影響。但是相對(duì)于加工中因產(chǎn)生變形，而增加后續(xù)校平工序的工作時(shí)間來說，這種沖裁速度上的影響是可以忽略不計(jì)的。而且，沖裁過程中如果板材變形太大，板材在移動(dòng)過程中很容易撞到轉(zhuǎn)塔或沖頭。

3.3 斜刃沖裁

常規(guī)模具采用的是平刃口沖模，沖裁時(shí)沿著整個(gè)工件的外形輪廓同時(shí)發(fā)生，所需的沖裁力較大，同時(shí)作用于板材的彎矩也大，板材的變形也大。采用圖7所示的斜刃口沖裁法，可以減小沖裁力，減小板材加工變形。

各種形狀的斜刃口模具適用于不同的工作條件:屋頂型適合大噸位沖裁，沖壓部分的長(zhǎng)度最好大于沖頭長(zhǎng)度的75%;單斜刃型和四面凸型適合于步?jīng)_;四邊斜型適合沖壓高強(qiáng)度材料(不銹鋼、合金鋼、彈簧鋼等)，但僅限于25.4 mm以下的沖頭。操作者依據(jù)以上原則選取模具可以取得最佳的沖裁效果，延長(zhǎng)模具壽命。

3.4 合并沖裁次數(shù)、調(diào)整沖裁順序

毛坯板上的沖擊次數(shù)太多也是工件變形的重要原因。以工件2中間的散熱孔為例，孔分布得非常稠密。常用的加工順序是按排列順序依次加工，在170 mm×170 mm區(qū)域內(nèi)，200多個(gè)孔要沖擊200多下，而且孔間距太小，沖裁過程中的應(yīng)力釋放導(dǎo)致板材的加工變形量是很大的。下面2種手段可以減輕變形。

(1)應(yīng)用多孔模

這種模具一個(gè)模具上裝備多個(gè)相同的子模具。工作時(shí)一次沖裁沖出好多個(gè)孔，這樣可以減少?zèng)_裁次數(shù)，減少?zèng)_裁過程中應(yīng)力釋放量，工件變形量也就相應(yīng)減小，工作效率也有很大的提高。也不是所有形狀的網(wǎng)狀孔都可以采用這種模具加工。限于模具結(jié)構(gòu)形式，孔之間的距離(a尺寸，b尺寸)不得小于3.2 mm或大于板厚的兩倍。

(2)間隔沖裁

在編程時(shí)不要按 1，2，3，4，5，6，7，8，…的順序編程加工，間隔編程 1，3，5，7，…，然后再 2，4，6，8…直至所有孔加工完畢。圖8是加工過程模擬演示。

3.5 滾切加工技術(shù)

滾切加工技術(shù)是一種全新的數(shù)控沖床加工技術(shù)。圖9為數(shù)控沖床滾切模具。上模1底面設(shè)有上滾刀2，下模3底面設(shè)有下滾刀4，上下滾刀分別設(shè)有截面為三角形的一圈刃口，圖10是滾刀和滾刀刃口放大視圖。工作時(shí)上下滾刀徑向高速旋轉(zhuǎn)把板材切割分離，工作過程就像用一把鋒利的剪刀裁紙一樣輕松，板材幾乎沒有任何變形，也沒有廢料、廢屑產(chǎn)生。相對(duì)與傳統(tǒng)的凸凹模沖裁技術(shù)，滾切技術(shù)特別適合復(fù)雜曲線加工，加工出來的工件變形小、斷面質(zhì)量更好、精度更高。缺點(diǎn)是滾切技術(shù)由于滾輪限制，加工曲線轉(zhuǎn)角半徑和板材厚度有一定限制。國(guó)外很多品牌的數(shù)控沖床如通快、天田、芬寶等都具備這項(xiàng)技術(shù)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控沖床目前還不具備這項(xiàng)技術(shù)。

4 結(jié)語

在沖裁過程中，由于剪切應(yīng)力的釋放，產(chǎn)生變形是難以避免的。但是我們可以通過改進(jìn)編程方法，充分發(fā)揮機(jī)床的各項(xiàng)功能，如壓料沖、微連接等功能來最大程度地減小加工變形。通過采用以上措施，并經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，很多易變形件加工變形量很大程度的減小，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提高。

［1］張鼎承.沖模設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［2］彭建聲.冷沖壓技術(shù)問答［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［3］于淑貞.數(shù)控沖床的編程方法實(shí)例［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(9).

［4］馬明勛.數(shù)控沖床微連接技術(shù)在鈑金制造中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2001(12).

［5］德國(guó) TRUMP公司.模具手冊(cè)［Z］.