板料剪切質(zhì)量分析及實驗研究

劉營營 王 強

（①山東職業(yè)學(xué)院機電裝備系，山東濟南250104;②濟南大學(xué)機械工程學(xué)院，山東濟南 250022）

剪切是一種高效率的切割金屬板料的方法。板料經(jīng)過剪切加工后，將引起力學(xué)性能和外部形狀的變化。板料的剪切質(zhì)量是指加工工件的好壞，包括平整度、尺寸精度、直角度和毛刺高度等。影響板料剪切質(zhì)量的因素有很多，如板厚、剪切間隙、剪切角、刀刃的鋒利程度和壓料力等。

1 正交試驗的基本理論

正交試驗是利用一套規(guī)格化的正交表來安排試驗，利用數(shù)理統(tǒng)計的原理分析試驗結(jié)果。正交試驗設(shè)計是一種解決多因素問題的卓有成效的方法。采用正交設(shè)計表安排試驗，比全面試驗試驗次數(shù)少，但是能獲得反映全面情況的實驗資料，因此可以減少試驗次數(shù)，縮短試驗的周期［1］。

2 剪切件質(zhì)量

2.1 剪切件質(zhì)量分析

（1）平整度

板料的平整度是指翹曲、扭曲、變形等缺陷。板料呈曲面不平現(xiàn)象稱之為翹曲，板料呈扭歪現(xiàn)象稱之為扭曲。

斜刀片剪板機剪切時，由于剪切角的存在，剪切力的位置是不斷變化的，板料兩端不是同時剪切完成，因此會在不同程度上造成剪切件的翹曲和扭曲，造成剪切質(zhì)量較差。斜刀片剪切是采用漸入剪切的方式，故瞬間剪切尺寸小于板料寬度，在剪切時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力在剪切完后轉(zhuǎn)移到表面時，板料上下表面的加熱溫度不均，上下速度不等，剪切件會出現(xiàn)翹曲。

（2）毛刺高度

毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，上刀片切入被加工板料一定深度時，板料被壓縮，刀尖部分是高靜水壓應(yīng)力狀態(tài)，使裂紋的起點不會在刀尖處發(fā)生，而是在刀片側(cè)面距刀片一端不遠的地方發(fā)生，隨著沖剪過程的深入，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋加長，材料斷裂而形成毛刺。刀片磨損以后，毛刺會增大;此外，剪切間隙較大時，也會產(chǎn)生較大的毛刺。毛刺是剪切件重要的缺陷。

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

評價剪切件剪切斷面質(zhì)量的指標(biāo)包括剪切件平整度（翹曲、扭曲）、尺寸精度等。高質(zhì)量的剪切件應(yīng)該剪切斷面垂直光滑，尺寸及外形滿足要求，表面平整，毛刺高度在許可的范圍內(nèi)。目前，對剪切斷面的質(zhì)量國內(nèi)外尚未建立統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)試驗的結(jié)果提出建立評價系數(shù)Y1:

式中:Y1為平整度評價系數(shù);K1、K2為權(quán)重，K1=50%，K2=50%，K1+K2=1;l為翹曲度，mm;m為扭曲度，mm。

毛刺和平整度屬于兩個不同的概念，很難統(tǒng)一起來建立評價系數(shù)，因此，設(shè)置毛刺的評價系數(shù)為Y2。

在選取評價系數(shù)時，選取對目標(biāo)函數(shù)影響大的變量作為決策變量，突出主要矛盾。本文的評價系數(shù)Y1、Y2根據(jù)試驗結(jié)果建立，主要考慮了剪切件質(zhì)量的兩個重要的部分:平整度和毛刺。由于試驗結(jié)果中對于薄板剪切毛刺的高度變化較小，但是在剪切較長、較窄的板料時，剪切件的平整度會有很大的不同。

3 影響剪切質(zhì)量因素及影響因子確定

3.1 影響因素

（1）剪切間隙

剪切間隙是指剪板機上刀片和下刀片之間的縫隙。要實現(xiàn)高精度的剪切，如何選擇合適的剪切間隙最為重要。剪切間隙是影響板料剪切質(zhì)量的重要因素，其大小與板料的材質(zhì)和厚度有關(guān)［2］。

選定剪切間隙的基本原則是:①板料越厚，剪切間隙應(yīng)越大;②硬、脆板料，剪切間隙應(yīng)增大;③軟、粘材料，剪切間隙相應(yīng)的減小。但是剪切間隙太小，會使剪切力增大，并加速刀片磨損;剪切間隙太大，易使剪切面與板帶表面不成立角且粗糙［3－4］。

（2）剪切角

斜刀片剪板機的兩個刀片中，一個刀片相對另一刀片成某一角度，一般上刀片是傾斜的。剪切角的大小直接影響著剪切力的大小及剪切質(zhì)量的好壞。剪切角越大，剪切力越小，但與此同時，剪切時產(chǎn)生的側(cè)向推力也越大，以至板料可能被推出，剪切斷面會產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，板料也會產(chǎn)生較大的變形［5－7］。

斜刀片剪板機的剪切角一般為1°～6°，剪切較厚板料時剪切角一般為8°～12°。目前，斜刀片剪板機剪切角趨向于采用較小值。表1為板厚與剪切角、剪切間隙的關(guān)系［8］。

表1 板厚與剪切角、剪切間隙的關(guān)系

（3）板厚

板厚是剪切件的要求，但是板厚、剪切尺寸都會對剪切質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。板厚越大，要求的剪切力會增大，剪切間隙也應(yīng)增大;板寬越大，則產(chǎn)生的翹曲度會增大。

3.2 影響因子的確定

根據(jù)以上分析結(jié)果分析，根據(jù)實際情況，選取板厚為2.5 mm的板料，表2為確定各個因素取值。

表2 因素水平表

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果

由因素取值表2，根據(jù)正交表的排列，確定三因素三水平的正交試驗表，采用L9（33）正交表進行排列，共完成了9組試驗。圖1是3種剪切尺寸不同的翹曲度，圖2是剪切尺寸=15 mm，剪切間隙=0.25 mm時剪切件上的毛刺。

4.2 測量方法

為了得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，剪切件的扭轉(zhuǎn)度和翹曲度，利用磁性表座和游標(biāo)卡尺在測量平臺上分別測量，如圖3和圖4所示。毛刺的高度使用外徑千分尺進行測量。

4.3 實驗結(jié)果分析

利用評價系數(shù)Y1、Y2分別進行剪切質(zhì)量中的平整度和毛刺的評價，得到表3和表4中所示的正交表及分析結(jié)果。

表3 正交表及平整度分析

由表3正交試驗分析結(jié)果可知，3個因素影響的順序是剪切尺寸、剪切角、剪切間隙，較優(yōu)的方案為C3B2A2，即剪切尺寸50 mm，剪切間隙0.25 mm，剪切角為3°。圖5為剪切間隙、剪切角、剪切尺寸對剪切件平整度的影響。

表4 正交表及毛刺分析結(jié)果

由表4正交試驗分析的結(jié)果可知，3個因素影響的順序是剪切間隙、剪切角、剪切尺寸，得到最優(yōu)方案為A3B1C3，即剪切間隙0.05 mm，剪切角為0°，剪切尺寸50 mm。圖6為剪切間隙、剪切角、剪切尺寸對毛刺高度的影響，由圖中也可以看出影響毛刺高度的關(guān)鍵因素是剪切間隙。

本次試驗的最優(yōu)方案是在給定因素與水平的條件下得到的，假如不限于給定的水平，有可能得到更好的試驗方案。根據(jù)本次正交試驗分析的結(jié)果，對于板料的剪切，剪切尺寸是影響剪切質(zhì)量的主要因素，剪切尺寸越小，翹曲度和扭轉(zhuǎn)度越明顯;剪切間隙越小，剪切件的毛刺越小;斜刀片剪切是逐步切入板料，剪切角越大，剪切件的翹曲也會增大。

5 各參數(shù)對剪切質(zhì)量的影響

由3個因素和平整度、毛刺的關(guān)系圖可以看出（圖5），影響剪切質(zhì)量最大的是剪切尺寸，根據(jù)試驗結(jié)果也可以看出當(dāng)剪切尺寸增大時，剪切件的平整度會提高，翹曲度和扭轉(zhuǎn)會相應(yīng)的減小。剪切間隙主要影響毛刺的高度，應(yīng)該選取一個合理的數(shù)值。剪切角主要影響剪切件的平整度，但是剪切角減小會增大剪切力。因此，在進行剪切加工時應(yīng)該要注意選取合理的因素水平。

圖4為春節(jié)期間PM2.5中水溶性離子與碳組分各自的時間序列圖。明顯可見，1月27日00～100及2月1日100～2月2日00PM2.5及PM10瞬時升高過程中，SNA大幅增加，尤其NO3-、SO42-、NH4+、OC大幅升高。

（1）剪切尺寸

對于剪切寬度一定、厚度一定的板料，剪切尺寸越大，剪切件的平整度會越好，不容易產(chǎn)生翹曲和扭曲，在進行設(shè)計剪切件的尺寸時應(yīng)該合理，盡量避免剪切尺寸和板寬的對比過大。

斜刀片剪切是逐步剪切，對于剪切較窄的板料時，會使兩側(cè)剪切量不均勻，進而板料邊部的受力不均勻，引起應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致板料產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲和扭曲。

（2）剪切角

剪切角的大小影響剪切過程中的剪切力，剪切角越大，剪切力越小，但是剪切角對剪切件的毛刺的影響較小，主要會使板料產(chǎn)生扭曲和翹曲，因此在剪切尺寸較大時，可以適當(dāng)?shù)陌鸭羟薪钦{(diào)整的大一些。

斜刀片剪切是刀片逐步剪切板料，剪切件的斷面不是同時受力，因此剪切角增大會造成剪切件一定的翹曲度。

剪切間隙合適時，板料會在上下刀片附近產(chǎn)生的裂紋合成一條線，這樣，剪切面光亮整潔，塌角、毛刺適中，可以滿足一般剪切件的斷面質(zhì)量要求。當(dāng)剪切間隙過小時，會產(chǎn)生如二次剪切，容易造成刀片的磨損加劇。間隙過大時，板料撕裂更容易產(chǎn)生。間隙增大時，大大增加了塑性變形區(qū)域，不利于剪切的進行，使所需的剪切力增大。同時也使變形區(qū)拉應(yīng)力成分增大，更有利于裂紋的擴展，剪切力反而可能減小，增大剪刃間隙后，需要更多的載荷步（剪切行程）才能剪斷鋼板，這樣就會在板料的剪切斷面形成毛刺，剪刃間隙的變動影響更多的是剪切質(zhì)量。

由此可以看出，間隙對光亮帶的大小、斷口垂直度、制件平整度、尺寸精度、刀具的磨損及剪切力等都有較大影響。目前普遍使用的合理剪切間隙一般為板厚的5%～7%，但是間隙值的大小應(yīng)隨產(chǎn)品質(zhì)量的要求而定，因此在剪切時間隙要取得小一些。

（4）其他因素

在剪切過程中，還有其他一些因素會影響剪切質(zhì)量，如壓料力。因為板料的約束對剪切加工過程有很大影響。剪切時如果不用壓料板壓住，板料將會在彎矩的作用下產(chǎn)生彎曲。板料的彎曲使其與模具的接觸面積變小，單位面積上的壓力增大，容易產(chǎn)生壓塌現(xiàn)象。此外，剪切加工后的板料彎曲不能完全恢復(fù)，影響到制件的平整度。如果壓料力不夠，板料在剪切過程中將產(chǎn)生位移，特別是在剪切終了時位移更加明顯，這樣會使板邊尺寸偏差增大;如果壓料力過大則使板料表面產(chǎn)生壓痕，而且增加了機架和壓料梁上的載荷，也就是使機器的重量增加。

6 結(jié)語

本文采用正交試驗設(shè)計的方法，建立了剪切質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)，針對斜刀片剪板機剪切板料的特點，確定了3個影響剪切件的主要因素，設(shè)計了L9（33）正交試驗表分別進行試驗，對分析結(jié)果進行評價，獲得各個因素的影響規(guī)律，為板料的加工生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。

［1］譚愛紅，許常武.機械加工過程中多因素條件下最優(yōu)方案的選擇［J］.機械制造，2008，46（525）:63－64.

［2］林樂鋒，劉強，吳殿軍.影響剪切加工質(zhì)量的因素及注意事項［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007（2）:75.

［3］楊固川.定尺剪剪切效率和質(zhì)量的影響因素分析［J］.軋鋼，2002，19（3）:58－60.

［4］劉建磊.提高鋼板剪切精度［J］.軋鋼機械，2002，8（1）:22－24.

［5］Hernández J J，F(xiàn)ranco P，Estrems M，et al.Modelling and experimental analysis of the effects of tool wear on form errors in stainless steel blanking［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，180（1）:143－150.

［6］秦泗吉.板材剪切與沖裁加工過程有限元模擬及實驗研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2002.

［7］Zhuang Xincun，Zhao Zhen，Xie Xiaolong.Numerical simulation and optimization of process parameters in fineblanking process［J］.Journal of Southeast University，2006（4）:514－518.

［8］張立清，李永堂.影響高速剪切毛坯斷面質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005（2）:71－73.