剪切間隙對(duì)不銹鋼板材分切斷面質(zhì)量的影響

閻秋生，李 慧，朱奕瑋，路家斌

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 引言

隨著IT、電工電訊、辦公機(jī)器、五金制品等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)金屬板材及其制品的精度要求越來越高。將金屬板材剪切成所需寬度尺寸帶材是制作精密金屬制品的基礎(chǔ)，因此對(duì)金屬板材分切加工質(zhì)量的要求也在不斷提高。深入理解板材分切斷裂機(jī)理并設(shè)置合理的分切加工參數(shù)對(duì)提高板材分切質(zhì)量至關(guān)重要。

文獻(xiàn)［1］指出在剪切加工參數(shù)中，成對(duì)剪切刀具側(cè)向間隙對(duì)金屬板材加工質(zhì)量有著顯著的影響。文獻(xiàn)［2，3］在加工實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合仿真計(jì)算，分析了圓盤剪側(cè)向間隙對(duì)板材斷面形貌的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨著側(cè)向間隙的增大，斷面質(zhì)量整體下降。文獻(xiàn)［4］研究了不銹鋼板材在沖裁加工中不同側(cè)向間隙下的塌角角度、板材翻轉(zhuǎn)角度及沖裁功的變化規(guī)律，指出沖裁間隙過大或過小都會(huì)對(duì)工件質(zhì)量造成不利影響。文獻(xiàn)［5］從材料細(xì)觀損傷角度闡明了斷面剪切帶、斷裂帶的形成機(jī)理，進(jìn)一步探討了韌性斷裂機(jī)理與斷面質(zhì)量的關(guān)系。

剪切力是衡量分切過程中應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)重要手段。文獻(xiàn)［6］對(duì)三種不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著剪切間隙的增加，最大剪切力逐漸減小，且隨著材料強(qiáng)度的增加，刀具切入深度相對(duì)減小，最大剪切力減小。

304不銹鋼在醫(yī)療器械、化學(xué)、食品等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，從節(jié)材角度對(duì)其分切斷面質(zhì)量的要求也越來越高。本文對(duì)0.5mm厚304不銹鋼板材在不同相對(duì)剪切側(cè)向間隙（剪切間隙與板厚比值百分?jǐn)?shù)c/t%，c－剪切間隙、t－板材厚度）下進(jìn)行斜刃橫剪分切實(shí)驗(yàn)，探討剪切間隙對(duì)板材分切斷面形貌、加工硬化及剪切力的影響，為合理設(shè)置分切加工參數(shù)、深入分析304不銹鋼板材剪切斷裂機(jī)理提供依據(jù)。

2 橫剪分切加工實(shí)驗(yàn)

2.1 橫剪分切加工原理

橫剪分切加工實(shí)驗(yàn)是在KYDJ-400型斜刃橫剪機(jī)上進(jìn)行，組刀方式和加工原理，如圖1所示。下刀固定在機(jī)架上，上刀與下刀呈一定角度傾斜安裝在活動(dòng)的上刀架上。當(dāng)上刀架帶動(dòng)上刀下降，與下刀構(gòu)成剪切刃對(duì)處于其中間的板材進(jìn)行剪切，板材依次經(jīng)歷彈性變形（A階段）、塑性變形（B階段）、裂紋萌生和擴(kuò)展（C階段）等階段，最終裂紋匯合直至斷裂（D階段）。在彈性變形階段，上刀接觸并擠壓板材，使板材剪切區(qū)產(chǎn)生彈性壓縮，板材產(chǎn)生輕微彎曲，此時(shí)材料應(yīng)力未超過材料的彈性極限。隨著上刀的逐漸下移，材料從彈性變形過渡到塑性變形階段，開始形成塌角和剪切帶。當(dāng)上刀進(jìn)一步下降，材料全部進(jìn)入塑性變形，剪切帶形成，隨塑性變形加劇，材料發(fā)生損傷出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展，斷裂帶開始形成。繼續(xù)剪切裂紋匯合，使板材分離，在拉應(yīng)力的作用下在板材分離處形成毛刺。

圖1 斜刃橫剪組刀方式和加工原理Fig.1 The Principle of Oblique Cutting Transverse Cutting and Group Cutter

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為0.5mm厚304不銹鋼板材，其基本力學(xué)性能如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用剪切刀具材料為YG8硬質(zhì)合金，刃口半徑為20μm，剪切速度為0.28m/s，剪切間隙分別取板厚的2%-10%。

表1 304不銹鋼的基本力學(xué)性能Tab.1 Basic Mechanical Properties of 304 Stainless Steel

采用Kistler 5073A三向測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集分切過程板材所受三向力，測(cè)力儀安裝在下刀座正下方，如圖2所示。Fx、Fy、Fz方向如圖示，由于Fx較小，本文選取Fy和Fz進(jìn)行討論。

圖2 三向測(cè)力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Three-way Force Gauge Device

剪切后的試樣斷面形貌特征采用Keyence VHX600超景深顯微鏡及S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察和測(cè)量。為研究剪切變形過程中板材的加工硬化行為，將剪切好的試樣沿垂直于剪切方向進(jìn)行線切割，然后鑲嵌、打磨并拋光至鏡面狀態(tài)后，采用HVS-1000Z型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計(jì)在試樣截面上測(cè)量各點(diǎn)硬度，測(cè)試點(diǎn)間距為50μm，實(shí)際測(cè)試點(diǎn)分布如圖3所示。測(cè)試時(shí)加載載荷為25gN，保荷時(shí)間為10s。

圖3 硬度測(cè)試點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Hardness Test Point Distribution

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 分切斷面形貌

不同剪切間隙下的板材剪切截面和斷面形貌，如圖4所示。由圖可知，在不同剪切間隙下，剪切后的304不銹鋼板材斷面均由塌角、剪切帶、斷裂帶和毛刺組成。從截面形貌圖可以看出，剪切間隙增大，塌角高度增大，斷面剪切帶高度減小，撕裂角明顯增大，斷面平整度變差，在相對(duì)剪切間隙小于4%時(shí)，分切斷面較平直、撕裂角較小。從斷面形貌圖可以看出，隨著剪切間隙增大，剪切帶高度明顯減小，斷裂帶高度增大，剪切帶與斷裂帶過渡逐漸變差，斷裂臺(tái)階增大，斷裂帶表面變得比較粗糙、凹凸不平，平整度變差，斷面形貌在小間隙（小于4%）時(shí)比較好。

圖4 不同剪切間隙下的剪切截面形貌和斷面形貌Fig.4 Shear Section Morphology and Section Morphology under Different Shear Clearances

為定量分析分切斷面形貌各特征隨剪切間隙的變化關(guān)系，根據(jù)板材剪切截面和斷面圖，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)了不同剪切間隙下的分切斷面各特征帶高度及撕裂角大?。羟忻梯^小不作統(tǒng)計(jì)），結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯S著剪切間隙的增大，塌角高度逐漸增大，剪切帶高度先增大后減小，斷裂帶高度與剪切帶高度相對(duì)應(yīng)，先減小后增大，撕裂角則不斷增大。在相對(duì)間隙為4%時(shí)，剪切帶高度達(dá)到最大，為板厚的50.2%，此時(shí)斷裂帶最??；在相對(duì)剪切間隙為10%時(shí)剪切帶高度最小，僅為板厚的37.3%。由此可見，從斷面特征來看，相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)能夠得到較好的分切斷面。

圖5 分切斷面特征帶隨剪切間隙變化規(guī)律Fig.5 Variation of the Characteristic Zone of Shear Section with Shear Clearance

采用SEM對(duì)不同剪切間隙的斷面形貌特征進(jìn)行了觀察，結(jié)果，如圖6所示。從圖6（a1）-6（e1）可以看出，剪切間隙增大，塌角微觀形貌變化不大，而剪切帶和斷裂帶形貌特征存在明顯差異。在相對(duì)剪切間隙小于4%時(shí)，剪切帶表面光滑且材料分布均勻，斷裂帶表面整體上光滑平整。在較大的剪切間隙，剪切帶表面存在的微剪切面增多，表面變得粗糙、均勻性變差，斷裂帶表面平整性變差，形貌特征分布不均勻。

圖6（a2）-6（e2）為不同剪切間隙下的剪切帶與斷裂帶交界處斷面形貌特征圖。從圖可以看出，在相對(duì)剪切間隙為2%時(shí)，剪切帶自然平滑過渡到斷裂帶，未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂臺(tái)階。在相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)，剪切帶與斷裂帶交界處開始出現(xiàn)較淺的斷裂臺(tái)階，交界處附近未觀察到微裂紋的產(chǎn)生，交匯線連續(xù)且清晰。在相對(duì)間隙為6%時(shí)，交界處斷裂臺(tái)階增大，在斷裂臺(tái)階附近出現(xiàn)裂紋和蛇形滑移花樣。隨著剪切間隙的進(jìn)一步增大，剪切帶與斷裂帶交匯線逐漸變得不連續(xù)且呈無規(guī)則分布，交界處附近裂紋不斷增多，滑移區(qū)域增大。

圖6（a3）-6（e3）為不同剪切間隙下的斷裂帶微觀形貌。從圖可以看出，在相對(duì)剪切間隙為2%時(shí)，斷裂帶表面韌窩尺寸較大、數(shù)量較少且深度較淺，韌窩成拉長(zhǎng)的拋物線形。在相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)，斷裂帶表面韌窩尺寸明顯減小，數(shù)量增多，但韌窩形狀同樣以拉長(zhǎng)的拋物線形為主，拉長(zhǎng)程度較相對(duì)剪切間隙為2%時(shí)略小。間隙6%時(shí)的斷裂帶表面主要由等軸韌窩和拉長(zhǎng)的拋物線形韌窩組成，韌窩分布密集、大小不一且深度較深。在間隙8%時(shí)，斷裂帶表面基本由等軸韌窩組成，韌窩細(xì)小密集，深度進(jìn)一步加深，在不同韌窩的連接處存在明顯的撕裂棱結(jié)構(gòu)。在相對(duì)剪切間隙為10%時(shí)，斷裂帶表面形貌與小剪切間隙條件下有明顯差別，斷裂帶上存在大區(qū)域、平滑化的漣波花樣，且韌窩細(xì)小均勻分布在漣波花樣周圍。這些說明，不同的剪切間隙對(duì)板材的應(yīng)力應(yīng)變和斷裂影響不同，在小間隙時(shí)，板材斷面以壓應(yīng)力為主，造成晶粒沿剪切面位錯(cuò)滑移，而在大間隙時(shí)，斷面以拉應(yīng)力為主，晶粒容易被直接拉出。

圖6 不同剪切間隙下分切斷面各特征帶的SEM微觀形貌Fig.6 SEM Microscopic Morphology of Each Characteristic Zone of Shear Section under Different Shear Clearances

3.2 分切斷面加工硬化

金屬板材在外力作用下內(nèi)部晶粒會(huì)發(fā)生位錯(cuò)滑移從而使得板材的強(qiáng)度和硬度得到提高，這種現(xiàn)象稱之為加工硬化［7］。加工硬化分布與硬化程度對(duì)板材斷面質(zhì)量有很大影響，統(tǒng)計(jì)不同剪切間隙下板材截面硬度分布云圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，越靠近剪切邊緣，板材硬度越大。在加工硬化區(qū)域內(nèi)，沿剪切方向，硬度值先增大后減小，結(jié)合圖5所示分切斷面形貌特征發(fā)現(xiàn)，最大加工硬化出現(xiàn)在剪切帶與斷裂帶交界處附近。

圖7 不同間隙板材截面硬度分布云圖Fig.7 The Hardness Distribution of the Cross Section of Different Clearance Plates

為定量化比較剪切間隙對(duì)板材加工硬化的影響，統(tǒng)計(jì)了不同剪切間隙下的最大硬度值和硬化層深度變化圖，如圖8所示。可以看出，硬化層深度隨間隙增大呈不斷增大的趨勢(shì)，在相對(duì)剪切間隙為10%時(shí)硬化層深度達(dá)到最大，占板厚的75.3%。這是因?yàn)?，隨著剪切間隙增大，塑性變形區(qū)域不斷增大。

此外，由圖8可以看出，剪切邊緣最大硬度隨間隙增大呈先增大后減小趨勢(shì)，在相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)達(dá)到最大為413.34HV，比基體硬度164.3HV提高了151%左右，在相對(duì)剪切間隙為10%時(shí)最小，為347.37HV，比基體硬度提高了111%左右。這是因?yàn)椋环矫?，剪切間隙增大，參與變形的板材區(qū)域增大，變形程度增大，但板材所受壓應(yīng)力減小，容易發(fā)生斷裂，相應(yīng)的板材剪切階段路徑減小，刃口附近板材塑性變形減小，加工硬化減小。另一方面，剪切間隙過小，刃口附近板材易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致板材斷裂，加工硬化減小。在這兩方面的綜合作用下，隨剪切間隙增大，剪切邊緣最大硬度先增大后減小，該趨勢(shì)與剪切帶高度的變化規(guī)律一致（見圖5）。

圖8 不同剪切間隙下板材剪切邊緣最大硬度值和硬化層深度Fig.8 Maximum Hardness Value and Hardened Layer Depth of Sheared Edge of Sheet under Different Shear Clearances

3.3 剪切過程中的剪切力特性

剪切過程中的板材受力示意圖，如圖9所示。從圖9可以看出，剪切過程中板材受力十分復(fù)雜，主要有垂直壓力Fz1、Fz2，側(cè)向壓力Fy1、Fy2以及摩擦力μFz1、μFz2、μFy1、μFy2等，由于剪切間隙的存在，在垂直壓力的作用下，板材會(huì)形成一個(gè)順時(shí)針的彎曲力矩M，導(dǎo)致板材剪切過程中發(fā)生翹曲。

圖9 剪切過程中板材受力示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Sheet Stress During Shearing

采用Kistler三向測(cè)力儀檢測(cè)了不同剪切間隙時(shí)下刀處的最大Z向力（Fz2+μFy2）和最大Y向力（Fy2+μFz2），結(jié)果如圖10所示。由圖可知，隨著剪切間隙增大，Z向力先增大后減小，與最大硬度值和剪切帶高度的變化趨勢(shì)一致，而Fy不斷增大，說明間隙的增大板材翹曲日趨嚴(yán)重。這是因?yàn)?，一方面，在剪切間隙較小時(shí)，刃口附近材料所受壓應(yīng)力比較大，對(duì)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展有抑制作用，減緩板材斷裂，同時(shí)由于材料變形區(qū)域較小，板材塑性變形加劇，加工硬化增大，材料剪切斷裂所需Fz增大。另一方面，由于相對(duì)剪切間隙較小，刃口附近容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生，加速板材斷裂，所需Fz減小。在這兩方面的綜合作用下，F(xiàn)z在相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)達(dá)到最大，結(jié)合圖5和圖8可知，剪切力與板材斷面剪切帶高度、板材加工硬化程度直接相關(guān)，在剪切間隙較大時(shí)，板材所受彎曲力矩M增大，有利于裂紋萌生和擴(kuò)展，板材更易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致板材剪切帶高度減小，加工硬化程度減小，最大剪切力也減小。同樣的，隨相對(duì)剪切間隙增大，板材剪切變形區(qū)域越大，板材所受側(cè)向擠壓越嚴(yán)重，導(dǎo)致Fy不斷增大，板材翹曲日趨嚴(yán)重，加工硬化深度逐漸加大。

圖10 最大剪切力隨剪切間隙變化規(guī)律Fig.10 The Variation of the Maximum Shear Force with the Shear Clearance

4 結(jié)論

（1）橫剪剪切間隙對(duì)304不銹鋼板材的分切斷面形貌特征有決定性影響。隨著剪切間隙的增大，塌角高度逐漸增大，剪切帶高度先增大后減小，斷裂帶高度則先減小后增大，撕裂角逐漸增大，在相對(duì)剪切間隙為4%時(shí)能夠得到較好的分切斷面質(zhì)量。

（2）板材分切斷面加工硬化與斷面形貌特征密切相關(guān)。不同剪切間隙時(shí)，板材斷面最大硬度值均發(fā)生在剪切帶與斷裂帶交界處，隨著剪切間隙的增大，斷面的加工硬化層深度不斷增大，而最大硬度值先增大后減小，與剪切帶高度的變化趨勢(shì)一致。

（3）分切斷面形貌與板材加工硬化程度及最大剪切力密切相關(guān)。隨剪切間隙增大，最大Z向力增大后逐漸減小，與最大加工硬化值、剪切帶高度變化趨勢(shì)一致，而Y向力逐漸增大，與加工硬化深度的變化規(guī)律對(duì)應(yīng)。