空調(diào)閥板沖壓毛刺優(yōu)化解決方案

韓耀東，韓明彥

（武漢中人瑞眾汽車零部件產(chǎn)業(yè)有限公司，湖北武漢 430073）

1 引言

空調(diào)是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫碾娖鳟a(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在汽車、設(shè)備、工廠、辦公室、家庭等多種環(huán)境中，空調(diào)閥板是空調(diào)壓縮機(jī)的一個(gè)重要零部件，吸氣閥片和排氣閥片分別緊貼在閥板的兩個(gè)平面上，作為兩個(gè)單向閥，在壓縮機(jī)運(yùn)行吸氣過程中，打開吸氣閥片同時(shí)要求排氣閥片與閥板密封良好，無泄漏，壓縮機(jī)排氣過程中；打開排氣閥片同時(shí)要求吸氣閥片與閥板密封良好，無泄漏，因此閥板密封性直接影響壓縮機(jī)的質(zhì)量和工作效率。閥板的形狀有很多種，但其功能基本是一致的，其材料為SPHD，厚度3mm。具體形狀如圖1所示。

圖1 閥板圖片

閥板的制造工藝一般是：沖壓（沖裁）、機(jī)加、雙面磨削或研磨、去毛刺、清洗上油、表面處理等工序組成。閥板的平面度要求高，表面質(zhì)量要求要好，內(nèi)孔、外形都不允許有沖壓的斷裂帶和毛刺的存在，這就給沖壓工藝提出了一個(gè)難題。

普通沖裁的斷面一般分為4 個(gè)帶（圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺帶），其中毛刺問題比較麻煩，而且很難避免。判斷一個(gè)沖裁件好壞，首先是看毛刺的大小，我們總是希望沖裁件斷面的塌角帶盡可能的小。 但是，普通沖裁的毛刺是不可避免的，只能用一些其它的工藝方法去盡可能的減少毛刺。現(xiàn)從沖裁的理論和實(shí)踐入手，分析沖壓毛刺產(chǎn)生原理及其優(yōu)化解決方案。

2 沖裁基本原理

2.1 沖裁斷面結(jié)構(gòu)

普通沖裁件的斷面狀況如圖2 所示，通常分為四個(gè)區(qū)域：A為圓角區(qū)，即塌角；B為光亮區(qū)，表面光滑，表面質(zhì)量最好；C為斷裂區(qū)，表面粗糙并略帶斜度；D為毛刺區(qū)。需要特別指出的是，在沖裁分離的時(shí)候，沖壓材料會被逐漸拉長并最終斷裂，從而產(chǎn)生一圈毛刺，這是普通沖裁的必然產(chǎn)物，不可能避免，但可以優(yōu)化。

圖2 沖裁件剪切斷面

2.2 沖裁間隙的影響

（1）沖裁間隙是沖裁的重要參數(shù)指標(biāo)，它與沖裁斷面的質(zhì)量狀況直接相關(guān)。沖裁間隙的選擇依據(jù)是：

沖裁間隙，應(yīng)使上、下裂紋延伸在材料的中心部位附近匯合，根據(jù)這一原則所確定的間隙值稱為理論間隙值。沖裁件如果沒有毛刺當(dāng)然是最理想的狀況，但其前提條件是凸、凹模刃口產(chǎn)生的上、下裂紋完全重合，這一點(diǎn)在實(shí)際工作中很難做到。實(shí)際工程應(yīng)用中，間隙的選擇往往是以實(shí)用為前提。

（2）間隙對沖裁件斷面的影響。

a.間隙過小，上、下 裂紋不能相遇重合，板料將被第二次剪切，斷面會產(chǎn)生2個(gè)光亮帶，并造成夾層，毛刺被拉長。

b.間隙合理，上、下表面產(chǎn)生的初始裂紋能相遇重合，光亮帶較大，塌角、斷裂帶、毛刺都較小，斷面錐度也比較小。

c.間隙過大，上、下裂紋也不能相遇重合，拉應(yīng)力會增大，材料容易產(chǎn)生裂紋，使塑性變形較早結(jié)束，光亮帶變窄，斷裂帶、塌角增大，毛刺相對較大，斷面錐度也較大。具體情況如圖3所示。

3 沖裁毛刺的定義、特性及危害

毛刺是指金屬件表面出現(xiàn)余屑和表面極細(xì)小的顯微金屬顆粒。對沖壓件而言，由于凸凹模間隙的存在，材料被拉斷時(shí)在分離方向超出板料厚度的毛邊部分通常被稱為毛刺。毛刺越多，其質(zhì)量狀態(tài)越差。沖裁件毛刺的高度是指裂紋產(chǎn)生點(diǎn)和刃尖的距離，毛刺高度詳見圖3中的尺寸d所示。

圖3 間隙對沖裁件斷面的影響

毛刺有很多危害，它不僅易劃傷操作人員、或引起后工序開裂；毛刺或脫落的毛屑，對機(jī)械或電器都有不良影響。毛刺的危害主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）影響制件的加工精度和后續(xù)裝配精度、影響操作安全（易劃傷操作工）、外觀質(zhì)量和性能。

（2）因存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，還會使后面的變形工序容易開裂。

（3）影響后續(xù)工序毛坯的分張。

（4）影響焊接鋼板的貼合，易焊穿，焊不牢，鉚接間隙或引起鉚裂。

（5）毛刺部位極易被腐蝕。

（6）毛刺還會影響機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行，產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、震動、滑動表面過早磨損、機(jī)構(gòu)卡死，動作失靈等故障隱患；電氣系統(tǒng)造成回路短路或使磁場受到破壞；變壓器鐵損、液壓滑閥卡死、塞堵回路或?yàn)V網(wǎng)；使可靠性、穩(wěn)定性降低。

4 影響沖裁毛刺的因素

影響沖壓件產(chǎn)生毛刺的因素有很多，總結(jié)一下，可以從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）沖壓件設(shè)計(jì)問題：如沖壓件有尺寸太小、形狀復(fù)雜、有凸出或凹入的尖角，容易因模具磨損過快而產(chǎn)生毛刺。

（2）原材料問題：普通沖裁時(shí)，材料性能對沖壓件毛刺的影響，材料抗拉強(qiáng)度越小，毛刺越大；軟材料比硬材料的毛刺大。塑性好的材料毛刺大，硬而脆的金屬板材毛刺小?？梢娖胀_裁選擇塑性低的材料對毛刺有利。精密沖裁則不然，塑性好的材料毛刺較小，一般以鐵素體為主要成分的碳素鋼為最好的精沖材料；含碳量較高的材料只有通過熱處理，使?jié)B碳體呈球狀小顆粒均勻分布于鐵素體中，精沖后毛刺才??；2Cr15Ni9Ti在沖裁前進(jìn)行熱處理也可得到令人滿意的剪切斷面；H62等黃銅、紫銅材料，如在軟化狀態(tài)或經(jīng)退火處理，精沖效果也不錯。

（3）潤滑問題：潤滑油對毛刺高度的影響很大。良好的潤滑條件（包括模具和材料部分）、清潔、干凈的作業(yè)環(huán)境，可緩解材料與模具刃口之間的磨擦,防止沖裁變形所引起的溫升，可以減小毛刺的產(chǎn)生，并提高模具的使用壽命。

（4）設(shè)備問題：設(shè)備精度、速度對毛刺有影響，機(jī)床精度越差，毛刺越大；另一方面，沖壓速度慢時(shí)，光亮帶高度降低，毛刺高度增加。沖壓加工速度快，摩擦阻力小，毛刺小，速度快對沖壓有利。 但沖壓速度如果太快，模具會發(fā)熱，凸模容易磨損或斷裂，同樣也不利。

（5）沖壓工藝問題：毛刺的大小，與沖壓工藝有很大關(guān)系。沖壓工藝設(shè)計(jì)合理，對模具結(jié)構(gòu)有利，沖裁力分布均勻?qū)ΨQ，有利于制件克服反作用力，對毛刺有抑制作用，反之毛刺會變大。

（6）模具設(shè)計(jì)及精度問題：模具結(jié)構(gòu)、模具的剛性和強(qiáng)度、導(dǎo)向精度、模具材料的選用，沖裁間隙的選擇等都與毛刺有密切關(guān)系。模具材料選擇耐磨性好、硬度高的材料，可以減小模具的磨損程度。沖裁件毛刺的大小與刃口間隙有直接關(guān)系，其次是壓料裝置等。模具的制造精度越高，對減小毛刺越有利。

（7）模具的正確使用與保養(yǎng)問題：正確選擇合適的設(shè)備、保持機(jī)臺和模具清潔，正確安裝模具、調(diào)整模具，沖壓操作需要有嚴(yán)格的規(guī)范性，與控制毛刺有密切關(guān)系。此外還要定期做好模具保養(yǎng)工作防止模具刃口變鈍，使模具始終處于良好工作狀態(tài)。

不難看出，只有設(shè)計(jì)者與加工者密切配合，對以上諸多因素采取相應(yīng)的控制措施，才可能有效地減少毛刺，把毛刺消滅在萌芽狀態(tài)，減少不必要的去毛刺費(fèi)用，才是我們研究的目的。

5 減小沖裁毛刺的解決方案

（1）改善制件結(jié)構(gòu)：制件設(shè)計(jì)中，盡量避免尺寸太小或有局部凸出、凹陷的尖角沖壓件形狀，消除毛刺產(chǎn)生的條件，來減少毛刺的發(fā)生?；蛑萍ㄟ^卷邊等形狀，消除毛刺外露的影響。在制件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者首先要知道制件的哪些部位易出現(xiàn)毛刺、哪些部位的毛刺不易去除、哪些部位不允許有毛刺。

（2）優(yōu)化原材料。對普通沖裁，盡可能選擇塑性稍差、材質(zhì)硬的材料；對精密沖裁，選擇軟材料比硬材料的毛刺要相應(yīng)減小。

（3）改善沖裁的潤滑條件、優(yōu)化沖壓周邊的作業(yè)環(huán)境。

（4）選擇精度比較高的設(shè)備，另外沖裁速度對毛刺的影響也比較明顯，沖壓速度過高或過低，都會引起毛刺增大。因而在設(shè)備狀況及生產(chǎn)條件允許的情況下，應(yīng)選用相對高速的高精度沖床。

（5）優(yōu)化沖壓工藝。常規(guī)沖壓工藝制定時(shí)，需要考慮毛刺對制件的影響程度，包括毛刺的正反面；考慮模具沖裁力的對稱性，避免偏載；原材料沖裁時(shí)沖壓件的搭邊強(qiáng)度是否能克服沖裁的脹力，確保在沖裁過程中保持材料不發(fā)生位移（如材料在沖裁過程中強(qiáng)度不夠發(fā)生脹形時(shí)，毛刺增大）；沖壓件局部的細(xì)小部分是否能用沖孔的方式實(shí)現(xiàn)，防止沖裁時(shí)毛刺過大；確定合適的搭邊值，增加壓料力防止沖壓件尺寸太小時(shí)發(fā)生沖裁材料扭轉(zhuǎn)等問題，都有利于控制毛刺。關(guān)鍵毛刺是否考慮后序模內(nèi)壓平，或者制定整修、精沖、負(fù)間隙沖裁等多種工藝方案優(yōu)化毛刺問題。制定工藝時(shí)還要考慮模具設(shè)計(jì)的便利性、可操作性、模具強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)的可行性、合理性。

（6）優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及制造精度。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮合理性，尤其是工作部分強(qiáng)度、剛度、沖壓力和側(cè)向力平衡。還有盡可能的采用正沖，少用斜面沖裁和側(cè)沖；模具設(shè)計(jì)時(shí)選用間隙合理（控制沖壓毛刺的措施主要是沖裁間隙的選?。?，模具材料的硬度及耐磨性、導(dǎo)向的選擇及精度的選用、是否采用壓料板等等，都非常重要。提高刃口鑲塊的硬度，可以從材料和熱處理、表面處理（如：鍍覆層如TiC）幾方面入手。提高模具制造精度，降低表面粗糙度，可以減少毛刺。

（7）正確使用和加強(qiáng)保養(yǎng)模具。選擇的設(shè)備最好是與模具相匹配的，沖裁力及設(shè)備的剛性、強(qiáng)度、速度符合沖裁需要；正確安裝模具、調(diào)整合理的模具高度，保持模具正常的工作狀態(tài)，嚴(yán)格操作規(guī)程。

模具應(yīng)該經(jīng)常保養(yǎng)，保持刃口鋒利。一般情況下，當(dāng)刃口鋒利時(shí)，產(chǎn)生薄毛刺0.01~0.08mm，當(dāng)刃口變鈍時(shí)，產(chǎn)生厚毛刺0.1~0.3mm，大于0.3mm，要刃磨，所有的模具都需要定期維護(hù)保養(yǎng)。

以上方案雖然可以大大減少毛刺，但它并不能完全消除毛刺。毛刺雖小，但卻是直接影響到制件的質(zhì)量。隨著各行業(yè)對毛刺問題的重視，近年來去毛刺的要求有增無減，去毛刺的方法也層出不窮。

6 原始生產(chǎn)工藝

閥板最初的生產(chǎn)工藝是普通沖壓、整修、去毛刺、倒棱、雙面磨削，清洗上油，效率低，一致性不好。為提高沖裁斷面質(zhì)量，進(jìn)行了沖裁間隙、模具的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和剛性、模具材料、板料潤滑、設(shè)備精度等系列改善，但普通沖裁的斷裂帶和毛刺還是沒辦法避免。

解決斷裂帶的辦法主要是通過整修或多次整修實(shí)現(xiàn)（產(chǎn)生小、薄毛刺）；解決毛刺的問題，現(xiàn)階段只是減小毛刺。雖然解決毛刺問題的最直接、最簡單的辦法是增加去毛刺工序，但去毛刺卻是一個(gè)既費(fèi)事又不增值的過程。常用的去毛刺方法有非沖壓法去毛刺和沖壓法去毛刺兩大類。

對于閥板沖壓件的特殊性，首先考慮了沖壓法去毛刺。

（1）整修法。采用0.006~0.01m 的單邊間隙或負(fù)間隙，切除帶毛刺的不光潔面。

（2）擠光法。采用錐形凹模擠光剪切面，去掉毛制，錐形凹模擠光余量單邊小于0.04~0.06mm，適于軟金屬材料，但這2種方式，效率較低，而且容易掉渣，沖壓件會產(chǎn)生壓印痕和極小的毛刺殘留。如圖4所示，閥板沖壓件的生產(chǎn)不適用。

圖4 壓整修法和擠光法去毛刺

（3）精密沖裁。如果對斷面質(zhì)量要求很高，可以采用精沖模具，在三向壓應(yīng)力的情況下精密沖裁，制件的塌角和毛刺都比較小，斷面光滑無斷裂痕，但這勢必增加成本。對閥板制件而言，還是需要去毛刺。

（4）模內(nèi)壓毛刺法。一般情況下，沖裁件只是一個(gè)方向有毛刺的，要消除毛刺的話，可以利用模具壓毛刺邊緣的工序。比如部分孔內(nèi)毛刺的去除, 模具內(nèi)安裝有去毛刺小凸模鐓壓毛刺，小凸模帶有圓角，在沖壓的同時(shí)對已經(jīng)沖壓的孔進(jìn)行鐓壓毛刺工作。還有沖裁的邊緣可以考慮鐓極小圓角的方式實(shí)現(xiàn)壓邊緣毛刺倒角，達(dá)到去毛刺的效果。如圖5所示。

圖5 壓毛刺模具示意圖

這種方式去毛刺可以和其它沖壓工序合并進(jìn)行，效果較好。但是這個(gè)制件的工作環(huán)境不允許有毛刺的存在，即便是將毛刺壓入材料基體內(nèi)，外表沒有毛刺，但在使用過程中，被壓入的毛刺仍然會有脫落的可能性，掉入壓縮機(jī)中，所以，此方案不可取。

為此，在生產(chǎn)的過程中安排的工序是先去毛刺，再模內(nèi)倒棱，為后續(xù)的雙面磨做好準(zhǔn)備（如果沒有倒棱，雙面磨時(shí)仍然會產(chǎn)生尖點(diǎn)毛刺），最后再進(jìn)行雙面磨削，這種方式的效果較好。

非沖壓手段去毛刺的方法很多，主要包括：手工去毛刺、機(jī)械手去毛刺、自動去毛刺機(jī)去毛刺、砂帶機(jī)或磨床去毛刺、拋光去毛刺、振動去毛刺、研磨刷去毛刺、滾動去毛刺機(jī)去毛刺、化學(xué)去毛刺、電解去毛刺、超聲波去毛刺、高壓水噴射去毛刺、熱爆炸去毛刺、冷凍修邊去毛刺、磁力去毛刺、液體拋光（是利用由小噴管噴出的混有磨料粒子的高速拋光液作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞、剪切作用去除毛刺）等工藝方法，均可取得較好的效果。從效率、成本、環(huán)保、沖壓件防變形、適用性等多方面考慮，閥板采用的是超聲波去毛刺，這種方式，生產(chǎn)效率高，成本低，環(huán)保，沖壓件基本不變形。

7 改進(jìn)后生產(chǎn)工藝

改進(jìn)后，采用雙向沖壓法實(shí)現(xiàn)無毛刺。

7.1 雙面無毛刺負(fù)間隙沖裁加工方法

（1）首先，如圖6所示，進(jìn)行半量沖裁，一般凸模比凹模略微大一點(diǎn)，這種情況稱為“負(fù)間隙”。凸模先將材料壓入凹模，材料在凹模單面形成塌角，此刻的凸模的壓入量非常重要，一般為板厚的75%以上。

圖6 半量沖裁的原理圖

（2）平壓工序，平壓工序的工作非常簡單，但其內(nèi)容很特別，如圖7所示。經(jīng)過自身對自身進(jìn)行沖裁（虛擬凸模與虛擬凹模），生成塌角的過程，這是平壓工序的關(guān)鍵所在。

圖7 平壓工序的虛擬模型

（3）平壓后的狀況如圖8 所示，為了實(shí)現(xiàn)理想的平壓工序，半量沖裁工序的壓入量非常關(guān)鍵，過淺則無法形成虛擬凸模和凹模，過深則在進(jìn)行平壓前就會被沖斷，選擇負(fù)空隙的目的是為了避免在平壓工序中沖壓件與廢料嵌合。

圖8 平壓后的狀況

（4）分離后的形狀如圖9所示，沖裁制件的外形尺寸與半量沖裁工序的凸模尺寸基本一致，與一般的落料沖裁有所不同（一般沖裁時(shí)落料尺寸與凹模一致）。

圖9 分離后的沖壓件形狀

這種方式生產(chǎn)的沖壓件，斷面正反面都是圓角帶，沒有毛刺存在，但是斷面的中間有斷裂帶存在，需要振動去毛刺機(jī)對斷面進(jìn)行振動磨削，達(dá)到光滑的斷面效果，再進(jìn)行雙面磨，完成閥板的生產(chǎn)過程。

7.2 復(fù)合模加工

可以實(shí)現(xiàn)雙面無毛刺的功能，如圖10所示。

圖10 復(fù)合模結(jié)構(gòu)

圖10中推料板3、卸料板6 的材料采用與凹模一樣的材料淬火，具有凸凹模7的功能，生產(chǎn)時(shí)，推料板高出凹模面1/2的料厚，卸料板高出凸凹模1/2的料厚以上，只要推料板和卸料板的彈壓力量足夠大，模具在工作時(shí)，先是推料板與卸料板當(dāng)作為凸、凹模使用，反向沖裁大約1/2料厚，這時(shí)卸料板與凹模接觸，反向沖裁工作停止，正向沖裁開始工作，直到?jīng)_裁工序完成，這種雙向沖裁方式可以實(shí)現(xiàn)沖壓件無毛刺，而且斷面也比較光滑，前提條件是材料比較薄的小間隙沖裁，正反沖裁的斷面差忽略不計(jì)。凹模和凸凹模的端面需要增加輔助退料裝置，把沖壓件和廢料退出。如果板料較厚，反向沖裁力超過了彈壓力、或者沖裁間隙較大此方案就不適用。這個(gè)閥板沖壓件的料厚為3mm，顯然是不能適用的。

7.3 雙向精沖模

雙向精沖模結(jié)構(gòu)如圖11 所示，上、下模都采用凹模包含凸模的結(jié)構(gòu)形式；上凸模安裝在上凹模型腔內(nèi)，上凹模安裝在上模座上，下凸模安裝在下凹模型腔內(nèi)，下凹模通過凹模固定板固定在下模座上，上凸模、下凸模依靠精沖壓力機(jī)傳遞的壓力在凹模內(nèi)滑動（先向上，后向下），這樣沖壓出來的沖壓件雙面都是圓角帶，沒有毛刺帶，而且斷面的質(zhì)量非常好，沒有斷裂痕，但設(shè)備成本和模具成本較高。

圖11 雙向精沖模結(jié)構(gòu)

這種方式生產(chǎn)的閥板，其斷面光滑、沒有毛刺，兩面均是圓角帶，平面度好，沖壓件質(zhì)量穩(wěn)定，還可以完成局部壓凸臺的功能。如果平面要求較高，還是需要進(jìn)行雙面磨削，達(dá)到密封性好的效果。

8 結(jié)束語

以上僅從技術(shù)工藝角度對閥板沖壓毛刺產(chǎn)生的原理和優(yōu)化方案進(jìn)行了論述，然而控制毛刺的產(chǎn)生也與生產(chǎn)管理和質(zhì)量檢測等因素有關(guān)。毛刺的產(chǎn)生雖然不可避免，但可以通過各種手段對其進(jìn)行控制，根據(jù)生產(chǎn)需要盡最大可能減小毛刺，盡量避免增加成本的額外去毛刺工序，從而提高制件的質(zhì)量?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，去毛刺的方法很多, 僅靠上述方法中某一種，是不可能取得顯著成效的，應(yīng)對各種具體情況進(jìn)行綜合分析、比較，制定出經(jīng)濟(jì)適用的有效方法。復(fù)雜沖壓件往往需要選擇一種或幾種去毛刺方法來綜合利用，在保證質(zhì)量的前提下，盡量不增加成本，達(dá)到減少毛刺或去除毛刺的目的。降低成本是選擇去毛刺工藝的基本原則，需綜合考慮沖壓件技術(shù)要求、現(xiàn)有的生產(chǎn)條件、工人技術(shù)素質(zhì)和操作習(xí)慣等。另外生產(chǎn)中還需要分析影響沖壓件毛刺的各個(gè)因素，抑制毛刺的產(chǎn)生，減小后續(xù)去除毛刺的難度。毛刺的優(yōu)化和去除問題，一直是國內(nèi)外各沖壓企業(yè)的難題，道路漫長，還需要各位有識之士的共同努力。