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【摘 要】在板料冲裁过程中，工艺参数对断面质量的影响比较大，探讨该影响规律有较大的研究意义。基于国内研究现状，介绍了压边力、顶件力、模具结构与尺寸、弹性介质、冲裁速度等工艺参数对板料断面质量的影响规律。研究表明，合理的工艺参数能有效改善板料的冲裁断面质量。
【关键词】板料；冲裁；工艺参数；断面质量
0.引言
冲裁工艺具有生产效率高，操作方便，质量稳定，互换性好，节省材料，可加工复杂形状零件等优点，在国民经济各个领域应用范围相当广泛。然而普通冲裁工艺得到的冲裁件质量较差，以致冲压技术的发展受到一定限制。目前，评定冲裁件质量好坏的主要指标为冲裁件的断面质量[1]。冲裁断面由塌角、剪切面（又称光亮带）、断裂面和毛刺等4个部分组成，光亮带较宽，塌角、断裂面、毛刺均很小时，表示冲裁件断面质量较好，反之，则表示冲裁件断面质量差。影响冲裁件断面质量的因素十分复杂，它随压边力、反顶力、冲裁速度、模具结构等工艺参数的不同而变化。近年来，为了探索合理的板料冲裁方法，研究工艺参数对板料的冲裁件断面质量的影响规律，国内外学者开展了大量的研究[1， 2]。目前，冲裁件断面质量已成为研究热点，本文介绍板料冲裁时几个重要工艺参数对其断面质量的影响规律。
1.压边力和反顶力
冲裁件在普通冲裁下存在着拉应力，会导致板料产生裂纹，降低板料断面质量。当采用压边力Fb和反顶力Fc时即采用精密冲裁，能消除普通冲裁中存在的拉应力，模具结构如图1所示。
反顶力是逆冲裁方向将材料从凹模内顶出的力，而压边力则是通过压边圈将板料压紧的力。板料冲裁过程中，在冲裁力、压边力和反顶力三力作用下，板料所受的应力状态将改变为三向压应力状态，防止了裂纹的产生，并且光亮带随着压边力和反顶力的增加明显变宽[3]。
根据国内学者黄荣学等[4]的研究表明：压边力较小时，增加压边力的方法可以很有效地提高板料断面质量。但增加压边力也有其局限性，由该研究结果图2可以看出：当压边力达到500 KN时，光亮带高度超过了板料厚度的70%；但超過500 KN后，曲线上升趋势受到抑制，光亮带变宽不明显。
压边力虽然有其局限性，但其除了影响光亮带高度，也影响板料毛刺的高度h，使板料冲裁断面质量得到进一步的提高。国内学者徐洪[5]研究了压边力对毛刺高度的影响规律，压边力在100 KN—400 KN范围内，毛刺高度受压边力影响较大；当压边力达到一定程度，毛刺高度变化趋于稳定，如图3所示。
学者樊曙天等[3]采用有限元数值模拟方法，分别在普通冲载、精冲1（压边力和反顶力分别为100 KN和50 KN）、精冲2（压边力和反顶力分别为200 KN和100 KN）三种条件下对冲裁件断面撕裂带进行了分析，结果如图4所示。由图中可知：普通冲裁中冲裁件断裂带较宽，光亮带只占板料厚度的40%；与普通冲裁相比，采用精冲1时得到的冲裁件光亮带较宽，约占板料厚度的70%；精冲2时，增大压边力和反顶力，得到的光亮带约占板料厚度的85%。
采用压边力和反顶力的精冲方法很好的提高了板料的断面质量，在同样的精冲试验中，学者周开华等[6]用单、双齿圈进行了试验，结果显示：压边力越大，冲裁件越好，表面越光洁，若采用上下齿圈，压边力达500 KN时，得到冲裁断面接近绝对光滑，没有任何撕裂，关系图如图5所示。但也存在缺点：模具制造成本增大，且其技术不够完善。
2.凸凹模间隙
凸凹模间隙Z的取值不但对板料的尺寸精度有影响，同时对板料的断面质量有直接的影响。张磊等[7]研究了间隙对断面质量的影响规律，并对冲裁后的工件进行观测，如图6所示。
研究结果表明：冲裁间隙过大，冲裁比较容易，但得到的板料精度不高，且断面很粗糙；采用小间隙冲裁，冲裁件的光亮带和断裂带十分明显，并且光亮带较宽，断面平整，可以达到无毛刺的效果。因此，冲裁时选取小的凸凹模间隙能改善冲裁件的断面质量。此外，与改变压边力和反顶力的方法相比，采用改变间隙的冲裁方法在操作上更为简便。
根据国内学者徐洪[5]的研究显示：当间隙小于0.02 mm时，冲裁件断面光滑平整，毛刺较小；当间隙在0.02—0.04 mm之间时，毛刺高度急剧增大；间隙大于0.04 mm时，毛刺逐渐增高，如图7所示。
为了进一步研究间隙对冲裁断面质量的影响，李建华、张忠美[8]采用负间隙与反顶件相结合的冲裁方式， 可获得现有普通冲裁工艺无法获得的无飞边剪口。但是采用负间隙冲裁时，所需冲裁力大，模具磨损非常严重。
为了降低冲裁力，黄少东等[9]基于阶梯形凸模负间隙冲裁方法研究了冲裁件的断面质量，模具结构如图8所示。研究结果显示，冲裁时的冲裁力明显减小，而板料纯剪切区也得到延长[10]，使冲裁件质量进一步提高。但该方法由于很难确定其最佳工艺参数，在应用上受到了一定限制。
3.弹性介质
加弹性介质冲裁对断面质量也有一定的影响[11]。冲裁时，与改变模具间隙相比，通过加弹性介质更容易得到较宽的光亮带。根据邓将华等[12]的磁脉冲冲孔研究表明，板料直接冲裁得到的断面质量最差；弹性介质越厚，得到的冲裁断面越好。初红艳等[13]对加弹性介质磁脉冲裁成形也进行了研究，得到如表1所示的结论。若上下放置弹性介质的冲裁，断面几乎无毛刺，质量最佳，几乎接近理想化的冲裁断面。但该冲裁方法所需能量最大，设备难以满足其所需能量的要求，在实际生产中的应用受到抑制。
4.模具结构
模具的凸凹模结构对冲裁断面有直接的影响。加弹性介质冲孔对铝板、钢板的冲裁效果比普通冲孔要好，四川维尼纶厂机修厂王正富证明了石棉橡胶板冲裁时加弹性介质冲裁也适用，结构如图9所示。模具凹模采用了尖刃口，减小了冲裁力，使板料更容易冲断，且所冲出的冲裁件表面折痕基本消失。但由于平刃冲模中断面有严重撕裂、有部分形成蜂窝状缺陷的基本特性未能得到根本改变，断面质量仍不能得到很好的改善。为了得到更好的冲裁断面，采用斜刃冲模，结构如图10所示。 图9 尖刃凹膜与反压垫块的模具结构图
在橡胶板下面加上结实的硬木板，减少了材料自身的弹性，锋利的刃口可以轻快地切断材料，断面质量大大提高。其中斜刃角度的取值对断面有直接的影响，厚度为t=4 mm，刃尖宽度为0.05—0.10 mm的板料斜刃角度的变化对断面质量的影响如表2所示。刃口角度过大时，效果和平刃冲裁相似，断面质量有明显分离层，对断面质量没有起到改善的作用；适当的角度可以使冲裁变得轻快，甚至使断面质量基本稳定，不受角度变化的影响。
5.冲裁速度
冲裁速度对冲裁件的断面质量有较大的影响。张磊等[7]的研究表明，相同间隙下，光亮带宽度随速度的增加而变宽，有利于改善冲裁件的断面质量和精度。但当速度超过100 mm/s时，速度的增加不一定对断面质量有利。根据黄珍媛等[14]的研究结果显示，当冲裁速度由100 mm/s增加到600 mm/s时，光亮带有减小的趋势；在100 mm/s～300 mm/s之间时，毛刺高度随速度的增加而增加；当速度在300 mm/s～600 mm/s时，毛刺又逐渐减小，即高度先增后减，如图11所示。
6.温度
与以上几种参数下的冲裁方法相比，改变温度时的冲裁需要在特定条件下才能改善板料的断面质量。学者黄少东等[9]提出热冲裁的方法，并分别在600°C和700°C温度下对厚度为8 mm的板料进行了冲裁试验研究。研究结果显示：与冷冲裁相比，热冲裁下得到的冲裁件断面质量变化不大；使用加热后经过退火处理的板料并采用阶梯模的冲裁，得到的冲裁断面全部是光亮带。因此，如果要获得较高质量的断面质量必须采用合理的模具间隙间隙、大冲裁力或对板料进行退火处理。
7.结语
在板料冲裁过程中，工艺参数对板料的断面质量有着重要的影响。针对不同的材料及不同厚度，如何协调各工艺参数之间的关系、探索新型的冲裁方法将是今后的研究热点。
（1）探索不同材料、不同厚度的板料冲裁时的间隙大小，在间隙大小的确定下如何合理选取凸、凹膜刃口的圆角尺寸。
（2）采用先进的冲裁工艺改善板料的断面质量，如振动冲裁、磁脉冲冲裁、加弹性介质冲裁、压边力和顶板力冲裁均能使板料处于三向压应力状态。
（3）进一步探索板料冲裁时所需最佳温度，目前温度能提高板料断面质量的研究只适合某一种材料，还没能适用于大部分的材料，并且在没有合适选取其他工艺参数的情况下，只改变冲裁温度对断面质量的提高还有待研究。
参考文献：
[1]P.V.P. Marcondes， A.M. Eto， P.A.C. Beltrao， P.C. Borges. A smart stamping tool for punching and broaching combination[J].Journal of Materials Processing Technology， 2008， 206： 184-193.
[2]JI Tingwei， GAO Jun， ZHAO Guoqun. Research on Fuzzy Synthetic Evaluation of Stamping Process Scheme[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2006， S2： 479-483.
[3]樊曙天，等.板料沖裁过程中材料流动与断面形成的有限元模拟[J].模具工业，2005，2（35）： 36-38.
[4]黄荣学，等.厚板精密冲裁工艺过程的有限元模拟[J].模具制造，2005，3：8-10.
[5]徐洪.薄件冲裁毛刺的控制方法探讨[J].金华职业技术学院学报，2002，1：30-32.
[6]周开华，等.齿圈和精冲冲裁表面的垂直度[J].金属加工冷加工，2008，6：63-66.
[7]张磊，等.冲裁间隙与速度对冲裁件质量影响的实验研究[J].模具制造，2011，3：23-25.
[8]李建华，等.负间隙冲裁与普通冲裁的冲裁力研究[J].模具工业，2009，35（1）：16-18.
[9]黄少东，等.高强度钢厚板冲裁研究[J].锻压技术，2010，35（3）：34-37.
[10]J.H. Li， Z.M. Zhang. Numerical Simulation and Experiment Study on the Blanking Force for AISI-1020 and AISI-1045 Fine-blanking with Negative Clearance[C].Proceedings of the 6th International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing， 2010.
[11]Hisaki Watari， Hiroshi Ona， Yu Yoshida. Flexible punching method using an elastic tool instead of a metal punch[J].Journal of Materials Processing Technology， 2003， 137： 151-155.
[12]邓将华，等.磁脉冲冲孔试验研究[J].锻压技术，2006，5：140-143.
[13]初红艳，等.电磁冲裁成形与普通冲裁成形的分析比较[J].锻压技术，2001，1：28-31.
[14]黄珍媛，等.高速精密级进冲压中的冲裁断面质量实验研究[J].塑性工程学报，2009，16（3）： 9-12.
基金项目：
广西教育厅科研项目（201106LX592）；广西自然科学基金项目（2012GXNSFBA053147）；河池学院科研项目（2011A-N001）；河池学院大学生创新创业训练计划项目（2012-07；2013-19）。
作者简介：
毛献昌（1982-），男，广西贺州人，河池学院物理与电子工程系教研室主任，硕士，讲师，主要从事金属板料冲压加工方面的研究。
【关键词】板料；冲裁；工艺参数；断面质量
0.引言
冲裁工艺具有生产效率高，操作方便，质量稳定，互换性好，节省材料，可加工复杂形状零件等优点，在国民经济各个领域应用范围相当广泛。然而普通冲裁工艺得到的冲裁件质量较差，以致冲压技术的发展受到一定限制。目前，评定冲裁件质量好坏的主要指标为冲裁件的断面质量[1]。冲裁断面由塌角、剪切面（又称光亮带）、断裂面和毛刺等4个部分组成，光亮带较宽，塌角、断裂面、毛刺均很小时，表示冲裁件断面质量较好，反之，则表示冲裁件断面质量差。影响冲裁件断面质量的因素十分复杂，它随压边力、反顶力、冲裁速度、模具结构等工艺参数的不同而变化。近年来，为了探索合理的板料冲裁方法，研究工艺参数对板料的冲裁件断面质量的影响规律，国内外学者开展了大量的研究[1， 2]。目前，冲裁件断面质量已成为研究热点，本文介绍板料冲裁时几个重要工艺参数对其断面质量的影响规律。
1.压边力和反顶力
冲裁件在普通冲裁下存在着拉应力，会导致板料产生裂纹，降低板料断面质量。当采用压边力Fb和反顶力Fc时即采用精密冲裁，能消除普通冲裁中存在的拉应力，模具结构如图1所示。
反顶力是逆冲裁方向将材料从凹模内顶出的力，而压边力则是通过压边圈将板料压紧的力。板料冲裁过程中，在冲裁力、压边力和反顶力三力作用下，板料所受的应力状态将改变为三向压应力状态，防止了裂纹的产生，并且光亮带随着压边力和反顶力的增加明显变宽[3]。
根据国内学者黄荣学等[4]的研究表明：压边力较小时，增加压边力的方法可以很有效地提高板料断面质量。但增加压边力也有其局限性，由该研究结果图2可以看出：当压边力达到500 KN时，光亮带高度超过了板料厚度的70%；但超過500 KN后，曲线上升趋势受到抑制，光亮带变宽不明显。
压边力虽然有其局限性，但其除了影响光亮带高度，也影响板料毛刺的高度h，使板料冲裁断面质量得到进一步的提高。国内学者徐洪[5]研究了压边力对毛刺高度的影响规律，压边力在100 KN—400 KN范围内，毛刺高度受压边力影响较大；当压边力达到一定程度，毛刺高度变化趋于稳定，如图3所示。
学者樊曙天等[3]采用有限元数值模拟方法，分别在普通冲载、精冲1（压边力和反顶力分别为100 KN和50 KN）、精冲2（压边力和反顶力分别为200 KN和100 KN）三种条件下对冲裁件断面撕裂带进行了分析，结果如图4所示。由图中可知：普通冲裁中冲裁件断裂带较宽，光亮带只占板料厚度的40%；与普通冲裁相比，采用精冲1时得到的冲裁件光亮带较宽，约占板料厚度的70%；精冲2时，增大压边力和反顶力，得到的光亮带约占板料厚度的85%。
采用压边力和反顶力的精冲方法很好的提高了板料的断面质量，在同样的精冲试验中，学者周开华等[6]用单、双齿圈进行了试验，结果显示：压边力越大，冲裁件越好，表面越光洁，若采用上下齿圈，压边力达500 KN时，得到冲裁断面接近绝对光滑，没有任何撕裂，关系图如图5所示。但也存在缺点：模具制造成本增大，且其技术不够完善。
2.凸凹模间隙
凸凹模间隙Z的取值不但对板料的尺寸精度有影响，同时对板料的断面质量有直接的影响。张磊等[7]研究了间隙对断面质量的影响规律，并对冲裁后的工件进行观测，如图6所示。
研究结果表明：冲裁间隙过大，冲裁比较容易，但得到的板料精度不高，且断面很粗糙；采用小间隙冲裁，冲裁件的光亮带和断裂带十分明显，并且光亮带较宽，断面平整，可以达到无毛刺的效果。因此，冲裁时选取小的凸凹模间隙能改善冲裁件的断面质量。此外，与改变压边力和反顶力的方法相比，采用改变间隙的冲裁方法在操作上更为简便。
根据国内学者徐洪[5]的研究显示：当间隙小于0.02 mm时，冲裁件断面光滑平整，毛刺较小；当间隙在0.02—0.04 mm之间时，毛刺高度急剧增大；间隙大于0.04 mm时，毛刺逐渐增高，如图7所示。
为了进一步研究间隙对冲裁断面质量的影响，李建华、张忠美[8]采用负间隙与反顶件相结合的冲裁方式， 可获得现有普通冲裁工艺无法获得的无飞边剪口。但是采用负间隙冲裁时，所需冲裁力大，模具磨损非常严重。
为了降低冲裁力，黄少东等[9]基于阶梯形凸模负间隙冲裁方法研究了冲裁件的断面质量，模具结构如图8所示。研究结果显示，冲裁时的冲裁力明显减小，而板料纯剪切区也得到延长[10]，使冲裁件质量进一步提高。但该方法由于很难确定其最佳工艺参数，在应用上受到了一定限制。
3.弹性介质
加弹性介质冲裁对断面质量也有一定的影响[11]。冲裁时，与改变模具间隙相比，通过加弹性介质更容易得到较宽的光亮带。根据邓将华等[12]的磁脉冲冲孔研究表明，板料直接冲裁得到的断面质量最差；弹性介质越厚，得到的冲裁断面越好。初红艳等[13]对加弹性介质磁脉冲裁成形也进行了研究，得到如表1所示的结论。若上下放置弹性介质的冲裁，断面几乎无毛刺，质量最佳，几乎接近理想化的冲裁断面。但该冲裁方法所需能量最大，设备难以满足其所需能量的要求，在实际生产中的应用受到抑制。
4.模具结构
模具的凸凹模结构对冲裁断面有直接的影响。加弹性介质冲孔对铝板、钢板的冲裁效果比普通冲孔要好，四川维尼纶厂机修厂王正富证明了石棉橡胶板冲裁时加弹性介质冲裁也适用，结构如图9所示。模具凹模采用了尖刃口，减小了冲裁力，使板料更容易冲断，且所冲出的冲裁件表面折痕基本消失。但由于平刃冲模中断面有严重撕裂、有部分形成蜂窝状缺陷的基本特性未能得到根本改变，断面质量仍不能得到很好的改善。为了得到更好的冲裁断面，采用斜刃冲模，结构如图10所示。 图9 尖刃凹膜与反压垫块的模具结构图
在橡胶板下面加上结实的硬木板，减少了材料自身的弹性，锋利的刃口可以轻快地切断材料，断面质量大大提高。其中斜刃角度的取值对断面有直接的影响，厚度为t=4 mm，刃尖宽度为0.05—0.10 mm的板料斜刃角度的变化对断面质量的影响如表2所示。刃口角度过大时，效果和平刃冲裁相似，断面质量有明显分离层，对断面质量没有起到改善的作用；适当的角度可以使冲裁变得轻快，甚至使断面质量基本稳定，不受角度变化的影响。
5.冲裁速度
冲裁速度对冲裁件的断面质量有较大的影响。张磊等[7]的研究表明，相同间隙下，光亮带宽度随速度的增加而变宽，有利于改善冲裁件的断面质量和精度。但当速度超过100 mm/s时，速度的增加不一定对断面质量有利。根据黄珍媛等[14]的研究结果显示，当冲裁速度由100 mm/s增加到600 mm/s时，光亮带有减小的趋势；在100 mm/s～300 mm/s之间时，毛刺高度随速度的增加而增加；当速度在300 mm/s～600 mm/s时，毛刺又逐渐减小，即高度先增后减，如图11所示。
6.温度
与以上几种参数下的冲裁方法相比，改变温度时的冲裁需要在特定条件下才能改善板料的断面质量。学者黄少东等[9]提出热冲裁的方法，并分别在600°C和700°C温度下对厚度为8 mm的板料进行了冲裁试验研究。研究结果显示：与冷冲裁相比，热冲裁下得到的冲裁件断面质量变化不大；使用加热后经过退火处理的板料并采用阶梯模的冲裁，得到的冲裁断面全部是光亮带。因此，如果要获得较高质量的断面质量必须采用合理的模具间隙间隙、大冲裁力或对板料进行退火处理。
7.结语
在板料冲裁过程中，工艺参数对板料的断面质量有着重要的影响。针对不同的材料及不同厚度，如何协调各工艺参数之间的关系、探索新型的冲裁方法将是今后的研究热点。
（1）探索不同材料、不同厚度的板料冲裁时的间隙大小，在间隙大小的确定下如何合理选取凸、凹膜刃口的圆角尺寸。
（2）采用先进的冲裁工艺改善板料的断面质量，如振动冲裁、磁脉冲冲裁、加弹性介质冲裁、压边力和顶板力冲裁均能使板料处于三向压应力状态。
（3）进一步探索板料冲裁时所需最佳温度，目前温度能提高板料断面质量的研究只适合某一种材料，还没能适用于大部分的材料，并且在没有合适选取其他工艺参数的情况下，只改变冲裁温度对断面质量的提高还有待研究。
参考文献：
[1]P.V.P. Marcondes， A.M. Eto， P.A.C. Beltrao， P.C. Borges. A smart stamping tool for punching and broaching combination[J].Journal of Materials Processing Technology， 2008， 206： 184-193.
[2]JI Tingwei， GAO Jun， ZHAO Guoqun. Research on Fuzzy Synthetic Evaluation of Stamping Process Scheme[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2006， S2： 479-483.
[3]樊曙天，等.板料沖裁过程中材料流动与断面形成的有限元模拟[J].模具工业，2005，2（35）： 36-38.
[4]黄荣学，等.厚板精密冲裁工艺过程的有限元模拟[J].模具制造，2005，3：8-10.
[5]徐洪.薄件冲裁毛刺的控制方法探讨[J].金华职业技术学院学报，2002，1：30-32.
[6]周开华，等.齿圈和精冲冲裁表面的垂直度[J].金属加工冷加工，2008，6：63-66.
[7]张磊，等.冲裁间隙与速度对冲裁件质量影响的实验研究[J].模具制造，2011，3：23-25.
[8]李建华，等.负间隙冲裁与普通冲裁的冲裁力研究[J].模具工业，2009，35（1）：16-18.
[9]黄少东，等.高强度钢厚板冲裁研究[J].锻压技术，2010，35（3）：34-37.
[10]J.H. Li， Z.M. Zhang. Numerical Simulation and Experiment Study on the Blanking Force for AISI-1020 and AISI-1045 Fine-blanking with Negative Clearance[C].Proceedings of the 6th International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing， 2010.
[11]Hisaki Watari， Hiroshi Ona， Yu Yoshida. Flexible punching method using an elastic tool instead of a metal punch[J].Journal of Materials Processing Technology， 2003， 137： 151-155.
[12]邓将华，等.磁脉冲冲孔试验研究[J].锻压技术，2006，5：140-143.
[13]初红艳，等.电磁冲裁成形与普通冲裁成形的分析比较[J].锻压技术，2001，1：28-31.
[14]黄珍媛，等.高速精密级进冲压中的冲裁断面质量实验研究[J].塑性工程学报，2009，16（3）： 9-12.
基金项目：
广西教育厅科研项目（201106LX592）；广西自然科学基金项目（2012GXNSFBA053147）；河池学院科研项目（2011A-N001）；河池学院大学生创新创业训练计划项目（2012-07；2013-19）。
作者简介：
毛献昌（1982-），男，广西贺州人，河池学院物理与电子工程系教研室主任，硕士，讲师，主要从事金属板料冲压加工方面的研究。