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精冲件加工难度等级的探讨
精冲件的加工难度直接影响其制造成本,因此研究精冲件的加工难度并对难加工件采取有效的技术措施,有助于降本增效。而针对某个具体的精冲件而言,制造成本与其加工难度等级直接相关,加工难度越大,制造成本越高。
精冲件的加工难度与下列多个要素有关:
(1)尺寸要素:板料厚度、外形大小;
(2)剪切面要素:剪切表面撕裂与完好率等级要求、塌角大小;
(3)材料要素:硬度、强度、碳化物球化率(中高碳钢或合金钢)、各向异性等;
(4)结构要素:锐角与圆角半径大小,槽宽、悬臂、孔径、孔间距、孔边距与料厚的比值大小,有无齿形,有无半冲孔、沉孔、局部减薄、内外形倒角、弯曲、拉深、翻边等复合成形;
(5)精度要素:形状与位置精度高低;
(6)其他要素:热处理、表面处理等要求。
国家机械行业标准JB/T 9175.1-2013《精密冲裁件第一部分:结构工艺性》从结构工艺性角度,对精冲件结构要素,如圆角半径、槽宽、悬臂、环宽、孔径、孔边距、齿轮模数、半冲孔相对深度等相关的加工难易等级进行了规定。标准针对每个结构要素,都将加工难易程度分为容易、中等、困难三个级别。本文针对标准未涉及到的一些精冲件加工难度影响因素进行探讨,并简要介绍生产中的应对措施。

精冲件尺寸的影响

厚度和外形尺寸越大,精冲难度越大。适合精冲的板料厚度一般在3~12mm之间,精冲难度指数随厚度呈直线上升。厚度越大,剪切面越容易出现撕裂、剥落缺陷,而且模具寿命越低。一般而言,厚度小于5mm,属于容易精冲的;厚度5~9mm,属于中等难度的;厚度大于9mm,则属于困难的,如图1所示。

精冲件外形尺寸大小,从理论方面上说,只要设备吨位足够大,则没有什么限制。但是当外形尺寸大到一定程度,由于材料的各向异性以及在冲切过程中模具的受力变形,导致精冲件尺寸精度难以保证。一般最大外形尺寸小于100mm,属于容易精冲的;在100~250mm,属于中等难度的;大于250mm,则属于困难的,图2所示精冲件,最大外形尺寸达450mm,属于难精冲零件。

所以实际生产中,对于厚而大的精冲件,要注意采取以下措施:

(1)模具的刚度要足够大,而增大模具刚度的主要措施就是尽可能加大凹模、齿圈压板和模板的厚度;
(2)凹模外周设置应力圈,减少其受力变形和防止开裂;
(3)根据冲压件尺寸与模具尺寸的差异,对模具刃口尺寸进行适当补偿。

剪切面质量要求的影响

剪切面光洁、垂直度高、无撕裂和剥落,是精冲件的最大优点。但是,随着板料厚度的增大以及剪切形状的复杂(主要是尖角),要想获得100%的光洁面是很困难的。因此在国家机械行业标准JB/T 9175.2-2013 《精密冲裁件第二部分:质量》中对精冲剪切面质量进行了分级。其中表面完好率分为5个等级,允许的撕裂程度分为4个等级。对表面质量要求越高,加工时的修模频率和废品率越高,综合生产效率越低。
抑制剪切面撕裂、减少剥落的技术措施,有大量文献可供参考,关键是要控制好模具间隙、刃口圆角、原材料球化率、压边力与反压力、工艺润滑等各个环节。
某些产品还对塌角有明确要求,在一般技术条件下,精冲剪切面上一侧是自然塌角,另一侧是毛刺,自然塌角的大小在JB/T 9175.2-2013标准中有规定。如果产品的塌角要求小于标准规定值,就需要采取特殊的技术手段或增加工序来保证。有效减少塌角的技术方案几乎没有公开的报道,由各企业内部控制,通常的解决办法是增加后续工序,如平面磨削或局部修整。
图3是变速箱用精冲件,内部齿形塌角按行业标准允许达到0.9mm,但图纸要求不大于0.2mm,精冲难以达到,需要在精冲后进行平面磨削。

精冲件材料的影响

材料强度(或硬度)越大,精冲力越大,模具容易变形,薄弱的冲切元件容易断裂,刃口容易崩刃。因此,材料强度越大,精冲难度越大;材料的延伸率越大,冲切表面越不易产生撕裂和剥落,容易获得光洁冲切面,精冲难度小;碳化物组织的颗粒越小(最好是细球状),越容易精冲,主要是容易获得光洁冲切面;材料的各向异性越大,精冲件尺寸精度越不易保证,对于大型精冲件影响尤甚。
综合而言,低碳钢和低碳合金钢,精冲难度小;中碳钢和中碳合金钢,精冲难度中等;而高碳钢和高碳合金钢,则精冲难度大。
而在中、高碳钢精冲时,多数情况下都需要对材料进行球化处理,而且为了控制厚度公差,还需要选择冷轧状态的材料,因而“冷轧球化态”是精冲用料的常态。

精冲件精度要求的影响

精冲件尺寸精度(包括形状和位置精度)高于普通冲裁件,这也是精冲工艺的优势所在。但精冲加工也有其局限性,由于在精冲过程中,冲切面周围的材料会受到拉伸或压缩变形,形成一定内应力,脱模后内应力释放,导致零件尺寸与模具尺寸不一致。这种尺寸变化量的大小又与很多因素有关,如材料的强度、模具的刚度、模具刃口圆角的大小、冲裁间隙大小、压边力与反压力大小、模具型腔的粗糙度大小以及润滑油的种类、零件的结构形状等。正是由于受到如此多因素影响,精冲件尺寸精度如果要求过高的话,工序能力将非常低下,精冲难度自然增大。当然,上述因素中的每一项对尺寸精度的影响结果都很微小,仅限于微观范围,这也是精冲件精度较高的原因。
一般来说,精度等级大于IT12,属于容易的;介于IT8~IT12之间,属于中等的,小于IT8,则属于困难的。
提高精冲件精度的措施,不外乎从其主要影响因素上考虑。通常模具的刚度、冲裁间隙和刃口圆角是关键,足够大的模具刚度,合理的冲裁间隙以及不产生剪切面撕裂为限的刃口圆角,是冲制高精度零件的重要前提。

其他要求的影响

精冲件多数为汽车、摩托车或其他机械上的重要结构件,除了剪切面和精度要求外,一般还有强度或硬度要求,有些产品还有电镀、达克罗等表面处理要求,这些要求需要经后续处理达到。但在处理过程中,会造成一定的变形和尺寸变化,针对这种可能的变化,需要在精冲模具设计时加以考虑。如果精冲件尺寸精度要求较高,有时即便预先采取了措施,也会因各种复杂因素导致产品不合格。所以有强度、硬度、表面处理要求的产品,会增大精冲的难度。
一般情况下,后续热处理时,精冲件上的孔会收缩,外形会膨胀,缩胀量与材料种类、零件形状、尺寸大小以及热处理方式有关。特殊情况下需要通过试验摸索热处理变形规律,进而修改模具型腔尺寸。
零件表面处理后留有一定膜厚的镀层,会增大外形尺寸,减小内形尺寸,因此应根据表面处理的种类,事先了解镀层厚度,在选择原材料厚度和设计模具型腔尺寸时加以补偿。

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