數控沖床加工過程中工件變形的問題分析和研究

李 強 霍永思

(北方信息控制集團有限公司，江蘇南京 211153)

隨著產品更新換代的速度加快，傳統的鈑金加工設備無法滿足生產柔性化要求，數控鈑金加工設備在生產中迅速普及。在各種數控鈑金設備中，數控沖床具有加工范圍大，柔性化程度高，成本低的特點，在鈑金加工中應用得最為普及。在數控沖床加工過程中經常會遇到工件加工變形的情況，特別是在工件中孔、筋、槽較多時，工件變形尤為嚴重。圖1所示工件加工后常產生扭曲變形，必須增加后續整形工序，費時費力。

1 工件特點分析

分析圖1中2種工件的異同:工件1的中間部位材料被完全切除掉，只留四邊細邊框;工件2的兩邊部位材料被大量切除掉，方孔之間僅以幾道細筋連著，中間部位密密麻麻分布著散熱孔。這2種工件有個共同點，就是加工過程中有大量的材料從毛坯中切除。

2 加工過程分析

以工件1為例，數控沖床的常用加工編程軌跡:第一步用修邊刀修整板材基準邊平整垂直(修邊過程見圖2);第二步再進行正式的零件加工，先沖孔，次沖內圓弧，再用方沖頭把中間部位材料打碎掏空，最后切邊刀把零件切下。最后一道工序一般由2個工人配合操作，一個工人負責操控機床，另一個工人守候在沖頭邊，機器切完最后一刀后，機床暫時停頓，工件從毛坯板脫落，工人用鑷子或鉤子把工件取下來。操作機器的工人再啟動機床切第2個工件，周而復始，直到把工件全部加工完成。沖裁過程中卸料板懸空，距離板面0.5 mm左右。這種編程方法排料時工件和工件之間只留切刀寬度，切邊時同時切出相鄰工件的鄰邊輪廓，加工速度快，節約材料，但是加工出來的零件嚴重扭曲變形。技術人員取消方沖頭打碎掏空中間部位這一步驟，只加工圓孔和外輪廓。加工出來的零件變形相對于前一種零件則小得多。從而得出結論:打碎掏空中間材料是引起加工變形的重要原因。圖3為沖裁過程圖形模擬。

沖裁由凸模和凹模完成，凸模和凹模組成一組刃口，把材料壓在中間，凸模逐步靠近凹模，使材料分離。整個過程可以分成3個階段(見圖4)。

(1)彈性變形階段:由于凸模所施加的壓力，材料產生彈性彎曲并略有擠入凹模口。在這一階段，若板材應力沒有超過材料的彈性極限時，當凸模卸載后，材料立刻恢復原狀。

(2)塑性變形階段:材料受力已超過彈性限度。這時凸模擠入材料，同時材料也擠入凹模，由于材料反抗凸模及凹模的擠入，產生彎矩，在彎矩M作用下材料彎曲。這時已經有微小裂紋發生。

(3)剪裂階段:隨著凸模繼續下行，已形成的上、下微小裂紋將逐漸擴大，并向材料內部發展，當上、下裂紋相遇重合時，材料便開裂分離;完成整個沖裁工作。

在彈性變形階段和塑性變形階段材料都產生扭矩使材料變形，塑性變形階段產生的是永久變形。在工件1的加工過程中加工中間方框時采用的是方沖頭打碎的方式，沖擊次數太多，再加上工件的邊框和筋都很細，沖裁產生的扭矩使得板材產生的變形量很大。由此可見，減少加工過程中的沖擊次數和預防扭矩力變形是解決加工變形的主要途徑。

3 相應解決方案

3.1 修改編程方式

技術人員修改編程方式，中間方框不再采用打碎掏空的方式，而是采用細長模具切斷。

如圖5所示，用細長切斷模具加工零件內形，方框中部的毛坯廢料不打碎，而是通過微小連接與工件內形連接。細長切斷模具加工工件外形，不完全切斷，留幾處微小連接部位與毛坯板材連接。陰影部分為細長模具加工軌跡。工件和工件之間間隔5～10 mm左右帶框。方框中間部位不打碎，減少了沖擊次數。盡管工件的框和筋的尺寸都很細，但工件的內外形與毛坯廢料微連接，增加了強度，減小了工件的變形量。

3.2 應用壓料沖

在上文沖裁過程分析，我們已經知道在塑性變形階段材料反抗凸模及凹模的擠入，產生彎矩，在彎矩M作用下材料彎曲是工件加工變形的重要原因。解決這個問題的方法就是應用壓料沖(圖6)。在沖裁的同時卸料板緊緊壓住板材，在卸料板的阻礙作用下，彎矩M無法使材料變形。沖裁結束，卸料板松開，沖頭上抬，板材中殘存的剪切應力導致的板材變形也是很小的。壓料沖的缺點是沖裁速度將有一定程度的降低。數控沖床的工作模式是步沖式，沖擊一次后，夾鉗帶動板材移動，沖頭在新的位置沖裁。如果應用壓料沖功能，每沖裁一次，卸料板要抬起來，方便板材移動，這樣沖裁速度勢必受到一定影響。但是相對于加工中因產生變形，而增加后續校平工序的工作時間來說，這種沖裁速度上的影響是可以忽略不計的。而且，沖裁過程中如果板材變形太大，板材在移動過程中很容易撞到轉塔或沖頭。

3.3 斜刃沖裁

常規模具采用的是平刃口沖模，沖裁時沿著整個工件的外形輪廓同時發生，所需的沖裁力較大，同時作用于板材的彎矩也大，板材的變形也大。采用圖7所示的斜刃口沖裁法，可以減小沖裁力，減小板材加工變形。

各種形狀的斜刃口模具適用于不同的工作條件:屋頂型適合大噸位沖裁，沖壓部分的長度最好大于沖頭長度的75%;單斜刃型和四面凸型適合于步沖;四邊斜型適合沖壓高強度材料(不銹鋼、合金鋼、彈簧鋼等)，但僅限于25.4 mm以下的沖頭。操作者依據以上原則選取模具可以取得最佳的沖裁效果，延長模具壽命。

3.4 合并沖裁次數、調整沖裁順序

毛坯板上的沖擊次數太多也是工件變形的重要原因。以工件2中間的散熱孔為例，孔分布得非常稠密。常用的加工順序是按排列順序依次加工，在170 mm×170 mm區域內，200多個孔要沖擊200多下，而且孔間距太小，沖裁過程中的應力釋放導致板材的加工變形量是很大的。下面2種手段可以減輕變形。

(1)應用多孔模

這種模具一個模具上裝備多個相同的子模具。工作時一次沖裁沖出好多個孔，這樣可以減少沖裁次數，減少沖裁過程中應力釋放量，工件變形量也就相應減小，工作效率也有很大的提高。也不是所有形狀的網狀孔都可以采用這種模具加工。限于模具結構形式，孔之間的距離(a尺寸，b尺寸)不得小于3.2 mm或大于板厚的兩倍。

(2)間隔沖裁

在編程時不要按 1，2，3，4，5，6，7，8，…的順序編程加工，間隔編程 1，3，5，7，…，然后再 2，4，6，8…直至所有孔加工完畢。圖8是加工過程模擬演示。

3.5 滾切加工技術

滾切加工技術是一種全新的數控沖床加工技術。圖9為數控沖床滾切模具。上模1底面設有上滾刀2，下模3底面設有下滾刀4，上下滾刀分別設有截面為三角形的一圈刃口，圖10是滾刀和滾刀刃口放大視圖。工作時上下滾刀徑向高速旋轉把板材切割分離，工作過程就像用一把鋒利的剪刀裁紙一樣輕松，板材幾乎沒有任何變形，也沒有廢料、廢屑產生。相對與傳統的凸凹模沖裁技術，滾切技術特別適合復雜曲線加工，加工出來的工件變形小、斷面質量更好、精度更高。缺點是滾切技術由于滾輪限制，加工曲線轉角半徑和板材厚度有一定限制。國外很多品牌的數控沖床如通快、天田、芬寶等都具備這項技術。國產數控沖床目前還不具備這項技術。

4 結語

在沖裁過程中，由于剪切應力的釋放，產生變形是難以避免的。但是我們可以通過改進編程方法，充分發揮機床的各項功能，如壓料沖、微連接等功能來最大程度地減小加工變形。通過采用以上措施，并經實際生產驗證，很多易變形件加工變形量很大程度的減小，產品質量有了很大的提高。

［1］張鼎承.沖模設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1988.

［2］彭建聲.冷沖壓技術問答［M］.北京:機械工業出版社，1981.

［3］于淑貞.數控沖床的編程方法實例［J］.制造技術與機床，2007(9).

［4］馬明勛.數控沖床微連接技術在鈑金制造中的應用［J］.機械工程師，2001(12).

［5］德國 TRUMP公司.模具手冊［Z］.