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发表于 2019-4-27 15:08:38
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专题探讨
合理冲裁间隙的选取与应用
——浅识《冲裁间隙》国标
机械部第十一设计研究院张正修
西安黄河电器仪表厂李欠娃
西安仪表厂冲压分厂唐久
摘要 通过对冲裁间隙选取原则和当前在使用中存在问题的分析,浅识《冲裁间隙》国家标准并提出了修订的一些建议。
关键词 冲裁间隙 选取原则 修订建议
无论什么形状的板料冲压件,都要经过冲裁工序(步)才能最终完成冲压。冲裁是冲孔和落料的总称。即便是直接从原材料(包括板、条、带、卷料),用多工位连续式复合模一模成形冲制完成的各类形状复杂的立体形冲压成形件,也必须具有落料工位。多数情况下,除含落料工位外,还有冲孔及类似的切边、切口、冲槽孔等众多冲裁工位;拉伸或连续拉伸成形件、翻边及搬边以及压筋类成形件,也需要冲孔、切口及外廓落料、切边等冲裁加工;弯曲成形的冲件则少不了剪截、冲缺、切口或切边等冲裁工序(步)。如果只计算进行冲裁作业用冲模,包括:在压力机的一次行程中只完成一个冲裁工序(步)的单冲模,诸如剪截(断)模、冲孔模、切口模、切缺(角)模、切边模、剖切模、整修模、落料模等;在压力机的一次行程中,在模具的不同工位上连续完成两个或两个以上冲裁工步的多工位连续冲裁模;在压力机的一次行程中,在模具的唯一工位上完成两个或两个以上冲裁工步的复合冲裁模等。据实际统计,上述各类冲裁模约占冲模总量的60%～65%。实际上冲裁间隙的合理确定,不仅涉及到上述各类冲裁模,而且与所有板料冲压件所用模具有关,并且是冲压件质量的决定性要素,其重要性不言而喻。
长期以来,国内使用的冲裁间隙值是“一五”期间随国外援建和包建有关工厂投产而先后引进前苏联及德国的标准冲裁间隙。到“六五”结束,国内经长期实践积累和改进,已拥有适用于不同行业的较为成熟的冲裁间隙。由于冲件结构与精度的差别和行业局限,统一的冲裁间隙标准尚未形成,已知使用较广的汽车拖拉机、开关电器、仪器仪表、航空航天、钟表、通用机械等行业所用的冲裁间隙值,都具有明显的行业特点而各有所长,互有差异。80年代中期以后,国内机械制造系统制定出机械工业部指导性技术文件JB/Z271-86《冲裁间隙》和航空系统制定出航空航天工业部指导性技术文件HB/Z167-90《板料冲裁间隙》,对统一国内冲裁间隙和编制《冲裁间隙》国家标准,做了大量有益的前期工作,奠定了坚实的基础。
GB/T16743-1997《冲裁间隙》是在主管部门和全国锻压学会标准化技术委员会领导与组织下,由国内著名的冲压专家、西安交大储家佑教授和南航陈毓勋教授等经多年努力,认真研究、积极吸收国外冲裁间隙先进标准,系统地总结国内冲裁间隙的科研成果和生产经验,广泛征求各方面意见才编制完成这项先进、适用,既符合国情又适应国际技术交流的较完善的国家标准。应该指出,这项国36专题探讨标还存在一些不尽如人意的地方。相信在国内广大同行的重视与努力下,经过一段生产实践的验证,个别现存的及新发现的问题,以及来自生产一线的好建议,会在今后的修订中得以认真考虑。
1 与国外冲裁间隙对比
国内在长期使用前苏联和德国冲裁间隙值后普遍反映间隙值偏小。前苏联70年代推出的冲裁间隙虽有所改进,将其分为:以考虑冲裁件质量为主和以考虑提高模具寿命为主的两大类,但不完全适合我国情况;德国工程师协会(VDI)1979年制定的冲裁间隙即VDI3386,其数值虽与冲件材料的抗剪强度eτ挂钩,按落件与顶件两种凹模结构给定间隙值,其适用范围仍显过于局限。随着国内山东工学院、无锡模具厂、西安交大、西安高压开关厂等众多单位对冲裁机理、冲裁间隙对冲裁件剪切面质量、尺寸精度、模具寿命、力能消耗等方面的影响规律进行了大量深入且富有成果的试验研究,以及由华达无线电厂、宏明无线电器材厂、西安高压开关厂等单位在西南与西北地区推广普及大间隙冲裁,国内在冲裁间隙方面已积累了丰富的实践经验和大量实用数据。早在1981年6月于大连召开的全国第一次冲压学术会议上就提出制定《冲裁间隙指导性技术文件》的建议。在1982年11月由西安交大负责召开的“全国冲裁间隙专题讨论会”上提出了国产材料合理间隙值的系统试验数据。1984年和1990年由机部和航空航天工业部颁布的两个冲裁间隙指导性技术文件集中体现了这两个行业的生产经验与科研成果,并在生产中起着积极的指导作用。在上述两个指导性技术文件的基础上,经综合归纳,取长补短,参照美国的ASTME的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类间隙值,结合国内实际情况,汲取国内的研究成果及实践经验,最终完成的GB/T16743-1997《冲裁间隙》国家标准,与国外冲裁间隙相比有以下几个主要特点:
(1)将冲裁间隙分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类,即小、中、大三档,适用范围广,覆盖率高,可以满足不同行业各类生产情况的实际需要:钟表、照相机、复印机、仪器仪表及精密机械等行业产品冲压件要求尺寸精度高、冲切面质量好,可采用国标Ⅰ类小间隙冲裁;汽车拖拉机、开关电器、通用机械等行业产品冲压件,多数尺寸精度一般,冲切面无特别要求,可采用该国标Ⅱ类适中的间隙冲裁;农机、建筑机械、建材、车辆、五金等行业产品冲压件,多数对冲切面质量与尺寸精度要求不高,可选取该国标Ⅲ类大间隙冲裁以利于提高模具寿命。
(2)美国工具和制造工程师协会(ASTME)1964年推出的冲裁间隙值分为五类,按冲切面质量指标、冲模寿命高低,用图表依次示出并配文字说明,直观清晰,选用方便。但在普通冲裁中,因其Ⅰ类间隙过大和Ⅴ类间隙过小而很少使用。而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类则是常用的,且与国内通常使用的大、中、小三类间隙值大体相当。前苏联70年代推出两大类间隙值则与上述美国的Ⅳ、Ⅲ类相当。德国VDI3368给定的间隙值相当于上述美国的Ⅳ类。日本塑性加工学会1975年推出的冲裁间隙值与上述美国间隙的Ⅲ、Ⅳ类基本一致,而其实际使用的冲裁间隙值也与我国相同,即与美国的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类相当。从以上对比中可以看出,冲裁间隙值按大、中、小三类分档,经国内外实践证实是较为合理的,可以满足各个行业普通冲裁的需要。GB/T16743参照美国ASTME的冲裁间隙表中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类间隙值,根据国内的广泛调研数据和有关的科研成果及生产经验,结合国内实际情况,作了适当的补充与修改,使其不仅具有鲜明的中国特色,并具有先进性、科学性及实用性的特点。
(3)GB/T16743的实用性特别突出。该国标以“按质定隙”为主线,按小、中、大三类冲裁间隙值,依冲切面质量、冲件精度、模具寿命、力能消耗和适用场合等工艺参数及文图说明,分类列表,直观清晰,便于有针对性地选用。这种表示方法,不仅提供了特定的应用指南,还可以方便地找出特定生产冲件及任意场合中的合理冲裁间隙。这一点是前苏联、日本及德国至今还不曾有的冲裁间隙标准的表示方法,更较美国ASTME冲裁间隙表适用。
(4)GB/T16743与国内外同类标准相比更科学、更先进。其主要表现在:①采用单边间隙,既科学,又实用。对非规则形状与非封闭冲裁的冲件,其科学性及实用性更显突出。②冲裁间隙按冲件料厚百分比给定,而且是一个范围,既灵活,又科学,可以做到宏观调控,微观搞活,管而不死,活而不乱。既对生产有指导作用,又不限定间隙值的合理波动。③考虑了冲件料厚增大对其冲裁间隙值的影响。当料厚t>1.0mm时,按>1～2.5mm、>2.5～4.5mm、>4.5～7mm、>7～10mm各档,以≤1.0mm料厚所取各栏下限值冲裁间隙为基数,随料厚增加,再逐档递增间隙值。④初稿中还说明了增大冲裁间隙值的场合:硬质合金冲裁模应比钢模的间隙大0%左右;高速冲压时,模具容易发热,间隙应适当增大。如行程次数>200次/min,间隙应增大10%左右;硅钢片随含硅量增加、冲制d≤t小孔、模具采用弹压卸料装置、复合模凸凹模壁厚单薄易胀裂等情况下,都应适当增大间隙。⑤指出应减小冲裁间隙的场合:电火花穿孔制取凹模、加热冲裁、采用斜壁刃口的凹模、冲制需攻丝的孔等情况下,均应适当减小冲裁间隙。
2 适用范围
GB/T16743提供了普通冲裁用各种金属与非金属板料冲裁件所需的合理冲裁间隙,适用范围广。冲裁间隙表栏目划分详尽、具体,分类划档合理,使用方便。
该国标适用材料:
(1)金属材料包括:黑色及有色金属。黑色金属中除低、中、高碳钢与合金钢之外,还有1Gr18Ni9Ti、4Cr13等不锈钢,4J29可伐合金,以及D21、D31、D41电工硅钢。而在其表列的有色金属中包括:铝、铜、镁及其合金。除因纯镁不可冲压而不予考虑外,纯铝、纯铜和各种铝、铜合金、镁合金等均列入间隙表。
(2)非金属材料包括:各种非金属板材和天然与人造板,诸如:酚醛塑料层压板、胶纸板、胶布板、石棉板、有机玻璃板、橡胶板、云母板、纤维板、毛毡、纸等。
为了使更多的未列入国标冲裁间隙表的材料也能在该国标冲裁间隙表中选出合理间隙值,国标按材料抗剪强度eτ值将黑色及有色金属材料各划分成四档,以便按eτ值在合适区段内参照选出合理间隙值。黑色金属分电工硅钢eτ=190MPa、低碳钢eτ≥210～400MPa、中碳钢与不锈钢等eτ≥420～560MPa、高碳钢与合金钢等eτ≥590～930MPa;有色金属分纯铝与紫铜及软态铜及铝合金eτ≥65～255MPa、硬态黄铜eτ≥290～420MPa、硬态铝合金及青铜eτ≥225～550MPa、镁合金eτ≥120～180MPa等。
该国标适用的冲件料厚t:
对于金属材料适用料厚达t=10mm。考虑到料厚对冲裁间隙值的影响,将冲件料厚分成:≤1.0、>1.0～2.5、>2.5～4.5、>4.5～7.0、>7.0～10.0mm五档。当t≤1.0mm时,各类间隙比值取下限值,并以此为基数,随料厚增加,再逐档递增冲裁间隙值。初稿曾提出递增(0.5～1.0)%t(有色金属和低碳钢取小值,中碳钢和高碳钢取大值),可供实际使用参照。
3 选用依据和方法
为了在冲压时能达到要求的冲件尺寸与形位精度、冲切面质量、模具寿命,要根据冲件材料牌号、供应状态(软、硬、半硬态)、料厚以及材料的抗剪强度eτ来选取合理冲裁间隙。
选用合理冲裁间隙分两步走,即所谓两步法:
第一步确定选用间隙类别
根据冲裁件技术要求:冲切面质量、尺寸精度及冲模寿命等要素,从GB/T16743中所列的“冲裁间隙分类表”上选定要采用的间隙类别。
第二步选取间隙比值并计算间隙值
依照选用间隙类别,在该国标给定的“冲裁间隙比值表”中查出相应间隙类别的间隙比值,经计算即获合理间隙值。对于该国标的冲裁间隙比值表中未列出的金属材料,可参照该表中抗剪强度eτ相近的材料选取合理的间隙比值。
由于该间隙比值表中给定的各类间隙比值都是一个数值波动幅度相当大的范围,下限比值与上限比值有的竟相差一倍多。这种情况在冲裁比值表的Ⅰ类间隙中最为明显。如低碳钢Ⅰ类间隙比值为(3.0～7.0)%t,中碳钢为(3.5～8.0)%t,电工硅钢达到(2.5～5.0)%t。该国标规定,冲件料厚t>1.0mm后,随 t值加大,再按间隙比值表划分的料厚区档,要逐档递增(0.5～1.0)%t(有色金属和低碳钢取小值,中、高碳钢取大值)。所以,当已知冲件材料牌号、料厚t及其eτ值并按冲件技术要求与尺寸精度选定拟采用的间隙类别后,便可从间隙比值表中查得间隙比值。
现举例说明。
如一25CrMnSi合金结构钢冲裁件,料厚t=3mm,材料抗剪强度eτ=520MPa。该冲裁件对冲切面质量要求一般,但冲裁毛刺要小,冲件尺寸精度为IT10级。查国标“冲裁间隙分类表”,采用Ⅱ类冲裁间隙合适。根据已知条件再查该国标“金属材料冲裁间隙比值表”。因该表材料一栏中无25CrMnSi合金结构钢,只有用冲裁件材料eτ=520MPa值参照表中钢材eτ相近的选取。表中的中碳钢eτ≥420～560MPa,与25CrMnSi钢相近。则可查获Ⅱ类间隙、中碳钢的冲裁间隙C=(8.0～11.0)%t(单边)。按该表规定考虑冲裁件料厚t对间隙值的影响。已知t=3mm,在该表规定的t>2.5～4.5mm的第三档。以t≤1.0%t取下限8%t=C为基数,“随料厚增加,再逐档递增(0.5～1.0)%t”。又因该冲裁件材料近似中碳钢,按规定递增值为1%t。则对t>1.0～2.5mm的第二档间隙为:(8.0+1.0)%t=9%t=C。而对t=3mm属于t>2.5～4.5mm的第三档,其间隙C=(9.0+1.0)%t=10%t。
在设计冲模时,往往要根据经验,在下述情况下对上述计算所得间隙值进行适当的调整:
(1)冲裁件材料的抗剪强度eτ值接近表列下限时,可将间隙值减小(1.0～1.5)%t。
(2)当材料经过退火软化处理,其实际强度有明显降低时,也可将间隙值减小(0.5～1.0)%t。
(3)冲件尺寸精度高于IT10级,尽管其冲切面无特殊要求,也要尽量将间隙减小。
(4)要求冲切面塌角小、光亮带大的冲裁件,冲裁间隙宜趋于下限偏小值。
(5)冲件精度不高,应尽量放大间隙,以利于提高冲模寿命。
(6)材料强度大、抗剪强度eτ值接近或稍超过表列上限值时,应尽量放大冲裁间隙,可取同档允许的上限间隙值。
4 几点修订建议
GB/T16743-1997《冲裁间隙》虽然是一项较适用的标准,但也存在一些问题。以下笔者就其存在的问题,提出若干修订建议,供参考。
(1)关于冲裁间隙的定义
该国标给出的冲裁间隙的定义不严密、不确切,从严格的含意上讲,它是一个病句。该国标2.1定义,“冲裁间隙是指冲裁模具中凹模与凸模刃口侧壁之间缝隙的距离。”缝隙也是间隙,两者之间的含意差别不大。缝隙与间隙一样是一个具体的光束概念。它只有大小、宽窄而没有距离。因为距离是两个物体间的尺寸。如果说“凹模与凸模刃口侧壁之间的距离”或“凹模与凸模刃口侧壁之间的缝隙”都是可以的。但“凹模与凸模刃口侧壁之间缝隙的距离”显然是个病句。建议将冲裁间隙的定义改为:凹模与凸模刃口对应部位水平投影的距离。
(2)关于冲切面质量
为了改善冲裁件冲切断面的质量和提高冲裁件的尺寸与形位精度,半个多世纪以来,人们开发出多种精密冲裁法。其中,早在国外得到普及,在国内也已推广用于生产的强力齿圈压边精冲法是举世公认的一种精密冲裁法。用这种方法可以冲制出冲切断面质量远比普通冲裁优异的冲裁件:精冲冲切断面光亮带高度B>(90～100)%t;精冲件塌角高度R比普通冲裁明显减小,其值取决于冲件几何形状、材料及其强度和料厚。通常精冲件直边塌角高度R=10%t,尖角与圆角部位则角度和圆角半径越小塌角高度R值越大。在冲件角部和圆角半径不变的情况下,料厚越小,材料强度越大,塌角高度R值越小。如料厚t=5mm的45钢精冲件,其角部角度为60°,尖角处圆角半径为1.6mm,塌角高度R=0.7mm=14%t。上述精冲间隙只有普通冲裁的10%,通常精冲间隙仅0.5%t(单边)。加上强力齿圈压边下冲裁,是精冲能获得比普通冲裁优异的冲件冲切面质量和更高冲件尺寸与形位精度的主要原因。
用于普通冲裁的GB/T16743,在其间隙分类表中规定,使用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类间隙,冲裁件冲切面塌角高度R值分别为:(4～7)%t、(6～8)%t、(8～10)%t,远小于精冲件的塌角高度R值。根据我们长期的实践经验和多年的试验研究,普通冲裁要达到上述国标规定的比精冲件还要小的塌角高度R值是十分困难甚至是不可能的。
(3)所用符号给定单位前后不一致该国标的2.2中规定了本国标所采用符号的意义及采用的法定单位。总计给定的九个符号中,在其“表1冲裁间隙分类”中就有三个没有采用2.2中规定的法定单位,它们是:
F——断裂带高度(以料厚百分比表示);
h——毛刺高度,mm;
f——挠度,mm。
在上述表1中,F用大与小、h用一般与小、f用稍小与小等表示。但塌角高度R、光亮带高度B却又按料厚百分比列入表1中。使该标准前后甚至在同一表格内出现了不一致。
在上述表1中,还有个别不当的描述。例如对“模具寿命”一栏,有“较低”、“较长”、“最长”的说明。冲模寿命多讲高、低。虽也有少数人讲长、短,但不够准确。因为模具寿命是依其失效报废前能冲制合格冲件数计算,单位是冲次。而在同一表格中,前边说模具寿命低,后边又说模具寿命较长和最长,用“低”对“长”,而不以“低”对“高”,这显然是病语。至于用“最长”则更欠妥。
(4)表列数据与文字说明不吻合
该国标“金属材料冲裁间隙比值表”中的数据有一些与其4.1.3规定的相应文字说明有些脱节,不完全吻合。4.1.3规定,“考虑到料厚对间隙的影响,将料厚分成≤1.0mm;>1.0～2.5mm;>2.5～4.5mm;>4.5～7.0mm;>7.0～10.0mm五档。当料厚为≤1.0mm时,各类间隙取其下限值,并以此为基数,随着料厚的增加,再逐档递增”这一条在征求意见稿中为“间隙比值表”的表注,而且还有“(0.5～1.0)%t(有色金属和低碳钢取小值,中碳钢和高碳钢取大值)”一段被删去。由于在“间隙比值表”中没有料厚这一栏,看不出因料厚区档不同间隙比值的选用规定。各类间隙在t>1.0mm后要按料厚所在区档不同逐档递增,递增值是多少没有给定,使用该国标便有了一定困难。
(收稿日期:2000-08-15)
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发表于 2018-10-9 08:44:53
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