百聯線切割

第一講精沖概述

1、何謂精沖
精沖—是精密沖裁的簡稱。
　　精沖是在普沖的基礎上，發展起來的一種精密衝壓加工工藝。它雖然與普沖同屬於分離工藝，但是包含有特殊工藝參數的加工方法。由它生產的零件也具有不同的品質特徵。特別是在精沖與冷成型（如彎曲、拉深、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等）加工工藝相結合後，精沖零件已有可能在許多領域（如汽車、摩托車、電子工業等），取代以前由普沖、機加工、鍛造、鑄造和粉末冶金加工的零件，因而發揮其巨大的技術優勢和經濟效益

2、精沖分類
各種不同的精沖方法，按其工藝方式，主要分類如下：

3、精沖工藝原理
3．1、普沖與精沖的區別
我們常說的精沖，不是一般意義上的精沖（如整修、光潔沖裁和高速沖裁等），而是強力壓板精沖(見圖1)。PR－齒圈力、PS－沖裁力、PG－反壓力。

強力壓板精沖的基本原理是在專用（三向力）壓力機上，借助特殊結構模具，在強力作用下，使材料產生塑性—剪切變形，從而得到優質精沖件。
3.2、精沖工藝特點

表1為普沖和精沖二種不同工藝方法的特點。

技術特徵	普沖	精沖
1.材料分離形式	剪切變形(控制撕裂)	塑—剪變形(抑制撕裂)
2.工件品質
● 尺寸精度	ISO11-13	ISO7-11
● 沖裁面粗糙度Ra(μm)	Ra＞6.3	Ra 1.6～0.4
● 形位誤差:
平面度	大	小(0.02mm/10mm)
不垂直度	大	小(單面0.0026mm/1mm)
塌角	(20～35)%S	(10～25)%S
毛刺	雙向,大	單向,小
3.模具
● 間隙	雙邊(5～10)%S	單邊0.5%S
● 刃口	鋒利	倒角
4.衝壓材料	無要求	塑性好(球化處理)
5.潤滑	一般	特殊
6.壓力機
● 力態	普通(單向力)	特殊(三向力)
● 工藝負載	變形功小	變形功為普沖的2～2.5倍
● 環保	有噪音,振動大	噪音低,振動小
7.成本	低	高(回報週期短)

3.3、模具工作原理
精沖機是實現精沖工藝的專用設備。如圖2所示，精沖時精沖機上有三種力（PS、PR、PG）作用於模具上。沖裁開始前通過齒圈力PR，經剪切線外的導板（6），使V形齒圈（8）壓入材料並壓緊在凹模上，從而在V形齒圈的內面產生橫向側壓力，以阻止材料在剪切區內撕裂和在剪切區外金屬的橫向流動。同時反壓力PG又在剪切線內由頂件器（4）將材料壓緊在凸模上，並在壓緊狀態中，在沖裁力PS作用下進行沖裁。剪切區內的金屬處三向壓應力狀態，從而提高了材料的塑性。此時，材料就沿著凹模刃口形狀，呈純剪切的形式沖裁零件。
沖裁結束後，PR和PG壓力釋放，模具開啟，由退料力PRA和頂件力PGA分別將零件和廢料頂出。並用壓縮空氣將其吹除。

1.凸模; 2.凹模; 3.內形凸模; 4.頂件器; 5.頂杆; 6.導板;7.壓板; 8.齒圈; 9.精沖材料; 10.精沖零件; 11.內形廢料;
PS—沖裁力; PR—齒圈力; PG—反壓力;PRA—卸料力; PGA—頂件力; SP—沖裁間隙

3.4、精沖工作過程（見圖3）
a）模具開啟，送入材料；
b）模具閉合，在刃口（沖裁線）內外的材料利用齒圈力和反壓力壓緊；
c）用沖裁力PS沖裁材料，壓緊力PR和PG全過程有效壓緊；
d）滑塊行程結束，沖件在凹模內，內孔廢料沖入落料凸模中；
e）齒圈力PR和反壓力PG卸載，模具開啟；
f）在施加齒圈力的位置，此時作用為：頂出內孔廢料和卸載衝壓搭邊的卸料力PRA；
g）在施加反壓力的位置，此時作用為：從凹模中頂沖件的頂件力PGA。材料開始送進；
h）吹卸或清除精沖件和內孔廢料。材料送進完成。

PR—齒圈力 PG—反壓力 PS—沖裁力 PRA—卸料力 PGA—頂件力

1—壓板 2—凹模 3—沖裁（落料）凸模 4—頂件器 5—精沖材料 6—精沖零件 7—沖內孔廢料

第二講精沖零件

1.精沖零件的工藝性
　　精沖零件的工藝性，主要指保證零件的技術和使用要求，並在一定的批生產條件下，在製造上應最簡單、最經濟。而影響它的主要因素有：

（1）零件結構的工藝性；
（2）零件尺寸公差和形位元公差；
（3）材料性能和厚度；
（4）沖裁面品質；
（5）模具設計、製造品質及壽命；
（6）精沖機的選擇等。
　　精沖零件結構的工藝性，是指構成零件幾何形狀的結構單元，它包括：最小圓角半徑、孔徑、壁厚、環寬、槽寬、沖齒模數等的確定尤為重要。

圖1所示，可供選擇精沖零件結構參數的極限值。它們都小於普沖零件。這是由精沖原理決定的。然而，合理的零件結構參數，有利於提高產品品質，降低生產成本。

2.精沖零件的難度等級
　　根據零件幾何形狀及其結構單元，在圖1各圖中劃分為S1、S2和S3三級。
　　S1—簡單的，適於精沖材料抗剪強度Ks=700N/mm2
　　S2—中等的，適於精沖材料抗剪強度Ks=530N/mm2
　　S3—複雜的，適於精沖材料抗剪強度Ks=430N/mm2

　　在S3以下的範圍，不適宜精沖，或者要採用特別措施。使用S3的範圍時，其條件是沖裁元件要用高速鋼製造，且精沖材料抗拉強度δb≤600 N/mm2（抗剪強度Ks≤430N/mm2）。
　　例：圖1中開關凸輪，材料為C15（球化），Ks=420N/mm2，確定其難度等級。

　　·孔徑 d＝4.1mm S1
　　·搭邊 b＝3.5mm S3
　　·齒模數 m＝2.25mm S2
　　·圓角半徑 Ra＝0.75mm S1/S2
　　此零件最大難度是搭邊b，故總難度為S3，可以精沖。

3.精沖零件的技術要求

3.1 尺寸公差
　　精沖零件的尺寸公差，取決於：零件形狀、模具製造品質、材料厚度及性能、潤滑劑和壓力機調整等因素。可由表1中選取。

3.2 平面度公差
　　精沖零件的平面度是指零件平面的撓度（見圖2），其值為：f＝h－s

　　由於精沖材料是在壓緊狀態下進行的，故精沖件具有較好的平面度。而這種平面度隨零件尺寸、形狀、材料厚度及機械性能等不同而有所差別。

　　一般來說，厚料比薄料零件平直；低強度材料比高強度材料平直；壓邊力大比壓邊力小的平直。在凸模側的材料表面總是中凹的，凹模側總是中凸的。但如果零件還需要壓印、壓痕、切口、彎形等工序或用連續模沖裁，由於在零件上產生局部的變形或沖裁方向不同，致使平面度有較大的波動範圍。但無論如何，精沖件總是要比普通衝壓件的平面度好的多。圖3是在100mm距離上測定的一般直線度。

圖1 精沖零件幾何單元及難度等級
A—孔徑；B—槽寬、搭邊；C—齒模數；D—圓角半徑。

料厚S mm	抗拉強度600N/mm2
	內形J	外形A	孔距X
	ISO公差等級
0.5～1	6～7	7	7
1～2	7	7	7
2～3	7	7	7
3～4	7	8	7
4～5	7～8	8	8
5～6.3	8	9	8
6.3～8	8～9	9	8
8～10	9～10	10	8
10～12.5	9～10	10	9
12.5～16	10～11	10	9

3.3 垂直度公差
　　精沖零件的沖裁面與基面成一定的角度公差（倒錐），謂之不垂直度。它與料厚及其性能、沖裁刃口狀態、模具剛度、壓力機的調整等有關。一般料厚為1mm時，不垂直度為0.0026mm，若料厚為10mm，則毛刺側比塌角大0.052mm。圖4為料厚與不垂直度的關係。

圖4 料厚與X值的關係

3.4 沖裁面品質
　　沖裁面是精沖零件品質高低的主要標誌。它與材料種類、性能、金相組織、模具品質和刃口狀況、潤滑劑及壓力機調整等因素有關。沖裁面的結構組成包括：光潔面、撕裂面、塌角面和毛刺面。沖裁面狀況的表示方法和意義如圖5所示，其品質特徵表現為三個方面。

圖5 沖裁面的表示方法

　　圖中：S—材料厚度；h—斷裂時，最小光潔面部分占材料厚度S的百分比（％）；l—魚鱗狀斷裂時，最小光潔面部分占材料厚度S的百分比（％）；b—最大允許的魚鱗狀斷裂寬度，b的總和不大於相關輪廓的10％；t—允許的斷裂深度為1.5％S；e—毛刺高度（mm）；c—塌角寬度為30％S（最大）；d—塌角深度為20％S（最大）（齒形件時為30％S）；E—撕裂帶的最大寬度。

（1）沖裁面粗糙度
　　沖裁面的光潔程度，在沖裁方向和沿周邊便於不同位置是有差別的。即塌角側優於毛刺側。

　　沖裁面的粗糙度用算術平均值Ra表示。其值一般Ra＝0.2～3.6，共分為六個等級（見表2），測量方向——垂直於沖裁方向；測量位置——在沖裁面的中部（見圖6a）。沖裁面的粗糙度與材料抗拉強度的關係如圖6b所示。

表2 沖裁面粗糙度

粗糙度等級	1	2	3	4	5	6
Ra（μm）	0.2	0.4	0.6(0.8)	2.4	3.4	3.8(3.6)
代號	N4	N5	N6	N7		N8

圖6 沖裁面粗糙度與抗拉強度的關係

（2）沖裁面完好率
　　　精沖零件沖裁面完好率分為五個等級（見表3）。

沖裁面完好率

100%S

90%S

75%S

50%S

100%S

90%S

75%S

（3）沖裁面撕裂等級
　　　精沖零件沖裁面撕裂等級分為四個級別（見表4）。

表4 沖裁面撕裂等級

圖7 沖裁面長度表示實例

例中，沖裁面粗糙度Ra＝2.4μm；完好率h＝90％S；l＝75％S；撕裂級別為2。

圖8 求塌角值tE和bE

4.精沖零件的塌角
　　塌角系指精沖零件內、外廓平面與光潔面交界處的不規則外凸曲線的下陷塑性變形（見圖8）。塌角的大小與料厚、材質、零件形狀、反壓力及齒圈高度等有關。
　　塌角的計算方法可參看圖8選取。一般tE≈（5～10）S，bE≈（5～10）tE。

5.精沖零件的毛刺
　　毛刺系指精沖零件沖裁面端部上的不規則突起。其大小與材料種類、間隙、模具刃口狀況、凸模進入凹模深度及沖裁次數等有關。

　　精沖時產生的毛刺，不是切削毛刺而是擠壓毛刺。判斷毛刺的大小，不僅是毛刺高度，而且還有毛刺根部的厚度。
　　根據VDI3345標準，當模具刃口鋒利時，只產生薄毛刺，e＝0.01～0.08mm；當模具刃口變鈍時，產生厚毛刺，e＝0.1～0.3mm（見圖9）。

圖9 精沖毛刺高度

6.1 尺寸公差
　　因為精沖是一個流動—剪切過程，在精沖時，沖裁凸模首先使金屬組織的晶體發生強烈的變形，而後分離。一定的精沖材料影響精沖零件的表面品質、尺寸精度和模具壽命。
　　對它的基本要求是：
　　（1）必須具有良好的可塑性和較大的變性能力
　　　　這主要是使剪切區材料的流動持續到剪切終結而無撕裂。
　　採用抗拉強度δb≤650 N/mm2，含碳量到0.35％的鋼，其精沖效果最好。
［1］材料的精沖性能
　　—抗拉強度
　　—屈服極限
　　—延伸率
　　—硬度
　　—滲碳體和碳化物（球化）變形程度
［2］材料的變形能力
　　—屈服極限低
　　—抗拉強度低
　　—斷裂延伸率高
　　—端面收縮率高
　　精沖材料具有較高的斷裂延伸率值和端面收縮率值就具有較高的變形性能。低的屈服極限值說明材料在較低的壓力作用下就開始流動。
　　精沖材料強度的適宜範圍，見圖10。圖中的含碳量是按當量含碳量計算，即

低碳鋼含碳量及低合金鋼當量含碳量（重量％）

圖10 合金含碳量與材料強度的關係

（2）必須具有良好的組織結構
　　精沖材料，對金相組織有較高的要求。同樣的材料，熱處理不同，其金相組織和延伸率亦不同，對精沖件的品質也有顯著的影響。如對含碳量大於0.35％的碳鋼、合金鋼來說，滲碳體（Fe3C）的形狀及其分佈對剪切表面光潔度有決定性的影響，其中以球化後（經球化退火）碳化物以細粒狀均勻分佈最為理想，而有片裝珠光體組織很難沖出光潔的剪切表面。圖11所示，系含碳量為0.45％的碳鋼，由於金相組織的不同，而得到不同的剪切表面品質。左邊是未處理前鐵素體－珠光體結構，右邊是經球化後的球狀滲碳體。

圖11 不同金相組織對剪切面的影響（C45）

（3）精沖時的冷作硬化
　　由於精沖是擠壓－剪切過程的複合，因而材料在剪切區內晶體組織產生了強烈的冷作變形。突出表現在冷作硬化區內材料的硬度比基體硬度有顯著的增大。為此，掌握精沖冷作硬化的變形規律，確定其冷作硬化的大小、形狀和深度以及對精沖件的實際作用，是非常必要的。
圖12所示，為普沖與精沖時材料的冷作硬化情況。

圖12 普沖與精沖時材料的冷作硬化

6.2 精沖材料的選擇
（1）選擇原則
　　從技術上要滿足精沖零件的功能要求，同時要考慮經濟性，以降低成本。它包括：供應類型和狀態、尺寸公差、表面品質和精沖難度。
（2）材料品種
　　黑色金屬，包括：軟鋼（C≤0.13％）；非合金鋼（0.12～1.0％C）
　　合金鋼（0.15～0.20％C）不銹鋼（C≤0.15％）
　　細晶粒鋼（0.10～0.22％C）
　　有色金屬，包括：銅和銅合金；鋁和鋁合金。
（3）供應狀態
　　對於鋼材要求：
　　a. 供應類型：熱軋帶鋼、冷軋帶鋼、扁鋼，但狀態各不一樣，有退火、軟化退火、球化退火等。
　　b. 尺寸大小：按設計模具確定。
　　c. 厚度公差：要與零件相符。
　　d. 表面品質：不同的軋製方法得到不同的表面品質，為酸洗的、噴砂的、酸洗平整的、冷軋的等。
　　e. 金相組織：根據產品零件要求，分為三級：
　　FSGⅠ：具有最大的抗拉強度，對金相組織無要求；
　　FSGⅡ：經退火處理，材料C＞0.15％，約含80～90％球狀滲碳體；
　　FSGⅢ：經軟化退火，材料C＞0.15％，約含100％球狀滲碳體。
　　對有色金屬銅、鋁及其合金均有化學成分及軋製狀態要求。

6.3 精沖材料的精沖性評價
　　精沖材料的精沖性評價及材料的選擇，可參看表5。

表5 鋼材的精沖性

鋼號					可沖厚度最大（mm）	精沖性評價
中國（YB）	美國（AISI）	德國（DIN）	日本(JIS）	蘇聯（гOCT）	可沖厚度最大（mm）	精沖性評價
08	1008				15	1
10	1010	C10	S10C	10號鋼	15	1
15	1015	C15	S15C	15號鋼	12	1
20	1020	C22	S20C	20號鋼	10	1
25	1025		S25C	25號鋼	10	1
30	1030		S30C	30號鋼	10	1
35	1035	C35	S35C	35號鋼	8	2
40	1040		S40C	40號鋼	7	2
45	1045	C45	S45C	45號鋼	7	2
50	1050	CK53	S50C	50號鋼	6	2
55	1055	Cf56	S55C	55號鋼	6	2
60	1060	C60	SWRH4B	60號鋼	5	2
	1064	CK60	S58C		6
65	1065	CK67	SUP2	65號鋼	3
70	1070				3	2
						3
	1074	C75			3
T8A	W1-0.8C	C85W2	SKU3	Y8A	3
T10A					3	3
15Mn/16Mn					8	3
15CrMn		16MnCr5		15XГ	5	2
		14Ni6			8	2
		14NiCr10	SNC21H		7
	E3316	14NiCr14	SNC22H		7
		14NiCr18			7
		15CrNi6			6
		18CrNi8			5
	4317	17CrNiMo6			5
15Cr		15Cr3	SCr21	15X	5	2

（續表）

鋼號					可沖厚度最大（mm）	精沖性評價
中國（YB）	美國（AISI）	德國（DIN）	日本JIS）	蘇聯（гOCT）	可沖厚度最大（mm）	精沖性評價
		15CrMo5			4
20CrMo	4118	20CrMo5	SCM22	20XM	4	2
20CrMo		20MnCr5			4.5	2
20MnMo					8	2
42Mn2V		42MnV7			6	2
GCr15	E52100	100Cr6	SUJZ	ⅢX15	6	3
0Cr13	410	X7Cr13
1Cr13	403	X10Cr13	SUS21	1X13
4Cr13		X40Cr13		4X13
Cr17	430	X8Cr17	SUS24	X17
0Cr18Ni9	304	X5CrNi189	SUS27	0X18H9
1Cr18Ni9	302	X12CrNi188	SUS40	1X18H9
1Cr18Ni9Ti	321	X10CrNiTi189	SUS29	1X18H9T
	304L	X2CrNi189	SUS28CP
		X8CrNi1212
	301	X12CrNi177	SUS39CP
		X2NiCr1816

注：1.很好——理想的精沖材料，沖裁面光潔度高，模具壽命長。
　　2.良好——適宜的精沖材料，沖裁面光潔度號，模具壽命正常。
　　3.尚可——勉強的精沖材料，用於形狀複雜的零件時，沖裁面撕裂，模具壽命短。