航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年　第4期　No.4




冲压工艺中的少无废料冲裁技术
Few_and Non_Scrap Blanking Technology for Stamping Process
黄春峰
　　［摘要］　叙述了冲压生产过程中运用“和合几何”理论，通过优化冲压件技术设计、补合、大小零件套裁、合理利用板材公差以及应用计算机辅助技术，实现少无废料冲裁。
　　关键词： 冲压　冲裁　少无废料排样
　　［ABSTRACT］　Based on the idea of “sister geometry", the few_and non_scrap blanking process can be achieved by the way of optimizing the design of stamped parts, blanking big and small parts in any way on sheet, and reasonably using sheet tolerance, applying CAD/CAM technology, etc..
　　Keywords: Stamping　Blanking　Few-and non-scrap stock layout
1　冲压件的工艺分析
1.1　冲裁排样优化对冲压件的工艺要求
　　采用少无废料冲裁工艺对冲压件的几何形状及结构设计有着特殊的要求。因此，首先要做好冲压件的结构工艺性和加工工艺性的分析，灵活地运用“和合几何”理论。在满足冲压件设计技术要求、冲压件对材质纤维方向无硬性规定的前提下，除了应遵循一般板料排样原则外，应最大限度地采用少无废料冲裁技术。
　　“和合几何”是少无废料冲裁的理论基础，运用“和合几何”理论，在基本和合图形的基础上，经过纯平移或旋转、纯对称滑移、平移加旋转对称滑移等步骤，就可实现少无废料冲裁。
　　应当注意的是，构成和合图形轮廓的任意图形是指连接两点之间任意形状的线。作为少无废料冲裁件，和合图形必须至少有一条与条料或卷料边缘重合的直线，或者冲压件上应有完全吻合的某两段轮廓，且吻合轮廓最好在冲压件相对的两边。在冲压件外形中某些直(曲)线轮廓处应尽量避免过渡圆弧、圆角，采用清角较好，见表1中的1＃件。有凸凹状的冲压件外形，若其轮廓能够互补，在设计或进行结构工艺性分析时，还可考虑与其他冲压件互补，实施不同零件的混合套裁，也可取得少无废料冲裁的效果。
1.2　少无废料冲裁的局限性
　　与常规冲裁相比，少无废料冲裁的局限性在于：常规冲裁件的轮廓呈封闭状态，故可获得较高的尺寸精度；而少无废料冲裁由于同时冲裁的轮廓呈非封闭状态，所以冲压件没有同时处于冲裁的对边，其尺寸精度相对低些，一般比同时冲裁的对边或落料精度低IT2～IT3。值得注意的是，在应用少无废料冲裁技术时，条料和卷料宽度公差大多会直接影响冲压件的精度；在条料的所谓“汇合点”(即3个或更多冲压件相交的一点)，可能出现披锋毛刺；少无废料冲裁的单边冲裁，极易造成压力中心偏移；还由于大多数结构存在清角，加剧了残余应力的发展，这会影响模具的使用寿命，有时也会增加模具制造的难度。因此，应该综合地权衡少无废料冲裁技术的利弊，避免盲目采用。
2　实现少无废料冲裁的途径
2.1　优化冲压件的技术设计
　　在对零件进行冲压工艺分析、选择工艺方案时，如有可能，就应优化冲压件的设计，适当更改零件外形，以便构成和合图形，实现零件与零件之间以及零件与毛坯之间毫无间隙的拼合，这样不仅能够提高材料的利用率，还能提高生产效率，减少冲模的加工难度。表1中2＃件所示的冲压零件，在使用过程中起作用的主要是有关孔的尺寸要素(孔径和孔位)，孔以外的金属只是起连接作用和提高强度，对零件的功能没有显著影响，这就为产品设计师与工艺师的合作提供了机会。如将冲压件外形稍加更改，便可实现少无废料冲裁。
　　如果冲裁件的外形不是完整的和合图形，则可以适当“补合”，将它拼凑成和合图形。产品稍加修改，即可实现少无废料冲裁，并简化了模具结构，见表1中的3＃件。
2.2　大小零件套裁
　　在实际生产中，因受板材规格的限制，一些零件在冲裁中产生较多的废料。在规模较大的冲压生产中，可以将两种或多种各项材料指标相近、产量协调的零件的毛坯在同一块板材上排样冲裁，从而减少、甚至消除冲裁废料，降低材料消耗。
表1　冲压件优化设计实例

　
编号优化方法原零件几何形状冲压件优化设计
1　用清角代替圆角
2更改外形
3补　合
4混合套裁

　　利用较大零件冲裁得到的边角余料、废料，生产较小零件而实施的大小零件混合套裁是冲压生产中开发利废、节约挖潜、提高经济效益的重要内容。这种方法直观、容易实现，且经济效益明显。但它要求大小零件各项指标(料厚、性能、表面状态)相近，因此受到限制。事实上，大多数小型冲压件料厚适当增大是不影响其使用性能的，可以利用料厚稍大的零件的废料生产；还有一些冲压件可以减薄后利用材料力学性能指标较高的零件的废料生产，从而在强度上得到弥补；对于减薄能够利废生产的零件，还可采取增加压筋、翻边、热表处理强化等工艺手段或叠加使用来增加其强度、刚度，以满足产品的使用要求。表1中4＃件所示的工艺方法，经过套裁可以得到3种不同的零件，实现无废料冲裁生产。
　　实现混合套裁的条件主要取决于零件的形状。因此，设计师在考虑某些较大的冲压件的工艺孔、减重孔时，应结合一些小型冲压件的外形尺寸来设计，为实现混合套裁创造条件。
2.3　合理利用板材公差
　　有些冲裁件的排样图在理论上是不容许的，但作为正式的工艺文件指导生产，经长期实践，并未出现尺寸不足的废、次品。这主要是工艺师凭经验在工艺设计和修改中合理地利用了板材的长宽尺寸公差。按有关标准规定，板材长度和宽度尺寸公差的上偏差为正，下偏差为零，存在可加以利用的余地。因此，根据板材供给的历史情况和零件毛坯尺寸精度的要求，在工艺设计时可以考虑适当利用板材的正公差，大大提高板材的利用率(图1)。

图1　合理利用板材公差
Fig.1　Putting sheet tolerance to rational use

　　利用板材公差特别适宜于符合下列条件的零件的冲裁：(1)毛坯尺寸允许负偏差；(2)板材规格尺寸偏差为零时，排样中各坯料能够获得最小极限尺寸。对于冲裁毛坯尺寸有特殊要求的零件，利用板材公差时要慎重，需对来料有充分把握；同时，这种工艺对模具的制造精度要求高，必然会增加模具的制造费用。
2.4　计算机辅助冲裁排样优化
　　电子计算机的高速运算能力、存储和图形处理功能的进步，为人工智能冲裁排样的优化创造了条件。据报道，国外早就采用了计算机辅助冲裁排样，甚至出现了计算机柔性制造系统，真正实现了少无废料冲裁，取得了很好的经济效益，材料利用率一般比人工排样提高20%左右。在我国，上海交通大学、清华大学等单位较早开展过这方面的研究，编制了相应的计算机程序投入实际使用。计算机辅助排样优化是一种很实用的计算机应用技术，对于大批量使用板材来制造产品的行业(如汽车、家用电器等)来说，比较容易获得明显的经济效益。
　　采用计算机辅助排样的首要工作是将零件毛坯外形用数字表示出来，便于计算机识别和运算；其次是运用求交计算和点阵判交等技术方法，确定最佳排样方案，即排样优化。其中点阵判定法由于避免了繁琐的数学计算，大大提高了求交效率，其运行速度约为常规方法的70倍左右。
2.5　其他工艺技术
　　在冲压工艺中，巧妙地利用工序的组合，可以实现少无废料冲裁，提高生产效率。如图2所示的冲裁-弯边模，将凹模口在进料一边倒角，冲裁同时折弯；在下次冲裁时，弯边起挡料作用，这样可以节省制造一套弯曲模的费用。因不需留搭边，实现了少无废料冲裁。

图2　冲裁-弯边模
Fig.2　Blanking_crimping die
　　各种新颖切割技术的进步，如激光切割、电子束切割、电火花切割和高压水切割，以及高性能模具材料、先进的表面强化技术的问世，使得采用较小缝隙(搭边)、实现少无废料冲裁的工艺技术有了更多的用武之地，并提高了制件的质量。
作者单位：　航空燃气涡轮研究院
