剪切原理及工艺优化技巧

剪切是冷作工应用的主要下料方法，它具有生产效率高、剪断面比较光洁、能切割板材及各种型材等优点。

1.剪切加工基础知识

剪切加工的方法很多，但其实质都是通过上、下剪刃对材料施加剪切力，使材料发生剪切变形，最后断裂分离。因此，为掌握剪切加工技术，就必须了解剪切加工中材料的变形和受力状况、剪切加工对剪刃几何形状的要求及剪切力的计算等基础知识。

冷作工在生产中使用较多是图3-42所示的斜口剪。这里仅对斜口剪的剪切过程、剪切受力、剪刃几何参数等加以分析，并介绍剪切力的计算方法。

剪切时，材料置于上、下剪刃之间，在剪切力的作用下，材料的变形和剪断过程如图3-43所示。

图3-42 斜口剪剪刃几何形状

γ_o—前角 α_o—后角 β_o—楔角 s—剪刃间隙 φ—剪刃斜角

在剪刃口开始与材料接触时，材料处于弹性变形阶段。当上剪刃继续下降时，剪刃对材料的压力增大，使材料发生局部的塑性弯曲和拉伸变形（特别是当剪刃间隙偏大时）。同时，剪刀的刃口也开始压入材料，形成塌角区和光亮的塑剪区，这时在剪刃附近金属的应力状态和变形是极不均匀的。随着剪刃压入深度的增加，在刃口处形成很大的应力和变形集中。当此变形达到材料极限变形程度时，材料出现微裂纹。随着剪裂现象的扩展，上、下刃口产生的剪裂缝重合，使材料最终分离。

图3-43 剪切过程

图3-44 剪断面状况

1—塌角 2—光亮带 3—剪裂带 4—毛刺

图3-44所示为材料剪断面，它具有明显的区域性特征，可以明显地分为塌角、光亮带、剪裂带和毛刺四个部分。塌角1的形成原因是当剪刃压入材料时，刃口附近的材料被牵连拉伸变形的结果；光亮带2由剪刃挤压切入材料时形成，表面光滑平整；剪裂带3则是在材料剪裂分离时形成，表面粗糙，略有斜度，不与板面垂直；而毛刺4是在出现微裂纹时产生的。

剪断面上的塌角、光亮带、剪裂带和毛刺四个部分在整个剪断面上的分布比例，随材料的性能、厚度、剪刃形状、剪刃间隙和剪切时的压料方式等剪切条件的不同而变化。

剪刃口锋利，剪刃容易挤压切入材料，有利于增大光亮带，而较大的剪刃前角r_o，可增加刃口的锋利程度。

剪刃间隙较大时，材料中的拉应力将增大，易于产生剪裂纹，塑性变形阶段较早结束，因此光亮带要小一些，而剪裂带、塌角和毛刺都比较大。反之，剪刃间隙较小时，材料中拉应力减小，裂纹的产生受到抑制，所以光亮带变大，而塌角、剪切带等均减小。然而，间隙过大或过小均将导致上、下两面的裂纹不能重合于一线。间隙过小时，剪断面出现潜裂纹和较大毛刺；间隙过大时，剪裂带、塌角、毛刺和斜度均增大，表面极粗糙。

若将材料压紧在下剪刃上，则可减小拉应力，从而增大光亮带。此外，材料的塑性好、厚度小，也可以使光亮带变大。

综合上面分析可以得出，增大光亮带，减少塌角、毛刺，进而提高剪断面质量的主要措施是：增加剪刀刃口锋利程度，剪刃间隙取合理间隙的最小值，并将材料压紧在下剪刃上等。

剪刃间隙s是为避免上、下剪刃碰撞，减小剪切力和改善剪断面质量的一个几何参数。合理的间隙值是一个尺寸范围，其上限值称为最大间隙，下限值称为最小间隙。剪刃合理间隙的确定，主要取决于被剪材料的性质和厚度，见表3-1。各种剪切设备，均附有很具体的间隙调整数据铭牌，可作为调整剪刃间隙的依据。

表3-1 剪刃合理间隙的范围

2.剪切设备

剪切机械的种类很多，冷作工较常用的有：龙门式斜口剪床、横入式斜口剪床、圆盘剪床、振动剪床和联合剪冲机床。

（1）龙门式斜口剪床 龙门式斜口剪床如图3-45所示，主要用于剪切直线切口。它操作简单，进料方便，剪切速度快，剪切材料变形小，剪断面精度高，所以在板料剪切中应用最为广泛。

（2）横入式斜口剪床 横入式斜口剪床如图3-46所示，主要用于剪切直线。剪切时，被剪材料可以由剪口横入，并能沿剪切方向移动，剪切可分段进行，剪切长度不受限制。与龙门式斜口剪床比较，它的剪刃斜角φ较大，故剪切变形大，而且操作较麻烦。一般情况下，用它剪切薄而宽的板料较好。

图3-45 龙门式斜口剪床

图3-46 横入式斜口剪床

（3）圆盘剪床 圆盘剪床的剪切部分由上、下两个滚刀组成。剪切时，上、下滚刀作同速反向转动，材料在两滚刀间边剪切、边输送，如图3-47a所示。冷作工常用的是滚刀斜置式圆盘剪床，如图3-47b所示。

圆盘剪床由于上、下剪刃重叠甚少，瞬时剪切长度极短，且板料转动基本不受限制，适用于剪切曲线，并能连续剪切。但被剪材料弯曲较大，边缘有毛刺，一般圆盘剪床只能剪切较薄的板料。

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图3-47 圆盘剪床

（4）振动剪床 振动剪床如图3-48所示，它的上、下刃板都是倾斜的，交角较大，剪切部分极短。工作时上刃板每分钟的往复运动可达数千次，呈振动状。

振动剪床可在板料上剪切各种曲线和内孔，但其刃口容易磨损，剪断面有毛刺，生产率低，而且只能剪切较薄的板料。

（5）联合剪冲机床 联合剪冲机床通常由斜口剪、型钢剪和小冲头组成，可以剪切钢板和各种型钢，并能进行小零件冲压和冲孔。

图3-48 振动剪床

1—床身 2—下剪刃 3—上剪刃 4—升降柄

3.剪切机械的类型和技术性能

剪切机械的操作者，应该具有对所用的剪切机械进行简单分析的能力，这有助于掌握、改进剪切工艺方法，正确维护、保养和使用剪切机械。可根据其结构形式初步判断剪切机械属于何种类型，再对其型号所表示的意义作详细了解。

剪床的型号表述剪床的类型、特性及基本工作参数等。例如，Q11—13×2500型龙门式剪板机，其型号所表示的含义为：

机床编号的国家标准，已作了数次改动，因此对于不同剪床型号所表示的含义，应根据剪床的出厂年代，查阅有关的国家标准。

各种类型的剪切设备，其技术性能参数通常制成铭牌镶在机身上，作为剪切加工的依据。在设备使用说明书上，也详细记载设备的技术性能。因此，只要参阅剪床铭牌或使用说明书，即可了解其技术性能。

4.剪切机械的工艺装备

为满足剪切工艺的需要，剪切机械通常设置一些简单的工艺装备。图3-49所示为一般龙门式斜口剪床的工艺装备情况。

压料板可防止剪切时板料的翻转和移动，以保证剪切质量。压料板由工作曲轴带动，在上剪刃与板料接触前压住板料，完成自动压料，也可利用手动偏心轮等达到压紧目的，而成为手动压料式。栅极是安全装置，用来防止手或其他物品进入剪口而发生事故。前挡板和后挡板在剪切时起定位作用。在剪切数量较多、尺寸相同的零件时，利用挡板定位剪切，可提高生产效率并能保证产品质量。在床面上，也可以安装定位挡板。

有些工厂结合本厂的具体情况，对自用剪床进行了设备改造，以提高自动化程度，如自动上、下料，自动送进、定位（对剪切线）、压紧等。

图3-49 龙门式斜口剪床的工艺装备

1—前挡板 2—床面 3—压料板 4—栅板 5—剪床滑块 6—上刀片 7—板料 8—后挡板 9—螺杆 10—床身 11—下刀片

5.剪切加工对钢材质量的影响

剪切是一种高效率切割金属的方法，切口比较光洁平整，但也有一定的缺点，钢材经过剪切加工，将引起力学性能和外部形状的某些变化，对钢材的使用性能造成一定的影响。主要表现在以下两个方面：

1）窄而长的条形材料，经剪切后将产生明显的弯曲和扭曲复合变形，剪后必须进行矫正。此外，如果剪刃间隙不合适，剪切断面粗糙并带有毛刺。

2）在剪切过程中，由于切口附近金属受剪力的作用而发生挤压、弯曲复合变形，由此而引起金属的硬度、屈服点提高，塑性下降，使材料变脆，这种现象称为冷作硬化。硬化区域的宽度与下列因素有关：

1）钢材的力学性能。钢材的塑性越好，则变形区域越大，硬化区域的宽度也越大；反之，材料的硬度越高，则硬化区域宽度越小。

2）钢板的厚度。钢板厚度越大则变形越大，硬化区域宽度也越大；反之，则越小。

3）剪刃间隙s。间隙越大，则材料受弯情况越严重，故硬化区域宽度越大。

4）剪刃斜角φ。剪刃斜角φ越大，当剪切同样厚度的钢板时，如果剪切力越小，则硬化区域宽度也越小。

5）剪刃的锋利程度。剪刃越钝，则剪切力越大，硬化区域宽度也增大。

6）压紧装置的位置与压紧力。当压紧装置越靠近剪刃，且压紧力越大时，材料就越不易变形，硬化区域宽度也就减少。

综上所述，由于剪切加工而引起钢材冷作硬化区域的宽度与多种因素有关，是综合作用的结果。当被剪钢板厚度小于25mm时，其硬化区域宽度一般在1.5～2.5mm范围内。

对于板边的冷作加工硬化现象，在制造重要结构或剪切后尚需冷冲压加工时，需经铣削、刨削或热处理，以消除硬化现象。