毛坯下料方法详解

选择毛坯的下料方法时，应考虑生产要求、所需设备的条件和成本、模具和维修费用、材料变为废屑的损耗、加工费用、所需工序（如去毛刺、校形和退火工艺等）次数以及其他因素。毛坯的尺寸、形状、材料、需要保持的精度和生产方法也是影响下料方法选择的重要因素。

冷挤压毛坯最常用的下料方法有锯切、车切、冲裁、剪切等。

1.锯切

一般来说，所有的材料均可锯切。直径较大的毛坯，锯切比剪切更为实用。此法又分为弓锯锯切、圆盘锯锯切和带锯锯切三种。圆盘锯锯切的优缺点是：尺寸精确，材料利用率和生产率都较低，所以过去只有在批量小、坯料直径较大时才采用。锯切后的毛坯边缘必须去除卷边毛刺和硬棱，并进行倒角或倒钝。

目前，带锯锯切获得较广泛的应用。带锯机如同数控机床一样获得迅速的发展和广泛的应用。美国Doall公司认为，金属带锯机已是与车床、铣床、刨床、钻床、镗床、磨床并肩媲美的第七种基本加工机床。现在国内外都已能生产一系列的半自动、全自动带锯机。锯切长度精度可达（±0.13～±0.25）mm，断面的表面粗糙度Ra为1.6～12.5μm，端面垂直度在锯切直径φ10mm的棒料时不超过0.2mm，端面平整，无弯曲、压塌等缺陷。

带锯锯切与圆盘锯锯切相比，下料的切口损失小，带锯锯口一般为0.65～1.5mm，仅为圆盘锯下料锯口的1/8～1/5。电能消耗小，大约仅为圆盘锯的1/6，成本低廉。国内某工厂采用带锯取代圆盘锯后，每年节约30%的锯切费用，费用仅占新的圆盘锯片和重磨圆盘锯片费用的50%。而且，生产率与圆盘锯的切割速度相当或略高，切割效率为45～260cm²/min。

另外，由于带锯锯切的断面比较平整，一般不需整形，可直接进行挤压。

2.车切

在车床上或装有普通车刀的多轴自动机上下料，一般是令人满意的。用这种方法可制出尺寸和重量相当准确的毛坯。一般来说，尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度Ra可达1.6～6.3μm，几何形状比较规则，端面平整光洁的毛坯，可以直接用于冷挤压加工。但是加工效率不及剪切和冲裁，而且材料利用率也比较低，一般只有70%～90%。因此，这种车切方法主要用于单件小批量生产及大直径扁平状的毛坯下料，或试制用毛坯的下料。

3.板料冲裁

只有在毛坯直径比其高度大很多倍的时候（至少应在3倍以上），冲裁下料才被认为是生产毛坯较为经济的方法。这种下料方法主要优点是生产率高，精度高，端面平整，不需要整平工序。但材料利用率较低，一般只有40%～60%。

切断面在挤压后变成了零件的表面，因此，要求其平整、光滑，表面粗糙度Ra在1.6μm以下。但是，冲裁是在拉应力作用下进行的，必将产生撕裂，破断面显得很粗糙。所以，一般冲裁件不仅表面粗糙度大，而且精度、垂直度、平整度也低，满足不了挤压工艺要求。为了获得理想的冲裁表面，可以采用极小的间隙，以抑制拉应力的发生，使冲裁变形区处于三向压应力状态。要获得这种应力状态，有如下四种光洁冲裁方法：①精密冲裁；②负间隙冲裁；③带椭圆角凹模的光洁冲裁；④带圆角凹模的光洁冲裁。从模具结构、采用设备及材料应用范围等方面衡量，最后一种方法和所用模具最为简单，冲裁质量也容易控制。

（1）精密冲裁（见图2-5a） 在强力齿圈压板2和反向压板5压住板料3的情况下进行，这样就可避免普通冲裁过程中由拉应力所产生的撕裂现象，从而大大改善冲裁条件，提高冲裁质量。精密冲裁时，凸模与凹模的间隙在0.005～0.01mm之间，凹模刃口带圆角。能冲出表面粗糙度Ra为0.1～0.2μm，精度达到IT7级的冲裁件。这种冲裁方法适用范围广，不但能冲较软的材料，而且也可冲低合金钢、不锈钢和高碳合金钢。但是，它必须有较大的压边力P₂和反顶力P₃，因此，精密冲裁必须在专用压力机或专用模具上进行。

（2）负间隙冲裁（见图2-5b） 这种冲裁方法实际上是冲裁的一种发展。凸模尺寸比凹模尺寸大0.1～0.2mm，冲裁时凸模不进入凹模，离凹模表面有0.1～0.2mm的距离（H）。凹模刃口有0.5～1.0mm圆角半径（R），凸模刃口锋利。由于凸模大于凹模，冲裁时造成局部三向压应力状态，因此，冲裁件表面粗糙度较低，Ra在0.8μm以下，精度达IT8级。这种冲裁方法只适用于有色金属及其合金。它的缺点是：除工件有圆角、翘曲和毛刺外，软金属件还将产生挤薄现象。

图2-5 光洁冲裁方法

a）精密冲裁 b）负间隙冲裁 c）带椭圆角凹模的光洁冲裁 d）带圆角凹模的光洁冲裁

1—冲裁凸模 2—齿圈压板 3—板料 4—冲裁凹模 5—反向压板

（3）带椭圆角与带圆角凹模的光洁冲裁（见图2-5c和图2-5d） 这两种冲裁方法的特点是间隙很小，通常双面间隙在0.02mm以内，而且间隙大小与被冲材料的厚度无关。凸模刃口锋利，凹模刃口带有圆角半径R=（0.4～0.6）t（t为板料厚度，mm），或椭圆角，其高度B=（1.0～1.5）t，在模口平面上的宽度A=（0.1～0.2）t。

由于间隙较小，能够最大限度地减少弯曲变形，并使拉应力数值减小，因此，在冲裁中，材料自始至终是塑性变形。再加上圆角半径对材料的径向挤压作用，可使冲裁时应力分散，从而避免在凹模刃口处产生集中剪应变，而使裂纹只发生在凸模锋利的刃口上。而且，产生的裂纹是向废料方向延伸，不影响切断面的质量和精度。冲裁时，由于材料是被均匀地挤入凹模孔内的，与此同时纤维被拉长，并在间隙中被压平，结果形成平滑且光洁的垂直剪切面，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

当然，影响冲裁过程和质量的重要因素是圆角的大小。圆角小时，切断面出现撕裂、多肉及连皮现象；圆角过小时，切断面的中间部位会出现明显凹进的粗糙环圈，冲挤后零件的外表面便会产生网裂，且影响电镀质量。

4.剪切

剪切是生产毛坯方法中最迅速和最经济的一种，常用来生产中小尺寸直径的毛坯。剪切时，几乎没有材料损耗，生产批量越大，剪切下料的优越性越高。但是，剪切的毛坯是偏心的，而且边缘变形，必须通过校形才能使毛坯形状规则，尺寸精确。

棒料剪切通常有热切和冷切之分。在室温状态下进行剪切，叫冷切；将棒料加热到一定温度后进行剪切，叫热切。

材料抗拉强度在600MPa以下，直径不大于φ40mm的各种低碳钢和中碳钢均可采用冷切。棒料直径在φ40mm以上时，为了提高剪切断面质量，降低剪切力，有时为了解决设备功率不足的问题，采用热切的方法。加热温度取决于材料性能和棒料直径。低碳钢通常预热到250～450°C，此时棒料表面呈现蓝色，脆性增强，故此种状态下的剪切称为蓝脆下料。剪切某些合金钢时，为了防止端面裂纹，也要预热到450～550°C。为了改善铝合金剪切断面的质量，通常加热到380～400°C，经空冷后再进行剪切。退火状态的铝合金棒材，可以不必加热而直接进行剪切。

剪切下料即可采用专用的棒料剪切机，也可以采用剪切模具在普通压力机上进行。剪切下料的方法有如下几种：

（1）一般剪切法 要得到理想的毛坯，有以下几个基本方面，在选择模具或设计剪切工艺时应予以考虑。

1）硬材料通常要比软材料好切。因此，棒料及其本身的特性是很重要的因素。毛坯有许多疵病。这些疵病有的能减少，有一些却消除不了。

2）毛坯的长度与直径之比应尽可能大，小于1∶1则很难剪切好。

3）棒料在剪切前本身的弯曲度，即使很微小，也会影响毛坯质量。

4）对于同样材料的毛坯，其剪切质量主要取决于剪切速度及模具间隙。剪切速度高，质量通常较好。

5）模具应刚硬，刃口锋利。

图2-6 开式剪切模具

1—活动切刀 2—固定切刀 3—棒料

一般剪切法是在开式模具内进行剪切，如图2-6所示半月牙形切刀，首先将棒料的端头压塌变形，因上下剪刃之间有一定的间隙，其上下应使上、下剪裂纹重合一线，所以棒料剪断面出现了明显倾斜，此时剪切面AB和棒料水平轴线成θ角，此角大于90°而小于97°。因此，此方法是不能满足冷挤压工艺要求的。

（2）全封闭剪切法 目前棒料下料一般是在压力机上使用全封闭剪切模，如图2-7所示。它安装在机械压力机上，依靠上压头7推动滑块8及活动剪口9向下运动，将棒料11剪断。剪切完毕后依靠斜块1、滑轮2将弹簧5压缩，待滑块运动至下死点，则通过打料销6将已剪切好的毛坯弹出，滑块依靠复位弹簧14回复到原始位置，开始下一次的送料，再次重复以上的动作。剪切后毛坯的外表质量与其工艺参数有关：剪切口平面的间隙为0.2～0.3mm，固定剪口12与棒料的间隙为0.1mm，活动剪口9与棒料的间隙为0.2mm。如果剪口之间的间隙过大，将使断口不平整，使断面倾斜；但间隙过小，则又会影响滑块8的复位。剪口与棒料之间的间隙应在保证送料畅通的前提下，尽量取较小的数值，若间隙过大，将会使剪坯塌头过大。

图2-7 全封闭剪切模

1—斜块 2—滑轮 3—定位螺钉 4—推簧阀 5—推料弹簧 6—打料销 7—上压头 8—滑块 9—活动剪口 10—毛坯 11—棒料 12—固定剪口 13—限位螺钉 14—复位弹簧

这种全封闭剪切方法的优点是生产率高，剪切速度为30～40次/min，材料利用率高，有时可达100%；缺点是毛坯形状不规则，如图2-8所示。毛坯的形状产生了歪扭：圆度误差x为0.5mm，端面平面度误差y为0.6mm，重量误差为1%左右。剪口9与12的材料为Cr12Mo模具钢，淬火后硬度为58HRC时，寿命约为30000件。若将刃口回火温度升高到500°C，提高其韧性，硬度为53～55HRC，在很大程度上可防止剪口崩裂，寿命可提高到40000件以上。

图2-8 剪切毛坯的歪扭

全封闭剪切模可尽量减小剪切毛坯的歪扭，使x值与y值减小到最小的程度。每班的生产率为8000～10000件。如果采用高转速压力机（115次/min），使送料机械化、自动化，则生产率还可进一步提高。生产实践指出，采用全封闭剪切模影响生产的关键问题是必须使用径向公差较为严格的钢材，否则棒料送进封闭的刃口就很不方便。

（3）半封闭剪切法 为了解决上述送料问题，可采用半封闭剪切法。这时固定模采用全封闭刃口，活动模采用半封闭刃口，如图2-9所示。这种模具可以使用粗公差的圆钢进行生产，使生产成本大大降低。剪切的质量虽然不及全封闭剪切法，但可以用平整端面的方法来解决。

对于端面与轴线不垂直的毛坯，在冷挤压过程中，会造成挤压凸模端面受偏心力，如图2-10所示。此时，很易使凸模折断。为了防止挤压凸模弯折，在挤压前应先将毛坯端面镦平。镦平工序常用的有两种：一种是用整形平板模在压力机上进行自由镦粗，如图2-11所示，这种方法对于长径比小的毛坯较为适宜。另一种是在专用的闭式整形模内进行预成形，如图2-12所示。该方法适用于长径比大的毛坯。

从以上分析可知，剪切模具间隙是最影响毛坯质量的参数。该参数的选择与被切材料的直径有关。为了要使剪切质量好，则模具相对间隙（即剪切模具之间的距离，用被剪材料直径的百分数表示）应为一常数。在剪切圆棒料时，虽然材料端面各点尺寸不一，但模具相对间隙应相同。因此，模具上可磨一个椭圆形，如图2-13所示。

图2-9 半封闭剪切模

1—挡块 2—活动切刀 3—固定切刀 4—棒料

图2-10 毛坯端面倾斜使凸模单面受力

图2-11 自由镦粗整形工序

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图2-12 闭式整形工序

图2-13 磨成椭圆形使间隙恒定的剪切模

实际上，为方便起见，也可以磨成斜面，如图2-14所示。在实际生产中，可以设计成图2-15的结构。通过增减C和δ值调节间隙。只要间隙合适，就会减小甚至消除剪切断面上的撕裂。一般来说，剪切硬材料时应比剪切软材料时的模具间隙大些。根据某厂资料，剪切深冲钢S15A时，δ=（0.03～0.04）d。另外，δ也可仅留于活动剪刃一侧，其值如图2-15所示。

剪切低碳钢时，容易产生撕裂，且变形较大。而剪切高碳钢时，质量较好，端面比较平整，变形也小。如果将低碳钢在剪切前进行径向的冷压缩（横截面可缩减10%），是一个较好的方法，因为这样一方面能提高棒料的表面硬度，提高剪切质量，另一方面使棒料与剪切模之间配合紧密。热轧钢棒也可以直接进行剪切，但在剪切前应进行去锈处理，以提高剪刃的使用寿命。

图2-14 磨成斜面的剪切模

δ—标准间隙的一半

图2-15 棒料剪切模

1—固定剪刃 2—活动剪刃 3—定位杆

注：D-d=0.1mm；l—下料长度；c=0.1～0.5mm；δ=（0.01～0.015）d（对软料）；δ=（0.015～0.025）d（对硬料）。

然而，为了使生产的毛坯质量稳定，变形量小，剪切面与轴线成直角，还可以对上述剪切模作进一步的改进，结构如图2-16所示。

在固定模和活动模上做出一后角δ，这样就可以减小毛坯的端部锻缩（见图2-8所示的x）。这种锻缩的产生是由于活动模和固定模内孔限制了剪断时的正常弯曲所引起的β角起了消除剪切圆周内对棒料的拘束作用。β值随材料的力学性能而定，材料越软，δ值越大。对低碳钢，δ值可取2°30′。同时把活动模的斜角α的起始点A移到中心轴线以下一定距离，这样可以减少剪切毛坯端面两侧的耳状毛刺。对15钢和20钢，A点可在剪刃轴线以下1.5mm处；对10钢以及更软的钢材，A点可在剪刃轴线以下1.5～3mm处。

为了提高剪切模具的使用寿命，可以设计用内外套的组合模具。材料均用模具钢，外套热处理后硬度为48～50HRC，内套硬度为59HRC。内套以每毫米0.004～0.005mm的过盈量配合安装在外套内。由于剪切时有振动，因此，镶套应有台阶，其结构如图2-17所示，否则在剪切时镶套可能移动，影响模具寿命。

图2-16 改进后的剪切模具

1—固定模 2—活动模

图2-17 具有台阶镶套的剪切模

1—固定模 2—活动模

（4）棒料剪切的新方法 从上述分析可知，采用一般的棒料剪切法，毛坯的端面不平整，从而影响了挤压件的质量。为了获得良好的端面质量和较高尺寸精度的毛坯，目前国内外已研制及应用了一些棒料剪切的新方法。

图2-18 施加轴向力的剪切法

1—活动刀片 2—棒料 3—固定刀片

1）施加轴向力的剪切法。这种方法的示意图如图2-18所示。该法的实质是在剪切区施加轴向压力，使剪切区材料处于很高的静水压力作用下，以改变剪切区的应力状态，增加材料的变形能力，从而提高剪切断面质量。剪切面质量的好坏与轴向压力的大小、间隙、剪切速度等因素有关。当间隙相同时，轴向压力越大，断面质量就越好；而当轴向压力相同时，间隙越小，剪切速度越高，断面质量就越好。

2）蓝脆剪切法。将钢棒料加热至蓝脆区的温度范围内进行剪切。这种剪切法只适用于具有蓝脆温度范围的钢材。蓝脆温度在350°C左右，蓝脆剪切模的结构类似于一般剪切模。如某厂对深冲钢S15A（直径为φ36mm）的冷拉圆棒进行蓝脆剪切。根据生产试验，确定温度范围在350～450°C之间（考虑经济性，选用350°C）。采用感应加热，生产率为27件/min，即棒料每分钟送进约2.2m（自动送进）。

3）高速剪切法。高速剪切所得毛坯断面平整。一般剪切时速度为0.3～0.5m/s，而高速剪切时剪切速度高达10m/s以上。关于提高剪切速度使剪切质量改善的原因尚待深入研究。目前有两种见解，一种认为金属材料在应变速度达到一定值后会变脆，从而提出了临界冲剪速度的概念，即材料有剪断到脆性断裂两种不同切断形式的速度界限。一般下料时是由塑性剪切变形过渡到脆性断裂的过程，断面质量不佳。我们希望塑性剪切变形延续到剪切全过程，或是一开始就产生脆性断裂。高速剪切就是利用速度因素达到脆断的目的。试验表明，低碳钢的临界冲切速度为10m/s左右。另一种认为高速下剪切质量的改善是由于足够的惯性，致使切断部分来不及弯曲就已断裂，并提出剪切长度不能太短，否则质量下降，因为同样速度下，剪切长度越短，惯性越小。

如国内某厂采用一套带有棒料夹紧装置的试验模具，在空气锤上进行模拟试验，剪切棒料质量很好，可以直接用来挤压。后来，试制了一台棒料精密剪切机。这台设备主要包括棒料自动送料装置、液压夹紧装置和高速动力头。动力头系利用压缩空气和汽油喷雾的混合气燃烧所产生的膨胀功，来高速推动锤头。剪切力为1000kN，速度为18m/s，可用于活塞销冷挤压毛坯的生产。

据报道，生产用的高速剪切机，冲剪速度为10～17m/s，生产率可达60～90件/min，重量公差可达0.13%。

4）约束剪切法。该方法的实质是约束棒料的轴向转动以使剪切区处于较高静水压的作用下，从而得到质量较高的剪切断面。

图2-19所示为一种利用剪切模侧面相互约束，使棒料在水平方向移动的同时，剪切许多面的剪切法。该方法的特点是：除Ⅰ面没有受到约束而呈现出与一般剪切法相似的剪断面以外，其余各面的剪断面质量均有所提高，而且还可以提高材料利用率。

图2-20所示为阶梯约束剪切法。它是利用一种具有剪切宽度与剪切面间距相同的剪刃，当剪切一段后，停止剪切，使棒料形成一段阶梯差h，然后再利用阶梯面来约束材料在轴向上的移动而进行剪切的。该方法由于能适当选择阶梯差h和能用阶梯刀具在加压状态下进行剪切，所以可使剪切面质量进一步提高。

图2-21所示为一种单靠施加在加压面上产生摩擦力来约束材料移动的剪切法，称为径向夹紧剪切法。该方法由于在剪切时施加相当大的压紧力，而且端面又受到约束，因此，可以改变剪切区的应力状态，从而提高剪断面质量。

图2-19 多面约束剪切法

1—挡板 2—活动刀片 3—棒料 4—固定刀片

图2-20 阶梯约束剪切法

1—挡板 2—活动刀片 3—夹紧刀片 4—棒料 5—固定刀片

图2-21 径向夹紧剪切法

1—挡板 2—活动刀片 3—夹紧压板 4—棒料 5—固定刀片

5）渐进剪切法。一般剪切时，剪切力仅作用在一个方向上，因而在棒料横断面及其圆周上产生单侧的不均匀的应力，其结果就在棒料横断面的一边出现不对称的变形。渐进剪切法就是克服变形不均匀、形状不对称的一种剪切方法，即将剪切刀沿着径向依次作用在棒料断面的整个圆周上（见图2-22），使剪切深度s沿截面周围均匀分布，最后材料便产生静断裂或疲劳断裂。由于材料应力和变形的均匀，剪切断面质量良好。这种方法不仅可以有效地剪切棒料，而且可以用于型材、空心型材（需用芯棒）的精密剪切。

渐进剪切法是一种运动方式，即活动系统x轴和y轴是平行移动的，但其位置的方向不变，如图2-22所示。这运动方式可以由一个或两个以上的偏心轴来完成。

6）预先倾斜剪切法。一般剪切法所得的切断面与刃口运动方向线并不一致，而成一定角度（与轴线不垂直）。为使断面垂直于轴线，可采用预先倾斜的剪切法（见图2-23）。预先倾斜的角度可与剪切的倾斜角相补偿，因而可以得到与轴线垂直的断面。棒料的预倾角与其材料的抗拉强度有关，可参见表2-10。

图2-22 渐进剪切法的工作过程

a）剪切力的作用 b）剪刀原始位置 c）、d）、e）、f）剪刀在剪切过程中的瞬时位置

P—剪切力 D—剪刀内径 D_r—剪刀中心回转圆周的直径 s—剪切深度 r—剪刀中心的回转半径

表2-10 预倾角

图2-23 预先倾斜剪切法