空調閥板沖壓毛刺優化解決方案

韓耀東，韓明彥

（武漢中人瑞眾汽車零部件產業有限公司，湖北武漢 430073）

1 引言

空調是人們日常生活中常用的電器產品，廣泛應用在汽車、設備、工廠、辦公室、家庭等多種環境中，空調閥板是空調壓縮機的一個重要零部件，吸氣閥片和排氣閥片分別緊貼在閥板的兩個平面上，作為兩個單向閥，在壓縮機運行吸氣過程中，打開吸氣閥片同時要求排氣閥片與閥板密封良好，無泄漏，壓縮機排氣過程中；打開排氣閥片同時要求吸氣閥片與閥板密封良好，無泄漏，因此閥板密封性直接影響壓縮機的質量和工作效率。閥板的形狀有很多種，但其功能基本是一致的，其材料為SPHD，厚度3mm。具體形狀如圖1所示。

圖1 閥板圖片

閥板的制造工藝一般是：沖壓（沖裁）、機加、雙面磨削或研磨、去毛刺、清洗上油、表面處理等工序組成。閥板的平面度要求高，表面質量要求要好，內孔、外形都不允許有沖壓的斷裂帶和毛刺的存在，這就給沖壓工藝提出了一個難題。

普通沖裁的斷面一般分為4 個帶（圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺帶），其中毛刺問題比較麻煩，而且很難避免。判斷一個沖裁件好壞，首先是看毛刺的大小，我們總是希望沖裁件斷面的塌角帶盡可能的小。 但是，普通沖裁的毛刺是不可避免的，只能用一些其它的工藝方法去盡可能的減少毛刺。現從沖裁的理論和實踐入手，分析沖壓毛刺產生原理及其優化解決方案。

2 沖裁基本原理

2.1 沖裁斷面結構

普通沖裁件的斷面狀況如圖2 所示，通常分為四個區域：A為圓角區，即塌角；B為光亮區，表面光滑，表面質量最好；C為斷裂區，表面粗糙并略帶斜度；D為毛刺區。需要特別指出的是，在沖裁分離的時候，沖壓材料會被逐漸拉長并最終斷裂，從而產生一圈毛刺，這是普通沖裁的必然產物，不可能避免，但可以優化。

圖2 沖裁件剪切斷面

2.2 沖裁間隙的影響

（1）沖裁間隙是沖裁的重要參數指標，它與沖裁斷面的質量狀況直接相關。沖裁間隙的選擇依據是：

沖裁間隙，應使上、下裂紋延伸在材料的中心部位附近匯合，根據這一原則所確定的間隙值稱為理論間隙值。沖裁件如果沒有毛刺當然是最理想的狀況，但其前提條件是凸、凹模刃口產生的上、下裂紋完全重合，這一點在實際工作中很難做到。實際工程應用中，間隙的選擇往往是以實用為前提。

（2）間隙對沖裁件斷面的影響。

a.間隙過小，上、下 裂紋不能相遇重合，板料將被第二次剪切，斷面會產生2個光亮帶，并造成夾層，毛刺被拉長。

b.間隙合理，上、下表面產生的初始裂紋能相遇重合，光亮帶較大，塌角、斷裂帶、毛刺都較小，斷面錐度也比較小。

c.間隙過大，上、下裂紋也不能相遇重合，拉應力會增大，材料容易產生裂紋，使塑性變形較早結束，光亮帶變窄，斷裂帶、塌角增大，毛刺相對較大，斷面錐度也較大。具體情況如圖3所示。

3 沖裁毛刺的定義、特性及危害

毛刺是指金屬件表面出現余屑和表面極細小的顯微金屬顆粒。對沖壓件而言，由于凸凹模間隙的存在，材料被拉斷時在分離方向超出板料厚度的毛邊部分通常被稱為毛刺。毛刺越多，其質量狀態越差。沖裁件毛刺的高度是指裂紋產生點和刃尖的距離，毛刺高度詳見圖3中的尺寸d所示。

圖3 間隙對沖裁件斷面的影響

毛刺有很多危害，它不僅易劃傷操作人員、或引起后工序開裂；毛刺或脫落的毛屑，對機械或電器都有不良影響。毛刺的危害主要表現在如下幾個方面：

（1）影響制件的加工精度和后續裝配精度、影響操作安全（易劃傷操作工）、外觀質量和性能。

（2）因存在應力集中的現象，還會使后面的變形工序容易開裂。

（3）影響后續工序毛坯的分張。

（4）影響焊接鋼板的貼合，易焊穿，焊不牢，鉚接間隙或引起鉚裂。

（5）毛刺部位極易被腐蝕。

（6）毛刺還會影響機械系統的正常運行，產生運轉噪聲、震動、滑動表面過早磨損、機構卡死，動作失靈等故障隱患；電氣系統造成回路短路或使磁場受到破壞；變壓器鐵損、液壓滑閥卡死、塞堵回路或濾網；使可靠性、穩定性降低。

4 影響沖裁毛刺的因素

影響沖壓件產生毛刺的因素有很多，總結一下，可以從以下幾個方面考慮：

（1）沖壓件設計問題：如沖壓件有尺寸太小、形狀復雜、有凸出或凹入的尖角，容易因模具磨損過快而產生毛刺。

（2）原材料問題：普通沖裁時，材料性能對沖壓件毛刺的影響，材料抗拉強度越小，毛刺越大；軟材料比硬材料的毛刺大。塑性好的材料毛刺大，硬而脆的金屬板材毛刺小。可見普通沖裁選擇塑性低的材料對毛刺有利。精密沖裁則不然，塑性好的材料毛刺較小，一般以鐵素體為主要成分的碳素鋼為最好的精沖材料；含碳量較高的材料只有通過熱處理，使滲碳體呈球狀小顆粒均勻分布于鐵素體中，精沖后毛刺才小；2Cr15Ni9Ti在沖裁前進行熱處理也可得到令人滿意的剪切斷面；H62等黃銅、紫銅材料，如在軟化狀態或經退火處理，精沖效果也不錯。

（3）潤滑問題：潤滑油對毛刺高度的影響很大。良好的潤滑條件（包括模具和材料部分）、清潔、干凈的作業環境，可緩解材料與模具刃口之間的磨擦,防止沖裁變形所引起的溫升，可以減小毛刺的產生，并提高模具的使用壽命。

（4）設備問題：設備精度、速度對毛刺有影響，機床精度越差，毛刺越大；另一方面，沖壓速度慢時，光亮帶高度降低，毛刺高度增加。沖壓加工速度快，摩擦阻力小，毛刺小，速度快對沖壓有利。 但沖壓速度如果太快，模具會發熱，凸模容易磨損或斷裂，同樣也不利。

（5）沖壓工藝問題：毛刺的大小，與沖壓工藝有很大關系。沖壓工藝設計合理，對模具結構有利，沖裁力分布均勻對稱，有利于制件克服反作用力，對毛刺有抑制作用，反之毛刺會變大。

（6）模具設計及精度問題：模具結構、模具的剛性和強度、導向精度、模具材料的選用，沖裁間隙的選擇等都與毛刺有密切關系。模具材料選擇耐磨性好、硬度高的材料，可以減小模具的磨損程度。沖裁件毛刺的大小與刃口間隙有直接關系，其次是壓料裝置等。模具的制造精度越高，對減小毛刺越有利。

（7）模具的正確使用與保養問題：正確選擇合適的設備、保持機臺和模具清潔，正確安裝模具、調整模具，沖壓操作需要有嚴格的規范性，與控制毛刺有密切關系。此外還要定期做好模具保養工作防止模具刃口變鈍，使模具始終處于良好工作狀態。

不難看出，只有設計者與加工者密切配合，對以上諸多因素采取相應的控制措施，才可能有效地減少毛刺，把毛刺消滅在萌芽狀態，減少不必要的去毛刺費用，才是我們研究的目的。

5 減小沖裁毛刺的解決方案

（1）改善制件結構：制件設計中，盡量避免尺寸太小或有局部凸出、凹陷的尖角沖壓件形狀，消除毛刺產生的條件，來減少毛刺的發生。或制件通過卷邊等形狀，消除毛刺外露的影響。在制件設計中，設計者首先要知道制件的哪些部位易出現毛刺、哪些部位的毛刺不易去除、哪些部位不允許有毛刺。

（2）優化原材料。對普通沖裁，盡可能選擇塑性稍差、材質硬的材料；對精密沖裁，選擇軟材料比硬材料的毛刺要相應減小。

（3）改善沖裁的潤滑條件、優化沖壓周邊的作業環境。

（4）選擇精度比較高的設備，另外沖裁速度對毛刺的影響也比較明顯，沖壓速度過高或過低，都會引起毛刺增大。因而在設備狀況及生產條件允許的情況下，應選用相對高速的高精度沖床。

（5）優化沖壓工藝。常規沖壓工藝制定時，需要考慮毛刺對制件的影響程度，包括毛刺的正反面；考慮模具沖裁力的對稱性，避免偏載；原材料沖裁時沖壓件的搭邊強度是否能克服沖裁的脹力，確保在沖裁過程中保持材料不發生位移（如材料在沖裁過程中強度不夠發生脹形時，毛刺增大）；沖壓件局部的細小部分是否能用沖孔的方式實現，防止沖裁時毛刺過大；確定合適的搭邊值，增加壓料力防止沖壓件尺寸太小時發生沖裁材料扭轉等問題，都有利于控制毛刺。關鍵毛刺是否考慮后序模內壓平，或者制定整修、精沖、負間隙沖裁等多種工藝方案優化毛刺問題。制定工藝時還要考慮模具設計的便利性、可操作性、模具強度、剛度及結構的可行性、合理性。

（6）優化模具設計及制造精度。模具的結構設計要考慮合理性，尤其是工作部分強度、剛度、沖壓力和側向力平衡。還有盡可能的采用正沖，少用斜面沖裁和側沖；模具設計時選用間隙合理（控制沖壓毛刺的措施主要是沖裁間隙的選取），模具材料的硬度及耐磨性、導向的選擇及精度的選用、是否采用壓料板等等，都非常重要。提高刃口鑲塊的硬度，可以從材料和熱處理、表面處理（如：鍍覆層如TiC）幾方面入手。提高模具制造精度，降低表面粗糙度，可以減少毛刺。

（7）正確使用和加強保養模具。選擇的設備最好是與模具相匹配的，沖裁力及設備的剛性、強度、速度符合沖裁需要；正確安裝模具、調整合理的模具高度，保持模具正常的工作狀態，嚴格操作規程。

模具應該經常保養，保持刃口鋒利。一般情況下，當刃口鋒利時，產生薄毛刺0.01~0.08mm，當刃口變鈍時，產生厚毛刺0.1~0.3mm，大于0.3mm，要刃磨，所有的模具都需要定期維護保養。

以上方案雖然可以大大減少毛刺，但它并不能完全消除毛刺。毛刺雖小，但卻是直接影響到制件的質量。隨著各行業對毛刺問題的重視，近年來去毛刺的要求有增無減，去毛刺的方法也層出不窮。

6 原始生產工藝

閥板最初的生產工藝是普通沖壓、整修、去毛刺、倒棱、雙面磨削，清洗上油，效率低，一致性不好。為提高沖裁斷面質量，進行了沖裁間隙、模具的結構、強度和剛性、模具材料、板料潤滑、設備精度等系列改善，但普通沖裁的斷裂帶和毛刺還是沒辦法避免。

解決斷裂帶的辦法主要是通過整修或多次整修實現（產生小、薄毛刺）；解決毛刺的問題，現階段只是減小毛刺。雖然解決毛刺問題的最直接、最簡單的辦法是增加去毛刺工序，但去毛刺卻是一個既費事又不增值的過程。常用的去毛刺方法有非沖壓法去毛刺和沖壓法去毛刺兩大類。

對于閥板沖壓件的特殊性，首先考慮了沖壓法去毛刺。

（1）整修法。采用0.006~0.01m 的單邊間隙或負間隙，切除帶毛刺的不光潔面。

（2）擠光法。采用錐形凹模擠光剪切面，去掉毛制，錐形凹模擠光余量單邊小于0.04~0.06mm，適于軟金屬材料，但這2種方式，效率較低，而且容易掉渣，沖壓件會產生壓印痕和極小的毛刺殘留。如圖4所示，閥板沖壓件的生產不適用。

圖4 壓整修法和擠光法去毛刺

（3）精密沖裁。如果對斷面質量要求很高，可以采用精沖模具，在三向壓應力的情況下精密沖裁，制件的塌角和毛刺都比較小，斷面光滑無斷裂痕，但這勢必增加成本。對閥板制件而言，還是需要去毛刺。

（4）模內壓毛刺法。一般情況下，沖裁件只是一個方向有毛刺的，要消除毛刺的話，可以利用模具壓毛刺邊緣的工序。比如部分孔內毛刺的去除, 模具內安裝有去毛刺小凸模鐓壓毛刺，小凸模帶有圓角，在沖壓的同時對已經沖壓的孔進行鐓壓毛刺工作。還有沖裁的邊緣可以考慮鐓極小圓角的方式實現壓邊緣毛刺倒角，達到去毛刺的效果。如圖5所示。

圖5 壓毛刺模具示意圖

這種方式去毛刺可以和其它沖壓工序合并進行，效果較好。但是這個制件的工作環境不允許有毛刺的存在，即便是將毛刺壓入材料基體內，外表沒有毛刺，但在使用過程中，被壓入的毛刺仍然會有脫落的可能性，掉入壓縮機中，所以，此方案不可取。

為此，在生產的過程中安排的工序是先去毛刺，再模內倒棱，為后續的雙面磨做好準備（如果沒有倒棱，雙面磨時仍然會產生尖點毛刺），最后再進行雙面磨削，這種方式的效果較好。

非沖壓手段去毛刺的方法很多，主要包括：手工去毛刺、機械手去毛刺、自動去毛刺機去毛刺、砂帶機或磨床去毛刺、拋光去毛刺、振動去毛刺、研磨刷去毛刺、滾動去毛刺機去毛刺、化學去毛刺、電解去毛刺、超聲波去毛刺、高壓水噴射去毛刺、熱爆炸去毛刺、冷凍修邊去毛刺、磁力去毛刺、液體拋光（是利用由小噴管噴出的混有磨料粒子的高速拋光液作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞、剪切作用去除毛刺）等工藝方法，均可取得較好的效果。從效率、成本、環保、沖壓件防變形、適用性等多方面考慮，閥板采用的是超聲波去毛刺，這種方式，生產效率高，成本低，環保，沖壓件基本不變形。

7 改進后生產工藝

改進后，采用雙向沖壓法實現無毛刺。

7.1 雙面無毛刺負間隙沖裁加工方法

（1）首先，如圖6所示，進行半量沖裁，一般凸模比凹模略微大一點，這種情況稱為“負間隙”。凸模先將材料壓入凹模，材料在凹模單面形成塌角，此刻的凸模的壓入量非常重要，一般為板厚的75%以上。

圖6 半量沖裁的原理圖

（2）平壓工序，平壓工序的工作非常簡單，但其內容很特別，如圖7所示。經過自身對自身進行沖裁（虛擬凸模與虛擬凹模），生成塌角的過程，這是平壓工序的關鍵所在。

圖7 平壓工序的虛擬模型

（3）平壓后的狀況如圖8 所示，為了實現理想的平壓工序，半量沖裁工序的壓入量非常關鍵，過淺則無法形成虛擬凸模和凹模，過深則在進行平壓前就會被沖斷，選擇負空隙的目的是為了避免在平壓工序中沖壓件與廢料嵌合。

圖8 平壓后的狀況

（4）分離后的形狀如圖9所示，沖裁制件的外形尺寸與半量沖裁工序的凸模尺寸基本一致，與一般的落料沖裁有所不同（一般沖裁時落料尺寸與凹模一致）。

圖9 分離后的沖壓件形狀

這種方式生產的沖壓件，斷面正反面都是圓角帶，沒有毛刺存在，但是斷面的中間有斷裂帶存在，需要振動去毛刺機對斷面進行振動磨削，達到光滑的斷面效果，再進行雙面磨，完成閥板的生產過程。

7.2 復合模加工

可以實現雙面無毛刺的功能，如圖10所示。

圖10 復合模結構

圖10中推料板3、卸料板6 的材料采用與凹模一樣的材料淬火，具有凸凹模7的功能，生產時，推料板高出凹模面1/2的料厚，卸料板高出凸凹模1/2的料厚以上，只要推料板和卸料板的彈壓力量足夠大，模具在工作時，先是推料板與卸料板當作為凸、凹模使用，反向沖裁大約1/2料厚，這時卸料板與凹模接觸，反向沖裁工作停止，正向沖裁開始工作，直到沖裁工序完成，這種雙向沖裁方式可以實現沖壓件無毛刺，而且斷面也比較光滑，前提條件是材料比較薄的小間隙沖裁，正反沖裁的斷面差忽略不計。凹模和凸凹模的端面需要增加輔助退料裝置，把沖壓件和廢料退出。如果板料較厚，反向沖裁力超過了彈壓力、或者沖裁間隙較大此方案就不適用。這個閥板沖壓件的料厚為3mm，顯然是不能適用的。

7.3 雙向精沖模

雙向精沖模結構如圖11 所示，上、下模都采用凹模包含凸模的結構形式；上凸模安裝在上凹模型腔內，上凹模安裝在上模座上，下凸模安裝在下凹模型腔內，下凹模通過凹模固定板固定在下模座上，上凸模、下凸模依靠精沖壓力機傳遞的壓力在凹模內滑動（先向上，后向下），這樣沖壓出來的沖壓件雙面都是圓角帶，沒有毛刺帶，而且斷面的質量非常好，沒有斷裂痕，但設備成本和模具成本較高。

圖11 雙向精沖模結構

這種方式生產的閥板，其斷面光滑、沒有毛刺，兩面均是圓角帶，平面度好，沖壓件質量穩定，還可以完成局部壓凸臺的功能。如果平面要求較高，還是需要進行雙面磨削，達到密封性好的效果。

8 結束語

以上僅從技術工藝角度對閥板沖壓毛刺產生的原理和優化方案進行了論述，然而控制毛刺的產生也與生產管理和質量檢測等因素有關。毛刺的產生雖然不可避免，但可以通過各種手段對其進行控制，根據生產需要盡最大可能減小毛刺，盡量避免增加成本的額外去毛刺工序，從而提高制件的質量。現實生產中，去毛刺的方法很多, 僅靠上述方法中某一種，是不可能取得顯著成效的，應對各種具體情況進行綜合分析、比較，制定出經濟適用的有效方法。復雜沖壓件往往需要選擇一種或幾種去毛刺方法來綜合利用，在保證質量的前提下，盡量不增加成本，達到減少毛刺或去除毛刺的目的。降低成本是選擇去毛刺工藝的基本原則，需綜合考慮沖壓件技術要求、現有的生產條件、工人技術素質和操作習慣等。另外生產中還需要分析影響沖壓件毛刺的各個因素，抑制毛刺的產生，減小后續去除毛刺的難度。毛刺的優化和去除問題，一直是國內外各沖壓企業的難題，道路漫長，還需要各位有識之士的共同努力。