空调阀板冲压毛刺优化解决方案

韩耀东，韩明彦

（武汉中人瑞众汽车零部件产业有限公司，湖北武汉 430073）

1 引言

空调是人们日常生活中常用的电器产品，广泛应用在汽车、设备、工厂、办公室、家庭等多种环境中，空调阀板是空调压缩机的一个重要零部件，吸气阀片和排气阀片分别紧贴在阀板的两个平面上，作为两个单向阀，在压缩机运行吸气过程中，打开吸气阀片同时要求排气阀片与阀板密封良好，无泄漏，压缩机排气过程中；打开排气阀片同时要求吸气阀片与阀板密封良好，无泄漏，因此阀板密封性直接影响压缩机的质量和工作效率。阀板的形状有很多种，但其功能基本是一致的，其材料为SPHD，厚度3mm。具体形状如图1所示。

图1 阀板图片

阀板的制造工艺一般是：冲压（冲裁）、机加、双面磨削或研磨、去毛刺、清洗上油、表面处理等工序组成。阀板的平面度要求高，表面质量要求要好，内孔、外形都不允许有冲压的断裂带和毛刺的存在，这就给冲压工艺提出了一个难题。

普通冲裁的断面一般分为4 个带（圆角带、光亮带、断裂带和毛刺带），其中毛刺问题比较麻烦，而且很难避免。判断一个冲裁件好坏，首先是看毛刺的大小，我们总是希望冲裁件断面的塌角带尽可能的小。 但是，普通冲裁的毛刺是不可避免的，只能用一些其它的工艺方法去尽可能的减少毛刺。现从冲裁的理论和实践入手，分析冲压毛刺产生原理及其优化解决方案。

2 冲裁基本原理

2.1 冲裁断面结构

普通冲裁件的断面状况如图2 所示，通常分为四个区域：A为圆角区，即塌角；B为光亮区，表面光滑，表面质量最好；C为断裂区，表面粗糙并略带斜度；D为毛刺区。需要特别指出的是，在冲裁分离的时候，冲压材料会被逐渐拉长并最终断裂，从而产生一圈毛刺，这是普通冲裁的必然产物，不可能避免，但可以优化。

图2 冲裁件剪切断面

2.2 冲裁间隙的影响

（1）冲裁间隙是冲裁的重要参数指标，它与冲裁断面的质量状况直接相关。冲裁间隙的选择依据是：

冲裁间隙，应使上、下裂纹延伸在材料的中心部位附近汇合，根据这一原则所确定的间隙值称为理论间隙值。冲裁件如果没有毛刺当然是最理想的状况，但其前提条件是凸、凹模刃口产生的上、下裂纹完全重合，这一点在实际工作中很难做到。实际工程应用中，间隙的选择往往是以实用为前提。

（2）间隙对冲裁件断面的影响。

a.间隙过小，上、下 裂纹不能相遇重合，板料将被第二次剪切，断面会产生2个光亮带，并造成夹层，毛刺被拉长。

b.间隙合理，上、下表面产生的初始裂纹能相遇重合，光亮带较大，塌角、断裂带、毛刺都较小，断面锥度也比较小。

c.间隙过大，上、下裂纹也不能相遇重合，拉应力会增大，材料容易产生裂纹，使塑性变形较早结束，光亮带变窄，断裂带、塌角增大，毛刺相对较大，断面锥度也较大。具体情况如图3所示。

3 冲裁毛刺的定义、特性及危害

毛刺是指金属件表面出现余屑和表面极细小的显微金属颗粒。对冲压件而言，由于凸凹模间隙的存在，材料被拉断时在分离方向超出板料厚度的毛边部分通常被称为毛刺。毛刺越多，其质量状态越差。冲裁件毛刺的高度是指裂纹产生点和刃尖的距离，毛刺高度详见图3中的尺寸d所示。

图3 间隙对冲裁件断面的影响

毛刺有很多危害，它不仅易划伤操作人员、或引起后工序开裂；毛刺或脱落的毛屑，对机械或电器都有不良影响。毛刺的危害主要表现在如下几个方面：

（1）影响制件的加工精度和后续装配精度、影响操作安全（易划伤操作工）、外观质量和性能。

（2）因存在应力集中的现象，还会使后面的变形工序容易开裂。

（3）影响后续工序毛坯的分张。

（4）影响焊接钢板的贴合，易焊穿，焊不牢，铆接间隙或引起铆裂。

（5）毛刺部位极易被腐蚀。

（6）毛刺还会影响机械系统的正常运行，产生运转噪声、震动、滑动表面过早磨损、机构卡死，动作失灵等故障隐患；电气系统造成回路短路或使磁场受到破坏；变压器铁损、液压滑阀卡死、塞堵回路或滤网；使可靠性、稳定性降低。

4 影响冲裁毛刺的因素

影响冲压件产生毛刺的因素有很多，总结一下，可以从以下几个方面考虑：

（1）冲压件设计问题：如冲压件有尺寸太小、形状复杂、有凸出或凹入的尖角，容易因模具磨损过快而产生毛刺。

（2）原材料问题：普通冲裁时，材料性能对冲压件毛刺的影响，材料抗拉强度越小，毛刺越大；软材料比硬材料的毛刺大。塑性好的材料毛刺大，硬而脆的金属板材毛刺小。可见普通冲裁选择塑性低的材料对毛刺有利。精密冲裁则不然，塑性好的材料毛刺较小，一般以铁素体为主要成分的碳素钢为最好的精冲材料；含碳量较高的材料只有通过热处理，使渗碳体呈球状小颗粒均匀分布于铁素体中，精冲后毛刺才小；2Cr15Ni9Ti在冲裁前进行热处理也可得到令人满意的剪切断面；H62等黄铜、紫铜材料，如在软化状态或经退火处理，精冲效果也不错。

（3）润滑问题：润滑油对毛刺高度的影响很大。良好的润滑条件（包括模具和材料部分）、清洁、干净的作业环境，可缓解材料与模具刃口之间的磨擦,防止冲裁变形所引起的温升，可以减小毛刺的产生，并提高模具的使用寿命。

（4）设备问题：设备精度、速度对毛刺有影响，机床精度越差，毛刺越大；另一方面，冲压速度慢时，光亮带高度降低，毛刺高度增加。冲压加工速度快，摩擦阻力小，毛刺小，速度快对冲压有利。 但冲压速度如果太快，模具会发热，凸模容易磨损或断裂，同样也不利。

（5）冲压工艺问题：毛刺的大小，与冲压工艺有很大关系。冲压工艺设计合理，对模具结构有利，冲裁力分布均匀对称，有利于制件克服反作用力，对毛刺有抑制作用，反之毛刺会变大。

（6）模具设计及精度问题：模具结构、模具的刚性和强度、导向精度、模具材料的选用，冲裁间隙的选择等都与毛刺有密切关系。模具材料选择耐磨性好、硬度高的材料，可以减小模具的磨损程度。冲裁件毛刺的大小与刃口间隙有直接关系，其次是压料装置等。模具的制造精度越高，对减小毛刺越有利。

（7）模具的正确使用与保养问题：正确选择合适的设备、保持机台和模具清洁，正确安装模具、调整模具，冲压操作需要有严格的规范性，与控制毛刺有密切关系。此外还要定期做好模具保养工作防止模具刃口变钝，使模具始终处于良好工作状态。

不难看出，只有设计者与加工者密切配合，对以上诸多因素采取相应的控制措施，才可能有效地减少毛刺，把毛刺消灭在萌芽状态，减少不必要的去毛刺费用，才是我们研究的目的。

5 减小冲裁毛刺的解决方案

（1）改善制件结构：制件设计中，尽量避免尺寸太小或有局部凸出、凹陷的尖角冲压件形状，消除毛刺产生的条件，来减少毛刺的发生。或制件通过卷边等形状，消除毛刺外露的影响。在制件设计中，设计者首先要知道制件的哪些部位易出现毛刺、哪些部位的毛刺不易去除、哪些部位不允许有毛刺。

（2）优化原材料。对普通冲裁，尽可能选择塑性稍差、材质硬的材料；对精密冲裁，选择软材料比硬材料的毛刺要相应减小。

（3）改善冲裁的润滑条件、优化冲压周边的作业环境。

（4）选择精度比较高的设备，另外冲裁速度对毛刺的影响也比较明显，冲压速度过高或过低，都会引起毛刺增大。因而在设备状况及生产条件允许的情况下，应选用相对高速的高精度冲床。

（5）优化冲压工艺。常规冲压工艺制定时，需要考虑毛刺对制件的影响程度，包括毛刺的正反面；考虑模具冲裁力的对称性，避免偏载；原材料冲裁时冲压件的搭边强度是否能克服冲裁的胀力，确保在冲裁过程中保持材料不发生位移（如材料在冲裁过程中强度不够发生胀形时，毛刺增大）；冲压件局部的细小部分是否能用冲孔的方式实现，防止冲裁时毛刺过大；确定合适的搭边值，增加压料力防止冲压件尺寸太小时发生冲裁材料扭转等问题，都有利于控制毛刺。关键毛刺是否考虑后序模内压平，或者制定整修、精冲、负间隙冲裁等多种工艺方案优化毛刺问题。制定工艺时还要考虑模具设计的便利性、可操作性、模具强度、刚度及结构的可行性、合理性。

（6）优化模具设计及制造精度。模具的结构设计要考虑合理性，尤其是工作部分强度、刚度、冲压力和侧向力平衡。还有尽可能的采用正冲，少用斜面冲裁和侧冲；模具设计时选用间隙合理（控制冲压毛刺的措施主要是冲裁间隙的选取），模具材料的硬度及耐磨性、导向的选择及精度的选用、是否采用压料板等等，都非常重要。提高刃口镶块的硬度，可以从材料和热处理、表面处理（如：镀覆层如TiC）几方面入手。提高模具制造精度，降低表面粗糙度，可以减少毛刺。

（7）正确使用和加强保养模具。选择的设备最好是与模具相匹配的，冲裁力及设备的刚性、强度、速度符合冲裁需要；正确安装模具、调整合理的模具高度，保持模具正常的工作状态，严格操作规程。

模具应该经常保养，保持刃口锋利。一般情况下，当刃口锋利时，产生薄毛刺0.01~0.08mm，当刃口变钝时，产生厚毛刺0.1~0.3mm，大于0.3mm，要刃磨，所有的模具都需要定期维护保养。

以上方案虽然可以大大减少毛刺，但它并不能完全消除毛刺。毛刺虽小，但却是直接影响到制件的质量。随着各行业对毛刺问题的重视，近年来去毛刺的要求有增无减，去毛刺的方法也层出不穷。

6 原始生产工艺

阀板最初的生产工艺是普通冲压、整修、去毛刺、倒棱、双面磨削，清洗上油，效率低，一致性不好。为提高冲裁断面质量，进行了冲裁间隙、模具的结构、强度和刚性、模具材料、板料润滑、设备精度等系列改善，但普通冲裁的断裂带和毛刺还是没办法避免。

解决断裂带的办法主要是通过整修或多次整修实现（产生小、薄毛刺）；解决毛刺的问题，现阶段只是减小毛刺。虽然解决毛刺问题的最直接、最简单的办法是增加去毛刺工序，但去毛刺却是一个既费事又不增值的过程。常用的去毛刺方法有非冲压法去毛刺和冲压法去毛刺两大类。

对于阀板冲压件的特殊性，首先考虑了冲压法去毛刺。

（1）整修法。采用0.006~0.01m 的单边间隙或负间隙，切除带毛刺的不光洁面。

（2）挤光法。采用锥形凹模挤光剪切面，去掉毛制，锥形凹模挤光余量单边小于0.04~0.06mm，适于软金属材料，但这2种方式，效率较低，而且容易掉渣，冲压件会产生压印痕和极小的毛刺残留。如图4所示，阀板冲压件的生产不适用。

图4 压整修法和挤光法去毛刺

（3）精密冲裁。如果对断面质量要求很高，可以采用精冲模具，在三向压应力的情况下精密冲裁，制件的塌角和毛刺都比较小，断面光滑无断裂痕，但这势必增加成本。对阀板制件而言，还是需要去毛刺。

（4）模内压毛刺法。一般情况下，冲裁件只是一个方向有毛刺的，要消除毛刺的话，可以利用模具压毛刺边缘的工序。比如部分孔内毛刺的去除, 模具内安装有去毛刺小凸模镦压毛刺，小凸模带有圆角，在冲压的同时对已经冲压的孔进行镦压毛刺工作。还有冲裁的边缘可以考虑镦极小圆角的方式实现压边缘毛刺倒角，达到去毛刺的效果。如图5所示。

图5 压毛刺模具示意图

这种方式去毛刺可以和其它冲压工序合并进行，效果较好。但是这个制件的工作环境不允许有毛刺的存在，即便是将毛刺压入材料基体内，外表没有毛刺，但在使用过程中，被压入的毛刺仍然会有脱落的可能性，掉入压缩机中，所以，此方案不可取。

为此，在生产的过程中安排的工序是先去毛刺，再模内倒棱，为后续的双面磨做好准备（如果没有倒棱，双面磨时仍然会产生尖点毛刺），最后再进行双面磨削，这种方式的效果较好。

非冲压手段去毛刺的方法很多，主要包括：手工去毛刺、机械手去毛刺、自动去毛刺机去毛刺、砂带机或磨床去毛刺、抛光去毛刺、振动去毛刺、研磨刷去毛刺、滚动去毛刺机去毛刺、化学去毛刺、电解去毛刺、超声波去毛刺、高压水喷射去毛刺、热爆炸去毛刺、冷冻修边去毛刺、磁力去毛刺、液体抛光（是利用由小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛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）等工艺方法，均可取得较好的效果。从效率、成本、环保、冲压件防变形、适用性等多方面考虑，阀板采用的是超声波去毛刺，这种方式，生产效率高，成本低，环保，冲压件基本不变形。

7 改进后生产工艺

改进后，采用双向冲压法实现无毛刺。

7.1 双面无毛刺负间隙冲裁加工方法

（1）首先，如图6所示，进行半量冲裁，一般凸模比凹模略微大一点，这种情况称为“负间隙”。凸模先将材料压入凹模，材料在凹模单面形成塌角，此刻的凸模的压入量非常重要，一般为板厚的75%以上。

图6 半量冲裁的原理图

（2）平压工序，平压工序的工作非常简单，但其内容很特别，如图7所示。经过自身对自身进行冲裁（虚拟凸模与虚拟凹模），生成塌角的过程，这是平压工序的关键所在。

图7 平压工序的虚拟模型

（3）平压后的状况如图8 所示，为了实现理想的平压工序，半量冲裁工序的压入量非常关键，过浅则无法形成虚拟凸模和凹模，过深则在进行平压前就会被冲断，选择负空隙的目的是为了避免在平压工序中冲压件与废料嵌合。

图8 平压后的状况

（4）分离后的形状如图9所示，冲裁制件的外形尺寸与半量冲裁工序的凸模尺寸基本一致，与一般的落料冲裁有所不同（一般冲裁时落料尺寸与凹模一致）。

图9 分离后的冲压件形状

这种方式生产的冲压件，断面正反面都是圆角带，没有毛刺存在，但是断面的中间有断裂带存在，需要振动去毛刺机对断面进行振动磨削，达到光滑的断面效果，再进行双面磨，完成阀板的生产过程。

7.2 复合模加工

可以实现双面无毛刺的功能，如图10所示。

图10 复合模结构

图10中推料板3、卸料板6 的材料采用与凹模一样的材料淬火，具有凸凹模7的功能，生产时，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弹压力量足够大，模具在工作时，先是推料板与卸料板当作为凸、凹模使用，反向冲裁大约1/2料厚，这时卸料板与凹模接触，反向冲裁工作停止，正向冲裁开始工作，直到冲裁工序完成，这种双向冲裁方式可以实现冲压件无毛刺，而且断面也比较光滑，前提条件是材料比较薄的小间隙冲裁，正反冲裁的断面差忽略不计。凹模和凸凹模的端面需要增加辅助退料装置，把冲压件和废料退出。如果板料较厚，反向冲裁力超过了弹压力、或者冲裁间隙较大此方案就不适用。这个阀板冲压件的料厚为3mm，显然是不能适用的。

7.3 双向精冲模

双向精冲模结构如图11 所示，上、下模都采用凹模包含凸模的结构形式；上凸模安装在上凹模型腔内，上凹模安装在上模座上，下凸模安装在下凹模型腔内，下凹模通过凹模固定板固定在下模座上，上凸模、下凸模依靠精冲压力机传递的压力在凹模内滑动（先向上，后向下），这样冲压出来的冲压件双面都是圆角带，没有毛刺带，而且断面的质量非常好，没有断裂痕，但设备成本和模具成本较高。

图11 双向精冲模结构

这种方式生产的阀板，其断面光滑、没有毛刺，两面均是圆角带，平面度好，冲压件质量稳定，还可以完成局部压凸台的功能。如果平面要求较高，还是需要进行双面磨削，达到密封性好的效果。

8 结束语

以上仅从技术工艺角度对阀板冲压毛刺产生的原理和优化方案进行了论述，然而控制毛刺的产生也与生产管理和质量检测等因素有关。毛刺的产生虽然不可避免，但可以通过各种手段对其进行控制，根据生产需要尽最大可能减小毛刺，尽量避免增加成本的额外去毛刺工序，从而提高制件的质量。现实生产中，去毛刺的方法很多, 仅靠上述方法中某一种，是不可能取得显著成效的，应对各种具体情况进行综合分析、比较，制定出经济适用的有效方法。复杂冲压件往往需要选择一种或几种去毛刺方法来综合利用，在保证质量的前提下，尽量不增加成本，达到减少毛刺或去除毛刺的目的。降低成本是选择去毛刺工艺的基本原则，需综合考虑冲压件技术要求、现有的生产条件、工人技术素质和操作习惯等。另外生产中还需要分析影响冲压件毛刺的各个因素，抑制毛刺的产生，减小后续去除毛刺的难度。毛刺的优化和去除问题，一直是国内外各冲压企业的难题，道路漫长，还需要各位有识之士的共同努力。