2.5 剪切
2.5.1 剪切的几种基本方式
剪切是使板料或卷料通过专门剪切设备使其沿直线或曲线相互分离的一种冲压工艺。在冲压生产中，剪切工作是准备工序之一。这是因为，冲压件的冲裁、弯曲、拉深、成形等工序，原材料多数是以大张的板料或成卷料供应，这就要求在冲压前必须将这些原材料剪切成合乎尺寸要求的条料或块料，以便于下道工序的正常工作。因此，在有条件的大型企业，一般都设有专门的备料车间或工段，将剪切工作集中进行，便于生产的管理和原材料的合理利用。
基于生产批量大小与坯料的几何形状和尺寸的不同，剪切可以采用下面不同的方法进行。
（1）手工剪切 手工剪切是利用手剪或手动台式剪床对材料进行的剪切分离操作。这种方法主要适用于小批量或数量不大的单件生产。手工只能剪切料厚在0.8mm以下的板料；其优点是简便，可以适应不同的尺寸和曲线要求。缺点是劳动强度太大，生产效率极低。
（2）机床剪切 利用专用的机床剪切板料及卷料，是目前较普遍采用的方法。其主要剪切机床是裁板机（直刀剪床）和圆盘滚刀剪床（俗称分条机）。用这些专用机床进行板料的剪切，可以大大节省劳力，生产效率高，质量有保证。
（3）手持震动剪切 手持震动剪是一种小型电动工具，操作灵活。主要用于卷板开片、分段，所得的剪切线可以是直线的，也可以是曲线的。这种备料方法适用于材料的套裁。筒形件拉深删除坯片套裁可将材料利用率提高约5％，这对于贵重材料来说，经济效益是十分可观的。
2.5.2 剪切刃口形式
剪切刃口的形式可分为平刃剪切、斜刃剪切和滚轮剪切。
1.平刃剪切
图2-9 平刃剪切
1—上刀片 2—下刀片 3—板料
平刃剪切是指用两剪刃相互平行的刀片（见图2-9）对板料或卷料进行分离的过程。这种平刃剪切方法，只能沿直线剪切。它适用于剪切宽度小而厚度较大的板料及卷料。
平刃剪切的剪切过程可分为三个阶段进行。
（1）弹性变形阶段 剪切开始时，上刀片首先接触板料，并给板料施加压力，此压力由零增加到弹性极限，此阶段使材料发生弹性变形，如图2-10a所示。此时若去除压力，板料恢复原状。
（2）塑性变形阶段 当上刀片继续下降时，剪刃对材料压力加大，这时板料所受压力超过弹性极限，使板料发生局部的塑性弯曲变形，同时上刀片的刃口开始压入板料内，如图2-10b所示。
（3）板料的断裂阶段 上刀片压入材料至一定高度h0后，由于应力集中，在剪刃尖处开始发生裂纹，当压力继续加大后，裂纹迅速扩张，最后使材料断裂成两部分，完成剪切工作，如图2-10c所示。
图2-10 平刃剪切过程
a）弹性变形阶段 b）塑性变形阶段 c）断裂阶段
平刃剪切条料断面质量的好坏，与材料本身的性质及上下刀片的间隙大小有关。一般情况下，被剪切的材料硬度越高，断面光泽区越窄，亦即剪切的过程时间越短。相反，材料硬度越低时，断面光泽区较宽，剪切的过程时间较长。此外，上下刀片的间隙对断面的质量有很大影响。合适的剪刃间隙，可使断面光泽较亮，很少有披锋及弯曲现象发生，并且条料板面平整。若间隙过小时，将使条料的断面断裂部分挤坏，并且使剪切力增大。间隙过大时，会使板料断裂处产生较严重的弯曲及拉伸现象，致使剪切边缘产生飞边及尺寸不符合要求。刀片间隙大小，根据板料的种类及厚度大小，一般取0.02t～0.05t。
2.斜刃剪切
斜刃剪切与平刃剪切不同，斜刃剪切是指板料或卷料在上刀片与下刀片斜交成一定的角度的剪板机上进行剪切的过程。斜刃剪切时，其剪刃与被剪板料，不像平刃剪切那样，剪刃全部接触板料进行同时剪切，而是只一小部分接触板料逐渐进行剪切的，因而斜刃剪切比平刃剪切大大节省了剪切力。剪板机、手剪和台式手动剪床同属于斜刃剪切方式。
（1）剪切过程 斜刃剪切的剪切过程，如图2-11所示。剪切开始时，上刀片和被剪板料仅有一部分接触，然后板料的一边顺刃口发生裂纹，再继续剪切时，板料便随着上刀片的下行而裂口开，逐渐使板料分离成两部分，其各阶段的材料变形原理基本与平刃剪切相同。
（2）剪切角φ 用斜刃剪板机剪切板料，上刀片的工作行程，要比平刃剪板机大得多。这时上刀片的行程数值决定于剪切长度和剪切角φ的大小。在剪切的过程中，由于剪切角φ的存在，板料除了具有像平刃剪板机在剪切时材料发生相同的变形过程外，还有因上刀片的压力而使条料产生向下弯曲的现象，从而使被剪条料发生变形、扭曲及拉伸现象，这是斜刃剪切最大的缺点。但由于它降低了剪切力，故是现在冲压生产中，采用最多的一种剪切备料方法。它常应用于宽度大而厚度小的板料和卷料剪切备料工作。
剪切角φ可以减少剪切力，并使剪切工作均匀和缓，但为了防止板料从剪刃中滑出和过分弯曲，角φ最大值不宜超过12°。角φ的大小与板料厚度有关。一般情况下，剪切3～10mm厚的板料，角φ为1°～3°；剪切10～35mm厚的板料，角φ为3°～5°。
图2-11 斜刃剪切
1—上刀片 2—下刀片 3—板料
（3）剪刃角β 如图2-12所示，剪刃角β的大小直接影响切削刃的强度、剪切质量和剪切力。剪刃角β的大小通常随材料硬度而定，当需要剪切较硬的板料时，β应介于75°～85°；剪切很软的板料（如纯铜板、铝板等），β介于65°～75°。但剪刃角β在小于90°时，板料会受压而弯曲，并使板料从切口拨开，这种现象对于厚而窄的条料尤为显著，条料往往在冲裁后，需要经过校正。因此，在一般动力传动的剪板机上，为便于剪刃的修磨，β常取90°；同时，为了减少剪刃上部与板料间的摩擦，应对刀片磨出后角α。一般α为1.5°～3°。
图2-12 斜刃剪板机的刀片剪刃角
（4）剪切力 平刃剪切所用剪切力可按下式计算：
F平＝KBtτ式中 F平——剪切力（N）；
B——板料宽度（mm）；
t——板料厚度（mm）；
τ——材料的抗剪强度（MPa）；
K——系数，考虑到刃口变钝，剪刃间隙大小的变化，材料厚度和性能的波动
等因素使剪切力增加。一般取K＝1.3。
斜刃剪床剪切力的计算公式为
式中 K——剪刃磨钝系数，取1.3；
φ——剪刃倾斜角（°）。
一般情况下，剪切不需要计算剪切力，只要按剪床标出的主要规格t×B来选用即可。t表示容许剪切板料的最大厚度，B表示容许剪切的最大宽度。但剪床设计时最大剪切板料厚度一般是根据25钢或30钢的抗剪强度设计的，所以若剪切超过设计强度的材料时，就不能按剪床标出的最大板料厚度来使用，此时就应根据剪切力计算的公式换算出不同材料的最大剪切厚度。
3.滚轮剪切
（1）滚轮剪切的原理 滚轮剪切简称滚剪，也被称作圆盘剪切，是将材料在两个相反方向旋转的圆盘滚刀之间通过而被剪切开的剪切方法。这种方法，通常用于切割线极长的板料或卷料的纵向剪切，是材料准备的一种重要手段。其剪切原理如图2-13所示。
图2-13 圆盘剪切原理
通常滚轮剪切的两条轴是相互平行的，并与剪切材料的平面相互平行。但也有把圆盘剪刃故意制作成倾斜的，以便用来进行曲线剪切工作。
滚轮剪切时，材料的送进是依靠旋转的圆盘滚刀与材料之间的摩擦力来完成的；为了保证剪切工作正常进行，必须使剪刃与材料的接触角φ小于15°，为此在设计圆盘滚刀时，应首先满足下列公式：
一般取圆盘滚刀直径大于100t以上。
另外，其他设计尺寸可分别取如下值：滚刀交错量为（0.2～0.3）t；滚刀宽度为25～30mm；滚刀间的间隙为（0.025～0.05）t；滚刀倾角α＝30°～45°。
其中，当滚刀交错量为零甚至两滚刀分开时，板料可在刀片内转动而能被剪切为任意曲线边缘的工件。
单滚式滚轮剪切机，只具有一对滚刀。由于配置角度不同，可剪切不同曲线或内孔轮廓边缘的坯料。图2-14所示为下滚刀斜置的圆盘滚剪机。图2-15所示为上、下滚刀均为斜置的圆盘滚剪刀机。这两种滚剪机均可剪切直线和曲线坯料。
图2-14 下滚刀斜置的圆盘滚剪
1—下滚刀 2—板料 3—上滚刀
图2-15 上、下滚刀均为斜置的圆盘滚剪
（2）滚轮剪切应用范围 滚轮剪切可以进行下列工作：
1）分条。滚轮剪切的一大特点是分切线不受模具大小的控制，可以做到无限长。根据这一原理，在上下轮轴上安排多对滚刀。按设定的宽度，圆盘剪切可将卷板料分割成多条并排的条料。每对滚刀刃口的距离就是条料的宽度，如图2-16所示。这一工序对于节约材料，提高工效有十分重要的意义，尤其是对于某些边线较长且与进料方向平行的冲裁件来说，可以节省大部分冲裁力。纵向分离过程中，滚轮刃口对材料会产生一部分水平拉力。处于板幅中间的条料，两侧的水平拉力呈平衡状态，而处于最外侧的剪切线则会因此失去平衡，所以最外侧的两对滚剪轮应带有约75°的剪刃角β。
图2-16 滚剪分条
2）筒形件、杯形件滚剪。在不锈钢制品生产中，滚剪常用于直径≤400mm的旋转体拉深件切边，如图2-17所示。
3）盆类产品环剪。环剪可以代替大型拉深件的切边模，尤其是直径大于400mm的制件。在环剪中，上、下滚剪轮分别代替了凸模和凹模，可以节约大量模具钢材料以及热处理和金属切削加工费用。制件剪切直径越大，经济优势越明显。这是因为冲裁模具直径越大，凹模厚度和壁厚也越大，所需的上、下模座尺寸的也越大，消耗的材料越多。
图2-17 筒形件滚剪机
1—抵盘 2—承压轮 3—工件 4—上滚剪轮5—主轴 6—带轮
环剪通用性强，还可以节省设备的投入，以人力替代大型压力机（见图2-42）。以料厚1.0mm，直径800mm的工件为例，采用冲裁剪边，全套模具材料用量最少在500kg以上；所用的机床规格，也应在1500kN以上。而采用杠杆机构的滚剪，圆盘滚剪轮和支架可以是通用件，从某种意义上来说可以视为成本为零；从部件来说，滚剪只需要更换一件胎芯，即等于冲裁模中的顶料板。从出力方面看，用于滚剪手柄上的出力只需要50N左右；两相比较，环剪的优势不言而喻，尤其是在批量不大的情况下。
4）平板坯料环剪。平板坯料环剪的一大优点是，材料经剪切后可以直接进入翻边或卷边工序，滚剪模并不影响下道工序的实施，工件只需要进行一次装夹即可完成剪边、翻边或卷边工作，不存在重新对中的问题。
5）环剪存在着最小工作直径问题，即加压滚剪轮直径应小于剪迹直径的1／5，否则将极易导致剪口不齐。滚剪轮直径与剪迹直径如图2-18所示。
（3）滚剪轮加工 滚剪轮可分为加压轮和承压轮，或者称之为上滚剪轮和下滚剪轮。滚剪轮在热处理前应将预留的刃口宽度以外的地方挖空，以减少刃磨时的发热量。滚剪轮的径向和轴向的圆跳动均应小于0.02mm。
加压轮刃后角取25°为宜。刃口留（0.5～1）t的直段或3°后角；可避免在材料分离时对材料产生拉动。滚剪轮一般宜作双轴承设计，以保证剪迹准确，工作可靠。如果确实受到条件限制只能使用单轴承时，应采用E级以上的精密滚动轴承。
4.摇剪
摇剪的正式名称是浮动式旋转体拉深件切边模（见图2-43）。根据质点在螺旋槽内的运动规律，使凸模与凹模之间发生位置的错动，借此来实现工件的分离。凹模在螺旋槽内的运动，好像竹签在签筒内摇动一样，因此这种剪切方法在生产中被称为摇剪。
图2-18 滚剪轮直径与剪迹直径
与冲裁剪切不同的是，摇剪的凸模同样是做垂直运动的，但剪切面与水平面是平行的，所以被剪切工件的弧心角越大越好，或者说，切点与水平面的交角越接近直角越好。摇剪通常被用来剪切切点与水平面的交角大于40°的拉深件，如深锥形件、碗形件等。
摇剪自带导柱导套，对机床精度要求不高。对于工件尺寸和外形具有一定的通用性，小于最大凹模尺寸的工件都可以通过更换凹模和凸模在同一副基座上实行剪切。
由于拉深件的不同象限的分离是在凸模下降的过程中的不同时段完成的，所以摇剪还可以用功率较小的压力机来剪切较大的工件。
摇剪的优点是工作可靠，刃口修复快，缺点是设计和制作都比较困难，尤其是工件直径较大的情况下，所以这种剪切方式多用于直径小于300mm的拉深件的剪边。
摇剪的制作要点如下：
1）凸模与制件的半径差e1，不能大于螺旋滑块的偏心量，最好控制在滑块偏心量的2／3～4／5范围内（见图2-19），即
式中 e——螺旋滑块的偏心量。
2）压料芯应调整到比凹模平面高出冲裁单边间隙的高度。
3）螺纹升角不小于3.5°。
4）滑块外廓线与轴线的交角不大于40°且沿水平中线对称，如图2-20所示。
图2-19 凸模与制件半径差
1—压料块 2—工件 3—凸模
图2-20 摇剪螺旋滑块
1—凹模 2—调整垫片 3—滑块
5）螺旋套采用模具钢外加低碳钢热套的形式，可提高模具的耐磨性和韧性。
6）凸模直径不能太小。当凸模直径小于18mm时，应加装限位柱来分担向下的垂直推力。
7）滑块与螺旋槽的工作表面应有较低的表面粗糙度值，工作时保持良好的润滑。
8）滑块运动时不得与模座有碰撞和干涉。