剪刀切削角度的优化设计

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3-22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。

1.剪切过程及剪断面状况的分析

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3-23所示。

图3-22 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，剪刀对材料的压力增大，使材料发生局部的塑性弯曲和拉伸变形（特别是当上、下剪刃间隙偏大时）。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，这时在剪刃口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、下刃口产生的剪切裂缝重合，使材料最终分离。

图3-23 剪切过程

图3-24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。

图3-24 剪断面状况

1—塌角 2—光亮带 3—剪裂带 4—毛刺

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γ，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、剪裂带等均减小。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，减小塌角、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。

2.斜口剪剪切受力分析

根据斜口剪剪刃的几何形状和相对位置，材料在剪切过程中的受力状况如图3-25所示。(www.xing528.com)

图3-25 斜口剪剪切受力分析

由于剪刃具有斜角φ和前角γ_o，使得上下剪刃传递的外力F不是竖直地作用于材料，而是与斜刃及前刀面成垂直方向作用。这样，在剪切中作用于材料上的剪切力F可分解为纯剪切力F₁、水平推力F₂及离口力F₃。图3-25a所示为剪切力的正交分解情况，图3-25b和图3-25c所示为剪切力正交分解后的两面投影。

在剪切过程中，由于φ角的存在，材料是逐渐被分离的。若φ角增大，材料的瞬时剪切长度变短，可减小所需的剪切力；但从受力图上又可看出，φ增大，纯剪切力F₁则减小，而水平推力F₂增大，当φ角增大到一定数值时，将因水平推力F₂过大，使材料从刃口中推出而无法进行剪切。因此，φ角的大小，应以剪切时材料不被推出为限。其受力条件为：

F₂≤2F₁f （3-1）式中 f——材料的静摩擦系数，一般钢与钢的静摩擦系数取f=0.15。由式（3-1）可以求出φ角的极限值：

F₂=F₁tanφ

F₁tanφ≤2F₁f

tanφ≤2f=0.30所以

φ≤16°42′

同时，由于离口力F₃的存在，剪切材料待剪部分将有向剪断面一侧滑动的趋势。尽管γ角增大有利于使剪刃口锋利，但过大的γ_o角将导致离口力F₃过大，而影响定位剪切，这是必须限制γ_o角的一个重要原因。

此外，由于水平推力F₂和离口力F₃的双向力的作用，在剪切过程中，被剪下的材料将发生弯扭复合变形，在宽板上剪窄条时尤其明显。故从限制变形的角度看，φ角和γ_o角亦不宜过大。

从图3-25c还可以看出，由于存在剪刃间隙，且剪切中随着剪刃与被剪材料接触面的增大，而引起F₁、F′₁力作用线的外移，将对材料产生一个转矩。为不便材料在剪切过程中翻转，提高剪切质量，就需要给材料施以附加压料力F₄，如图3-25c所示。

3.斜口剪剪刃的几何参数

根据以上对剪切过程、剪断面状态和剪切受力情况的分析，并考虑实际情况与理想状态的差距，确定斜口剪剪刃几何参数如下：

（1）剪刃斜角φ 剪刃斜角φ一般在2°～14°。对于横入式斜口剪床，φ角一般为7°～12°对于龙门式斜口剪床，φ角一般为2°～6°。

（2）前角γ_o 前角γ_o是剪刃的一个重要几何参数，其大小不仅影响剪切力和剪切质量，而且直接影响剪刃强度。前角γ_o值一般可在0°～20°，依据被剪材料性质不同而选取。冷作工剪切钢材时，斜口剪γ_o值通常为5°～7°。

（3）后角α_o 后角α的作用主要是减小材料与剪刀的摩擦，通常取α_o=1.5°～3°。γ_o角与α_o角确定后，楔角β_o也就随之而定。

（4）剪刃间隙s 剪刃间隙s是为避免上下剪刀碰撞，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3-2。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3-2 剪刃合理间隙的范围