薄壁C型钢作为冷弯成形工艺的成品，广泛应用于建筑行业。关于冷弯成形工艺参数对产品成形质量影响的研究十分广泛^[1-3]，但对于冷弯成形产品的剪切断面质量研究少之又少。原因如下：通常建筑行业所使用的冷弯成形产品对断面的精度要求不高，一般切断的产品都不影响使用；而对于断面精度要求较高的冷弯成形产品多采用二次加工的方式(如线切割)对产品进行剪切处理，故对生产线上的产品剪切展开的研究较少。但剪切作为冷弯成形工艺的最后一个辅助工序十分重要，剪切断面质量也是成形质量的一部分，提高剪切断面的质量，特别是针对断面精度要求较高的产品，是十分迫切的。

关于断面质量的研究，多是关于冲裁技术的研究。主要采用实验与仿真相结合，宏观与微观相结合的方法^[4-7]，针对宏观无法直接观察断面质量的试件，通过光学或电子扫描显微镜(SEM)来反映剪切工艺参数对断面质量的影响^[8]。

本文以薄壁C型钢的剪切式模剪过程作为研究对象，由于该型钢厚度仅为0.5 mm，肉眼无法区分其断面质量，为此采用数字式光学显微镜及SEM进行剪切断面质量分析，对型钢整个断面的形貌分布进行了确定；此外，对剪切过程中出现的剪切盲区以及撕裂带中散斑状的光亮带现象进行了分析。

1 薄壁C型钢的拉伸和模剪实验 1.1 薄壁C型钢的拉伸实验和化学成分测定

实验所使用的薄壁C型钢材料为Q195镀锌钢板，厚度仅为0.5 mm。经检测，其化学成分含量如下：C为0.057%，S为0.019%，Si为0.110%，Mn为0.330%，P为0.035%。根据GB/T 228.1-2010对该Q195镀锌钢板进行的拉伸实验所得应力应变曲线如图 1所示, 试件经拉伸后成30°角方向断裂，断裂试件及断口形貌如图 2所示，断口形貌通过SEM拍摄。由图可以看出，拉伸断裂的断口处存在大量韧窝。

1.2 薄壁C型钢的模剪实验

剪切式模剪系统是一种快速切断的剪切装置，其对产品的破坏性小，产生的切屑少，又由于该剪切方式的剪切时间短、行程短，其对刀具的磨损量小，生产效率高^[9]。本文所使用的45°剪切式模剪系统如图 3所示，由液压系统和剪切系统两部分组成，在电机的转动下，齿轮泵将液压缸中的液压油压入油管，通过换向阀的开闭控制活动剪模沿斜向下45°方向进行进刀和退刀，通过调节节流阀可以控制进油量，从而控制剪切速度和剪切力。45°为最佳剪切角度，可以有效的减少弯曲部位的擦伤。将图 3中剪断的薄壁C型钢分为前、后两个断面，本文主要以前断面作为研究对象对其剪切断面质量进行研究。

2 剪切断面的微观形貌 2.1 剪切断面的形成过程

剪切式模剪虽在形式上与冲裁略有不同，但其剪切过程也可分为弹性变形、塑性变形、裂纹产生和发展以及断裂这4个阶段，其断面也与冲裁相同，分为4个部分，如图 4(a)所示，即圆角带、光亮带、撕裂带和毛刺。图 4(b)所示为前断面的形貌分布，可以看出，薄壁C型钢的左下部分的光亮带比右上部分明显要大，由于剪切方向的特殊性，该型钢存在几个撕裂带为主的区域，分别是左上部分和右下部分，即图 5(a)中的区域A和B。

2.2 薄壁C型钢的微观形貌分布及分析

由于薄壁C型钢的厚度仅为0.5 mm，宏观上无法辨别其形貌，故采用数字式光学显微镜对其各部位分别进行拍摄，薄壁C型钢各部分的编号如图 6(a)所示，6(a)、6(b)中的图片的编号分别对应图中各个位置的微观形貌，可以看出，e图中断面形貌的分布十分明显，d图中的左下折弯角的光亮带明显大于f图的右下折弯角，且其折弯角度和形状也较好；相反，b图中的左上折弯角的剪切质量却远远不如h图中的右上折弯角；c图和g图分别为左翼缘和右翼缘的形貌分布，也印证了图 6(b)中的形貌分布示意图，即左翼缘的光亮带大于右翼缘，剪切质量相对较好。f图和i图中的撕裂带出现了凹坑，一定程度的影响了剪切质量。

图 7中显示的是在数字式光学显微镜下对腹板某一位置的光亮带和撕裂带交界处的3D扫描，可以看出，光亮带虽然呈现45°的纹理，但不是一个平整的平面，在图 7中选取了一条剖面线，所做Z轴的高度绘制如下曲线图，可以看出光亮带处的位置较高，即前断面腹板处的撕裂带材料减少，为下凹区域，光亮带也存在一定的起伏，并不平整，图 8为SEM下拍摄的光亮带与撕裂带的交界，明显可知光亮带由大量45°条形纹理组成，撕裂带存在着大量与剪切方向相反的韧窝。

3 模剪过程的缺陷分析 3.1 模剪的基本原理

剪切式模剪的结构如图 9所示，由一个固定剪模和一个活动剪模构成^[10]，且剪模所挖空的形状与被剪型钢的形状基本相同，由于存在剪模完成一次剪切并退刀归位后进给的型钢可能无法穿过剪模的情况，故剪模所挖空的形状于型钢截面的形状相比较大，存在一定的活动间隙，以确保进料的连贯性。剪切时，固定剪模不动，活动剪模沿与水平面成45°的夹角方向进刀，剪断型钢后迅速退刀归位，等待信号进行下一次剪切。

3.2 薄壁C型钢的模剪缺陷分析

虽然45°为剪切最佳角度，但由于剪切式模剪自身存在剪切盲区的特点，导致剪切后的薄壁C型钢具有一定的缺陷。图 10(a)所示的是剪切盲区的分布，两个位置区域A、B分别位于型钢的左上折弯角处及右下折弯角处；剪切时，将型钢的主要受剪面分为外表面和内表面，由前2.2节中分析可知，内表面为受剪面的部分剪切断面质量明显好于外表面，这主要是因为内表面处的剪模形状为90°的直角型，较为锋利，相反，外表面处的剪模形状为270°，不利于剪切，故剪切断面的质量内表面较好，由此也可看出，剪模的锋利程度和形状也影响着剪切断面的质量。图 10(b)显示的是剪切盲区的形成机理，由于45°模剪方向的特殊性，且剪模在左上折弯角和右下折弯角处都是直角型的模具形状，两个锋利的直角点均沿45°斜向下的方向进行剪切，这也使得该两个直角点区域均存在剪模无法剪切的盲区，这两个剪切盲区位置处，型钢由于没有受剪，故均由撕裂带组成，而这也是45°剪切式模剪不可避免的剪切缺陷。图 10中显示的实际剪切盲区也与前面的分析结果相同，两个剪切盲区均为撕裂形成，成形质量较差。

模剪过程中，除了剪切盲区的存在，还有图 11中所示的撕裂带中具有散斑状的光亮带的现象，这主要是由于剪模的速度较快，型钢进入撕裂阶段后，撕裂的区域仍有部分没有断裂，而没有断裂的部分又被快速通过的剪模剪断，故形成了撕裂带中的部分光亮带；观察图 11中的散斑状光亮带的纹理可以发现，右翼缘的光亮带纹理仍呈45°条形，而左翼缘和腹板的光亮带纹理较为杂乱，与剪切光亮带的45°条形纹理不同；其原因主要是图 9中的活动剪模开始剪切时，型钢的右翼缘最先被夹紧，而由于剪模和型钢本身具有间隙，故腹板和左翼缘并没有夹紧，当右翼缘在剪断时，型钢存在一定的颤动，此时被剪模剪断的区域由于颤动而存在不同于光亮带45°的条形纹理。

4 结论

1) 光亮带的大小一定程度上可以衡量剪切断面质量的好坏，但光亮带并不是一个平整光滑的平面，而是一个具有凹凸起伏、由大量与剪切方向相同纹理组成的区域，撕裂带分布了大量的韧窝，韧窝方向与剪切方向相反。

2) 薄壁C型钢的45°剪切式模剪，主受剪面为型钢外表面的部位时，剪模形状呈270°钝角剪切，主受剪面为型钢内表面的部位时，剪模形状呈90°直角剪切，内表面为主剪面的光亮带明显大于外表面为主剪面的光亮带；结果表明剪模的锋利程度和剪模形状对剪切断面的质量具有一定的影响，为了获取更好的剪切断面质量，应选取更为锋利的剪模。

3) 45°剪切式模剪存在剪切盲区，剪切盲区断裂的主要方式为撕裂，故该区域为断面质量最差的区域，由于45°剪切式模剪自身的特殊性，该现象无法避免。

4) 由于剪切过程中薄壁C型钢右翼缘夹紧程度高，撕裂带中的光亮带纹理也较好，而腹板和左翼缘的夹紧程度较低，在剪切中由于型钢的颤动而使得撕裂带中的光亮带纹理较为杂乱；为此，设计剪模时，在保证产品进给顺畅的前提下，应尽量减小剪模与产品间的间隙。