大尺寸精密沖裁模的設(shè)計與加工過程分析

1、大尺寸精密沖裁模的設(shè)計與加工過程分析李 林 （深圳市金洲精工科技股份有限公司 廣東 深圳 518116）摘要：通過對大尺寸精密沖裁模從設(shè)計到生產(chǎn)過程中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析，總結(jié)了各關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的原因并提出了解決問題的方法，為相關(guān)模具從設(shè)計到最后裝配完成的整個過程提供了一種思路。關(guān)鍵詞：精密沖裁 大尺寸 超薄材料 有色金屬剪切 1引言：在大尺寸（如300mm以上的圓片）超?。?.1mm以下）的有色金屬帶的剪切中，要求剪切毛刺很小或沒有毛刺，并要求在剪切中沒有明顯的材料拉伸現(xiàn)象，因此要求凸凹模之間的間隙在0.02mm以內(nèi)。同時因為凸凹模尺寸規(guī)格較大，材料不良、熱處理不當也容易造成在加工過程中或使用

2、一段時候后產(chǎn)生變形而報廢。在此，結(jié)合生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的問題對該類模具的設(shè)計、熱處理、加工、檢測及裝配中的關(guān)鍵點作一些探討。2設(shè)計2.1凸凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計在沖裁模中凹模起落料作用，故只能采用外結(jié)構(gòu)定位的方式。對于凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計有外掛臺定位方式及內(nèi)定位方式：2.1.1外掛臺設(shè)計：作為定位及緊固凸模的孔在掛臺位置，凸模的沖切主體不會有過多的孔存在，增強了凸模的結(jié)構(gòu)強度，在熱處理時可達到凸模變形小的效果，但是對于此類尺寸較大配合間隙很小的模具來說，在裝配時存在明顯的缺點，增大了凸凹模的裝配難度，且在滿足裝配條件的情況下，需提高凸凹模及上下模板的平面度及定位精度的要求。2.1.2內(nèi)定位結(jié)構(gòu)：通過在凸模切削刃實

3、體內(nèi)設(shè)計定位和緊固孔，采用內(nèi)腔挖空結(jié)構(gòu)的方式，這樣會使凸模結(jié)構(gòu)強度變差，增加熱處理變形的可能性，但是對這種沖切尺寸較大的模具，在設(shè)計上可以作到盡可能布置孔位及孔的大小，保證整個凸模各孔壁厚的均勻性，選擇微變形及正規(guī)廠家的優(yōu)質(zhì)模具鋼，同時配合近年來發(fā)展起來的新型熱處理工藝方法，可以達到控制變形的要求。在裝配中此種結(jié)構(gòu)形式具有很好的裝配優(yōu)勢，在此選用了內(nèi)定位方式設(shè)計凸模。2.2凸凹模的硬度設(shè)計雖然對凸凹模的剪切作用來說，高硬度增加了材料的耐磨性，但高硬度也增加了熱處理的工藝難度，因此在保證對有色金屬材料的剪切條件下可以調(diào)整凸凹模的硬度設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上說，相對于凸模而言，凹模更容易產(chǎn)生熱處理變形，而較

4、低的硬度要求，更容易保證凸凹模的熱處理質(zhì)量，因此在設(shè)計上凹模選擇HRC42左右，凸模選擇HRC60左右。并且采用這種凸凹模差異性硬度設(shè)計，可以避免在合?；蚣羟羞^程中凸模與凹模之間部分區(qū)域的微過切啃傷刃口。這種過切可能是由于產(chǎn)品淬火應(yīng)力、加工應(yīng)力變形產(chǎn)生或機床加工精度原因造成的凸凹模、上下模板尺寸和形狀位置偏差。因此在凸凹模剪切間隙很小的情況下，采用相同硬度的凸凹模就很有可能砸傷凸凹模的刃口，所以選用合適的硬度及硬度差異既降低了熱處理工藝的難度，保證剪切要求，又有利于保護凸凹模。由于允許微過切現(xiàn)象的存在，這樣既降低了對凸凹模本身的加工難度要求，也減小了對凸凹模相關(guān)輔助件及上下模板的加工精度要求。

5、2.3沖切壓力中心設(shè)計 由于沖切凸凹模這間的間隙很小，所以必須使模具的沖切壓力中心與沖壓設(shè)備的滑塊的中心重合。否則在沖壓時將產(chǎn)生彎矩，使沖壓設(shè)備的滑塊和模具發(fā)生歪斜，引起凸、凹模間隙不均勻，甚至在凸、凹模之間產(chǎn)生經(jīng)常連續(xù)的過切現(xiàn)象，造成刃口迅速鈍化，并使沖壓設(shè)備和模具的導(dǎo)向機構(gòu)產(chǎn)生不均勻磨損。同時為了獲得良好的剪切效果，根據(jù)是落料還是沖孔，須把凹?；蛲鼓ＴO(shè)計成斜刃，并讓斜刃呈對稱分布，以免凸、凹模承受單向側(cè)壓力而發(fā)生偏移損壞刃口。對于超薄有色金屬材料，斜角可選擇在2以下。3加工此類零件在生產(chǎn)過程中有兩個關(guān)鍵點：一是熱處理問題，二是凸凹模及刃口質(zhì)量的問題。在熱處理方面，主要有以下的原因會造成凸凹

6、模的報廢：首先是材料方面的問題，在正確選材后，應(yīng)特別注意材料的品質(zhì)，如果不是選擇正規(guī)的材料，即使是選擇了很好牌號的熱處理微變形材料，也會產(chǎn)生熱處理變形較大而沒有精加工余量而報廢；其次是由于熱處理方法不當造成產(chǎn)品變形較大而報廢，或者熱處理后產(chǎn)品變形不大，但由于熱處理后有應(yīng)力存在或者熱處理后產(chǎn)品的金相組織不良，造成產(chǎn)品在后期精加工過程中或在使用一段時候后出現(xiàn)報廢。由于產(chǎn)品零件尺寸較大，如果凸凹模在熱處理后或精加工過程中因為應(yīng)力的原因而產(chǎn)生變形，對產(chǎn)品的最終質(zhì)量將產(chǎn)生不良的影響；而且凸凹模之間的配合間隙很小，在連續(xù)高速沖切過程中，凸凹模由于摩擦會產(chǎn)生較高的溫度，會對凸凹模本身造成二次回火的作用，如果

7、材料本身質(zhì)量不良或熱處理方法不當，均可能因為二次回火產(chǎn)生凸凹模的膨脹或收縮，最終造成凸凹模的報廢。為了避免上述情況的出現(xiàn)，需要在如下環(huán)節(jié)注意產(chǎn)品的質(zhì)量控制： 3.1選擇正規(guī)廠家的材料，要求材料的碳化物偏析較小。對于碳化物偏析嚴重的模具鋼需進行合理的鍛造，并在鍛后進行調(diào)質(zhì)處理，消除材料的各向異性。但是尺寸較大的模具鋼的鍛造，大多數(shù)廠家都不具備條件，、可采用固溶雙細化處理達到消除碳化物偏析嚴重的現(xiàn)象，從而減少模具熱處理變形。另外部分進口模具鋼不需要鍛造而具有較好的內(nèi)部金相組織及材料使用性能，有很好的熱處理性，對于此類模具是一種很好的選擇。 3.2根據(jù)不同的材料，制定合理的熱處理工藝：選擇合理的加熱

8、速度、加熱溫度、回火溫度、冷卻介質(zhì)和冷卻方式。避免由于熱處理工藝不當造成材料內(nèi)部金相組織不合理，在回火時材料變形較大；同時在回火時材料會因壓應(yīng)力的消除而收縮，因張應(yīng)力的消除而膨脹 ，因此也須避免或消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的產(chǎn)生。3.3利用近年來發(fā)展起來的新型的熱處理技術(shù)，比如真空熱處理、深冷處理、超冷處理技術(shù)等，對提高此類模具鋼的熱處理質(zhì)量都有很好的效果。對于凸凹模刃口質(zhì)量，要求在微觀上刃口不能有明顯的圓角或者鈍化現(xiàn)象，因為有明顯的圓角或者鈍化，在剪切時可能產(chǎn)生材料擠壓現(xiàn)象，出現(xiàn)擠壓拉伸毛刺。在加工過程中如果采用鏜床加工的方式，無論對凸模還是凹模，加工刀具的主運動都是沿被加工表面的圓周運動，這樣在

9、凸凹模的被加工表面上會產(chǎn)生沿圓周方向的加工紋路，如圖一示，因此加工后刃口質(zhì)量并不好。用坐標磨床進行加工是一種比較好的加工方法，在此加工過程中，坐標磨床的軸向（螺旋）運動作為磨削的主運動方向，沿圓周的運動為輔助運動，這樣的加工方法保證了產(chǎn)品的加工紋路方向與模具最后的剪切方向相垂直或形成很大的斜角，如圖二示，可以達到很好的切削效果。在加工中，須適當選取磨頭的大小，磨頭直徑偏大不利于凸凹模刃口質(zhì)量的提高，直徑偏小會影響磨頭的剛性，也降低了產(chǎn)品的加工效率。同時，也應(yīng)注意加工斜刃時的磨削方向，提高模具的刃口質(zhì)量。 4 檢測4.1材料和熱處理的質(zhì)量檢測對于不能確定組織性能的材料，首先需要進行金相分析，以確

10、定材料是可以直接進行淬火前機械加工，還是需要進行鍛壓或預(yù)先熱處理來改善材料的組織性能再進行淬火前的機械加工。為了更真實地檢測凸凹模淬火后的熱處理質(zhì)量，可在淬火前的機械加工中，對凸凹模某些特定位置的孔只加工出線割穿絲孔，在完成熱處理工序后，線割該孔取余料進行金相分析，以檢測熱處理質(zhì)量。4.2凸凹模配合尺寸的檢測由于凸凹模名義尺寸較大，而相互間的配合間隙很小，對尺寸的加工精度要求較高，相應(yīng)地對凸凹模的檢測提出了較高的要求。一些精密的檢測儀器可以保證檢測精度的要求，可是在產(chǎn)品的加工過程中需要反復(fù)在機床與檢測儀器之間裝、卸零件，比較麻煩，并且在此種檢測條件下，需合理地設(shè)計凸凹模定位銷孔的位置，在加工并

11、檢測凸模（或凹模）的刃口尺寸合格后，以刃口型面為基準加工銷孔到尺寸。在此種檢測條件下，檢測的硬件成本較高，檢測的效率較低。另一種檢測方法是用相應(yīng)大小的外徑千分尺與內(nèi)徑百分表進行測量，這樣可以在生產(chǎn)現(xiàn)場進行檢測，避免了反復(fù)在機床與檢測儀器這間裝、卸零件。但相對而言由于量具本身規(guī)格較大，產(chǎn)品尺寸精度要求較高，因此要求檢測人員對量具的使用應(yīng)有一定的水平，對量具的測量精度有相當?shù)恼J識，能清楚分析檢測過程中各個環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生測量誤差的原因，知道如何盡可能減小或避免這些誤差的產(chǎn)生，并在檢測時對量具的操作也能作到這一點。在加工過程中先加工檢測凸模，在凸模合格后，以凸模為基準鎖定外徑千分尺，然后以外徑千分尺為基

12、準調(diào)節(jié)內(nèi)徑百分表的零位作為測量凹模的基準。無論對于圓形或方形的凸凹模都可以用此方法進行檢測。此種檢測方法除了對檢測人員水平有一定的要求外，極大地降低了對檢測硬件條件的要求，而且更有利于生產(chǎn)現(xiàn)場的操作。此外，由于凸凹模公稱尺寸比較大且凸凹模間配合間隙很小，在檢測中應(yīng)注意由于加工不良或材料變形造成的圓度（對于圓形產(chǎn)品）或直線度（對于方形產(chǎn)品）不能滿足要求，在沖裁時會使沖切的部分區(qū)域產(chǎn)生過切干涉現(xiàn)象或因間隙偏大而產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。4.3裝配間隙的檢測用一張與沖切材料厚薄均勻一樣的紙，放在已初步調(diào)整好的凸、凹模之間，然后合模并切出紙制件。根據(jù)所沖紙片的周邊是否切斷、有無毛邊或毛邊的分布均勻程度來判斷間隙大

13、小或全周邊間隙的均勻性是否合適。若在某一段發(fā)現(xiàn)毛邊較大，則說明在此段方向上間隙不均勻，需要進行調(diào)整，直到切紙試沖件的四周毛邊大小分布均勻為止。5裝配在凸凹模均使用外掛結(jié)構(gòu)定位方式的情況下，只能是分別在上下模板上安裝凸凹模，通過導(dǎo)柱孔及銷孔定位來保證凸凹模的合模精度要求，這就對導(dǎo)柱孔及銷孔間的相互位置精度提出了很高的要求。而在沖裁尺寸較大的情況下，要求對上下模板進行更高精度的形位加工會帶來很大的加工成本。在實際的生產(chǎn)中，在保證一定的經(jīng)濟性的情況下，在坐標磨床上加工圓形的凸凹模時存在0.0050.01mm的圓度偏差，在沖裁間隙在0.02mm以內(nèi)的情況下，由于定位孔位的偏差及凸凹模的圓度偏差，在上述

14、裝配方法下很容易造成部分區(qū)域的干涉或間隙偏大現(xiàn)象。因此，在凸凹模的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用前述凹模外掛式固定、凸模內(nèi)固定方式，按照優(yōu)化的裝配程序進行模具的裝配，在此說明以下出料方式?jīng)_裁模的一些裝配要點：5.1裝配凹模在下模板上并鎖上螺釘至九分緊。5.2在上下模板裝配限位等高柱，等高柱總高度應(yīng)保證凸凹模之間有一定的過切量。5.3翻轉(zhuǎn)下模板使下模板在上，上模板在下，并通過導(dǎo)柱孔使上下模板合模，依靠等高柱限位于上下模板的合模位置。5.4使凸模的剪切刃口向上，從下模板的落料腔位置放入凸模，為了方便裝配導(dǎo)向，可用長銷釘定位凸模與上模板之間的相互位置，允許銷釘與上模板銷孔之間有不大于凸凹模配合公差三分之一的間

15、隙。5.5用螺釘鎖定凸模于上模板上，更換正常銷釘后再緊固螺釘。然后緊固下模板螺釘。這樣通過凸凹模的強制定位修正由于導(dǎo)柱孔和銷孔位置偏差、上下模板的平面度偏差及凹?？赡艿淖冃蔚葘夏５挠绊懀ＷC了合模的精度要求。6結(jié)束語在保證材料質(zhì)量的情況下，采用最佳熱處理工藝，是消除模具在加工或使用過程中變形的關(guān)鍵，如果熱處理工藝不合理，則會嚴重影響模具的使用性能，造成模具過早報廢。尤其是淬火和回火工藝合理與否是模具制作最后成功的一個重要方面。同時，在加工過程中保證凸凹模刃口質(zhì)量和凸凹模之間的間隙要求是模具根本的要求，因此，在加工過程中凸凹模尺寸檢測的精確度相當重要。作者簡介：李 林（1971-）男. 廣東深圳