精密高速?zèng)_壓的非均勻沖裁間隙設(shè)計(jì)

文／胡道春·臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具研究所

精密高速?zèng)_壓的非均勻沖裁間隙設(shè)計(jì)

文／胡道春·臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院模具研究所

在精密高速?zèng)_裁過(guò)程中，由于模具刃口與材料不斷摩擦，刃口的表面幾何形狀極易發(fā)生變化，引起沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸、形狀都發(fā)生改變，特別是在大批量的高速?zèng)_壓過(guò)程中，刃口磨損對(duì)于沖裁件尺寸一致性的影響更大。所以在設(shè)計(jì)階段尋求合理的沖裁間隙設(shè)計(jì)，對(duì)降低模具內(nèi)應(yīng)力、緩解模具磨損、延長(zhǎng)刃口使用壽命的意義重大。

以計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）、消費(fèi)性電子（Consumer Electronics）為代表的“3C”產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今社會(huì)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。3C產(chǎn)品中的接插件、連接器、彈片、端子等金屬制件都是3C產(chǎn)品的基礎(chǔ)零件，該類金屬制件均具有材料厚度超薄（毫米級(jí)以下）、形狀復(fù)雜且尺寸微小、形狀和位置精度非常高（尺寸精度要求接近微米級(jí)）、生產(chǎn)批量非常大等特點(diǎn)，通常采用精密高速級(jí)進(jìn)沖壓技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。精密高速級(jí)進(jìn)沖壓是在高速?zèng)_床上安裝一副包括沖裁、彎曲、拉深、成形等多道工序的精密、復(fù)雜、級(jí)進(jìn)沖壓模具，同時(shí)配備自動(dòng)送料、收料機(jī)構(gòu)，進(jìn)行自動(dòng)化、高效率、大批量生產(chǎn)的一種沖壓生產(chǎn)方式。精密高速級(jí)進(jìn)沖壓集精密制造、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制和綠色制造為一體，是高效率、高精度的先進(jìn)制造技術(shù)，代表了精密沖壓技術(shù)的發(fā)展水平和方向。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《裝備制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造投資方向（2010年）》中已列入多工位級(jí)進(jìn)模等10種模具作為重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展項(xiàng)目，模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中也將高速運(yùn)行的長(zhǎng)壽命精密多工位級(jí)進(jìn)模具作為產(chǎn)品發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

隨著企業(yè)產(chǎn)能擴(kuò)充及成本增加的雙重挑戰(zhàn)，級(jí)進(jìn)沖壓模具的速度越來(lái)越高，精密高速級(jí)進(jìn)沖壓技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。沖壓速度的不斷提升，給精密高速?zèng)_壓模具的設(shè)計(jì)與制造及高速?zèng)_壓成形帶來(lái)了很大的困難，國(guó)際高端沖床滑塊行程次數(shù)可達(dá)3500 次/min，而國(guó)內(nèi)沖床沖速普遍不足1200次/min，國(guó)內(nèi)高速級(jí)進(jìn)沖壓技術(shù)尚有諸多關(guān)鍵技術(shù)有待突破。本研究針對(duì)不同外形輪廓的沖裁件，從優(yōu)化沖裁間隙以獲取最小凸模應(yīng)力，緩解精密高速?zèng)_壓模具磨損的角度出發(fā)，探尋精密高速?zèng)_壓模具的設(shè)計(jì)技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際端子零件的精密高速?zèng)_壓領(lǐng)域。

高速?zèng)_裁過(guò)程中的受力分析

高速?zèng)_裁過(guò)程中模具與板材之間發(fā)生接觸主要有四處：⑴凸、凹模端面與板材之間；⑵凸、凹模側(cè)壁與板材之間；⑶板料斷裂分離后，廢料與工件之間；⑷推料過(guò)程中廢料與模具側(cè)壁之間。凸、凹模之間有間隙存在，凸模作用力Pp和凹模作用力Pd不重合，必然產(chǎn)生使板料扭轉(zhuǎn)的力偶。因此，凸、凹模模面與板材的實(shí)際接觸面積僅局限在刃尖附近的狹窄面積內(nèi)，如圖1所示。設(shè)該實(shí)際接觸的狹窄帶長(zhǎng)度為b，假定作用其上的壓力按直角三角形分布，則Pp和Pd之間的距離為2b＋c，在此實(shí)際接觸的狹窄帶區(qū)域內(nèi)作用全部的沖裁力，板料將產(chǎn)生壓縮變形，并產(chǎn)生塑性流動(dòng)。流動(dòng)材料與模具之間有了相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力。摩擦力的大小將取決于Pp、Pd和潤(rùn)滑條件，即凸凹模間隙與材料厚度的比值（c/t0）、摩擦系數(shù)μ1、μ2；摩擦力的方向則取決于材料塑性流動(dòng)的方向。

圖1 沖裁過(guò)程中力平衡示意圖

已有研究表明，增加潤(rùn)滑以減小刃口側(cè)部摩擦力相當(dāng)于減小作用于刃側(cè)板料的拉應(yīng)力，因而可以延遲裂紋的出現(xiàn)，并使圓角帶減少及光亮帶增多；同時(shí)，作用在模具刃口側(cè)壁與端面上的摩擦力都將會(huì)導(dǎo)致模具磨損，但沖裁過(guò)程中凸模所受的側(cè)壓力遠(yuǎn)大于凹模，因此凸模側(cè)壁和端面最容易發(fā)生磨損，而且模具磨損與模具內(nèi)應(yīng)力存在一定的線性關(guān)系。本研究以高速?zèng)_裁過(guò)程中凸模的受力狀態(tài)為研究對(duì)象，以不同外形輪廓沖裁件的最小凸模內(nèi)應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，最終獲取合理的非均勻沖裁間隙，并經(jīng)試模驗(yàn)證。

沖裁間隙對(duì)凸模內(nèi)應(yīng)力的影響規(guī)律

沖裁間隙對(duì)凸模內(nèi)應(yīng)力的影響曲線（材料為AISI 1010，料厚為0.8mm，沖壓速度為600次/min），如圖2所示。從圖中可以看出，隨著沖裁間隙的增大，凸模內(nèi)應(yīng)力顯著降低，但沖裁間隙繼續(xù)增大到一定程度后，凸模內(nèi)應(yīng)力又逐漸升高，使得凸模內(nèi)應(yīng)力隨著沖裁間隙的增加呈現(xiàn)出“V”形曲線，表明沖裁過(guò)程中存在合理的沖裁間隙范圍，也使得獲取最小凸模內(nèi)應(yīng)力為目標(biāo)的沖裁間隙優(yōu)化在理論上成為可能。

圖2 沖裁間隙對(duì)凸模內(nèi)應(yīng)力的影響

不同外形輪廓的沖裁間隙優(yōu)化

一般沖裁件的沖裁輪廓可分為四種基本形狀：圓、直邊、圓角、矩形（直邊＋圓角）。為此，建立四種基本形狀沖裁輪廓的有限元模型（圖3），進(jìn)行不同沖裁間隙的數(shù)值模擬分析，以獲取不同沖裁輪廓在不同沖裁間隙下的凸模平均應(yīng)力水平。

圖3 四種基本形狀沖裁輪廓的有限元模型

圖4 不同沖裁對(duì)沖裁輪廓、沖裁凸模內(nèi)應(yīng)力分布影響

模擬結(jié)果如圖4所示，不同輪廓沖裁時(shí)，凸模平均內(nèi)應(yīng)力隨沖裁間隙的變化曲線均呈現(xiàn)出“V”或“U”狀，表明不同輪廓沖裁時(shí)均存在合理的沖裁間隙，但實(shí)際沖裁件輪廓為此四種基本輪廓的若干耦合，且每種輪廓沖裁時(shí)最佳間隙各不相同，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓的沖裁間隙優(yōu)化，才是精密高速?zèng)_壓企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)所需求的。

非均勻沖裁間隙設(shè)計(jì)及試模驗(yàn)證

從前期模擬分析的結(jié)果及非均勻沖裁間隙的設(shè)計(jì)思想出發(fā)，完成如圖5所示的沖裁件模具設(shè)計(jì)（板料為AISI 1010，料厚為0.8 mm）。

圖5 沖裁件的非均勻沖裁間隙設(shè)計(jì)圖

圖6 不同量產(chǎn)階段的沖裁凸模磨損對(duì)比

不同量產(chǎn)階段的沖裁凸模磨損情況，如圖6所示。從圖中可以明顯看出，采用非均勻間隙沖裁的凸模，其磨損情況較傳統(tǒng)的均勻間隙沖裁有了明顯的改善，初步驗(yàn)證其正常使用壽命可提高3倍以上。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模具與板料的摩擦力分析，確定了凸模刃口部位最易發(fā)生磨損失效，而凸模磨損與沖裁過(guò)程中凸模內(nèi)應(yīng)力存在一定的線性關(guān)系。本文借助數(shù)值模擬得出不同外形輪廓的沖裁件在不同沖裁間隙時(shí)各自的凸模平均內(nèi)應(yīng)力，探討復(fù)雜輪廓沖裁件的沖裁間隙與凸模內(nèi)應(yīng)力內(nèi)在的聯(lián)系，最終提出基于最小凸模內(nèi)應(yīng)力的非均勻沖裁間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可顯著提高模具的使用壽命。