高速冷沖壓模具結構優化設計

周逢海

（安徽中智光源科技有限公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

目前我國制造產業正處于升級轉型的過程當中，在現代工業生產當中進行模具結構的優化設計，可以顯著提高產品的質量與對應的等級。應用高速冷沖壓模具可以顯著提高產品的成材率，降低產品的成本。從目前的生產情況來看，高速冷沖壓模具在運行過程中存在著一些比較明顯的失效問題，從結構方面對這些問題進行調整，可以促進產品質量的提升。

1 高速冷沖壓模具結構

高速冷沖壓模具結構的創新，是建立在原有結構基礎優化分析基礎之上的。經過近多年的發展，目前我國在高速冷沖壓模具的生產與設計上已經有了比較高的工藝水平。以計算機模具元件的生產為例，主流的模具型號有CAD/CAM 等，它們的模具就有比較好的結構性能，應用在標準件的生產當中可以顯著提高生產的精度。同時，應用這種高速冷沖壓模具，設備生產的精準度幾乎可以達到GUR 級別，使用覆蓋率可以增加45%[1]。

隨著技術水平的不斷升級，目前我國的高速冷沖壓模具有以下4 個發展方向：

（1）在模具生產當中大型設備的比例不斷增加，尤其是隨著我國零件出口規模的不斷擴大，成型模具的生產比例加大。

（2）高速冷沖壓模具的生產可以適應一模多腔的生產方式，精度越來越高。2018 年高速冷沖壓模具的精度已經達到了2～3 mm。

（3）多功能復合模具發展。高速冷沖壓模具除了具備成型零件的生產功能之外，還可以負擔一些疊壓零件、鉚接零件、鎖緊零件的相關生產組件任務。

（4）高速冷沖壓模具的生產對于復合鋼材的性能要求越來越高。這將會促進我國金剛制造工藝的轉型與升級，不斷提高技術水平，適應目前的模具生產質量要求。

2 高速冷沖壓模具結構的優化升級

2.1 高速冷沖壓模結構要點

（1）模架部分是整個結構的支撐部分，它需要等級比較高的高精密鋼珠進行導入的支撐。在材料的選擇上，只有高精度的鋼材和鋁合金材料才能夠滿足目前模具的生產要求。除了模架，模具的支撐部分還有沖頭固定板、布料背板、撥料板、模仁固定板、下模墊板等，它們均以高精度的鋁合金作為主要的生產材料。

（2）導柱部分是整個高速冷沖壓模結構運用最多的部分，主要采用滾動支撐結構。在設計的過程中，需要不斷突破沖裁的間隙，來控制沖床的運行參數。

表1 高速冷沖壓模具的先進性

（3）卸料彈簧結構可以在彈簧壓力控制數量及分析的匹配情況下，對彈簧壓縮量進行極限調整。優秀的卸料彈簧既可以排布均勻，避免設備運行過于疲勞而出現生產事故，還可以運行靈活穩定，提高整個壓縮極限的數量。

（4）卸料螺釘一般根據高速冷沖壓模具的規格型號和尺寸而定，目前在計算機零件的沖壓結構當中，主流采用M10 螺釘。這種螺釘可以承受多次的沖擊，對于負載造成的相關破損具有一定的承受能力[2]。

（5）高速冷沖壓模具運行過程當中，在單位時間內工作零件的凸面與凹面接觸次數是非常多的，如果不對這種磨損情況進行優化控制，那么整個設備的使用壽命就會下降。要選擇硬質合金等相關以性能比較好的生產材料，對工作零件的具體生產情況進行相應的及時調整。

（6）導向部件是保障高速冷沖壓模具夠運行穩定的關鍵元素，只有進行準確的定位才能保障帶料平穩。

2.2 高速冷沖壓模具的失效問題

2.2.1 沖擊力失效

在模具運行的過程當中，高速冷沖壓模具材料的接觸次數可以達到上億次。在這種長時間的連續沖擊下，突出的結構部分很容易在荷載壓力的應力作用下產生不良的振動。不僅會造成金屬的疲勞現象，還會啃傷刃口，導致整個結構的沖擊力下降。

2.2.2 模具的發熱

沖壓速度的問題還會引起整個高速冷沖壓模具的發熱現象，甚至在發熱情況比較嚴重的情況下，發熱可以超出正常溫度的240%。在這樣的高溫環境下，一些鋼結構的材料會發生變軟和變形現象，導致硬質合金的實際形態受到影響。

2.2.3 失鈷現象

在冷沖壓模具運行的過程中，如果沒有按照規定使用潤滑油，就有可能引起刃口材料的失鈷現象，從而導致整個模具的磨損情況加劇，無法適應后續的連續工作生產。

2.3 高速沖壓模具失效的影響

（1）模板變形可能會導致模具出現凹坑或者是翹起，在制作產品的過程當中就會影響產品的實際形態，以及生產出來的硬度，甚至由于一些熱處理工藝不合格問題，可能會導致產品的強韌性達不到要求，存在局部的超載現象。

（2）模具失效可能會導致材料與配料之間存在較大的摩擦，從而影響整個生產材料的穩定性，導致振動增加、溫度上升、機械性能受到影響等。在這個過程中，配料就可能存在過度潤滑或變形加劇的問題。

（3）疲勞失效可能會導致工件加工的過程當中出現應力集中現象，以及循環荷載現象。這時，工件的原料可能會出現屈服強度超過原本核載的情況，產生一些細微的裂痕，在應力集中模式下這些裂痕會逐漸擴大，進行影響整個制造元件的一體化程度。

2.4 結構優化設計要點

（1）控制變量分析。

當高速冷沖壓模具的材料一定時，也就是采用規定型號的金剛以及鋁合金，生產時間是一個定值，選擇的材料性質越軟、雙向擠壓力也就會越大。在這種生產情況下，如果連續作業，就會對高速冷沖壓模具的刃口形成損傷，在生產的過程當中容易發生粘結和啃磨的現象[3]。材料的性質越軟，黏結現象發生的頻率就越低，在這種情況下采用沖切間隙控制的方式，可以將擠壓力調整到最大。

不同型號的模具承載極限如表2 所示。

表2 結構規格參數

因此，在模具結構優化的過程中，要對沖切下料加工環節進行控制，從而提高模具維護的周期，降低模具表面的粗糙程度。通過對異常磨好狀態的細節分析，確定研磨量，從而提高模具的使用壽命。

（2）結構優化設計：①對于高速冷沖壓模具的凹線模具零件進行固定組裝，并通過廢屑上升的空氣壓力控制，防止外界的污染物質進入到模具當中，影響整個模具的具體運行情況；②適當縮短模具的長度，降低模具的承重總量；③利用s4541 型號的鋁合金板等替代傳統的生產材料；④使用經過陽極處理的鋁合金板，全面提高模具的生產強度與生產質量。

3 結束語

綜上所述，對高速冷沖壓模具的結構進行調整，可以降低使用過程當中的磨損情況，提高產品加工的精度。從本文的分析可知，研究高速沖壓模具的結構優化，有利于從發展的角度看待目前模具生產過程的失效問題，因而要加強系統研究，促進結構的優化升級。