不銹鋼薄片零件的微小孔精沖加工工藝探索

劉志良，李世昌，文海波，歐夢雪

貴州航天電器股份有限公司（貴州貴陽 550009）

1 零件概述

在電子元器件、儀器儀零件中，經常遇到薄板小孔零件加工，如繼電器電子元件中的蓋板、支架、軸支撐片等零件，代表零件結構如圖1所示，零件上的設計有與小軸類零件精密配合的小孔，該類零件材料為H態的12Cr18Ni9，厚度為0.8mm，小孔直徑尺寸為φ1.53mm，小孔公差要求為±0.005mm，小孔壁表面粗糙度值為Ra0.8μm，可以看出零件的孔徑公差以及孔壁的光潔度都要求較高。原有加工工藝為：沖壓留精絞余量→預鉸孔→精絞孔→孔口倒角，加工效率低，而且受人為因素、刀具因素影響較大，因此也常造成孔尺寸超差或孔壁表面質量不滿足要求，給裝配及產品性能帶來一定的影響。為提升小孔加工質量，對原有工藝路線進行改進，采用精沖的方式來進行加工。

圖1 零件示意圖

2 實施思路及實施過程

本次工藝改進的核心是小孔精修，其工藝特點是將留有余量的沖孔零件，通過再次微量修沖，以降低孔壁表面粗糙度值，提高孔壁表面光潔度，減小孔口邊緣毛刺高度，提高孔徑的尺寸精度。通過精修孔可獲得Ra0.8～0.4μm的表面粗度值以及IT6～IT9的尺寸精度，后工序增加適當的滾光處理可以達到孔口邊緣無毛刺狀態。

精修過程是凸模推入留有余量的預孔中，凸模刃口將孔壁多余的金屬切除的工藝方法，精修工藝有如下的特點：

（1）由于精修切除的金屬余量少，所以與其它沖孔工藝相比，獲得較好的斷面質量所需的沖壓力小，修孔小凸模所承受的力也較小，保證凸模不易折斷。

（2）精修切除余量少，精修后的零件小孔直徑尺寸穩定，孔直徑尺寸收縮也較小，精修后的收縮量易于掌握和控制。

（3）在材料厚度相對較厚小孔直徑相對較小以及材料較硬的情況下，為了得到良好的斷面質量采用精修工藝是較為容易實現的方法。

（4）精修工藝加工穩定，效率高，在電子元器件精密零件的加工中得到廣泛應用。

2.1 模具設計

2.1.1 精修孔模具設計

由于模具間隙要求較小，模具精度要求較高，所以需要采用高精度的滾珠模架，以消除沖壓設備精度不足的影響，模架增加浮動模柄結構，如圖2所示。精修時定位采用外形定位，凹模修孔部分以及采用鑲件，便于更換，如圖3所示。

圖2 精修模

圖3 凹模結構

2.1.2 精修凸模材料和結構

凸模所選用的材料為耐磨性能及韌性較好硬質合金材料YG20，凸模結構如圖4所示。

圖4 凸模結構

2.1.3 凸模尺寸和預孔尺寸的計算

確定好精修前沖預孔模具工作部位尺寸，預孔尺寸也就基本確定了，對于精修孔來說，精修凸模尺寸的確定相對復雜，涉及變化的因素較多，例如修后孔的收縮量、精修孔的公差、凸模偏差等，公式（1）是凸模d部分尺寸計算經驗公式，公式（2）是預孔d1尺寸計算經驗公式。通過計算，凸模d的值為φ1.546mm，預孔d1的值為φ1.505mm。對于凹模尺寸，由于精修時凹模只起支承工件的作用，刃口尺寸一般不做要求，其尺寸按照一般的沖孔方法設計即可。

式中 D0——工件公稱尺寸

M——考慮工件公差和模具允許磨損的修正量，約為工件公差的75%～80%

S1——精修后材料的回彈量，如表1所示

表1 材料回彈量

式中 m——精修余量，約為材料厚度的6.9%～7.14%或者為沖孔雙面間隙的35.5%左右

S2——沖裁時工件回彈值，對于材料壓緊狀態下的沖裁取值為0.009～0.015mm

2.2 效果驗證

（1）精修余量和凸模頭部形狀對孔壁粗糙度的影響。

根據文獻資料，最終確定了兩種影響小孔粗糙度的主要因素，一個是精修余量，即預孔的大小，一個是凸模的結構，即凸模頭部是平頭還是有圓弧過渡，凸模結構如圖4所示。本組對比實驗中，選取了兩種精修預孔尺寸，一個是φ1.45mm，一個是φ1.5mm，φ1.45mm是鉸孔工藝要求的值，這里只用來做比較，而φ1.5mm尺寸則是按照經驗公式計算而來。

不同實驗條件下的修孔效果如圖5所示，放大倍數均為40倍，圖5a中，小孔精沖前的預孔大小是φ1.45mm，精沖的凸模頭部是平頭，未倒圓角，從圖5a中可以看出孔壁上無論是垂直方向還是水平方向都有比較明顯的條紋痕跡，看上去表面比較粗糙。圖5b和圖5a一樣，精沖前的預孔大小也是φ1.45mm，不同的是凸模部的形狀由平頭變成了圓弧過渡，從圖5b中可以看出，小孔的光潔度較之前有很大的改善，垂直方向的條紋得以改善，但是孔壁上面的橫向條紋還是存在，說明在同一修孔余量的前提下，凸模形狀的改變對于孔內壁的粗糙度改善作用明顯；圖5c中，小孔精沖前的預孔大小是φ1.5mm，凸模頭部是平頭，從圖5c中可以看出小孔內壁的粗糙度較圖5b所示的情況有所好轉，但垂直方向的條紋有所增多，圖5d和圖5c一樣，精沖前的預孔大小也是φ1.5mm，不同的是凸模部的形狀有平頭變成了圓弧過渡，從圖5d中可以看出，小孔內壁看上去非常的光滑，與之前的幾種狀態相比，內壁的光滑程度很高。

圖5 不同條件修孔效果對比

從以上幾種對比實驗可以看出，精沖余量的多少以及凸模頭部的形狀對小孔內壁的粗糙度影響非常大，在預孔大小為φ1.5mm且凸模頭部有圓弧過渡時，小孔內壁的粗糙度值最低。

（2）孔口毛刺及尺寸精度。

預孔大小為φ1.45mm時，加工后的孔內毛刺狀況如圖6a所示，有部分毛刺內翻的現象，當預孔大小為φ1.5mm時，由于精修余量非常小，單邊為0.02mm，毛刺主要集中在孔口的外緣，如圖6b所示，無毛刺內翻現象。經測量，精修后的小孔尺寸為φ1.527～φ1.535mm，毛刺控制和尺寸達到預定的目標。

圖6 孔口毛刺狀況

（3）粗糙度檢驗。

根據GB/T 6060.2-2006（表面粗糙度比較樣塊——磨、車、鏜、銑、插及刨加工表面），粗糙度值在Ra0.2μm以下時，取值長度為0.2mm，粗糙度值在Ra0.4μm時，取值長度為0.8mm，零件表面粗糙度值如圖7所示，為Ra0.28μm左右，從數據來看，小孔內壁具有較低的表面粗糙度值。

圖7 內孔表面粗糙度值

（4）存在問題及改進。

在整個驗證過程中，凸模是能否成功的關鍵因素之一，凸模的利用率成為了精沖成形的瓶頸，凸模的磨損及斷裂情況如圖8所示，從圖中可以看出凸模表面的磨損較大，主要接觸面幾乎全被刮傷，可見在精修過程中H態的12Cr18Ni9對凸模的損傷比較大。其主要表現在：

圖8 凸模表面磨損及斷裂

（1）凸模斷裂，沖制零件數量在500個以下，斷裂部分集中在凸模頭部，精修余量越大，斷裂的幾率越大。

（2）凸模磨損，在精修間隙比較小的前提下，隨著加工零件數量的增多，凸模的磨損也就越來越嚴重，孔內表面的加工質量也就越差。

為了解決以上問題，在后期的生產過程中對精修的間隙和凸模的加工進行了如下改進：

（1）對軸支撐片來料進行控制，確保來料的預孔尺寸在φ1.5±0.01mm，不得超差。

（2）凸模必須經過嚴格的檢驗和篩選，光潔度、圓度和尺寸必須滿足要求。

（3）凸模的使用次數進行嚴格的規定，2,000次進行檢查，5,000次進行更換，到了使用次數必須進行更換，確保滿足要求。

（4）加大零件的抽檢比例，遇到零件粗糙度異常及時更換凸模。

3 結論

通過查閱相關文獻資料了解了精沖方式的技術現狀，從凸模材料、凸模結構、模具結構、精修余量等關鍵技術參數入手，通過對比實驗方式，得到了理想的技術參數和預期的修孔效果，為小孔加工提供了一種新的工藝方法，解決了原有精絞加工工藝存在的小孔尺寸精度不穩定和粗糙度不滿足要求的問題。