提高0.35mm硅鋼片落料模壽命的方案研究與應用

曾 順

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽641008）

1 引言

大型汽輪發電機定子鐵芯部分機型采用0.35mm硅鋼片，如35Q155、B35A210等，其硅含量高導致沖制工藝性差。在該類型硅鋼片落料生產中，不斷出現模具單次有效沖次低、毛刺大和模具壽命短等問題。

為解決0.35mm硅鋼片沖制過程中出現的各種問題，本課題從模具材料及結構入手進行模具設計優化，并對優化后的模具進行大批量沖裁應用驗證與數據分析，最終獲得可應用于0.35mm硅鋼片實際加工的落料模具優化方案。

2 模具組合優化方案

針對沖裁高強度、高硬度板材可能出現的各種缺陷，如刃口崩口、模塊研傷等，為提高模具壽命與穩定性，本課題主要從以下2個方面進行優化。

2.1 模塊材料的選擇

傳統模具模塊材料較多選用Cr12、Cr12MoV，在實際生產中發現采用該材料的模塊在0.35mm硅鋼片落料序中極易產生刃口局部崩裂的現象，其不適用于高強度高硬度硅鋼片的沖裁。結合本公司實際經驗，經過篩選后初步選擇V-4E作為高牌號硅鋼片落料模的模塊材料選用方案之一，并與V-10進行全方位的綜合對比分析，如表1及圖1所示，V-10主要表現為高硬度高耐磨，V-4E各項性能較均衡，韌性好且具備更好的經濟性。

圖1 模塊材料性能對比

表1 兩種模塊材料參數對比

2.2 模具結構設計優化

為得到適用于沖裁0.35mm高牌號硅鋼片的更優間隙，擬在模具的不同位置處設計不同沖裁間隙，并在模具不同位置處采用不同的模塊材料，最終形成“一模雙料三間隙”的模具設計方案，如圖2所示。其加工工件為發電機定子沖片，它可以代表該類沖裁件的典型特征，如上下非對稱、具有深槽及尖角等，并且該類沖裁件也是高牌號硅鋼片最有可能應用的領域，使該課題成果具有更好的應用價值。該模具以中線為大致分界線，下模左側選用V-10作為模塊材料，另一側為V-4E，對應側上模選用與下模同種模塊材料。同時在同種模塊材料側布置3種上下模單邊間隙，分別為0.02mm、0.04mm、0.03mm。該方案通過對稱布局的方法，可對同種材料不同間隙、同種間隙不同材料的沖裁斷面進行對比分析，在保證具有足夠可對比性的前提下，節約了試驗成本。

圖2 模具設計方案（下模）

3 試驗過程

模具制造完成后，分兩次完成了模具的試沖及批量沖裁工作，合計共沖裁硅鋼片原材料約16.7t，沖片合計約23,000片，凈重約12t。批量沖裁過程中模具沖裁質量穩定，無毛刺高度急劇增大的現象，局部尖角最大毛刺0.09mm，但存在局部崩口的現象，經處理后仍可繼續進行加工，最終在沒有復口的情況下完成了所有試驗原材料的沖裁加工。

4 結果分析

針對該試驗模具2種材料3種間隙的設計特點，為尋求更優組合，需對模具6個不同模塊位置處的沖裁效果進行對比分析，如圖3中①~⑥所示，主要綜合3個維度進行評判，即毛刺高度、沖裁斷面質量、崩刃數量。

（1）毛刺高度。對沖裁末尾階段的沖片進行毛刺對比，同一沖片各不同部位毛刺高度檢測結果如圖3所示。

圖3 局部毛刺高度

從圖3可以看出，最大毛刺出現在左側采用V-10的模塊尖角處，且毛刺均值左側大于右側，具體值如表2所示。

表2 兩側毛刺高度對比 mm

從圖3可以發現局部尖角處毛刺高度急劇增大，其對最終毛刺均值會帶來一定的干擾，排除干擾后的毛刺最優位置位于③、⑥。不同間隙下的沖裁毛刺高度對比分析如表3所示。

表3 不同間隙下的毛刺對比（不含尖角） mm

綜合表2、表3可以看出，采用V-4E模塊、間隙取0.02mm的沖裁毛刺最優。

（2）沖裁件斷面質量。斷面取樣分析如表4所示，其位置序號與圖3所標示位置一致。現有模具沖裁件斷面取樣自用于正式制件的沖裁硅鋼片，其幾何尺寸與試驗模具的沖裁件完全一致，保證了對比的有效性。

表4 沖裁斷面對比

從對比圖上可以看出試驗模具加工出的沖裁件斷面表面質量明顯優于現有模具所沖零件斷面，其斷面平整光潔，光亮帶連續分布且占比較大，撕裂帶占比較小。在試驗模具的6個斷面試樣中，②位置處的沖裁斷面質量最高，光亮帶占比接近90%，但存在部分團狀聚集撕裂帶，且采用同樣間隙的⑤位置處沖裁斷面質量卻并不理想，表明該間隙下的沖裁斷面質量不穩定，波動較大；③與④表現出②與⑤類似的質量波動特征；①與⑥位置處沖裁斷面質量較為接近，表現了一定的沖裁穩定性，且其斷面表面質量與②較為接近。

綜合沖裁斷面表面質量及加工穩定性兩個因素，0.02mm單邊間隙為針對0.35mm高牌號硅鋼片的更優模具設計要素。

（3）模塊崩口狀況。將完成批量沖裁后的模具開模進行刃口磨損狀況分析及崩口數量統計，其中上模未見研傷及崩口，下模局部出現崩口，如圖4所示，且崩口主要集中于左側V-10模塊的齒部槽形位置處，可見V-4E韌性的增強有利于硅鋼片落料模的抗崩性，更適合沖裁高牌號硅鋼片。

圖4 下模崩口狀況

5 結論

此次試驗共計沖裁約23,000次，且中間過程無復口，沖裁次數對比如表5所示，采用V-4E材料的模塊沖裁次數明顯優于同樣為加工0.35mm硅鋼片的100萬火電制件鐵芯沖片模具。

表5 單次沖裁次數對比

綜上所述，模塊采用綜合性能更優的V-4E材料且單邊間隙為0.02mm的模具更能適應0.35mm厚高牌號硅鋼片的沖裁加工，其刃口性能均衡，斷面加工質量穩定，光亮帶占比大于75%，毛刺較小，可以實現對高牌號硅鋼片的批量加工。