超薄料沖壓工藝分析與沖模結構優化

2021-08-06 01:07:42陳炎嗣金龍建

模具制造 2021年6期

陳炎嗣，金龍建

（1.北京東方電子集團模具廠，北京100102；2.松渤電器（上海）有限公司，上海201323）

1 引言

沖壓加工中，板料的使用最為廣泛。板料按厚度分類，有薄板、中板、厚板、特厚板之分。按料厚t的尺寸大小，分為：①t>4mm，稱厚板；②t=1~4mm，稱中厚板；③t<1mm，稱薄板；④t≤0.2mm，稱極薄料或超薄料。對于特別薄的料，也有的稱箔料，如鋁箔、錫箔等。

本文結合作者長期接觸薄料加工，擬對t≤0.2mm的超薄料在沖壓應用、模具結構優化方面的創新與實踐體會、總結與分析，為超薄料更好應用在沖壓加工提供參考。

2 超薄料的沖壓工藝分析

2.1 沖壓中應用的超薄料種類

2.1.1 金屬材料

金屬材料中的黑色金屬、有色金屬和貴金屬，是沖壓中超薄料應用較多的一種材料。

（1）黑色金屬。

黑色金屬在沖壓中的超薄料，主要有：①普通碳素結構鋼（Q235等）；②優質碳素結構鋼（08、10等）；③不繡鋼（1Cr18Ni9等）；④彈簧鋼（65Mn等）；⑤膨脹合金，又稱可伐合金（4J29鐵鎳鈷玻璃封結合金、4J34鐵鎳鈷瓷封合金等）；⑥鐵鎳軟磁合金，又稱坡莫合金（1J50、1J29等）以及各種鍍錫、鍍鋅、鍍鎳、覆鋁薄鋼帶（如單面覆鋁鍍鎳鐵帶、鍍鎳鐵帶等）；⑦優質碳素工具鋼（T10A）等。

（2）有色金屬。

有色金屬在沖壓中的超薄料品種較多，主要有銅及銅合金，鋁和鋁合金，鎳和鎳合金以及覆錫銅帶等。具體品種有：①黃銅（H62、H68等）；②純銅，習慣稱紫銅（T1、T2等）；③無氧銅（TU1、TU2等）；④鋅白銅（BZn18-18）；⑤錫青銅，錫磷青銅（QSn6.5-0.1）；⑥鈹青銅（QBe2、QBe1.7等）；⑦鋁箔（1060、1050A等）；⑧鎳帶（N6、N7等）；⑨覆錫銅帶（DSnH62、DSnH68、DSnQsn6.5~0.1等）；⑩覆銀銅帶等。

（3）貴金屬。

貴金屬也有稱貴重金屬，沖壓加工中的超薄料品種，主要有：銀（t=0.1mm）、銀銅合金（TAg0.1，t=0.02mm）等。

2.1.2 非金屬材料

相對于金屬材料，非金屬超薄料應用在沖壓加工中較少，主要品種有：高分子工程材料（塑料）和云母薄片等。具體有：聚酯薄膜（PET，t=0.05mm），聚酰亞胺（PI，t=0.1mm）等，云母薄片（有天然和人造兩種，天然礦產品可剝離成薄片t<0.5mm，沖壓中應用t=0.2mm）等。

2.2 超薄料的外在特點

超薄料，一般為箔料或卷料，其厚度t<（0.2±0.005）mm，（有些文獻此值定為0.3mm，即t<0.3mm時稱超薄料），寬度B±0.05mm，外在特點普遍存在：①軟；②剛性差；③攜帶不方便，尤其是短料；對于長料，為攜帶方便，根據生產需要，通過分條機裁切成一定寬度，卷成盤狀供用戶使用。

2.3 超薄料沖壓工藝分析

2.3.1 有利方面

（1）沖壓件一般都是小零件，沖壓力小，相對可以選用小噸位壓力機進行生產。

（2）對模具板件的強度要求相對低些。

（3）模具都不太大，模具用料也少。模具材料費所占模具成本較少。

2.3.2 不利方面

（1）不好送料（一般采用自動化送料方式進行沖壓加工）。

（2）不好定位，特別是單工序加工時。

（3）不好取件。

（4）模具沖裁間隙太小，不好控制。

（5）對模具精度要求高，加工制造難度大。

（6）常規的模具結構很難做到沖壓件的質量要求，為保證沖壓件精度，對模具結構要有特殊考慮。

（7）小凸模剛性差，易損壞。一般要考慮多做些備件供模修用。

（8）因一般模具較小，模具在沖壓設備上的固定往往要有附件。

3 超薄料沖壓模具應用的基本類型

3.1 確定模具類型的依據

常規沖模類型的確定與許多因素有關，如：①根據沖壓件的批量；②根據對沖壓件的精度要求；③根據沖壓件形狀的復雜程度；④根據沖模能達到的使用壽命；⑤根據模具的制造能力；⑥根據模具使用部門的現有沖壓設備狀況；⑦根據模具用戶的需要等。

超薄料沖壓模具的類型，主要決定于薄料材質與薄料沖壓件外形（形狀、尺寸大小）和產量大小。其中沖壓件外形對選用模具類型關系更直接。普遍超薄料制件外形較小，形狀較復雜。應盡量把所有沖壓工序排在一副模具內完成，避免沖壓件二次加工成形。所以一般優先選用沖壓工序集成度較高的復合模和多工位級進模來進行生產。并且希望模具結構設計要簡單，能夠滿足快速維修和精密調整的需要。

3.2 超薄料沖壓常用的沖模類型

3.2.1單工序模

單工序模中，以沖裁模為主，包括落料模和沖孔模。

（1）落料模，用于單純的片狀件外形沖裁分離，如生產半導體晶體管用料厚t=0.02mm，方1.5±0.05×1.5±0.05mm銀銅焊料片。根據沖壓件需要，這類模具外形相對較小，模具數量也不是很多。

（2）沖孔模，在薄帶料上連續沖孔或在片狀毛坯件上沖多個小孔。如料厚t=0.12mm，料寬B=1.08±0.03mm彈簧鋼帶一端需沖方孔1.52-00.01×0.44-00.01mm；料厚t=0.15-00.03mm，外形非整圓的聚酰亞胺片狀坯件上需沖48個?0.4-00.05mm小孔；料厚t=0.1mm，料寬B=180mm的08F鋼帶上一次沖549個?2mm孔等。超薄料沖孔模占有一定的數量。

（3）拉伸模，超薄料單工序拉伸模因存在操作和定位等諸多問題，應用比較少。

3.2.2 復合模

在超薄帶料上，大多數只完成沖孔、落料工序，沖下的制件就是所要獲取的片狀成品小零件。這類模具所占比例較多，模具結構比較復雜，加工精度要求高，加工難度比較大。

3.2.3 多工位級進模

在超薄帶料上，連續進行沖裁、彎曲、成形等多個工序的沖壓工作，沖下的制件就是所要獲取的較復雜的各種成品小零件。這類模具應用較多，所占比例較大，模具結構最復雜，生產效率最高，能在無人操作下進行自動化生產。

3.2.4 自動彎曲機模具

一些產量大的小型彎曲件，在自動彎曲機上，自動送料的情況下，利用各滑塊上安裝獨立的模具，完成沖裁、彎曲、成形等工序，工作過程全自動化，生產效率很高，在電子類和五金產品中應用較多。

3.2.5 聚氨酯橡膠模

一些品種多、產量較少的薄料零件的加工，利用聚氨酯橡膠制造模具，可以完成沖裁、拉伸、彎曲、成形等沖壓工作，而且能夠完成用傳統鋼模難以完成或無法完成的管狀零件上的成形（如凸肚）沖壓工作。

4 超薄料沖壓模具設計要點與模具結構優化

4.1 超薄料沖壓模具設計要點

（1）為保證沖壓件外形質量，在有搭邊（工藝廢料）的排樣沖裁時，搭邊值取比正常值加大，以增加帶料剛性，同時保證送料順利進行。

（2）帶孔的片狀制件，應采用復合模生產，沖壓件質量和生產效率都高。

（3）彎曲件彎曲工序較多時，不宜分開用單工序模加工，宜采用多工位級進模在一副模具上完成多道工序加工。通過級進模實現送進的是超薄原材料，出來的便是成品制件。生產效率高、質量好，而且可以解決許多小而復雜彎曲件的難加工問題。生產的安全性比單工序模有保障，不易出人身傷害事故。

（4）沖裁凸模與凹模間采用小間隙或無間隙。

（5）考慮到模具制造的經濟性，采用以沖裁凹模為基準的配加工方法，即沖裁凸模按沖裁凹模調配成雙面間隙，這樣做還有利于提高模具制造精度。

（6）不適合采用固定卸料，適合采用彈壓卸料。

（7）不宜將多個沖壓件疊加留在凹模內，宜沖一個制件即排出一個制件。

（8）凹模內一般設有推件塊或頂出器，使帶料和被沖壓件均處于被壓緊狀態下完成沖裁，保證制件平整不變形，同時又起到將沖壓件及時離開凹模不留件的作用。

（9）凹模一般采用鑲拼結構，便于制造和維修。

（10）為了提高凸模剛性和強度，凸模長度設計越短越好。

（11）產量不大（年產量<25,000件），沖壓性質單一（純沖裁、淺拉伸、彎曲、成形、翻邊、壓印等工序），料薄（0.01~0.5mm），可優先采用聚氨酯橡膠模進行生產。

4.2 超薄料沖壓模具結構優化

4.2.1 模架

（1）超薄料沖壓，模具一般都采用帶導向裝置的模架，并且優先選用標準模架，模座一般應用對角導向、中間導向和四角導向。盡管沖壓力不大，為保持模具的剛性，都選用較厚模座。

（2）模架導向裝置，滑動式、滾動式都有應用，但滾動式比滑動式更好些，當制件產量不大時，選用滑動式導向裝置比較經濟。

（3）模柄大多應用浮動式結構，利用帶球形面墊塊與模柄連接頭間的球形面接觸，可以消除壓力機滑塊導向誤差對模具導向精度的影響。

4.2.2 模具的導向裝置

（1）除模架有導向裝置保證上下模相對位置外，模具中三大板（一般指沖模中的凸模固定板、卸料板、凹模板）之間增加小導柱導向。即復式導向，保證上下凸、凹模之間相對位置更加正確可靠。

（2）對于中等大小有復式導向的模具中，模架的導向滾動式用得較多，三大板之間導向滑動式用得較多。

（3）整副模具中，模架上的導向副，一般在模架的四角設置，主要采用圓柱形配合面（含滾動和滑動），大一點的模具，為進一步提高導向效果，尤其在多工位級進模中，在矩形模座長邊方向的中間兩側，外加側向導板與導板槽平面導向副輔助導向。

4.2.3 卸料裝置

（1）一般不用固定卸料板卸料，采用彈壓卸料板卸料，并要求做到沖壓開始時，卸料板先壓緊材料，然后進行沖壓工作，卸料板不僅有足夠的剛性，同時彈壓板運動過程中要求保持對凹模平面的高度平行，做到沖壓開始前能有效將材料壓緊，沖壓結束后及時將帶料從凸模上卸下。

（2）彈壓卸料板的卸料螺釘，多為成雙均勻對稱設計，采用套筒式結構，多個套筒的長度一致性靠磨削加工一起加工，保證尺寸精度齊正。

（3）壓縮彈簧一般采用矩形截面中載荷一類，多個彈簧的長度控制齊平，誤差<±0.05mm。

（4）考慮到卸料板的剛性，一般選用45或工具鋼制造。必要時淬火處理，硬度達45~50HRC或更高。

（5）級進模中的卸料板，與凸模相配合部分，常設計成鑲拼結構，這部分的材料一般選用合金工具鋼，經熱處理淬硬達55~60HRC。

4.2.4 凹模

（1）凹模采用鑲拼結構的較多。可以變復雜的內形加工為簡單的外形加工，同時能達到凹模應有高精度要求。

（2）鑲拼凹模刃口可以采用精密磨削加工（含光學曲線磨），能有效保證尺寸微米級精度和獲得表面粗糙度要求。

（3）凹模刃口采用斜刃結構，刃角取5'~20'，有效工作段取2~4mm，出件部分斜角取30'。這樣的設計既便于出件，又在多次刃磨后沖裁間隙變化不多。

（4）凹模一般采用較好的合金工具鋼制造，如Cr12MoV或日本的SKD11，經淬火處理后還進行深冷處理，以獲得較高的耐磨性和尺寸穩定性。有長壽命要求時，采用硬質合金如YG8、YG15或進口材料KD20、CD650等。

4.2.5 凸模

（1）為便于制造，采用直通式結構比較好。即凸模的工作部分和固定部分形狀完全相同，可以用慢走絲線切割直接加工而成。小型凸模固定端與凸模固定板采用鉚接方法，較大凸模固定端采用壓板固定、壓銷掛住或螺釘拉住等。

（2）考慮到凸模強度，長度盡量取短，在保證留有一定刃磨量的情況下，長度越短越好。凸模長度一般取L=30~35mm，最短時在復合模中，小凸模L=10mm也被常用。

（3）當直通式凸模強度剛度不夠時，可以設計成固定部分與工作部分不一樣，固定部分一般設計成矩形或方形，工作端全靠成形磨削（主要是光學曲線磨，又稱PG加工）加工而成。此時凸模的長度比較長，凸模的固定一般采用插入式通過壓板與螺釘緊固。

（4）單工序中的凸模，一般為標準型結構，即凸模的工作部分、固定部分有明顯的區別，固定部分一般設計有掛臺。

（5）凸模材料的選用，Cr12、Cr12MoV常用，當耐磨性、抗壓強度、韌性等方面要求高的，可采用粉末高速鋼，如ASP23。

4.2.6 級進模中超薄料沖壓定距定位的幾種結構應用

（1）單一齒形側刃與側刃擋塊。在人工送料、低速、定位精度不高和工位數較少時常用。

（2）齒形側刃與側刃擋塊+導正銷，即由模外送料器送料，模內側刃初定位，導正銷精定位。當工位數較多，定位精度要求較高，且在自動送料時常用。

（3）模外高精度自動送料裝置+模內多個導正銷，即由自動送料裝置初步控制送料步距，導正銷再精確定位。在沖速較高、模具工位數較多、定位精度要求較高和沖壓件材料很薄的情況下常用。

（4）帶有過切部分的平行刃齒側刃的應用。

側刃定距定位，在級進模中的應用比較廣泛，常在定距精度要求高時，作為終定距使用，在定距精度要求更高時，可作為初定距使用（標準側刃見JB/T 7648.1~4-2008）。

用于超薄料定距定位帶過切的平行刃齒側刃，如圖1所示，該結構為某多工位級進模應用，沖壓件材料鈹青銅，料厚t=0.1mm，采用模外送料器浮動送料，平行刃齒側刃+導正銷雙重定距定位。通過平行刃齒側刃過切a×b部分，保證料寬B雖經側刃2沖切，寬度尺寸B1始終保持在一定尺寸范圍內，同時帶料的K側也不會出現常規矩形側刃磨損而留下毛刺影響送料等缺陷；也不存在標準齒形側刃工作后在帶料邊緣出現凹形缺口會影響到浮動導料的送料通暢問題。