超薄料沖壓工藝分析與沖模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳炎嗣，金龍建

（1.北京東方電子集團(tuán)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(jié)合作者長期接觸薄料加工，擬對t≤0.2mm的超薄料在沖壓應(yīng)用、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的創(chuàng)新與實踐體會、總結(jié)與分析，為超薄料更好應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)鋼（Q235等）；②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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(jié)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(yōu)質(zhì)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(xí)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(yīng)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(chǎn)品可剝離成薄片t<0.5mm，沖壓中應(yīng)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(xiàn)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(jù)生產(chǎn)需要，通過分條機(jī)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(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。

（2）對模具板件的強(qiáng)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(jìn)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(guī)的模具結(jié)構(gòu)很難做到?jīng)_壓件的質(zhì)量要求，為保證沖壓件精度，對模具結(jié)構(gòu)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(shè)備上的固定往往要有附件。

3 超薄料沖壓模具應(yīng)用的基本類型

3.1 確定模具類型的依據(jù)

常規(guī)沖模類型的確定與許多因素有關(guān)，如：①根據(jù)沖壓件的批量；②根據(jù)對沖壓件的精度要求；③根據(jù)沖壓件形狀的復(fù)雜程度；④根據(jù)沖模能達(dá)到的使用壽命；⑤根據(jù)模具的制造能力；⑥根據(jù)模具使用部門的現(xiàn)有沖壓設(shè)備狀況；⑦根據(jù)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(zhì)與薄料沖壓件外形（形狀、尺寸大小）和產(chǎn)量大小。其中沖壓件外形對選用模具類型關(guān)系更直接。普遍超薄料制件外形較小，形狀較復(fù)雜。應(yīng)盡量把所有沖壓工序排在一副模具內(nèi)完成，避免沖壓件二次加工成形。所以一般優(yōu)先選用沖壓工序集成度較高的復(fù)合模和多工位級進(jìn)模來進(jìn)行生產(chǎn)。并且希望模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要簡單，能夠滿足快速維修和精密調(diào)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(chǎn)半導(dǎo)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(jù)沖壓件需要，這類模具外形相對較小，模具數(shù)量也不是很多。

（2）沖孔模，在薄帶料上連續(xù)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(shù)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(yīng)用比較少。

3.2.2 復(fù)合模

在超薄帶料上，大多數(shù)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工精度要求高，加工難度比較大。

3.2.3 多工位級進(jìn)模

在超薄帶料上，連續(xù)進(jìn)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(fù)雜的各種成品小零件。這類模具應(yīng)用較多，所占比例較大，模具結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，生產(chǎn)效率最高，能在無人操作下進(jìn)行自動化生產(chǎn)。

3.2.4 自動彎曲機(jī)模具

一些產(chǎn)量大的小型彎曲件，在自動彎曲機(jī)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(chǎn)效率很高，在電子類和五金產(chǎn)品中應(yīng)用較多。

3.2.5 聚氨酯橡膠模

一些品種多、產(chǎn)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(tǒng)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(shè)計要點與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 超薄料沖壓模具設(shè)計要點

（1）為保證沖壓件外形質(zhì)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(jìn)行。

（2）帶孔的片狀制件，應(yīng)采用復(fù)合模生產(chǎn)，沖壓件質(zhì)量和生產(chǎn)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(jìn)模在一副模具上完成多道工序加工。通過級進(jìn)模實現(xiàn)送進(jìn)的是超薄原材料，出來的便是成品制件。生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好，而且可以解決許多小而復(fù)雜彎曲件的難加工問題。生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)性，采用以沖裁凹模為基準(zhǔn)的配加工方法，即沖裁凸模按沖裁凹模調(diào)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(nèi)，宜沖一個制件即排出一個制件。

（8）凹模內(nèi)一般設(shè)有推件塊或頂出器，使帶料和被沖壓件均處于被壓緊狀態(tài)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(jié)構(gòu)，便于制造和維修。

（10）為了提高凸模剛性和強(qiáng)度，凸模長度設(shè)計越短越好。

（11）產(chǎn)量不大（年產(chǎn)量<25,000件），沖壓性質(zhì)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(yōu)先采用聚氨酯橡膠模進(jìn)行生產(chǎn)。

4.2 超薄料沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2.1 模架

（1）超薄料沖壓，模具一般都采用帶導(dǎo)向裝置的模架，并且優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)模架，模座一般應(yīng)用對角導(dǎo)向、中間導(dǎo)向和四角導(dǎo)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(dǎo)向裝置，滑動式、滾動式都有應(yīng)用，但滾動式比滑動式更好些，當(dāng)制件產(chǎn)量不大時，選用滑動式導(dǎo)向裝置比較經(jīng)濟(jì)。

（3）模柄大多應(yīng)用浮動式結(jié)構(gòu)，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(jī)滑塊導(dǎo)向誤差對模具導(dǎo)向精度的影響。

4.2.2 模具的導(dǎo)向裝置

（1）除模架有導(dǎo)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(dǎo)柱導(dǎo)向。即復(fù)式導(dǎo)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(fù)式導(dǎo)向的模具中，模架的導(dǎo)向滾動式用得較多，三大板之間導(dǎo)向滑動式用得較多。

（3）整副模具中，模架上的導(dǎo)向副，一般在模架的四角設(shè)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(jìn)一步提高導(dǎo)向效果，尤其在多工位級進(jìn)模中，在矩形模座長邊方向的中間兩側(cè)，外加側(cè)向?qū)О迮c導(dǎo)板槽平面導(dǎo)向副輔助導(dǎo)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?jīng)_壓開始時，卸料板先壓緊材料，然后進(jìn)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?jīng)_壓開始前能有效將材料壓緊，沖壓結(jié)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?qū)ΨQ設(shè)計，采用套筒式結(jié)構(gòu)，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(dá)45~50HRC或更高。

（5）級進(jìn)模中的卸料板，與凸模相配合部分，常設(shè)計成鑲拼結(jié)構(gòu)，這部分的材料一般選用合金工具鋼，經(jīng)熱處理淬硬達(dá)55~60HRC。

4.2.4 凹模

（1）凹模采用鑲拼結(jié)構(gòu)的較多。可以變復(fù)雜的內(nèi)形加工為簡單的外形加工，同時能達(dá)到凹模應(yīng)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(xué)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(jīng)淬火處理后還進(jìn)行深冷處理，以獲得較高的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。有長壽命要求時，采用硬質(zhì)合金如YG8、YG15或進(jìn)口材料KD20、CD650等。

4.2.5 凸模

（1）為便于制造，采用直通式結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(fù)合模中，小凸模L=10mm也被常用。

（3）當(dāng)直通式凸模強(qiáng)度剛度不夠時，可以設(shè)計成固定部分與工作部分不一樣，固定部分一般設(shè)計成矩形或方形，工作端全靠成形磨削（主要是光學(xué)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(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)，即凸模的工作部分、固定部分有明顯的區(qū)別，固定部分一般設(shè)計有掛臺。

（5）凸模材料的選用，Cr12、Cr12MoV常用，當(dāng)耐磨性、抗壓強(qiáng)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(jìn)模中超薄料沖壓定距定位的幾種結(jié)構(gòu)應(yīng)用

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

（2）齒形側(cè)刃與側(cè)刃擋塊+導(dǎo)正銷，即由模外送料器送料，模內(nèi)側(cè)刃初定位，導(dǎo)正銷精定位。當(dāng)工位數(shù)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(nèi)多個導(dǎo)正銷，即由自動送料裝置初步控制送料步距，導(dǎo)正銷再精確定位。在沖速較高、模具工位數(shù)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(cè)刃的應(yīng)用。

側(cè)刃定距定位，在級進(jìn)模中的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)側(cè)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(cè)刃，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)為某多工位級進(jìn)模應(yīng)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(cè)刃+導(dǎo)正銷雙重定距定位。通過平行刃齒側(cè)刃過切a×b部分，保證料寬B雖經(jīng)側(cè)刃2沖切，寬度尺寸B1始終保持在一定尺寸范圍內(nèi)，同時帶料的K側(cè)也不會出現(xiàn)常規(guī)矩形側(cè)刃磨損而留下毛刺影響送料等缺陷；也不存在標(biāo)準(zhǔn)齒形側(cè)刃工作后在帶料邊緣出現(xiàn)凹形缺口會影響到浮動導(dǎo)料的送料通暢問題。

圖1 帶有過切部分的平行刃齒側(cè)刃暨平面狀態(tài)圖

因此，當(dāng)步距尺寸較小，沖壓件料厚較薄，料寬邊緣被沖切后要求保持完整、無缺口的情況下使用它比較理想。

4.2.7 相關(guān)模具零件間的配合關(guān)系

（1）超薄料復(fù)合模沖裁凸凹模與相關(guān)件之間配合關(guān)系，如圖2所示。

圖2 復(fù)合模沖裁凸凹模與相關(guān)件之間配合關(guān)系

a.模架導(dǎo)柱導(dǎo)套間配合間隙“C”<落料間隙“B”<沖孔間隙“A”，即C

b.推板與凹模間配合間隙“D”<推板與沖孔凸模間配合面間隙“E”，即D

c.上模的推料系統(tǒng)中，為保證推料力不直接作用在凹模臺孔F端面上，應(yīng)做到推桿5推到下極限位置時，推板的“T”形臺和凹模臺孔F端面不應(yīng)受力碰死，保持有約0.1~0.2mm的合理空隙較好。

d.3個硬推桿5必須有足夠剛度，長度必須加工齊平一致。

（2）超薄料級進(jìn)模沖裁相關(guān)件之間配合關(guān)系，如圖3、表1所示。

圖3 超薄料級進(jìn)模沖裁相關(guān)件之間的配合關(guān)系

表1 圖3超薄料級進(jìn)模沖裁相關(guān)件之間配合關(guān)系

（3）小導(dǎo)柱與小導(dǎo)套、沖裁小凸模與卸料板和沖裁間隙之間的間隙值分配關(guān)系推薦值，如表2所示。

表2 小導(dǎo)柱小導(dǎo)套、小凸模與卸料板和沖裁間隙之間的間隙值分配關(guān)系 mm

（4）級進(jìn)模中導(dǎo)正銷與卸料板、導(dǎo)正孔之間的配合要求，如表3、圖4、圖5所示。

表3 導(dǎo)正銷與卸料板、導(dǎo)正孔之間的配合要求（見圖4、圖5）

圖4 導(dǎo)正銷與卸料板、導(dǎo)正孔之間的配合要求用圖

圖5 導(dǎo)正銷與帶料上導(dǎo)正孔、凹模過孔之間相對位置和理想配合放大圖

5 結(jié)束語

超薄料沖壓是一種特殊材料的應(yīng)用，所用的模具因沖壓材料的特殊性，在模具結(jié)構(gòu)和工藝方面，相應(yīng)地要有所創(chuàng)新和跟進(jìn)。本文是作者長期實踐中的一些體會和認(rèn)識的總結(jié)，介紹給廣大讀者，為超薄料沖壓加工更好應(yīng)用提供借鑒和參考。