普通液壓機精沖模具凹模早期開裂探究

郁 蔚

(江蘇省常熟職業教育中心校，江蘇 蘇州 215500)

精沖工藝生產的零件在形狀、尺寸精度上均超過普通沖裁生產的零件，在零件表面與剪切面質量上也有更好的表現。精沖模具直接作用于零件形成，因而精沖模具沖裁間隙、沖裁刃口形狀、模具加工使用性能、模具所用材料在加工行業受到廣泛關注。但由于精沖工藝涉及內容較多，其凹模可能在各種因素影響下出現開裂，進而影響精沖零件質量、參數及液壓機生產效率，因此對精沖模具凹模早期開裂問題進行研究十分必要。

1 精密沖裁技術

1.1 精密沖裁技術原理

作為一種精密沖裁方法，精沖發展源自普通沖裁，且具有無切削特質，兩者區別在于對板料撕裂的控制。精沖在專用精沖機和普通液壓機中均可進行。普通液壓機進行精沖加工作業需要額外加裝液壓模架，其原理是應用精沖模具使板料承受三向壓應力，以純剪切方式完成分離，由此加工出的零件具有尺寸公差小、形位精度高、翹曲度小、垂直度高等特點，還具有較高的光潔度，因此精沖加工零件質量很好。精沖工藝原理如圖1所示。

圖1 精沖工作原理圖

應用精沖加工零件使沖裁凸模壓入板料之前，壓邊力Fr能將板料壓緊在凹模上，使V形齒內面產生橫向側壓力，這種側壓力能夠有效控制金屬板料位置，避免其在剪切區域內出現撕裂或橫向流動，同時反壓力Fg能將板料壓緊在頂件板上，此時板料處于壓緊狀態，并在沖裁力Fs作用下開始沖裁。此過程中，剪切區域內的板料會因三向壓應力獲得塑性上的提升，而材料則會以純剪切形式從板料上分離，從而獲得沖裁零件，零件大致形狀則主要取決于刃口形狀[1]。

1.2 精沖液壓模架

我國精沖專用設備發展很快，不僅能滿足國內需求，還能在一定程度上代替進口設備，但其高昂的價格及其他因素使得改裝壓力機還有較大需求，后者價格普遍只有前者的1/20左右，在簡易精沖方面的生產能夠有效滿足社會需求。精沖用液壓模架是在模具上加入液壓缸活塞裝置或一組強力元件來獲取三向壓應力，進而滿足精沖要求及目的。精沖用液壓模架具有高水準導向精度，其本身剛度也能滿足精沖所需壓邊力及反壓力要求。液壓精沖模工作中的主壓力來自機床滑塊，而模架或模架外的液壓缸活塞則為其提供齒圈壓板及推件板壓力。盡管從整體性能上來看，精沖液壓模架參數與專用精沖壓力機還存在一定差距，但前者在造價成本、使用難度及通用性上具有更明顯的優勢，因而應用十分廣泛。目前精沖液壓模架分為專用與通用兩種，分別應用于不同零件精度要求及數量的生產作業，精沖液壓模架生產成本較低、制造周期短，能夠有效滿足重復利用需求，也就能夠實現對成本的有效控制。

2 精沖模具凹模早期開裂分析

2.1 凹模早期失效表現形式

精沖模具屬于工程結構中的一種，如果其喪失了相應工程功能就稱為機械失效，失效形式包括磨損、腐蝕與斷裂三種。其中磨損失效是指機械應用過程中因機械摩擦導致接觸面離散顆粒逐漸脫落，且這種脫落具有不符合期望的尺寸累積改變特征；腐蝕失效涉及內容較多，但多為材料與環境中其他物質產生化學或電化學作用，導致材料劣化并逐步喪失規定功能；斷裂失效則多產生自材料負荷超過原有極限值，導致材料中出現裂紋并最終造成材料斷裂，這種斷裂又包括脆性斷裂、韌性斷裂及疲勞斷裂三種。綜合精沖模具失效表現成因來看，可分為以下三種：磨損失效。其在各類零部件失效中十分常見，而精沖模具凹模出現早期開裂很大程度上是因為發生了磨損失效。精沖過程中，模具和工件會反復發生摩擦，導致模具表面材料生產過程中以肉眼不可見形式產生緩慢損失，造成凹模尺寸變大。而凹模尺寸變大會導致零件尺寸與形狀受到影響。磨損失效會導致凹模周圍材料強度下降，為凹模開裂帶來隱患[2]。過載失效。即超過模具承載能力導致失效。如果構成凹模的材料加工過程中因各種復雜作用導致強度下降，會使凹模對斷裂及塑性變形抵抗能力下降，最終導致凹模過載失效而開裂。假如構成凹模的材料韌性不足，則凹模失效斷裂多表現為脆性斷裂；如果凹模本身強度達不到相應要求，則會發生塑性變形并導致失效。疲勞失效。精沖模具生產加工具有一定的規律性，反復加熱冷卻交替過程中，模具很容易生成微裂紋，隨著加工次數增多而發展，最終導致失效。尤其對于脆性材料而言，疲勞裂紋一旦生成，會以極快速度擴展，而精沖模具凹模中的疲勞裂紋則是導致其開裂的重要原因之一。

2.2 導致凹模失效開裂的原因

相關統計數據顯示，因材料選用及熱處理工藝不當導致的凹模早期開裂，在所有凹模開裂原因中占比達70%及以上。模具材料對模具本身工藝性及使用壽命有著直接影響，因此制作及選擇精沖模具時，要對材料強度、剛度及韌性予以充分關注，確保制造或選購的模具能夠抵抗變形、耐磨、抗脆斷，同時也能有效使加工材料產生塑性變形。熱處理是模具加工制造的關鍵，其能夠產生理想效果，甚至能有效修復熱加工過程中產生的各種缺陷，使零件組織與性能更強，但如果熱處理工藝合理性不足，極易導致模具產生早期失效開裂情況。

導致凹模早期失效開裂的另一個原因是模具加工制造工藝選擇不當。精沖工藝對精沖模具有很高要求，模具需在熱處理之后進行磨削加工，使其達到高水準的表面精度。而磨削加工很容易產生磨削熱，使模具表層出現二次淬火現象，增大模具脆性并產生磨削裂紋。模具加工工藝必須控制好磨削加工強度，選擇力度合適的砂輪，并以回火方式消除磨削應力。

模具結構問題也會影響凹模開裂。精沖中凹模、凸模輪廓形狀取決于精沖零件本身形狀與成型方案，一旦模具結構中出現曲率半徑較小的部位，就會產生應力集中情況，應力過于集中很容易導致凹模開裂。此外，還需考慮孔徑、懸臂長度、槽寬等設計參數，改變應力分布狀態，避免應力集中。

3 解決凹模早期開裂的方法

3.1 提升凹模裝配精度

凹模在精沖模中發揮了十分關鍵的作用，也承受了精沖生產過程中絕大部分壓力，為了使凹模早期開裂情況得到改善，需要對凹模與凸模合模后形成的間隙及間隙均勻性進行有效控制，尤其是高速開合、沖擊下的動態精度更需要做好控制工作，提升凹模裝配精度。通常凹模結構分為整體式與鑲拼式兩種，整體式具有結構強度大的特點，不易變形，適合沖裁大型且帶有直面或錐面的零件；鑲拼式則適用于沖裁形狀復雜、斷面強度低、易于損壞的零件。要提升凹模裝配精度，需要在錐面定位之后借助螺釘及上模板加以固定，擰緊力矩。具體方法包括控制轉矩、轉角及螺紋伸長法等，可應用手動測力扳手或電動力矩扳手等工具。

3.2 強化凹模背面支撐強度

如果凹模上墊面背板具有足夠大的支撐強度，能夠大幅減輕凹模變形，有效避免凹模早期開裂。理論上若是能夠完全固定凹模背面墊板，則能使凹模背面的變形及方向性上的變形得到有效控制，且凹模背面型腔周圍所受應力值也會大幅下降，能夠起到控制凹模形變的作用。

3.3 改變模架結構

通用液壓模架能夠有效完成小批量、多品種、中小型精沖零件的生產，但在大批量生產及零件尺寸、厚度較大的生產中會表現出明顯的局限性，因此需要盡可能應用專用模架。專用模架增加了凹模背面固定板及墊板面積，能夠有效提升承力強度，與凹模、凸模有更強的裝配性，能有效避免凹模早期開裂。

4 結語

普通液壓機因其經濟優勢受到了中小型企業的青睞，因此對中小型企業精沖模架研究具有現實意義。精沖模具凹模早期開裂現象會影響企業生產效率，需要對開裂成因進行深入分析，研究開裂表現形式，采取材料、工藝、結構及其他輔助措施，避免凹模變形，實現對凹模早期開裂的有效控制。