厚板材沖孔凸模斷裂原因分析

羅 棟，馬啟濤

（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥231200）

1 引言

車架是汽車中最重要的承載部件，而車架縱梁又是其中的關(guān)鍵零件之一。車架縱梁厚度普遍在5～10mm之間，縱梁沖孔屬于厚板沖孔，且隨著新材料新工藝的升級(jí)應(yīng)用，縱梁強(qiáng)度逐漸提高，給縱梁沖孔帶來難度。縱梁沖孔工藝生產(chǎn)中，各生產(chǎn)廠主要采用沖孔模具沖孔和數(shù)控沖沖孔結(jié)合的生產(chǎn)工藝，其中沖孔模具沖孔約占90%左右。

縱梁沖孔模具凸模作為易損件，主要失效模式為磨損、崩刃、斷裂，其中凸模斷裂具有很強(qiáng)的突發(fā)性，斷裂前無明顯的塑性變形和其它明顯征兆，對(duì)模具本身安全和正常生產(chǎn)，都有一定風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過從凸模結(jié)構(gòu)、材料、加工、熱處理、日常維護(hù)等方面開展研究分析，尋找可能造成凸模斷裂的原因，并提出改進(jìn)建議或措施，以達(dá)到提高凸模壽命，降低凸模斷裂概率的目的。

2 凸模結(jié)構(gòu)及斷裂情況

行業(yè)內(nèi)厚板材沖孔模凸模結(jié)構(gòu)主要有兩種，根據(jù)安裝方式分為螺紋式凸模和壓入式凸模，如圖1所示。

圖1 兩種凸模結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中凸模斷裂情況統(tǒng)計(jì)分析，螺紋式凸模主要斷裂位置在尾端螺紋根部，壓入式凸模主要斷裂位置在頭部，但螺紋式凸模發(fā)生斷裂頻率更大。

3 凸模斷裂原因分析

凸模斷裂主要是脆性斷裂，考慮凸模原材質(zhì)、加工、熱處理缺陷、日常維護(hù)、凸模結(jié)構(gòu)均有可能存在缺陷，進(jìn)而誘發(fā)斷裂。

（1）為確認(rèn)原材料、加工、熱處理是否存在缺陷，選取3只已斷裂凸模做金相檢測(cè)和成份驗(yàn)證。3只凸模包含上文所述兩種凸模結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)技術(shù)要求均一致為SKD11材質(zhì)，頭部硬度要求58～62HRC，尾部硬度要求30～35HRC。通過一系列檢測(cè)得出如下結(jié)論：

a.3只凸模材質(zhì)屬于基本符合或低于設(shè)計(jì)要求，其中一只螺紋式凸模材質(zhì)不符合要求，并且三只凸模關(guān)鍵元素Cr、Mo含量不足，材質(zhì)品性較差。

b.凸模頭部硬度基本符合要求，但其中一只螺紋式凸模尾部硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值，壓入式凸模頭部硬度較高，硬度較高也是導(dǎo)致脆性斷裂的因素之一。

c.螺紋式凸模螺紋部分未精磨，尾部螺紋經(jīng)一次粗加工成型，后經(jīng)高溫回火處理易產(chǎn)生變形，安裝難度大，且容易存在側(cè)向力，導(dǎo)致斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

d.螺紋式凸模尾部采用高溫回火，高溫回火導(dǎo)致其斷裂處存在脫碳層，脫碳層導(dǎo)致抗疲勞度下降，多次受力后斷裂。

圖2 不合格金相圖（左）與合格金相圖（右）

（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沖孔模狀態(tài)、日常維護(hù)保養(yǎng)情況進(jìn)行確認(rèn)。

a.現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)兩只凸模存在松動(dòng)情況，凸模松動(dòng)情況下，凸模易受到側(cè)向力的作用，進(jìn)而導(dǎo)致凸模存在斷裂的的風(fēng)險(xiǎn)。

b.從現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審情況看，目前的模具維保周期較長(zhǎng)，半年一次，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)凸模松動(dòng)異常。

由螺紋式凸模安裝結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)螺紋松動(dòng)時(shí)，凸模尾部軸面未與凸模固定板凸模安裝面完全貼合，導(dǎo)致螺紋部分受力，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示。

圖3 凸模松動(dòng)示意

（3）凸模結(jié)構(gòu)造成的凸模斷裂情況分析。

現(xiàn)有凸模存在兩種安裝結(jié)構(gòu)形式，分別螺紋式和壓入式。由使用情況分析，螺紋式凸模更容易斷裂，其尾部螺紋因加工過程易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。壓入式凸模斷裂位置主要為頭部，斷裂原因多為材質(zhì)、硬度等不達(dá)標(biāo)造成的。

我司主要采用螺紋式，少量因空間過小原因采用壓入式，現(xiàn)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)凸模進(jìn)行分析對(duì)比，如表1所示。

表1 兩種凸模特點(diǎn)對(duì)比

a.兩種結(jié)構(gòu)凸模優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯，就降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)方面來看，壓入式凸模結(jié)構(gòu)更優(yōu)，對(duì)加工過程要求較低，斷裂概率相對(duì)更低。

b.從成本角度分析，標(biāo)準(zhǔn)件凸模采購(gòu)成本增加7倍左右，凸模作為易損件，后期的備件成本也會(huì)較大。

4 凸模斷裂的改進(jìn)措施

（1）對(duì)凸模從原材料采購(gòu)至后期精加工整個(gè)過程進(jìn)行嚴(yán)格把控，采購(gòu)合格原材料、提高熱處理技術(shù)和保證材料進(jìn)行充分鍛打等，使凸模滿足設(shè)計(jì)要求。必要時(shí)可以對(duì)凸模等易損件整體打包尋找優(yōu)質(zhì)外協(xié)廠家制造，提高一致性。

（2）凸模結(jié)構(gòu)上，一是結(jié)合理論分析，對(duì)凸模尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善應(yīng)力集中程度，如圖4所示。同時(shí)可以適當(dāng)調(diào)整尾部硬度參數(shù)、更換凸模材質(zhì)為韌性更好的冷沖模具鋼如NOGA、DC53鋼等；二是全部采用壓入式結(jié)構(gòu)凸模，但是涉及到模具結(jié)構(gòu)的重大變更，同時(shí)整體成本增加較高，所以需綜合考慮。

圖4 優(yōu)化后螺紋式凸模結(jié)構(gòu)

（3）模具維護(hù)保養(yǎng)方面，建議工裝管理業(yè)務(wù)提升縱梁沖裁模具的維保級(jí)別，將維保周期由時(shí)間周期調(diào)整為沖次周期，建議完成1萬沖次以內(nèi)即進(jìn)行一次全面維護(hù)保養(yǎng)。

凸模在沖壓過程中，長(zhǎng)期受交變應(yīng)力，其失效受多方面因素的影響，出現(xiàn)磨損、崩刃、斷裂是沖壓行業(yè)的常見現(xiàn)象。近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，凸模的壽命和穩(wěn)定性得到了很大提升，但是作為易損件，完全杜絕斷裂不現(xiàn)實(shí)，可能要付出巨大的成本，所以模具的安全，既需要從設(shè)計(jì)、來料、加工、熱處理、裝配、維保等方面去優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程中也必須要進(jìn)行有效的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施，共同提高模具使用壽命，降低異常發(fā)生，保障生產(chǎn)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

縱梁沖孔模的凸模作為易損件，發(fā)生斷裂、甭刃現(xiàn)象會(huì)造成嚴(yán)重后果，對(duì)機(jī)床設(shè)備、操作工自身安全都有重要影響。因此提高模具凸模穩(wěn)定性，降低凸模斷裂風(fēng)險(xiǎn)，是模具設(shè)計(jì)相關(guān)人員的首要任務(wù)。

本文從實(shí)際沖孔模使用過程中出現(xiàn)的凸模斷裂現(xiàn)象，結(jié)合金屬加工工藝、金屬材料學(xué)、力學(xué)等理論知識(shí)對(duì)凸模斷裂原因進(jìn)行分析研究。同時(shí)根據(jù)模具實(shí)際維保情況，針對(duì)凸模斷裂情況，提出3個(gè)方面改進(jìn)措施，希望可以在厚板材沖孔模具設(shè)計(jì)、使用中提供技術(shù)參考。