高速沖壓模具卡廢料分析與廢料監測裝置設計

文/杜洋洋，李曉俊·上汽大眾汽車有限公司

沖壓件的成形過程一般包括落料、拉延、切邊沖孔、翻邊、整形等工藝。經過爬坡生產與大批量供件后，雖然零件狀態及模具的穩定性會得到大幅提升，但依然存在制約沖次提升的關鍵因素，如卡廢料等。此外，隨著電氣設備的不斷升級，高速自動生產線技術也越來越成熟，在各大主機廠沖壓車間的使用越來越普遍。其中，Schuler 伺服高速自動沖壓生產線沖次可達到20 次/分鐘，大部分沖壓件的無故障沖次(SPM)可達到15 次/分鐘，甚至18 次/分鐘。

在高沖次生產條件下，廢料下滑速度更快，下滑姿態更不容易得到控制，切邊模卡廢料問題會更加突出，甚至造成模具事故，這也愈發成為沖壓行業共同面臨并亟待解決的重難點問題。

切邊?？◤U料原因分析

切邊?？◤U料問題的產生一般與模具結構有關，如廢料下滑空間小(小于等于切邊廢料對角線長度)、廢料滑板角度小(小于25°，甚至20°)、落料下滑姿態(導向差、廢料翻轉)，廢料滑板狀態差(變形、無網紋)等，如圖1、圖2 所示。

圖1 廢料下滑不暢

圖2 卡廢料

切邊?？◤U料解決措施

新項目沖壓模具

針對切邊?？◤U料問題，新項目模具在設計階段可重點考慮以下幾個方面，從根源上解決，減少對后續批量生產的影響。

⑴將切邊模廢料排放通道設計成開口結構。針對封閉式切邊可設計成倒漏斗結構，在切邊刃口段下部進行讓位,讓位后可增大廢料排放空間。通過設計局部支撐，可確保模具本體強度，避免大批量生產后產生模具事故，如圖3 所示。

圖3 封閉式切邊(開口結構)

針對開放式切邊可設計成開放式結構，不僅在切邊刃口段下部設置了讓位段，相對切邊刃口(圖4 中I 與II)還需要設計10°～ 15°的傾角，可避免切邊后廢料卡在切邊刃口上阻礙廢料下滑，如圖4 所示。

圖4 開放式切邊(開口結構)

⑵合理設計切邊工藝(廢料分割)。切邊廢料的卡滯和切邊工藝的排布密不可分，合理的切邊工藝需要兼顧切邊順序和切邊廢料的分割方式。考慮切邊順序時應避免出現多塊廢料同時下滑出現干涉現象，廢料分割時需要考慮廢料槽允許的廢料長度。此外，由于切邊廢料的卡滯很大程度上與廢料形狀的不規則有關，在廢料分割時應避免框型封閉區域的出現，如圖5 所示。

圖5 廢料分割示意圖(小臺階造型區域)

通過左側廢料分割(不合理)不難發現，均存在框型封閉區域。切邊后廢料在重力的作用下下滑，框式封閉造型直接對廢料的順暢排放造成阻礙，因此，廢料分割時應避免局部框型封閉造型的出現。通過在凸臺造型區域設置廢料分割，將框型封閉廢料變為開放式廢料，改善了廢料下滑條件，在很大程度上可解決該類卡廢料問題。

⑶取消廢料刀或改作嵌入式廢料刀。切邊模下模廢料刀一般會安裝在模架上，模具設計時會在模架上設置專門的安裝支座，如圖6 所示。廢料分割時，相鄰廢料刀之間存在刀口對刀口、刀口對刀背、刀背對刀背幾種情況，其中刀背對刀背最易出現卡廢料問題。刀背對刀背情況下，完成切邊后廢料兩端均擱置在廢料刀刀背之上，雖有上模彈頂作用，卡廢料問題依然頻發。

圖6 普通廢料刀

普通廢料刀不僅占用了下模廢料排放空間，還存在刀背對刀背的惡劣工況，不利于切邊廢料的排放。因此，在斜楔等復雜切邊工藝中常設計鑲嵌式廢料刀，如圖7 所示。該廢料刀安裝在模芯之上，需要在模芯側面加工安裝平面，考慮廢料刀強度，常用鍛鋼制作。此外，如門內板門檻區域，在滿足廢料長度的前提下，可減少廢料刀的設置，不僅有利于廢料排放，也可減少切邊碎屑的產生。

圖7 鑲嵌式廢料刀

批量生產沖壓模具

針對批量生產模具，模具已鑄造成形，模具的可更改性很大程度上會受到限制，常通過加工讓位增大廢料排放空間、增加導桿調整廢料下滑姿態、調整上模彈頂、提高廢料板質量等多種方法進行優化。

通過常用的優化方法，在一定程度上能解決切邊?？◤U料問題，但由于模具更改受限，卡廢料問題依然是影響沖壓模修停機率的關鍵因素。批量生產過程需要巡線人員針對卡廢料問題進行專項跟蹤，及時疏通切邊廢料，費時費力。實際由于視覺盲區與人員疏忽等多種因素的影響，很多情況下卡廢料問題不能被發現，導致模具損壞，不得不拆模搶修。因此，迫切需要設計一種能夠實現廢料下滑狀態自動監測，卡廢料后報警并反饋給沖壓線實現自動停線的裝置。

切邊模廢料監測裝置設計

廢料監測裝置主要部件

⑴控制環節—控制繼電器(繼電器可調整時間為0.01s ～999s，可根據廢料監測頻次進行設置調整)。

⑵光電感應傳感器(采用漫反射方式進行感應，相比傳統的料片接近開關，其能監測更大的范圍及更復雜的形狀)。感應距離可調整，根據監測位置的不同，可選用扁平光電傳感器或柱狀光電傳感器。

⑶電源指示燈(監測裝置需DC24V 供電，可通過模具哈丁插座引線供電。當模具備模至臺面，插上哈丁線后通電，指示燈亮，否則報故障)。

⑷報警指示燈(正常情況下該指示燈為常滅狀態。若該指示燈亮，表示監測裝置已監測到卡廢料問題，提醒生產線人員及時清理切邊廢料)。

⑸復位按鈕(按下復位按鈕，沖壓線報警解除，可繼續生產)。

廢料監測裝置基本工作原理

如圖8 所示，廢料檢測裝置基本工作原理如下：

圖8 廢料監測裝置基本原理

⑴調整好光電傳感器的感應距離，設置控制繼電器的觸發時間。通過光電傳感器感應設置范圍內是否有切邊廢料，未感應到廢料時則不計時；當感應到有廢料時開始計時，并反饋給控制繼電器。

⑵廢料感應時間達到控制繼電器設定時間表示出現了卡廢料問題，繼電器觸發，輸出電平信號給沖壓線。

⑶接收觸發信號后，沖壓生產線根據預先設定的連續運行條件進行判斷，實現沖壓生產線的自動報警并停線。

⑷生產線人員根據報警情況對卡廢料區域進行廢料清理，完成清理后點擊復位按鈕完成復位操作，壓機警報解除可繼續連線生產。

廢料監測裝置的優勢

⑴成本優勢，單套廢料監測裝置約60 元。與通過視覺進行廢料監測的技術相比(動輒幾萬元)，成本低廉，適用性更廣，可推廣性更強。安裝該廢料監測裝置后，無需安排專人不停地檢查是否出現卡廢料，改善了人機工程，節省了人員工時成本。

⑵技術優勢，通過光電傳感器與控制繼電器可實現廢料的智能監測。當判定卡廢料后，能實現沖壓生產線報警并自動停線功能，降低了產生模具事故的風險，在一定程度上也延長了模具的壽命。

⑶調試過程優勢，可根據安裝位置的不同選用不同形式的光電傳感器，安裝該裝置后無需在線進行調試，避免浪費沖壓生產線的整線時間。

實際使用效果評估

根據模具結構與現場生產情況，對上汽大眾某車型側圍OP60模具進行了廢料監測裝置的安裝與調試。首先攔住廢料槽下部阻礙廢料下滑，然后進行連續生產，以模擬切邊廢料卡滯場景。經現場驗證，當廢料卡頓后廢料監測模塊紅燈亮起，觸發信號反饋給沖壓生產線，面板顯示監測信號并報警，實現了沖壓生產線自動停線功能，如圖9、10、11 所示。

圖9 廢料監測模塊報警

圖10 壓機面板顯示監測信號

圖11 沖壓線報警界面

安裝廢料監測裝置后，不影響沖壓生產線的正常運行。只有當卡廢料情況發生后才會觸發信號進行報警停機。該裝置安裝后已使用半年以上，運行狀態良好，曾多次實現報警預警，避免了模具事故的發生，已計劃進行推廣使用。

結束語

本文分析了高速沖壓模具生產過程中卡廢料問題的形成原因，并分類系統地介紹了針對新項目沖壓模具與批量生產沖壓模具卡廢料的解決方法。針對由于模具結構更改受限或者視覺盲區卡廢料后易產生的模具事故問題，本文設計了一套切邊廢料監測裝置。該裝置可在不影響沖壓生產線正常運行條件下對切邊廢料進行智能監控，無論在成本、技術還是調試方面都有很大的優勢，極具推廣價值，可供行業同仁借鑒。