提高聚氨酯復(fù)合模沖切合格率的研究

王珍， 周璞

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西 西安 710089）

0 引 言

機(jī)械加工中存在部分超薄且質(zhì)軟的材料，在使用傳統(tǒng)鋼制模具加工時(shí)，由于零件材料超薄，要求凸模與凹模的間隙必須足夠小，甚至接近無(wú)間隙沖裁，對(duì)模具設(shè)計(jì)與制造精度的要求均比較高。一種新型的高分子彈性材料——聚氨酯，因其較高的強(qiáng)度和優(yōu)秀的耐磨性可承受凸模無(wú)數(shù)次的反復(fù)沖裁，還有良好的流動(dòng)性可以解決無(wú)間隙沖裁的沖壓工藝需求。聚氨酯模具已在沖壓工藝中得到了廣泛應(yīng)用，但是在沖壓過(guò)程中仍存在無(wú)法正常落料的現(xiàn)象，即零件與原材料無(wú)法正常分離。

聚氨酯復(fù)合模使用聚氨酯代替了傳統(tǒng)鋼制凹模，由于聚氨酯的高強(qiáng)度與不可壓縮性，當(dāng)聚氨酯受到凸模擠壓后，不可壓縮的聚氨酯流入壓套與凹模縫隙內(nèi)，將材料在刃口處充分?jǐn)D壓，達(dá)到剪切效果。此種工藝方法理論上屬于無(wú)間隙沖裁，不存在零件與原材料無(wú)法正常分離、毛刺高等現(xiàn)象，但在實(shí)際沖壓過(guò)程中毛刺高、無(wú)法落料現(xiàn)象層出不窮。以下通過(guò)對(duì)聚氨酯模具結(jié)構(gòu)、下料過(guò)程、模具設(shè)計(jì)及制造等方面進(jìn)行分析探究，解決聚氨酯模具沖壓過(guò)程中無(wú)法落料的問(wèn)題。

1 聚氨酯模具結(jié)構(gòu)與沖裁原理

1.1 聚氨酯模具與傳統(tǒng)模具的區(qū)別

結(jié)構(gòu)方面聚氨酯模具與傳統(tǒng)模具相比增加了壓套、使用聚氨酯代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制凹模。壓套的作用是聚氨酯受到凸模擠壓時(shí)利用其良好的流動(dòng)性，可被擠壓到壓套倒角的縫隙內(nèi)（以下簡(jiǎn)稱擠入深度），利用其較高的硬度將原材料擠壓到凸模刃口使材料得到充分的擠壓，達(dá)到剪切效果，如圖1所示。

圖1 聚氨酯模具結(jié)構(gòu)

物理特性方面聚氨酯具有不可壓縮性和較高的硬度，受壓后聚氨酯便向擠入深度內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生壓力而進(jìn)行沖切。

1.2 聚氨酯下料過(guò)程

聚氨酯下料過(guò)程：首先是凸模與壓套同時(shí)下行，因凸模與壓套存在間隙，故凸模先對(duì)原材料壓緊，壓套起到拉平原材料及擠壓聚氨酯的作用。此時(shí)聚氨酯處于封閉狀態(tài)，聚氨酯開(kāi)始受壓，材料的搭邊被壓套固定在容框的上平面，聚氨酯由于不可壓縮的性能，受壓后便往容框型腔和凸模的擠入深度內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生壓力，材料分離，如圖2所示。

圖2 下料原理

2 模具設(shè)計(jì)原理

聚氨酯模具與傳統(tǒng)模具相比在凸模增加了壓套，使用聚氨酯代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制凹模，使用容框?qū)⒕郯滨ス潭ㄔ谌菘騼?nèi)，利用聚氨酯的不可壓縮性進(jìn)行零件沖裁。以下將從沖裁力設(shè)定、沖裁影響因素分析、壓套設(shè)計(jì)、容框設(shè)計(jì)、聚氨酯選擇、凸模與凹模配合6個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 沖裁力設(shè)定

聚氨酯橡膠沖裁原理：容框內(nèi)的聚氨酯橡膠受壓時(shí)能像液體一樣流動(dòng)，因此根據(jù)帕斯頓原理和壓強(qiáng)公式：沖裁力P=qF，其中，q表示壓強(qiáng)或單位壓力，即聚氨酯沖裁所需單位壓力，MPa；F表示壓力的作用面積，即容框內(nèi)聚氨酯橡膠模墊的水平面積，mm2。

原材料分離所需沖裁力：P=Ltτ，其中，L表示沖裁周邊長(zhǎng)度，mm；t表示沖裁板料厚度，mm，τ表示材料的抗剪強(qiáng)度，Pa，鋼材的抗剪強(qiáng)度τ=（0.7~0.9）σb，其中，σb表示材料的抗拉強(qiáng)度。

2個(gè)沖裁力相等的情況下，材料才可以分離，即qF=Ltτ，故q=Lτt/F。

沖孔：q=4τt/d，其中，d表示直徑，mm。

沖裁帶凸圓角和凹圓角：q=2Rtσb/H(2R±H)。

沖直線段：q≈tσb/H，當(dāng)圓角R趨向無(wú)限大時(shí)即為直線，因聚氨酯橡膠擠入深度H一般都較小（1~2 mm），可將公式中（2R±H）H約去不計(jì)。

2.2 沖裁影響因素

依據(jù)沖裁力計(jì)算可得出：除沖孔外，外形沖切材料的分離均與聚氨酯墊擠入深度H有關(guān)。

（1）沖孔時(shí)與零件上孔的大小和形狀有關(guān)。沖孔直徑d越小，所需單位壓力q越大；沖裁外形時(shí)與零件外形的復(fù)雜程度有關(guān)。

（2）沖裁帶凸圓角所需q較沖裁帶凹圓角所需q小，寬度越小所需的單位壓力q越大，所以沖裁窄條難度大。

（3）沖直線時(shí)聚氨酯墊擠入深度H。

聚氨酯墊的擠入深度H和擠入寬度D與沖裁材料的相對(duì)伸長(zhǎng)率（%）和原材料的搭邊余量有關(guān)。因此，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)造成模具沖裁力不足的原因?yàn)榫郯滨|的直徑過(guò)小、壓套過(guò)小、固定原材料時(shí)搭邊余量過(guò)小等。除此之外，可能造成模具沖裁力不足的原因是聚氨酯墊的硬度不能達(dá)到設(shè)計(jì)所給的沖裁性能要求。

2.3 容框設(shè)計(jì)

容框的作用是使聚氨酯受上模擠壓時(shí)產(chǎn)生較大且均勻的單位壓力。將聚氨酯放置在容框內(nèi)，容框需要承受聚氨酯受壓后產(chǎn)生的壓力，因此容框要有足夠的強(qiáng)度，防止聚氨酯受力流動(dòng)產(chǎn)生裂紋，并獲得較好的剪切效果，保證整個(gè)沖壓過(guò)程的安全性。常規(guī)容框材料選擇普通碳素45鋼，熱處理硬度為28~32 HRC。

容框尺寸計(jì)算公式：D容框=D凸模+2Z，其中，Z為容框與凸模間的單面間隙，當(dāng)材料厚度為0.05 mm時(shí)，Z=1.5 mm。

D容框=D凸模+3 mm，因壓套內(nèi)部設(shè)計(jì)的倒角尺寸為2 mm，得出容框尺寸應(yīng)在凸模外徑基礎(chǔ)上增大至5 mm。

2.4 壓套設(shè)計(jì)

依據(jù)沖裁力計(jì)算q=2Rtσb/H(2R±H)，該零件最大圓弧處約R8 mm，經(jīng)查詢手冊(cè)，原材料抗拉強(qiáng)度σb=540 MPa，材料厚度t=0.05 mm，q≈7.5 N（q不允許超過(guò)聚氨酯壓縮量30%，厚度為25 mm），得出H=1.95 mm，利用H=2tanα，故α=45°，如圖3所示。

圖3 壓套尺寸

依據(jù)容框設(shè)計(jì)，容框尺寸應(yīng)在凸模外徑基礎(chǔ)上增大5 mm，因此考慮壓套需要留0.5 mm的寬度用來(lái)拉平原材料，則聚氨酯墊擠入寬度D為4.5 mm。

2.5 聚氨酯墊厚度

對(duì)超薄不銹鋼材料進(jìn)行外形及內(nèi)孔的沖裁是研究難點(diǎn)，聚氨酯作為一種新型材料用于沖裁零件，更適合沖裁塑性差、強(qiáng)度小的原材料。因?yàn)榫郯滨ゾ哂休^高的塑性、韌性與機(jī)械強(qiáng)度，但要對(duì)超薄且韌性強(qiáng)的材料進(jìn)行無(wú)間隙沖裁，在復(fù)合模中除了選擇更高硬度的聚氨酯，對(duì)聚氨酯墊厚度也有一定的要求，常規(guī)聚氨酯復(fù)合模對(duì)聚氨酯墊厚度要求為25 mm。

2.6 壓套與凸模的配合關(guān)系

在聚氨酯模具沖裁過(guò)程中，壓套的作用很關(guān)鍵。沖裁過(guò)程中，凸模首先對(duì)原材料進(jìn)行壓緊，壓套拉平原材料并擠壓聚氨酯，使聚氨酯流入壓套與凸模間隙中，使零件與廢料分離。因此凸模與壓套必須存在一定間隙，常規(guī)推薦間隙為0.5 mm。

3 影響“吊料”的因素和優(yōu)化措施

“吊料”即沖裁過(guò)程中廢料與零件無(wú)法完全分離的一種現(xiàn)象。通過(guò)以上分析并結(jié)合聚氨酯模具沖裁原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力情況，從人員、設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)4個(gè)方面分析初步判斷模具無(wú)法落料可能與聚氨酯墊的擠入深度、擠入寬度及聚氨酯材料的選擇三大因素有關(guān)，以下將對(duì)可能產(chǎn)生的因素進(jìn)行優(yōu)化并試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 聚氨酯墊的擠入深度

擠入深度是壓套與凸模刃口邊緣的縫隙，聚氨酯墊在受到凸模擠壓時(shí)流動(dòng)到壓套倒角縫隙里，將材料在刃口處充分?jǐn)D壓，達(dá)到剪切效果。擠入深度不足，縫隙過(guò)小致使聚氨酯無(wú)法流入，沖剪效果減小，因此需要適當(dāng)增大擠入深度。將壓套結(jié)構(gòu)的倒角角度α改為45°，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，“吊料”現(xiàn)象仍未解決。因此可以判斷聚氨酯沖裁過(guò)程中的“吊料”現(xiàn)象與聚氨酯墊的擠入深度無(wú)關(guān)。

3.2 聚氨酯墊的擠入寬度

由于模具制造存在誤差，各組件之間都有縫隙，現(xiàn)有模具壓套較薄，致使原材料在刃口以外部分接近于光滑過(guò)渡，減弱水平方向的固定作用。因此適當(dāng)增大壓套寬度，使原材料在沖壓時(shí)，對(duì)凸模外圈材料進(jìn)行有效彎曲，增大材料在水平方向所承受的拉力，提高沖切效果。

壓套與聚氨酯接觸面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致原材料搭邊余量不足，原有壓套寬度為2.5 mm，除去壓角要求寬度2 mm，故壓套與聚氨酯墊接觸寬度為0.5 mm。將容框尺寸在凸模外徑的基礎(chǔ)上增大至5 mm，同時(shí)考慮壓套需要留0.5 mm的寬度用來(lái)拉平原材料，則聚氨酯墊擠入寬度D為4.5 mm。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了聚氨酯的“吊料”現(xiàn)象。

3.3 聚氨酯選材

因聚氨酯具有良好的流動(dòng)性和較寬的硬度區(qū)間，如果硬度太低使其柔韌性增高，則材料在水平方向無(wú)法進(jìn)行有效固定，垂直方向無(wú)法進(jìn)行沖切。因此常規(guī)聚氨酯復(fù)合模對(duì)聚氨酯的硬度要求為邵氏硬度95HA，如果聚氨酯硬度過(guò)低，則無(wú)法產(chǎn)生足夠的沖裁力，在沖裁過(guò)程中產(chǎn)生“吊料”現(xiàn)象。

目前所使用聚氨酯經(jīng)過(guò)硬度試驗(yàn)滿足所使用模具的要求，同時(shí)使用不同硬度、不同材質(zhì)聚氨酯進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出模具出現(xiàn)“吊料”現(xiàn)象與聚氨酯選材無(wú)關(guān)的結(jié)論。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有聚氨酯復(fù)合模中壓套結(jié)構(gòu)、容框尺寸及聚氨酯墊尺寸的優(yōu)化，改變了模具沖壓過(guò)程中原材料的受力情況。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，聚氨酯復(fù)合模的一次沖壓合格率達(dá)到100%，并能持續(xù)沖壓300余件合格零件，從根本上解決了聚氨酯模具沖壓過(guò)程中的“吊料”現(xiàn)象。