圖1所示為304不鏽鋼成形的零件，單件月産量約300件以上，材料闆厚分别為12.0 mm與6.0 mm。該零件外形尺寸可通過機械加工與沖壓成形得到，與客戶交流後，零件長度通過剪闆切斷實現，兩長圓孔因材質及闆厚原因，采用激光切割加工後，出現割縫發黑或發青，且局部存在細小殘留，影響零件後工序處理并存在安全隐患，建議斷面保留原色澤。

圖1 不鏽鋼成形的不同零件

（a）料厚12 mm零件一 （b）料厚12 mm零件二 （c）料厚6 mm零件

1零件沖壓工藝分析

在常規沖裁過程中，随着材料在凸模的作用下逐漸分離，材料在剪口截面處呈現4個變形階段：彈性變形階段、塑性變形階段、微裂紋擴展階段、撕裂變形階段，如圖2所示。

圖2 材料在凸模作用下變形過程

材料沖裁斷面産生4個特征區：圓角帶、光亮帶、斷裂帶、毛刺帶，如圖3所示。材料加工後，有用部分稱工件，無用部分稱廢料，工件與廢料斷面狀态對應且相反。

圖3 工件斷裂面特征區與廢料斷裂面特征區對應關系

零件原生産工藝采用機加工形式，工作過程：準備待加工材料、裝夾材料、銑削加工、松卸夾具、工件移位、再夾緊材料、銑削加工、松卸夾具、卸取工件、去毛刺。原生産工藝在采用合适銑刀工況下，加工t=6.0 mm不鏽鋼闆上1個孔需要12~15 min，即加工圖1（c）一個零件需耗時0.4~0.5 h；加工t=12.0 mm不鏽鋼闆上1個孔需要25~30 min，即加工圖1（a）或圖1（b）所示1個零件需耗時0.8~1.0 h；再疊加實際加工工況，如銑刀材質、刀損、磨刀量、備用刀數量等，則需延長工時。原機械加工工藝方案拟升級為激光切割加工方案，經試切及送樣後反饋斷面有色澤差異、氧化殘留而不接受，因此激光切割加工方案不予考慮。在綜合分析原機械加工工藝、月産量、批量加工所需投入成本等要素後，依據材料特性、不同厚度規格，采用快拆共模方式進行沖壓成形，在已有需求量的支撐下，既能充分發揮投入可控、體現沖壓加工的經濟性及合理性，又能更好滿足客戶在品質上的要求，是生産的可替代工藝。

2超厚不鏽鋼快拆型模具結構分析

圖4所示為快拆型模具結構，考慮闆厚的變化及卸料的通用可靠性，模具在沖壓平闆不鏽鋼時采用剛性卸料。在試沖不同型号不鏽鋼角鋼樣件時，因工件外形及空間受限等因素，改用彈性卸料結構（即聚氨脂包絡凸模），則工況呈現差異性。當快拆鑲件18采用正常雙邊間隙時（按常用不鏽鋼沖裁間隙推薦表即Ⅰ類按（5%~8%）t、Ⅱ類按（8%~11%）t、Ⅲ類按（11%~15%）t取值，此處取Ⅲ類中較大值即14%t），沖壓後工件粘連凸模，如圖5所示，工件光亮區較大且不均勻，雖已預留6 mm聚氨脂預壓量，但仍不能有效卸出工件。在沖壓過程中采用冷卻液潤滑後，沖壓工況有改善，但卸料不良率達80%~90%。當快拆鑲件18采用超大雙邊間隙時，如表1所示，不鏽鋼角鋼卸料較好，但工件及廢料斷裂帶明顯增大，截面斷裂角（見圖3中β）明顯變大。在沖壓過程中輔以冷卻液，快速連續沖壓時（即沖壓頻率提高40%~50%時），模具彈性卸料仍保持順暢。

圖4 沖孔快拆型模具結構

1.模柄 2.螺釘 3.上模座 4.銷釘 5.上墊闆 6.上夾闆 7.凸模 8.固定卸料闆 9.銷釘 10.沖壓件 11.托闆 12.下模闆 13.螺釘 14.托闆墊塊 15.下墊闆 16.下模座 17.定位墊塊 18.快拆鑲件 19.定位塊 20.調節螺釘 21.螺釘 22.導柱

圖5 采用正常間隙沖壓的工件及廢料各斷面效果（t=6.0 mm）

表1 超厚不鏽鋼采用超大間隙時部分參數及所測數值 ( mm )

模具裝模過程：按沖模裝夾規範與沖壓設備裝配好，松開螺釘21，移開固定卸料闆8，松開快拆鑲件18的螺釘13，換上與材料厚度相匹配的快拆鑲件18（依次采用正常雙邊間隙、再采用超大雙邊間隙，以下類似）；再順序緊固螺釘13、移回固定卸料闆8、螺釘21。随上滑塊下行，上模部分在上滑塊的帶動下下行。

模具沖壓過程：随上模持續下行，凸模7穿過鋼性固定卸料闆8至沖壓件10上表面。因材料特征及厚度不同，此沖壓過程有明顯差異。通過沖壓驗證（以t=12.0 mm為例），采用2種間隙、3種壓力設備進行沖壓并比對試樣。第1種工況：當快拆鑲件18采用正常雙邊間隙，取（16%~18%）t、小壓力液壓機1 200 kN時，上模開始向下微壓（積蓄能量的短停時段），随上模持續下壓，當能量積蓄到材料變形直至斷裂時，凸模7沖壓材料進入凹模，伴随較沉悶的金屬斷裂聲。當快拆鑲件18采用超大雙邊間隙，取（24%~25%）t、小壓力液壓機1 200 kN時，上模向下微壓，材料有漸變過程；随上模持續下壓，當能量積蓄到材料斷裂、凸模7沖壓材料進入凹模内，伴随稍清脆的金屬斷裂聲。當快拆鑲件18的雙邊間隙采用（24%~25%）t、稍大壓力液壓機1 600 kN時，上模持續向下微壓、材料漸變直至斷裂，凸模7沖壓材料進入凹模内，伴随較清脆的金屬斷裂聲。第2種工況：除采用800 kN或1 100 kN壓力機替代液壓機外，其餘驗證條件及方法相同，因壓力機具有機械運動的連慣性，凸模7在材料表面停頓間隔比采用液壓機時短、聲音更脆、震動更大。同類沖壓設備，因800 kN壓力機的沖壓力比理論沖裁力僅大10%~15%，從沖斷過程看，1 100 kN壓力機比800 kN壓力機省力省顫。

模具沖壓回程：上模帶動凸模7沖孔後，凸模7進入快拆鑲件18内，沖壓件10包絡凸模7側面。當快拆鑲件18采用較小間隙時，凸模7的卸料力遠大于快拆鑲件18采用超大間隙的卸料力。在驗證中采用冷卻液循環冷卻時，沖壓件包絡凸模的卸料力有較大改善。當快拆鑲件18采用正常間隙、小壓力沖床時，卸料順暢性有較明顯的改善；當快拆鑲件18采用超大間隙、小壓力沖床時，卸料已無障礙順利實現。

在沖壓參數優化後，經工時核定，t=6.0 mm及t=12.0 mm不鏽鋼可達6~10沖次/min，即每分鐘可生産3~5件。成形零件毛刺面符合質量要求，如圖6所示。

圖6 采用超大間隙沖壓的工件及廢料各斷面效果（t=12.0 mm）

3模具零件材料的選用

凸模7常用材料有Cr12MoV、SKD-11、D2、DC53、SKH-51，快拆鑲件18常用材料有Cr12MoV、SKD-11、DC53等。結合不鏽鋼超厚材料沖壓特性及經濟性，驗證時凸模選用Cr12MoV（熱處理硬度60~61 HRC）、D2（熱處理硬度61~62 HRC）、DC53（熱處理硬度63 HRC以上），快拆鑲件選用Cr12MoV（熱處理硬度58~59 HRC）、DC53（熱處理硬度59~61 HRC）。依據凸模材料特征、工作端面等不同工況對沖壓的影響，開展了對凸模工作面進行TD鍍層的沖壓效果比對。經驗證，在不鏽鋼超厚闆材正常頻次沖壓中，當快拆鑲件采用正常間隙、同材料、無冷卻液工況時，凸模進行TD鍍層處理所呈現的工效期（指凸模工作部位本次刃磨到下次刃磨期内，工件沖壓毛刺合格所開展的沖壓次數）稍長，凸模失效形式如圖7所示。據現場統計，沖壓次數不超過20~30沖次時，凸模台肩處斷裂；當快拆鑲件采用超大間隙、同材料、有冷卻液工況下，凸模進行TD鍍層處理的工效期比不做處理時約延長一倍以上，沖壓200次以上的凸模、快拆鑲件刃口仍較好。從沖壓超厚不鏽鋼驗證來看，不考慮鍍層厚度、均勻性等因素，凸模材料的穩定性、耐用性從高到低依次是DC53、D2、Cr12MoV。從快拆鑲件工況來看：工作刃口采用鍍層與不采用鍍層的實際使用效果差異較小；同種材料，采用超大間隙其實際工作效果好于采用正常間隙；對不同材料，凸模材料的沖壓穩定性、耐用性從高到低依次是DC53、Cr12MoV。綜合經濟性、可接受的沖壓壽命、有效刃磨性考量，凸模選用DC53并進行TD處理，快拆鑲件采用Cr12MoV 超大間隙參數處理，冷卻方式采用乳白色皂化液介質循環冷卻。

圖7 在相應工況下的凸模與快拆鑲件失效形式

▍原文作者：束軍平莫仁春

▍作者單位：浙江億利達科技有限公司

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!