淺論汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的原因及相應(yīng)對策

文/吳立軍·奇瑞汽車股份有限公司

淺論汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的原因及相應(yīng)對策

文/吳立軍·奇瑞汽車股份有限公司

本文簡單論述了汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的形成原因及可以采取的相應(yīng)對策，并從模具設(shè)計(jì)的間隙、模具設(shè)計(jì)的工藝與結(jié)構(gòu)及其他輔助手段等方面說明了合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對改善覆蓋件修邊掉鐵屑的重要性，并介紹了幾種新型的模具結(jié)構(gòu)及新型廢料刀結(jié)構(gòu)。

背景介紹

目前，汽車覆蓋件模具的自動化程度越來越高，已經(jīng)有很多汽車或零部件廠家采用了多工位模具和自動化生產(chǎn)線進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。除壓力機(jī)設(shè)備、模具及材料穩(wěn)定性、工序排布等因素外，廢料排出不暢、修邊掉鐵屑及模具型面拉毛已經(jīng)成為困擾模具制造廠家和汽車制造廠家的重大問題；本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和模具理論知識，針對汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的產(chǎn)生原因及可以采取的相應(yīng)對策進(jìn)行介紹。

汽車覆蓋件的生產(chǎn)現(xiàn)狀及修邊掉鐵屑危害

當(dāng)前各汽車整車制造企業(yè)，為了及時應(yīng)對瞬息萬變的市場和有效降低生產(chǎn)成本，覆蓋件生產(chǎn)的自動化需求越來越高，各汽車制造企業(yè)大都選擇了封閉的自動化沖壓線，如圖1所示，壓機(jī)之間采用機(jī)器人或機(jī)械手加穿梭小車方式輸送機(jī)構(gòu)取放工件，因整個自動化沖壓線是個封閉的模塊化系統(tǒng)，所以只能在自動化線尾對零件的質(zhì)量進(jìn)行檢查，對工藝過程中零件的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行控制，不能像手工生產(chǎn)線那樣做到立即發(fā)現(xiàn)和處理；即質(zhì)量缺陷的發(fā)現(xiàn)存在滯后性。

圖1 封閉的自動化沖壓線

對于封閉的自動化沖壓線，其中影響最大的質(zhì)量問題是修邊工序的掉鐵屑問題，工件在修邊工序過程中，由于上、下模的相對移動，在模腔內(nèi)部形成負(fù)壓，把修邊產(chǎn)生的鐵屑吸入模腔內(nèi)，污染模具型腔內(nèi)型面，不得不停下流水線進(jìn)行模腔清潔，這不僅影響沖壓件的表面質(zhì)量，而且影響沖壓生產(chǎn)效率，甚至?xí)绊懺O(shè)備和模具的精度，造成安全生產(chǎn)隱患；如圖2所示。

圖2 修邊工序產(chǎn)生的鐵屑實(shí)例及其影響

汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的原因分析

從沖裁工藝的理論方面分析，修邊沖裁過程分為三個階段，基于圖3修邊沖裁力變化曲線圖，討論沖裁過程中板料的斷裂及產(chǎn)生鐵屑的原因。

切斷廢料區(qū)域無壓料產(chǎn)生鐵屑的原因分析

從修邊沖裁力變化曲線圖中，我們可以看到修邊沖裁過程的三個階段：

A～B段：板料的彈性變形階段；

B～C段：板料的塑性變形階段；

C點(diǎn)：相當(dāng)于材料的極限強(qiáng)度，即沖裁力的最大值，當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗剪切強(qiáng)度時，材料開始產(chǎn)生裂紋；

C～D段：裂紋擴(kuò)展至材料分離的斷裂階段；

圖3 修邊沖裁力變化曲線圖

D～E段：凸?？朔Σ亮?，將沖裁件（或廢料）從凸模中推出。

在整個修邊沖裁廢料切斷過程中，B區(qū)域都是自由狀態(tài)，這就造成A區(qū)域的變形不可控。特別是A區(qū)域在修邊過程中前5mm行程中（B～C段）撕裂時產(chǎn)生的裂紋，即使刃口間隙合理，裂紋的產(chǎn)生也不可避免。而這前5mm行程中產(chǎn)生的裂紋在最后2mm的廢料切斷行程時，不可避免的會被刃口切斷產(chǎn)生鐵屑，如圖4所示。制件修邊區(qū)域的不符型，即局部區(qū)域的無壓料修邊產(chǎn)生鐵屑的原理與之相同。

圖4 廢料刀工作示意圖

模具刃口不良產(chǎn)生鐵屑的原因分析

⑴ 模具刃口不垂直。

一般來說，模具刃口不垂直存在以下幾種情況：下模刃口為直角，上模刃口成銳角或鈍角；上模刃口為直角，下模刃口為銳角或鈍角；以下模刃口為直角，上模刃口成銳角為例，簡要介紹鐵屑的產(chǎn)生過程如下：上模刃口成銳角時，刃口將料邊切斷后，刀塊在上升時會將料邊帶起產(chǎn)生帶料，這種帶料是由于板料與刀塊產(chǎn)生摩擦引起的，因此在這過程中刀塊會與板料摩擦產(chǎn)生鐵屑。同時，由于上模刃口接觸面較小，生產(chǎn)過程中容易磨損導(dǎo)致刃口間隙過大產(chǎn)生毛刺，這也是產(chǎn)生修邊掉鐵屑的另一個原因。

汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的相應(yīng)對策

模具刃口間隙的合理化

在模具的設(shè)計(jì)階段，主要根據(jù)沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度和模具壽命這三個因素給出一個合理間隙，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與研究成果，按要求確定最小的合理間隙值，對于尺寸精度和斷面質(zhì)量要求不高的沖裁件，在滿足沖裁件質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)以降低沖裁力、提高模具壽命為主，選用較大的雙面間隙值，在頻繁的沖裁過程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模輪廓越磨越小，凹模輪廓越磨越大，結(jié)果使間隙越用越大。

當(dāng)模具間隙過小時，最初從凹模刃口附近發(fā)生的裂紋就指向凸模下面的高壓應(yīng)力區(qū)。因此，這個裂紋的成長受到抑制，不能達(dá)到凸模刃口處，而成為滯裂紋，如圖5(a)所示，當(dāng)裂紋口開得相當(dāng)大的時候，兩裂紋中間的一部分材料隨著沖裁的進(jìn)行將被第二次剪切，繼而被凸模擠入凹模腔內(nèi)。由于凹模刃口的擠壓作用，在斷面上形成第二光亮帶，在兩光亮帶間形成撕裂的毛刺和夾層，如圖5(a)所示。間隙過大時，由于在光亮帶形成之前，板料已形成較大的圓角帶，所以實(shí)際的間隙就顯得更大。在這種情況下，如圖5(b)所示，因?yàn)樯?、下裂紋錯開一段距離，且圓角帶大，所以斷面的垂直度差。又由于加工條件不同，裂紋也不一定在上、下兩刃口處同時發(fā)生，所以有時便可能由一個刃口引發(fā)的裂紋使材料分離。當(dāng)這個裂紋從一個刃口的尖端出發(fā)，擴(kuò)展到另一個刃口的側(cè)面時，在斷面上留下很大的毛刺。因此間隙過大時，斷面上的光亮帶減小，圓角、毛刺及斜度變大。間隙合理時，上、下刃口處產(chǎn)生的裂紋，在沖裁切斷過程中會合成一條線，如圖5(c)所示。在這種情況下所得沖裁件的斷面光亮帶較大，而圓角帶及毛刺和斜度均較小，表面也比較平整，斷面與平面質(zhì)量均可達(dá)到理想的效果。經(jīng)由上述分析可知，間隙過大或過小時，沖裁件的斷面質(zhì)量都較差，間隙過大，修邊時扯拉制件（剪切變形）產(chǎn)生毛刺和鐵屑；間隙過小，修邊后的薄毛刺通過刃口的擠拉和回帶，進(jìn)入模具型面；只有在合理間隙時，才能使沖裁件的斷面質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，通過研配凸凹模間隙，使廢料刃口與切邊刃口間隙控制在1mm 以內(nèi)，廢料刃口切入深度控制在3mm以內(nèi)，使凸凹模切邊刃口間隙保持在板料厚度8%～10%之間。該間隙值的優(yōu)點(diǎn)是能很好地抑制鐵屑的產(chǎn)生；其缺點(diǎn)之一是周期性研配凸凹模，工作量大，且受制于設(shè)備及模具的日常生產(chǎn)使用；之二是具有模具改造風(fēng)險，維修成本較高。

圖5 模具刃口間隙示意圖

模具設(shè)計(jì)工藝與結(jié)構(gòu)

⑴模具采用無廢料刀結(jié)構(gòu)。

重要的汽車外覆蓋件模具建議采用無廢料刀結(jié)構(gòu)，對于此類模具結(jié)構(gòu)修邊分兩次完成，第一次修邊的時候廢料三面帶壓料，修邊后的工序件狀態(tài)如圖6所示；三面帶壓料修邊在刃口間隙合理的情況下，基本不會產(chǎn)生毛刺及鐵屑現(xiàn)象，且制件質(zhì)量穩(wěn)定，如A3車型前后門外板模具如圖7所示。

廢料刀口布置盡量隨形，刃口部位緊貼基體面；上下模廢料刀口保持與零件作用面垂直；自動化生產(chǎn)過程中，在廢料輸送設(shè)備以及模具結(jié)構(gòu)排料允許的尺寸前提下，還可采取減少廢料刀排布數(shù)量，來減少廢料鐵屑帶給生產(chǎn)的影響，現(xiàn)車型的該類模具結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用的案例如圖8和圖9所示。

圖6 修邊后的工序樣件

圖7 A3車型前后門外板模具

圖8 無廢料刀工序樣件

圖9 無廢料刀的模具

⑵模具整體式修邊二次分切排料。

模具第一個工作行程將制件整體式修邊，第二個工作行程將上次修邊廢料切斷排料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示；這類模具也比較適合自動化生產(chǎn)，在刃口間隙合理的情況下不會產(chǎn)生毛刺和修邊鐵屑且便于排料。此類結(jié)構(gòu)目前在頂蓋上應(yīng)用比較多，如A、B、C等車型的頂蓋如圖11所示。

圖10 廢料二次切斷的結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 現(xiàn)場二次分切的模具圖片

⑶新型廢料刀結(jié)構(gòu)的采用。

根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的廢料刀無法實(shí)現(xiàn)修邊與廢料切斷相分開，特別是在廢料刀與修邊刃口交接部位，此部位也是最容易產(chǎn)生修邊鐵屑的地方。目前，國內(nèi)部分主機(jī)廠要求覆蓋件的廢料刀必須使用旋轉(zhuǎn)廢料刀，旋轉(zhuǎn)廢料刀的結(jié)構(gòu)示意如圖12所示，此種廢料刀能夠?qū)崿F(xiàn)修邊與廢料切斷兩個動作的分離，可以在很大程度上減少鐵屑的產(chǎn)生。但此類廢料刀對加工制造設(shè)備的精度要求比較高，特別是要求具有外圓磨床等設(shè)備，部分模具廠家因不具備該類設(shè)備或設(shè)備精度不夠而無法采用該廢料刀結(jié)構(gòu)，因而限制了該廢料刀在覆蓋件修邊工序中的應(yīng)用和推廣范圍。

圖12 旋轉(zhuǎn)廢料刀的結(jié)構(gòu)示意圖

模具上設(shè)置吹氣裝置

為了用一種既簡單又經(jīng)濟(jì)的辦法來解決該問題，我們以某款汽車的頂蓋自動化線生產(chǎn)過程為例，通過對生產(chǎn)后的模具進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在廢料刀處存在許多的小鐵屑堆積。經(jīng)過分析和總結(jié)以及其他主機(jī)廠成功應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定采取加裝吹氣裝置方式進(jìn)行改善。我們提出在上模切邊刃口處加裝吹氣管的方案，如圖13所示，該套修邊模吹氣裝置工作原理是：通過在上模型面鑲塊和廢料切刀之間安裝吹氣管，利用壓力機(jī)滑塊角度控制壓縮空氣閥門開關(guān)，來吹掉廢料切刀產(chǎn)生的鐵屑。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，采用模具上設(shè)置吹氣機(jī)構(gòu)，在模具整體設(shè)計(jì)未作變動的情況下，成功地解決了修邊鐵屑過多影響外覆蓋件表面質(zhì)量的問題。該吹氣機(jī)構(gòu)具有制造成本低、構(gòu)造簡單、改造容易等特點(diǎn)，能較好地普及到該類型模具減少鐵屑的使用中，具有一定的借鑒和參考作用。

圖13 模具設(shè)置吹氣裝置的應(yīng)用實(shí)例

修邊掉鐵屑涂抹黏性潤滑脂的處理方法

實(shí)際沖壓生產(chǎn)過程中，通過在廢料刀口處涂抹黏性潤滑脂粘住修邊鐵屑，一般涂在廢料刀口作用面背面以下3mm處，防止凹模面接觸黏性潤滑脂而把鐵屑帶入模腔，該處理方法因操作步驟煩瑣，可靠性不高等原因，一般不建議使用。

結(jié)束語

綜上所述，綜合考慮覆蓋件表面質(zhì)量的控制特點(diǎn)、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和模具維護(hù)等多方面因素，針對覆蓋件修邊掉鐵屑，汽車制造廠商在解決覆蓋件修邊掉鐵屑問題方面，選擇貼合實(shí)際的模具結(jié)構(gòu)工藝才顯得格外關(guān)鍵。

吳立軍，沖壓高級經(jīng)理，工程師。主要從事沖壓新品模具開發(fā)、產(chǎn)線規(guī)劃及新技術(shù)、新工藝導(dǎo)入等工作。