高速冷沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周逢海

（安徽中智光源科技有限公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

目前我國制造產(chǎn)業(yè)正處于升級轉(zhuǎn)型的過程當(dāng)中，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量與對應(yīng)的等級。應(yīng)用高速冷沖壓模具可以顯著提高產(chǎn)品的成材率，降低產(chǎn)品的成本。從目前的生產(chǎn)情況來看，高速冷沖壓模具在運(yùn)行過程中存在著一些比較明顯的失效問題，從結(jié)構(gòu)方面對這些問題進(jìn)行調(diào)整，可以促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

1 高速冷沖壓模具結(jié)構(gòu)

高速冷沖壓模具結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，是建立在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)優(yōu)化分析基礎(chǔ)之上的。經(jīng)過近多年的發(fā)展，目前我國在高速冷沖壓模具的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)上已經(jīng)有了比較高的工藝水平。以計(jì)算機(jī)模具元件的生產(chǎn)為例，主流的模具型號有CAD/CAM 等，它們的模具就有比較好的結(jié)構(gòu)性能，應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)當(dāng)中可以顯著提高生產(chǎn)的精度。同時，應(yīng)用這種高速冷沖壓模具，設(shè)備生產(chǎn)的精準(zhǔn)度幾乎可以達(dá)到GUR 級別，使用覆蓋率可以增加45%[1]。

隨著技術(shù)水平的不斷升級，目前我國的高速冷沖壓模具有以下4 個發(fā)展方向：

（1）在模具生產(chǎn)當(dāng)中大型設(shè)備的比例不斷增加，尤其是隨著我國零件出口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，成型模具的生產(chǎn)比例加大。

（2）高速冷沖壓模具的生產(chǎn)可以適應(yīng)一模多腔的生產(chǎn)方式，精度越來越高。2018 年高速冷沖壓模具的精度已經(jīng)達(dá)到了2～3 mm。

（3）多功能復(fù)合模具發(fā)展。高速冷沖壓模具除了具備成型零件的生產(chǎn)功能之外，還可以負(fù)擔(dān)一些疊壓零件、鉚接零件、鎖緊零件的相關(guān)生產(chǎn)組件任務(wù)。

（4）高速冷沖壓模具的生產(chǎn)對于復(fù)合鋼材的性能要求越來越高。這將會促進(jìn)我國金剛制造工藝的轉(zhuǎn)型與升級，不斷提高技術(shù)水平，適應(yīng)目前的模具生產(chǎn)質(zhì)量要求。

2 高速冷沖壓模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級

2.1 高速冷沖壓模結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

（1）模架部分是整個結(jié)構(gòu)的支撐部分，它需要等級比較高的高精密鋼珠進(jìn)行導(dǎo)入的支撐。在材料的選擇上，只有高精度的鋼材和鋁合金材料才能夠滿足目前模具的生產(chǎn)要求。除了模架，模具的支撐部分還有沖頭固定板、布料背板、撥料板、模仁固定板、下模墊板等，它們均以高精度的鋁合金作為主要的生產(chǎn)材料。

（2）導(dǎo)柱部分是整個高速冷沖壓模結(jié)構(gòu)運(yùn)用最多的部分，主要采用滾動支撐結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)的過程中，需要不斷突破沖裁的間隙，來控制沖床的運(yùn)行參數(shù)。

表1 高速冷沖壓模具的先進(jìn)性

（3）卸料彈簧結(jié)構(gòu)可以在彈簧壓力控制數(shù)量及分析的匹配情況下，對彈簧壓縮量進(jìn)行極限調(diào)整。優(yōu)秀的卸料彈簧既可以排布均勻，避免設(shè)備運(yùn)行過于疲勞而出現(xiàn)生產(chǎn)事故，還可以運(yùn)行靈活穩(wěn)定，提高整個壓縮極限的數(shù)量。

（4）卸料螺釘一般根據(jù)高速冷沖壓模具的規(guī)格型號和尺寸而定，目前在計(jì)算機(jī)零件的沖壓結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主流采用M10 螺釘。這種螺釘可以承受多次的沖擊，對于負(fù)載造成的相關(guān)破損具有一定的承受能力[2]。

（5）高速冷沖壓模具運(yùn)行過程當(dāng)中，在單位時間內(nèi)工作零件的凸面與凹面接觸次數(shù)是非常多的，如果不對這種磨損情況進(jìn)行優(yōu)化控制，那么整個設(shè)備的使用壽命就會下降。要選擇硬質(zhì)合金等相關(guān)以性能比較好的生產(chǎn)材料，對工作零件的具體生產(chǎn)情況進(jìn)行相應(yīng)的及時調(diào)整。

（6）導(dǎo)向部件是保障高速冷沖壓模具夠運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵元素，只有進(jìn)行準(zhǔn)確的定位才能保障帶料平穩(wěn)。

2.2 高速冷沖壓模具的失效問題

2.2.1 沖擊力失效

在模具運(yùn)行的過程當(dāng)中，高速冷沖壓模具材料的接觸次數(shù)可以達(dá)到上億次。在這種長時間的連續(xù)沖擊下，突出的結(jié)構(gòu)部分很容易在荷載壓力的應(yīng)力作用下產(chǎn)生不良的振動。不僅會造成金屬的疲勞現(xiàn)象，還會啃傷刃口，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的沖擊力下降。

2.2.2 模具的發(fā)熱

沖壓速度的問題還會引起整個高速冷沖壓模具的發(fā)熱現(xiàn)象，甚至在發(fā)熱情況比較嚴(yán)重的情況下，發(fā)熱可以超出正常溫度的240%。在這樣的高溫環(huán)境下，一些鋼結(jié)構(gòu)的材料會發(fā)生變軟和變形現(xiàn)象，導(dǎo)致硬質(zhì)合金的實(shí)際形態(tài)受到影響。

2.2.3 失鈷現(xiàn)象

在冷沖壓模具運(yùn)行的過程中，如果沒有按照規(guī)定使用潤滑油，就有可能引起刃口材料的失鈷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整個模具的磨損情況加劇，無法適應(yīng)后續(xù)的連續(xù)工作生產(chǎn)。

2.3 高速沖壓模具失效的影響

（1）模板變形可能會導(dǎo)致模具出現(xiàn)凹坑或者是翹起，在制作產(chǎn)品的過程當(dāng)中就會影響產(chǎn)品的實(shí)際形態(tài)，以及生產(chǎn)出來的硬度，甚至由于一些熱處理工藝不合格問題，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品的強(qiáng)韌性達(dá)不到要求，存在局部的超載現(xiàn)象。

（2）模具失效可能會導(dǎo)致材料與配料之間存在較大的摩擦，從而影響整個生產(chǎn)材料的穩(wěn)定性，導(dǎo)致振動增加、溫度上升、機(jī)械性能受到影響等。在這個過程中，配料就可能存在過度潤滑或變形加劇的問題。

（3）疲勞失效可能會導(dǎo)致工件加工的過程當(dāng)中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及循環(huán)荷載現(xiàn)象。這時，工件的原料可能會出現(xiàn)屈服強(qiáng)度超過原本核載的情況，產(chǎn)生一些細(xì)微的裂痕，在應(yīng)力集中模式下這些裂痕會逐漸擴(kuò)大，進(jìn)行影響整個制造元件的一體化程度。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）控制變量分析。

當(dāng)高速冷沖壓模具的材料一定時，也就是采用規(guī)定型號的金剛以及鋁合金，生產(chǎn)時間是一個定值，選擇的材料性質(zhì)越軟、雙向擠壓力也就會越大。在這種生產(chǎn)情況下，如果連續(xù)作業(yè)，就會對高速冷沖壓模具的刃口形成損傷，在生產(chǎn)的過程當(dāng)中容易發(fā)生粘結(jié)和啃磨的現(xiàn)象[3]。材料的性質(zhì)越軟，黏結(jié)現(xiàn)象發(fā)生的頻率就越低，在這種情況下采用沖切間隙控制的方式，可以將擠壓力調(diào)整到最大。

不同型號的模具承載極限如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)規(guī)格參數(shù)

因此，在模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，要對沖切下料加工環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，從而提高模具維護(hù)的周期，降低模具表面的粗糙程度。通過對異常磨好狀態(tài)的細(xì)節(jié)分析，確定研磨量，從而提高模具的使用壽命。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：①對于高速冷沖壓模具的凹線模具零件進(jìn)行固定組裝，并通過廢屑上升的空氣壓力控制，防止外界的污染物質(zhì)進(jìn)入到模具當(dāng)中，影響整個模具的具體運(yùn)行情況；②適當(dāng)縮短模具的長度，降低模具的承重總量；③利用s4541 型號的鋁合金板等替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)材料；④使用經(jīng)過陽極處理的鋁合金板，全面提高模具的生產(chǎn)強(qiáng)度與生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

綜上所述，對高速冷沖壓模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可以降低使用過程當(dāng)中的磨損情況，提高產(chǎn)品加工的精度。從本文的分析可知，研究高速沖壓模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有利于從發(fā)展的角度看待目前模具生產(chǎn)過程的失效問題，因而要加強(qiáng)系統(tǒng)研究，促進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。