提高0.35mm硅鋼片落料模壽命的方案研究與應(yīng)用

曾 順

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽641008）

1 引言

大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵芯部分機(jī)型采用0.35mm硅鋼片，如35Q155、B35A210等，其硅含量高導(dǎo)致沖制工藝性差。在該類型硅鋼片落料生產(chǎn)中，不斷出現(xiàn)模具單次有效沖次低、毛刺大和模具壽命短等問題。

為解決0.35mm硅鋼片沖制過程中出現(xiàn)的各種問題，本課題從模具材料及結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行模具設(shè)計(jì)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的模具進(jìn)行大批量沖裁應(yīng)用驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析，最終獲得可應(yīng)用于0.35mm硅鋼片實(shí)際加工的落料模具優(yōu)化方案。

2 模具組合優(yōu)化方案

針對(duì)沖裁高強(qiáng)度、高硬度板材可能出現(xiàn)的各種缺陷，如刃口崩口、模塊研傷等，為提高模具壽命與穩(wěn)定性，本課題主要從以下2個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 模塊材料的選擇

傳統(tǒng)模具模塊材料較多選用Cr12、Cr12MoV，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)采用該材料的模塊在0.35mm硅鋼片落料序中極易產(chǎn)生刃口局部崩裂的現(xiàn)象，其不適用于高強(qiáng)度高硬度硅鋼片的沖裁。結(jié)合本公司實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過篩選后初步選擇V-4E作為高牌號(hào)硅鋼片落料模的模塊材料選用方案之一，并與V-10進(jìn)行全方位的綜合對(duì)比分析，如表1及圖1所示，V-10主要表現(xiàn)為高硬度高耐磨，V-4E各項(xiàng)性能較均衡，韌性好且具備更好的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 模塊材料性能對(duì)比

表1 兩種模塊材料參數(shù)對(duì)比

2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為得到適用于沖裁0.35mm高牌號(hào)硅鋼片的更優(yōu)間隙，擬在模具的不同位置處設(shè)計(jì)不同沖裁間隙，并在模具不同位置處采用不同的模塊材料，最終形成“一模雙料三間隙”的模具設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。其加工工件為發(fā)電機(jī)定子沖片，它可以代表該類沖裁件的典型特征，如上下非對(duì)稱、具有深槽及尖角等，并且該類沖裁件也是高牌號(hào)硅鋼片最有可能應(yīng)用的領(lǐng)域，使該課題成果具有更好的應(yīng)用價(jià)值。該模具以中線為大致分界線，下模左側(cè)選用V-10作為模塊材料，另一側(cè)為V-4E，對(duì)應(yīng)側(cè)上模選用與下模同種模塊材料。同時(shí)在同種模塊材料側(cè)布置3種上下模單邊間隙，分別為0.02mm、0.04mm、0.03mm。該方案通過對(duì)稱布局的方法，可對(duì)同種材料不同間隙、同種間隙不同材料的沖裁斷面進(jìn)行對(duì)比分析，在保證具有足夠可對(duì)比性的前提下，節(jié)約了試驗(yàn)成本。

圖2 模具設(shè)計(jì)方案（下模）

3 試驗(yàn)過程

模具制造完成后，分兩次完成了模具的試沖及批量沖裁工作，合計(jì)共沖裁硅鋼片原材料約16.7t，沖片合計(jì)約23,000片，凈重約12t。批量沖裁過程中模具沖裁質(zhì)量穩(wěn)定，無毛刺高度急劇增大的現(xiàn)象，局部尖角最大毛刺0.09mm，但存在局部崩口的現(xiàn)象，經(jīng)處理后仍可繼續(xù)進(jìn)行加工，最終在沒有復(fù)口的情況下完成了所有試驗(yàn)原材料的沖裁加工。

4 結(jié)果分析

針對(duì)該試驗(yàn)?zāi)＞?種材料3種間隙的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為尋求更優(yōu)組合，需對(duì)模具6個(gè)不同模塊位置處的沖裁效果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3中①~⑥所示，主要綜合3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)判，即毛刺高度、沖裁斷面質(zhì)量、崩刃數(shù)量。

（1）毛刺高度。對(duì)沖裁末尾階段的沖片進(jìn)行毛刺對(duì)比，同一沖片各不同部位毛刺高度檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 局部毛刺高度

從圖3可以看出，最大毛刺出現(xiàn)在左側(cè)采用V-10的模塊尖角處，且毛刺均值左側(cè)大于右側(cè)，具體值如表2所示。

表2 兩側(cè)毛刺高度對(duì)比 mm

從圖3可以發(fā)現(xiàn)局部尖角處毛刺高度急劇增大，其對(duì)最終毛刺均值會(huì)帶來一定的干擾，排除干擾后的毛刺最優(yōu)位置位于③、⑥。不同間隙下的沖裁毛刺高度對(duì)比分析如表3所示。

表3 不同間隙下的毛刺對(duì)比（不含尖角） mm

綜合表2、表3可以看出，采用V-4E模塊、間隙取0.02mm的沖裁毛刺最優(yōu)。

（2）沖裁件斷面質(zhì)量。斷面取樣分析如表4所示，其位置序號(hào)與圖3所標(biāo)示位置一致。現(xiàn)有模具沖裁件斷面取樣自用于正式制件的沖裁硅鋼片，其幾何尺寸與試驗(yàn)?zāi)＞叩臎_裁件完全一致，保證了對(duì)比的有效性。

表4 沖裁斷面對(duì)比

從對(duì)比圖上可以看出試驗(yàn)?zāi)＞呒庸こ龅臎_裁件斷面表面質(zhì)量明顯優(yōu)于現(xiàn)有模具所沖零件斷面，其斷面平整光潔，光亮帶連續(xù)分布且占比較大，撕裂帶占比較小。在試驗(yàn)?zāi)＞叩?個(gè)斷面試樣中，②位置處的沖裁斷面質(zhì)量最高，光亮帶占比接近90%，但存在部分團(tuán)狀聚集撕裂帶，且采用同樣間隙的⑤位置處沖裁斷面質(zhì)量卻并不理想，表明該間隙下的沖裁斷面質(zhì)量不穩(wěn)定，波動(dòng)較大；③與④表現(xiàn)出②與⑤類似的質(zhì)量波動(dòng)特征；①與⑥位置處沖裁斷面質(zhì)量較為接近，表現(xiàn)了一定的沖裁穩(wěn)定性，且其斷面表面質(zhì)量與②較為接近。

綜合沖裁斷面表面質(zhì)量及加工穩(wěn)定性兩個(gè)因素，0.02mm單邊間隙為針對(duì)0.35mm高牌號(hào)硅鋼片的更優(yōu)模具設(shè)計(jì)要素。

（3）模塊崩口狀況。將完成批量沖裁后的模具開模進(jìn)行刃口磨損狀況分析及崩口數(shù)量統(tǒng)計(jì)，其中上模未見研傷及崩口，下模局部出現(xiàn)崩口，如圖4所示，且崩口主要集中于左側(cè)V-10模塊的齒部槽形位置處，可見V-4E韌性的增強(qiáng)有利于硅鋼片落料模的抗崩性，更適合沖裁高牌號(hào)硅鋼片。

圖4 下模崩口狀況

5 結(jié)論

此次試驗(yàn)共計(jì)沖裁約23,000次，且中間過程無復(fù)口，沖裁次數(shù)對(duì)比如表5所示，采用V-4E材料的模塊沖裁次數(shù)明顯優(yōu)于同樣為加工0.35mm硅鋼片的100萬火電制件鐵芯沖片模具。

表5 單次沖裁次數(shù)對(duì)比

綜上所述，模塊采用綜合性能更優(yōu)的V-4E材料且單邊間隙為0.02mm的模具更能適應(yīng)0.35mm厚高牌號(hào)硅鋼片的沖裁加工，其刃口性能均衡，斷面加工質(zhì)量穩(wěn)定，光亮帶占比大于75%，毛刺較小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高牌號(hào)硅鋼片的批量加工。