普通液壓機(jī)精沖模具凹模早期開裂探究

郁 蔚

(江蘇省常熟職業(yè)教育中心校，江蘇 蘇州 215500)

精沖工藝生產(chǎn)的零件在形狀、尺寸精度上均超過普通沖裁生產(chǎn)的零件，在零件表面與剪切面質(zhì)量上也有更好的表現(xiàn)。精沖模具直接作用于零件形成，因而精沖模具沖裁間隙、沖裁刃口形狀、模具加工使用性能、模具所用材料在加工行業(yè)受到廣泛關(guān)注。但由于精沖工藝涉及內(nèi)容較多，其凹?？赡茉诟鞣N因素影響下出現(xiàn)開裂，進(jìn)而影響精沖零件質(zhì)量、參數(shù)及液壓機(jī)生產(chǎn)效率，因此對精沖模具凹模早期開裂問題進(jìn)行研究十分必要。

1 精密沖裁技術(shù)

1.1 精密沖裁技術(shù)原理

作為一種精密沖裁方法，精沖發(fā)展源自普通沖裁，且具有無切削特質(zhì)，兩者區(qū)別在于對板料撕裂的控制。精沖在專用精沖機(jī)和普通液壓機(jī)中均可進(jìn)行。普通液壓機(jī)進(jìn)行精沖加工作業(yè)需要額外加裝液壓模架，其原理是應(yīng)用精沖模具使板料承受三向壓應(yīng)力，以純剪切方式完成分離，由此加工出的零件具有尺寸公差小、形位精度高、翹曲度小、垂直度高等特點(diǎn)，還具有較高的光潔度，因此精沖加工零件質(zhì)量很好。精沖工藝原理如圖1所示。

圖1 精沖工作原理圖

應(yīng)用精沖加工零件使沖裁凸模壓入板料之前，壓邊力Fr能將板料壓緊在凹模上，使V形齒內(nèi)面產(chǎn)生橫向側(cè)壓力，這種側(cè)壓力能夠有效控制金屬板料位置，避免其在剪切區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)撕裂或橫向流動，同時反壓力Fg能將板料壓緊在頂件板上，此時板料處于壓緊狀態(tài)，并在沖裁力Fs作用下開始沖裁。此過程中，剪切區(qū)域內(nèi)的板料會因三向壓應(yīng)力獲得塑性上的提升，而材料則會以純剪切形式從板料上分離，從而獲得沖裁零件，零件大致形狀則主要取決于刃口形狀[1]。

1.2 精沖液壓模架

我國精沖專用設(shè)備發(fā)展很快，不僅能滿足國內(nèi)需求，還能在一定程度上代替進(jìn)口設(shè)備，但其高昂的價格及其他因素使得改裝壓力機(jī)還有較大需求，后者價格普遍只有前者的1/20左右，在簡易精沖方面的生產(chǎn)能夠有效滿足社會需求。精沖用液壓模架是在模具上加入液壓缸活塞裝置或一組強(qiáng)力元件來獲取三向壓應(yīng)力，進(jìn)而滿足精沖要求及目的。精沖用液壓模架具有高水準(zhǔn)導(dǎo)向精度，其本身剛度也能滿足精沖所需壓邊力及反壓力要求。液壓精沖模工作中的主壓力來自機(jī)床滑塊，而模架或模架外的液壓缸活塞則為其提供齒圈壓板及推件板壓力。盡管從整體性能上來看，精沖液壓模架參數(shù)與專用精沖壓力機(jī)還存在一定差距，但前者在造價成本、使用難度及通用性上具有更明顯的優(yōu)勢，因而應(yīng)用十分廣泛。目前精沖液壓模架分為專用與通用兩種，分別應(yīng)用于不同零件精度要求及數(shù)量的生產(chǎn)作業(yè)，精沖液壓模架生產(chǎn)成本較低、制造周期短，能夠有效滿足重復(fù)利用需求，也就能夠?qū)崿F(xiàn)對成本的有效控制。

2 精沖模具凹模早期開裂分析

2.1 凹模早期失效表現(xiàn)形式

精沖模具屬于工程結(jié)構(gòu)中的一種，如果其喪失了相應(yīng)工程功能就稱為機(jī)械失效，失效形式包括磨損、腐蝕與斷裂三種。其中磨損失效是指機(jī)械應(yīng)用過程中因機(jī)械摩擦導(dǎo)致接觸面離散顆粒逐漸脫落，且這種脫落具有不符合期望的尺寸累積改變特征；腐蝕失效涉及內(nèi)容較多，但多為材料與環(huán)境中其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)作用，導(dǎo)致材料劣化并逐步喪失規(guī)定功能；斷裂失效則多產(chǎn)生自材料負(fù)荷超過原有極限值，導(dǎo)致材料中出現(xiàn)裂紋并最終造成材料斷裂，這種斷裂又包括脆性斷裂、韌性斷裂及疲勞斷裂三種。綜合精沖模具失效表現(xiàn)成因來看，可分為以下三種：磨損失效。其在各類零部件失效中十分常見，而精沖模具凹模出現(xiàn)早期開裂很大程度上是因?yàn)榘l(fā)生了磨損失效。精沖過程中，模具和工件會反復(fù)發(fā)生摩擦，導(dǎo)致模具表面材料生產(chǎn)過程中以肉眼不可見形式產(chǎn)生緩慢損失，造成凹模尺寸變大。而凹模尺寸變大會導(dǎo)致零件尺寸與形狀受到影響。磨損失效會導(dǎo)致凹模周圍材料強(qiáng)度下降，為凹模開裂帶來隱患[2]。過載失效。即超過模具承載能力導(dǎo)致失效。如果構(gòu)成凹模的材料加工過程中因各種復(fù)雜作用導(dǎo)致強(qiáng)度下降，會使凹模對斷裂及塑性變形抵抗能力下降，最終導(dǎo)致凹模過載失效而開裂。假如構(gòu)成凹模的材料韌性不足，則凹模失效斷裂多表現(xiàn)為脆性斷裂；如果凹模本身強(qiáng)度達(dá)不到相應(yīng)要求，則會發(fā)生塑性變形并導(dǎo)致失效。疲勞失效。精沖模具生產(chǎn)加工具有一定的規(guī)律性，反復(fù)加熱冷卻交替過程中，模具很容易生成微裂紋，隨著加工次數(shù)增多而發(fā)展，最終導(dǎo)致失效。尤其對于脆性材料而言，疲勞裂紋一旦生成，會以極快速度擴(kuò)展，而精沖模具凹模中的疲勞裂紋則是導(dǎo)致其開裂的重要原因之一。

2.2 導(dǎo)致凹模失效開裂的原因

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，因材料選用及熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致的凹模早期開裂，在所有凹模開裂原因中占比達(dá)70%及以上。模具材料對模具本身工藝性及使用壽命有著直接影響，因此制作及選擇精沖模具時，要對材料強(qiáng)度、剛度及韌性予以充分關(guān)注，確保制造或選購的模具能夠抵抗變形、耐磨、抗脆斷，同時也能有效使加工材料產(chǎn)生塑性變形。熱處理是模具加工制造的關(guān)鍵，其能夠產(chǎn)生理想效果，甚至能有效修復(fù)熱加工過程中產(chǎn)生的各種缺陷，使零件組織與性能更強(qiáng)，但如果熱處理工藝合理性不足，極易導(dǎo)致模具產(chǎn)生早期失效開裂情況。

導(dǎo)致凹模早期失效開裂的另一個原因是模具加工制造工藝選擇不當(dāng)。精沖工藝對精沖模具有很高要求，模具需在熱處理之后進(jìn)行磨削加工，使其達(dá)到高水準(zhǔn)的表面精度。而磨削加工很容易產(chǎn)生磨削熱，使模具表層出現(xiàn)二次淬火現(xiàn)象，增大模具脆性并產(chǎn)生磨削裂紋。模具加工工藝必須控制好磨削加工強(qiáng)度，選擇力度合適的砂輪，并以回火方式消除磨削應(yīng)力。

模具結(jié)構(gòu)問題也會影響凹模開裂。精沖中凹模、凸模輪廓形狀取決于精沖零件本身形狀與成型方案，一旦模具結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)曲率半徑較小的部位，就會產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，應(yīng)力過于集中很容易導(dǎo)致凹模開裂。此外，還需考慮孔徑、懸臂長度、槽寬等設(shè)計(jì)參數(shù)，改變應(yīng)力分布狀態(tài)，避免應(yīng)力集中。

3 解決凹模早期開裂的方法

3.1 提升凹模裝配精度

凹模在精沖模中發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，也承受了精沖生產(chǎn)過程中絕大部分壓力，為了使凹模早期開裂情況得到改善，需要對凹模與凸模合模后形成的間隙及間隙均勻性進(jìn)行有效控制，尤其是高速開合、沖擊下的動態(tài)精度更需要做好控制工作，提升凹模裝配精度。通常凹模結(jié)構(gòu)分為整體式與鑲拼式兩種，整體式具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的特點(diǎn)，不易變形，適合沖裁大型且?guī)в兄泵婊蝈F面的零件；鑲拼式則適用于沖裁形狀復(fù)雜、斷面強(qiáng)度低、易于損壞的零件。要提升凹模裝配精度，需要在錐面定位之后借助螺釘及上模板加以固定，擰緊力矩。具體方法包括控制轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角及螺紋伸長法等，可應(yīng)用手動測力扳手或電動力矩扳手等工具。

3.2 強(qiáng)化凹模背面支撐強(qiáng)度

如果凹模上墊面背板具有足夠大的支撐強(qiáng)度，能夠大幅減輕凹模變形，有效避免凹模早期開裂。理論上若是能夠完全固定凹模背面墊板，則能使凹模背面的變形及方向性上的變形得到有效控制，且凹模背面型腔周圍所受應(yīng)力值也會大幅下降，能夠起到控制凹模形變的作用。

3.3 改變模架結(jié)構(gòu)

通用液壓模架能夠有效完成小批量、多品種、中小型精沖零件的生產(chǎn)，但在大批量生產(chǎn)及零件尺寸、厚度較大的生產(chǎn)中會表現(xiàn)出明顯的局限性，因此需要盡可能應(yīng)用專用模架。專用模架增加了凹模背面固定板及墊板面積，能夠有效提升承力強(qiáng)度，與凹模、凸模有更強(qiáng)的裝配性，能有效避免凹模早期開裂。

4 結(jié)語

普通液壓機(jī)因其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢受到了中小型企業(yè)的青睞，因此對中小型企業(yè)精沖模架研究具有現(xiàn)實(shí)意義。精沖模具凹模早期開裂現(xiàn)象會影響企業(yè)生產(chǎn)效率，需要對開裂成因進(jìn)行深入分析，研究開裂表現(xiàn)形式，采取材料、工藝、結(jié)構(gòu)及其他輔助措施，避免凹模變形，實(shí)現(xiàn)對凹模早期開裂的有效控制。