聚氨酯橡膠落料沖孔成型復(fù)合模的設(shè)計(jì)

余傳來，張樹國，裴桓偉，肖曉春，王冠剛，姜行

1. 南昌航空大學(xué) 江西南昌 330063

2．中國航發(fā)長江動力有限公司 湖南岳陽 414000

1 序言

目前在機(jī)械、電子、航空等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運(yùn)用厚度＜0.25mm的薄料，尤其是在航空航天領(lǐng)域中，許多調(diào)整墊片、密封件、止動墊片以及膜片等沖裁鈑金件厚度＜0.25mm。如用鋼模生產(chǎn)此類零件，對于沖裁間隙的要求高，制造成本高，模具的磨損大、壽命低，裝配困難。

使用聚氨酯橡膠作為彈性介質(zhì)代替鋼模中的凸模或者凹模來進(jìn)行沖裁，能夠有效地避免上述問題。聚氨酯橡膠是一種性能介于橡膠與塑料之間的彈性體，素有“流體鋼”的別稱，與環(huán)氧塑料類似，是一種高分子材料，具有較好的流動性、耐磨、耐油、耐老化、耐臭氧以及耐輻射等性能，得到了各工業(yè)部門的重視及廣泛應(yīng)用。

胡樹松研究了聚氨酯橡膠沖壓技術(shù)的成形機(jī)理以及試驗(yàn)過程中出現(xiàn)廢品的原因[1]。張繼平等人進(jìn)行了多種材料及厚度的沖裁試驗(yàn)，并研究其與斷面質(zhì)量之間的聯(lián)系[2]。李小琴進(jìn)行了大量的銀銅焊料帶HIAgCu28薄料的沖裁分離，發(fā)現(xiàn)聚氨酯模具具有良好的性能，模具采用活動式壓料板形式能夠提高零件質(zhì)量，降低模具成本[3]。TAKAHASHI等人研究了Fe78B13Si9薄板聚氨酯沖裁分離中不同反頂力下聚氨酯橡膠壓入深度對斷面毛刺的影響，發(fā)現(xiàn)在較小的反頂力下，增加壓入深度會使毛刺加大；而在較大的反頂力下，并未產(chǎn)生明顯的影響[4]。張騰飛等人研究了沖頭高度、薄料厚度和薄料物理性能與沖裁力的關(guān)系，并對比分析了斷面形貌，得出沖裁力隨薄料厚度和抗拉強(qiáng)度的增加而增大，在一定范圍內(nèi)，沖裁力隨沖頭高度的增加而減小[5]。本文則以厚度為0.12mm、0.15mm和0.2mm的AM-350不銹鋼為對象，通過試驗(yàn)研究沖壓力大小、板料厚度、橡膠硬度和橡膠與容框的配合程度對于零件成品的成型質(zhì)量與斷面質(zhì)量的影響。

2 零件材料

傳統(tǒng)鋼制沖裁分離模具試驗(yàn)所用的材料有Q235、H62Y和SUS304等，常用于制造墊圈、密封件等零件。本次試驗(yàn)所用的材料為AM-350不銹鋼，美國半奧氏體沉淀硬化型不銹鋼，固溶后具有奧氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)，易于冷加工成形；隨后經(jīng)過強(qiáng)化處理又具有馬氏體鋼的優(yōu)點(diǎn)，而且熱處理溫度不高，沒有變形及氧化的缺點(diǎn)[6]。但是，這類鋼在315℃以上長期使用時，由于金屬間化合物繼續(xù)沉淀而使材料變脆，使用溫度應(yīng)限制在315℃以下。為探究AM-350不銹鋼在拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)行AM-350不銹鋼單向拉伸試驗(yàn)來分析該材料的拉伸性能。厚度均選取0.12mm，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，得出結(jié)論：AM-350不銹鋼板材在550MPa左右時達(dá)到屈服極限；隨著拉應(yīng)力逐漸增加，變形量逐漸增大；當(dāng)應(yīng)力增加到1200MPa時，AM-350不銹鋼板材達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，試件發(fā)生斷裂。由此可知，AM-350不銹鋼超薄板具有良好的抗拉強(qiáng)度和韌性，抗破裂風(fēng)險能力強(qiáng)，具有良好的拉伸成形性能[7]。

3 零件工藝分析

圖1是某普通薄料類零件，材料為AM-350不銹鋼，材料厚度有0.12mm、0.15mm和0.2mm三種，零件結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。該類零件傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)一般是采用倒裝復(fù)合?；蝽樠b復(fù)合模，對零件質(zhì)量要求高，厚度較薄，平面平整光潔，斷面無毛刺。若零件采用鋼模來進(jìn)行沖裁分離，則會因?yàn)樾￠g隙或無間隙導(dǎo)致難以配合，對模架精度和設(shè)備精度要求高而導(dǎo)致模具成本高，制件毛刺大、精度低且平面度差等導(dǎo)致加工裝配困難。使用聚氨酯橡膠代替凸模或凹?？梢越鉀Q這些問題，其適用于薄類材料零件的小批量生產(chǎn)，沖裁機(jī)理不同于傳統(tǒng)鋼模，具有制模周期短、成本低的特點(diǎn)，對操作者的技術(shù)要求低，生產(chǎn)成本顯著下降。

圖1 薄料類零件

圖2 薄料類零件截面

4 聚氨酯沖裁模的沖裁機(jī)理

聚氨酯是一種彈性體，沖裁分離過程中容框內(nèi)處于封閉狀態(tài)，橡膠被壓入容框內(nèi)，由于是在密封的環(huán)境下，所以橡膠會像液體一樣充滿整個模腔，受到3個方向等壓應(yīng)力的影響。壓力機(jī)滑塊下行，凸模壓縮聚氨酯橡膠，給聚氨酯橡膠一個作用力，使得聚氨酯橡膠以同樣大小的反作用力迫使被沖材料沿著凸模外形周邊產(chǎn)生彎曲、拉伸和剪切，并在凸模的刃口處產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)壓力機(jī)繼續(xù)下行，被沖材料受到聚氨酯橡膠壓力超過了材料本身的抗剪強(qiáng)度，沿著凸模刃口處產(chǎn)生裂紋，從而實(shí)現(xiàn)了材料的分離。

板料沖裁分離如圖3所示，在整個過程中，金屬板料經(jīng)歷了從彈性變形到塑性變形再到剪切斷裂的階段。聚氨酯橡膠緊貼凸模刃口流動，幾乎是無間隙沖裁，所以制件基本無毛刺。但是在凸模與凸模保護(hù)板之間存在一個斜角為15°的刀槽，此刀槽不宜過深，否則會出現(xiàn)圖4所示情況——板料不在刃口處被切斷，而是被拉斷。將沖裁分離出來的波形片通過50倍的光學(xué)顯微鏡觀察，端面如圖5所示，可以清晰地看到3塊具有顯著特征的區(qū)域，即圓角帶、光亮帶和斷裂帶，無明顯毛刺，零件的斷面斷裂完整，輪廓清晰，沖裁質(zhì)量極佳。沖裁分離出來的零件兩兩首尾相連并且通過焊接的方式連接成密封環(huán)（見圖6）。

圖3 板料沖裁分離示意

圖4 板料被拉斷局部示意

圖5 端面

圖6 裝配示意

5 聚氨酯沖裁模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 模具整體結(jié)構(gòu)

分析所沖零件的工藝性，模具采用的是復(fù)合模具的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 模具結(jié)構(gòu)

5.2 橡膠的選擇

本次試驗(yàn)采用的是邵氏硬度95HA的聚氨酯橡膠，橡膠厚度取20mm，為圓柱形狀，與上模容框應(yīng)該過盈配合，單邊過盈量取1～2mm。此外，為了保證橡膠元件的使用壽命，最大壓縮應(yīng)變應(yīng)≤30%，橡膠元件工作時的最小壓縮應(yīng)變一般取10%，根據(jù)公式：h＝Δh/（0.1～0.35），Δh取6，所以橡膠的厚度取20mm即可。

5.3 沖裁力的計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算沖裁力

式中，K為安全系數(shù)，取1.2～1.4；L為沖裁件的周邊長度（mm）；t為板料厚度（mm）；τ為抗剪強(qiáng)度（MPa），取860MPa。

該零件的內(nèi)徑d＝210mm，外徑D＝230mm，求得Pmax＝213.9噸力（1噸力＝9.8kN）。在實(shí)際的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，零件在壓力為240～250噸力時會被完全沖斷，這是由于模具刃口變鈍或者是橡膠容框與凹凸模之間的間隙造成沖壓力的部分損失。

5.4 設(shè)備的選擇

與普通沖裁分離一樣，聚氨酯橡膠模具可以適用于大部分的壓力機(jī)，比如曲軸沖床、液壓力機(jī)和摩擦壓力機(jī)等。但是，聚氨酯橡膠的彈性較大，最好使用行程不固定的液壓力機(jī)或者摩擦壓力機(jī)，避免發(fā)生設(shè)備或模具的損傷。試驗(yàn)使用的是可控制壓力峰值的液壓力機(jī)，峰值設(shè)在250～280噸力，整個過程包括沖壓設(shè)備的起動、快速下行、減速加壓、保壓及快速退回[8]。

5.5 模具結(jié)構(gòu)

（1）容框的設(shè)計(jì) 本沖裁模容框采用上裝式結(jié)構(gòu)，容框?yàn)閳A形。模具整體采用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。容框內(nèi)的橡膠厚度取20mm，為保證沖裁分離時橡膠不會從容框中擠出，容框的深度取22mm。

（2）容框的強(qiáng)度校核 在沖壓成型的過程中，安裝在鋼制容框內(nèi)的聚氨酯橡膠模墊發(fā)生形變。在垂直方向上，橡膠承受壓力而產(chǎn)生壓縮變形，與此同時，將壓力傳遞到容框的側(cè)壁。為了使橡膠承受一定的單位壓力q以獲得較好的成形質(zhì)量，容框必須要有足夠的強(qiáng)度與剛度。

模墊在垂直載荷q的作用下，容框的內(nèi)壁受到分布載荷px和py的影響。由于容框具有一定的剛度，且內(nèi)壁與橡膠緊緊貼合，所以，聚氨酯橡膠在x、y方向的應(yīng)變：εx≈0，εy≈0。根據(jù)廣義胡克定律可知

根據(jù)式（2）和式（3）可得橡膠對容框側(cè)壁的壓力，令其為p，則

橡膠的泊松比μ≈0.47，可得載荷q與橡膠對側(cè)壁的壓力p的關(guān)系為

對承受內(nèi)壓力p的圓形容框的內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)度校核，內(nèi)壁在內(nèi)壓力p的作用下的切向拉應(yīng)力與徑向壓應(yīng)力分別為

由式（6）、式（7）與圖8中所示的σt與σr的分布曲線可知，σt與σr差值（σt－σr）的最大值處于容框的內(nèi)壁。根據(jù)第三強(qiáng)度理論得到強(qiáng)度條件

圖8 容框內(nèi)壁受壓力示意

設(shè)容框的內(nèi)徑為d＝2r2，外徑為D＝2r1，代入式（8），可得

當(dāng)已知凹模的內(nèi)徑d時，其外徑D應(yīng)滿足上述條件才能保證容框具有足夠的強(qiáng)度。由于容框的橫向受壓比較大，故必須采用式（9）進(jìn)行強(qiáng)度校核，許用應(yīng)力[σ]在目前使用的模具材料強(qiáng)度的條件下最高可取200～220MPa。容框的內(nèi)徑d＝246mm，p取理論值213.9噸力，在設(shè)計(jì)模具時，厚度取30mm，故容框在安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

材料厚度為0.12mm、0.15mm和0.2mm的AM-350不銹鋼金屬板料成形輪廓清晰，成品基本無毛刺。本試驗(yàn)所用模具可以適用于0.25mm以內(nèi)各種厚度的金屬板料，對于SUS350、Q235及H62Y等材料，只需相應(yīng)調(diào)整沖壓力即可，沖裁力隨著薄料厚度和抗拉強(qiáng)度的增加而增大。用邵氏硬度為95HA的聚氨酯橡膠效果最佳，聚氨酯橡膠與容框之間應(yīng)該過盈配合，單邊過盈量為1～2mm。

試驗(yàn)過程中也遇到了一些問題，如沖裁件出現(xiàn)毛刺、沖裁件未與廢料完全分離、零件表面質(zhì)量差和橡膠發(fā)生永久變形或松弛等現(xiàn)象，出現(xiàn)這些問題與模具長時間使用導(dǎo)致刃口變鈍有關(guān)，模具制作精度不夠、模具清潔不到位和沖壓力過小等也是造成這些問題的原因。

該模具能夠完成傳統(tǒng)鋼制模具所完成的沖壓工作，而且所加工零件的質(zhì)量比鋼制模具更好，薄板生產(chǎn)中應(yīng)用該技術(shù)將給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。為避免試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，提高模具的使用壽命，研發(fā)一種硬度足夠且不容易老化的橡膠至關(guān)重要，這也是今后需要攻克的難點(diǎn)。