修沖模修邊碎屑分析與優(yōu)化

文/杜洋洋·上汽大眾汽車(chē)有限公司

隨著中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)作為常用的交通工具進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，人們對(duì)汽車(chē)覆蓋件的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。在實(shí)際沖壓件批量生產(chǎn)中，修邊碎屑一直是困擾沖壓車(chē)間的難點(diǎn)問(wèn)題。不僅影響高速?zèng)_壓線的生產(chǎn)連續(xù)性，影響在線停機(jī)率，還影響覆蓋件的表面質(zhì)量，導(dǎo)致零件返工甚至報(bào)廢。因此，分析清楚沖壓模具修邊碎屑的產(chǎn)生機(jī)理，并將之有針對(duì)性的消除或改善，成為現(xiàn)代模具及汽車(chē)制造行業(yè)共同面對(duì)的課題。

修邊碎屑產(chǎn)生原因分析

按照修邊碎屑的產(chǎn)生機(jī)理，可將修邊碎屑分為純剪切、二次剪切兩種類(lèi)型。

純剪切區(qū)域模具結(jié)構(gòu)由卸料板、上下模切邊刀組成。首先卸料板完成壓料，然后由上下模切邊刀對(duì)切完成修邊過(guò)程。修邊碎屑的產(chǎn)生一般與沖壓模具基礎(chǔ)狀態(tài)有關(guān)，如切邊刀垂直度、切邊刀刃口間隙、刃口硬度、型面符型及壓料狀態(tài)等有關(guān)。該類(lèi)修邊碎屑相對(duì)容易解決，通過(guò)提升模具基礎(chǔ)狀態(tài)，即可減少修邊碎屑的產(chǎn)生。

二次剪切修邊碎屑主要集中在廢料刀交接區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)碎屑狀態(tài)如圖1 所示。上模交接區(qū)域由切邊刀Ⅰ(帶廢料切斷功能)、切邊刀Ⅱ組成。為實(shí)現(xiàn)修邊與廢料切斷功能，傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)中上模切邊刀Ⅰ比切邊刀Ⅱ凸出5mm，因此在切邊刃口方向形成了段差。下模交接區(qū)域由凸模切邊刀與廢料刀組成，廢料刀比凸模切邊刀低5mm，交接區(qū)域模具結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 廢料刀交接區(qū)域產(chǎn)生碎屑

圖2 廢料刀交接區(qū)域模具結(jié)構(gòu)(上下模)

沖壓生產(chǎn)時(shí)，隨著上模下降，上模切邊刀Ⅰ刃口首先接觸工件，在尖角區(qū)域初始剪切為非純剪切，而是撕裂。隨著上模下降，撕裂區(qū)域擴(kuò)展延長(zhǎng)。當(dāng)上模再下降5mm 時(shí)，上下模廢料刀刃口、切邊刀Ⅱ與下模切邊刀刃口均開(kāi)始對(duì)切。由于初始撕裂邊線的不規(guī)則，在尖角區(qū)域會(huì)進(jìn)行二次剪切，撕裂口凸出部分被剪切成碎屑。由于結(jié)構(gòu)限制，該區(qū)域修邊碎屑一直是沖壓生產(chǎn)中的難題，本文將針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析。

修邊碎屑的優(yōu)化方案(二次剪切)

由于傳統(tǒng)廢料刀設(shè)計(jì)中固有缺陷的存在，該區(qū)域修邊碎屑很難通過(guò)模具基礎(chǔ)狀態(tài)的提升來(lái)解決。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，根據(jù)是否對(duì)切邊刀(廢料刀)的結(jié)構(gòu)或工藝進(jìn)行優(yōu)化，可分為兩類(lèi)。

第一類(lèi)：未針對(duì)切邊刀(廢料刀)結(jié)構(gòu)或工藝進(jìn)行優(yōu)化，即不改變修邊碎屑的產(chǎn)生過(guò)程，而是將產(chǎn)生的修邊碎屑進(jìn)行物理收集。如在修邊碎屑聚集區(qū)域切邊刃口下方涂抹黃油粘結(jié)碎屑或利用真空吸廢料裝置將產(chǎn)生的碎屑收集，避免落到零件或者模具表面，壓壞零件或模具，如圖3 所示。

圖3 真空吸廢料裝置

無(wú)論是在刃口下部涂黃油還是利用真空吸廢料裝置進(jìn)行修邊碎屑的收集，雖然能在一定程度上緩解零件或模具壓傷，但實(shí)際收效并不大。由于黃油可收集的修邊碎屑有限，隨著大批量生產(chǎn)的累計(jì)，無(wú)法粘結(jié)的碎屑依然會(huì)隨氣流漂移，還增加了線下模具維護(hù)的難度，該方法僅可作為生產(chǎn)臨時(shí)措施。真空吸廢料裝置增加了模具制造的成本，且只有在距離切邊刀刃口很近的位置才能發(fā)揮作用，還受到氣源穩(wěn)定性的影響。

第二類(lèi)：針對(duì)切邊刀(廢料刀)結(jié)構(gòu)或工藝進(jìn)行優(yōu)化，即從減少修邊碎屑的產(chǎn)生入手，可將其解決思路分兩種。

一種為優(yōu)化切邊工藝，使用二級(jí)廢料切刀，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。工作過(guò)程：先通過(guò)切邊刀將廢料整體切斷，廢料通過(guò)導(dǎo)桿下滑至廢料刀擋桿處，下個(gè)沖次再將廢料進(jìn)行分割。通過(guò)設(shè)置二級(jí)廢料刀，將切邊與廢料切斷過(guò)程分開(kāi)進(jìn)行，避免了先撕裂再二次剪切產(chǎn)生碎屑。但該方法存在一定的局限性，僅可用于車(chē)頂外板、前蓋外板等外形輪廓簡(jiǎn)單的模具，另外廢料刀外移模具尺寸增大，一定程度上也增加了模具制造成本。

圖4 某車(chē)頂外板修邊模

另一種為優(yōu)化廢料刀結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的更改，減小或避免傳統(tǒng)廢料刀結(jié)構(gòu)在尖角位置的切邊段差。如浮動(dòng)切刀，將切邊刀Ⅰ的一部分做成可浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。工作過(guò)程：隨著上模下降，在完成純修邊之前，浮動(dòng)切刀與切邊刀Ⅰ、切邊刀Ⅱ刃口高度保持一致，同時(shí)進(jìn)行剪切，在切邊刀與廢料刀交接位置不存在切邊段差，因此不存在撕裂現(xiàn)象。廢料整體切斷后，隨著上模繼續(xù)下行，下模廢料刀刀背頂住浮動(dòng)切刀，壓縮氮?dú)鈴椈桑?dòng)切刀后退，上下廢料刀刃口對(duì)切完成廢料分割。

圖5 浮動(dòng)切刀工作過(guò)程

通過(guò)結(jié)構(gòu)改造，該優(yōu)化方法從理論上避免了二次剪切過(guò)程修邊碎屑的產(chǎn)生，優(yōu)勢(shì)明顯。實(shí)際由于上模切邊刀刃口之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，刃口很容易磨損，下模廢料刀刀背在高速?zèng)_擊下也存在變形，進(jìn)一步影響了浮動(dòng)切刀的導(dǎo)向精度。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)后期的模具維修保養(yǎng)也提出了更多挑戰(zhàn)。

考慮到二級(jí)廢料切刀的使用局限性，僅可應(yīng)用在前蓋外板、車(chē)頂?shù)韧庑屋喞鄬?duì)簡(jiǎn)單的模具上；浮動(dòng)切刀等廢料刀優(yōu)化方法雖從原理上可消除相鄰切邊刀落差，避免撕扯廢料二次剪切產(chǎn)生修邊碎屑，但綜合考慮其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及批量維護(hù)難點(diǎn)，實(shí)用性并不高。本文將引入兩種實(shí)用性更高的廢料刀優(yōu)化方法。

調(diào)整廢料刀接口位置刃口落差

傳統(tǒng)廢料刀的設(shè)計(jì)一般遵循2-3-2 原則，刃口落差示意圖，如圖6 所示。切邊刀Ⅰ(帶廢料刀)刃口刃入量為7mm，切邊刀Ⅱ刃口刃入量為2mm，上下模廢料刀刃口刃入量為2mm。在廢料刀交接區(qū)域，兩切邊刀在刃口方向上存在5mm 的段差，這也是造成二次剪切產(chǎn)生修邊碎屑的根源。

圖6 刃口落差示意圖(傳統(tǒng)設(shè)計(jì))

針對(duì)相鄰切邊刀刃口落差問(wèn)題，可從設(shè)計(jì)角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)減小廢料刀交接區(qū)域切邊刀刃口落差，以減少切邊碎屑的產(chǎn)生，如圖7 所示。優(yōu)化后，切邊刀Ⅰ刃口刃入量為3mm，切邊刀Ⅱ刃口刃入量為1mm，廢料刀刃口刃入量為1mm。在廢料刀交接區(qū)域，兩切邊刀在刃口方向的落差減少至2mm。

圖7 刃口落差示意圖(優(yōu)化后)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)廢料刀設(shè)計(jì)原則的優(yōu)化，降低了廢料刀交接區(qū)域切邊刃口的段差，從原理上減少了二次剪切碎屑的產(chǎn)生。此外，切邊刀Ⅰ的刃口刃入量由7mm 降低至3mm，減少切邊刃入量后，可避免切邊刀后口擠壓碎屑的產(chǎn)生。

廢料刀讓空法

設(shè)計(jì)思路：⑴在上模切邊刀Ⅰ(帶廢料切斷功能)尖角位置，增加5mm 高的刺破刀，并在切邊刀刃口及廢料刀刃口方向15mm 內(nèi)均勻過(guò)渡，新的刃口做成銳角形式，上模切邊刀改造示意圖如圖8 所示。⑵將下模廢料刀沿刃口方向外移5mm，即在下模廢料刀與下模切邊刀刃口之間留下5mm 空檔。此處設(shè)置5mm 空間，為上模切邊刀相應(yīng)區(qū)域讓位。讓空區(qū)域廢料靠上模凸出刺破刀刺破，避免二次剪切產(chǎn)生碎屑，更改前后對(duì)比見(jiàn)圖9、圖10。

圖8 上模切邊刀改造示意圖

圖9 更改前

圖10 更改后

該方法通過(guò)在上模設(shè)置刺破刀工藝，并對(duì)下模廢料刀讓空處理，避免了尖角區(qū)域二次剪切。此外，即使有修邊碎屑產(chǎn)生也可落入空檔之中，避免帶到模具或零件上，有利于零件與模具表面修邊碎屑的控制。

針對(duì)上汽大眾某前門(mén)內(nèi)板應(yīng)用該方法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后修邊碎屑明顯改善，返工率由30%降低至5%以下，優(yōu)化前后效果如圖11、圖12 所示。

圖11 優(yōu)化前

圖12 優(yōu)化后

結(jié)論

本文根據(jù)沖壓模具修邊碎屑的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)修沖模修邊碎屑進(jìn)行了總結(jié)分類(lèi)，即純剪切、二次剪切修邊碎屑。鑒于二次剪切修邊碎屑產(chǎn)生頻次高、優(yōu)化難度大的問(wèn)題，本文重點(diǎn)對(duì)其產(chǎn)生原因及優(yōu)化方案進(jìn)行了介紹，并引入了兩種更加實(shí)用的優(yōu)化方法。

⑴純修邊區(qū)域修邊碎屑的產(chǎn)生與模具基礎(chǔ)狀態(tài)密切相關(guān)，如切邊刀硬度、切邊刀刃口間隙、垂直度等。無(wú)論在項(xiàng)目階段還是批量維護(hù)過(guò)程，都需要重視模具基礎(chǔ)狀態(tài)。通過(guò)不斷優(yōu)化，確保模具處于最佳切邊狀態(tài)，減少修邊碎屑的產(chǎn)生。

⑵二次剪切修邊碎屑主要集中在切邊刀與廢料刀交接區(qū)域，切邊碎屑的產(chǎn)生與交接區(qū)域切邊刃口段差有關(guān)。本文引入了兩種實(shí)用性更高的解決二次剪切修邊碎屑的方法，不僅在新模具切邊刀設(shè)計(jì)過(guò)程可進(jìn)行參考，對(duì)批量模具的切邊刀改造也簡(jiǎn)單易行，值得推廣使用。