實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線模具廢料零堵塞的精益設(shè)計(jì)研究(下)

文／田卓華，李景德，廖昌林·金琥新能源汽車(成都)有限公司

張瑞宏·山東舜晟沖壓科技股份有限公司

楊彪，杜金·河北興林車身制造集團(tuán)有限公司

《實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線模具廢料零堵塞的精益設(shè)計(jì)研究》(上)見《鍛造與沖壓》2023 年第6 期

廢料堵塞典型設(shè)計(jì)案例分析

任何堵點(diǎn)都會(huì)有諸多因素造成廢料下滑不暢，有時(shí)復(fù)雜到一時(shí)難以捉摸。所以，諸多模具廠的修邊廢料堵塞幾率均等。下面就某修邊廢料堵塞原因展開分析和討論。

側(cè)圍修沖廢料堵點(diǎn)

因?yàn)槟＞咭呀?jīng)在量產(chǎn)階段，更改方案分為了兩個(gè)方案：一個(gè)是立足現(xiàn)有模具，以最小的成本消除或盡力降低堵塞風(fēng)險(xiǎn)；另一個(gè)是找出工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善能夠被類似項(xiàng)目開發(fā)所采納的路徑，防止此類堵塞再發(fā)生。

⑴立足現(xiàn)有模具。

圖2 為某修沖模具結(jié)構(gòu)的一角，可見工件結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，廢料為正側(cè)交刀修切，以中間廢料刀為中心，左右廢料形狀對(duì)稱。右側(cè)廢料刃對(duì)刃，左側(cè)廢料背對(duì)刃，堵塞的是左側(cè)廢料。顯然該廢料切斷模式，背對(duì)刃的堵塞概率大于刃對(duì)刃，間接原因是正側(cè)交刀修邊廢料要過橋，直接原因是側(cè)修橋內(nèi)邊緣阻絆。

圖2 側(cè)圍修沖模具結(jié)構(gòu)的一角

廢料的對(duì)角線長度符合標(biāo)準(zhǔn)，表面原因是下滑板高度較高，擠壓了橋體內(nèi)邊緣到滑板面的距離，同時(shí)似乎橋體前后開度較小。但是左右廢料穿橋空間一樣，右側(cè)廢料順利下滑，左側(cè)有的廢料受阻，雖然不是百分之百受阻，起碼可以證明滑板開口和前后橋體開度不是主要原因。根本原因是在滑塊上升時(shí)，上刀向上帶起左側(cè)廢料右端頭，且上帶高度很高，落點(diǎn)范圍大，受阻風(fēng)險(xiǎn)高。

模具的驗(yàn)證或量產(chǎn)階段，降低廢料堵塞風(fēng)險(xiǎn)的三項(xiàng)低成本措施：

①降低中間上部的廢料刀切入深度，夠用就好，中部廢料刀立修刃帶如圖3 所示。

圖3 中部廢料刀立修刃帶

②抑制廢料上帶，被堵廢料右端上刀增設(shè)彈頂銷兩顆，彈銷柱行程不小于上廢料刀刃入量，要求不讓廢料離開廢料刀背，彈簧力一般為修邊力的6%～10%。如果彈頂銷不適宜，可安裝聚氨酯柱。

③左廢料左端頭正切上刀安裝彈頂銷兩顆，行程為40 ～50mm，彈頂銷力量為10 公斤左右即可。

要抑制廢料上帶，無論彈頂銷還是聚氨酯彈簧，需要在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮，彈頂元件的選擇是否正確、設(shè)計(jì)是否完整。否則，后期依據(jù)調(diào)試加裝，難免就會(huì)出現(xiàn)與上刀塊螺釘、銷釘干涉，或沒有最佳安裝位置，難以達(dá)到理想效果。

⑵新設(shè)計(jì)方案。

任何措施實(shí)施的前提是在定義沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)時(shí)，首先識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)的廢料。常言道，只有想不到，沒有做不到。如果有一個(gè)類似的新項(xiàng)目，解決廢料堵塞的設(shè)計(jì)方案如下：

⑴竭力降低廢料的上帶高度。中間廢料刀有一段立修邊，幾乎和沖壓方向平行。立修段的毛刺高、鐵屑多，沖壓作業(yè)時(shí)的頻繁維護(hù)都是次要問題，想要切斷廢料上刀必須做早切改造，勢必增大局部修切行程。上廢料刀立修刃帶增高，廢料上帶行程增大，下落自由度較大，落點(diǎn)范圍較大。

立修刃帶源自拉延工藝造型，造型無需近似90°，可以局部增大立邊拔模角度，例如20°、30°、40°，增大角度，可以降低毛刺。立切行程急劇降低，廢料端頭容易退出刃帶。加裝彈性元件，規(guī)避上帶、縮小左端頭落點(diǎn)范圍。

拉延選擇90°造型可以減慢進(jìn)料速度，利于型面某高點(diǎn)不會(huì)急劇減薄，即進(jìn)料要比拉延筋阻料快，但還得有一定的阻力防止過快而起皺。所以設(shè)計(jì)成零拔模角，靠間隙和小R 角抑制走料速度。如果推斷成立，該立修段整體不宜增大拔模角，但是廢料切斷部位可以局部增大，造型類似部分圓錐面，以避免純立修的弊端。

⑵在本案例中，此處廢料向模具出件側(cè)下滑，下滑板盡量降低，增大廢料觸點(diǎn)到橋體內(nèi)邊緣的3D 距離。當(dāng)然，受壓機(jī)閉合高度和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，有時(shí)恐怕不能降低很多。

⑶廢料過橋的橋板盡可能抬高，同時(shí)擴(kuò)大前后方向開度。這樣做有兩個(gè)不利因素：一是增加側(cè)修刀長度，上刀動(dòng)態(tài)剛性減弱；二是模具外形尺寸加寬。因此這項(xiàng)更改如同走鋼絲，要盡量綜合平衡。

實(shí)施以上三種措施后，還不能完全實(shí)現(xiàn)零堵塞。限于本案例情況，左側(cè)廢料采用刃對(duì)刃。改造中間廢料切刀，在刀背處增加一個(gè)刀面，構(gòu)成刃對(duì)刃。好在此處修邊線允許預(yù)留一定寬度的廢料，后序有機(jī)會(huì)修凈。

綜上所述，圖2 所示中間廢料刀結(jié)構(gòu)、正側(cè)修交刀等其他結(jié)構(gòu)既定條件下，本案例“上帶”是廢料被堵的主要原因，盡管不是每件都堵。無論沖10 件堵一次，還是沖幾百件堵一次，我們都得停線疏通，損失的是效率和效益。

頂蓋側(cè)修廢料下滑設(shè)計(jì)分析

經(jīng)常會(huì)碰到貌似不會(huì)出現(xiàn)堵塞的廢料，生產(chǎn)過程中卻會(huì)出現(xiàn)廢料堵塞，圖4 為某頂蓋側(cè)修廢料及其滑道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中廢料刀刃對(duì)刃，廢料長度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然是三邊修切，下滑十分順暢，但是由于滑板位置較高，堵塞風(fēng)險(xiǎn)很大，必須控制好姿態(tài)，需要每沖一次下滑一次，不允許積料兩片及以上。

圖4 某頂蓋側(cè)修廢料及其滑道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

⑴ 關(guān)于廢料姿態(tài)。

廢料均衡水平下落，右端先接觸滑道板，左部跌落、順利滑出模體，圖4(a)為頂蓋端頭側(cè)修廢料滑道。如果廢料傾斜下落，左端比右端低，則不會(huì)卡滯。如果廢料傾斜嚴(yán)重，右端比左端低，右端觸碰滑板面，左端可能因?yàn)榭吭谧蠖藟Χ唤O住。因?yàn)樽蟛壳械妒沁^橋，滑道開口為橋體最低點(diǎn)到滑板面的距離，此距離假如比廢料長度大則有利。但是受到模具閉合高度限制，雙層過橋根本無法實(shí)現(xiàn)。在不增大閉高的前提下，靠下刃帶高度，或上刀不等距入模量，讓左端比右端早推離刃帶且落入空刀，即可實(shí)現(xiàn)順利下滑。

側(cè)修廢料要保證每沖一次下滑一次，不能同時(shí)積料兩片以上。如圖4(b)所示，在側(cè)修CAM 方向，下模刃帶原設(shè)計(jì)高度為20mm，拉延補(bǔ)充面立修段遠(yuǎn)大于20mm。板材料厚為0.8mm，修切刃入3.0mm，理論上積存廢料至少21 片，立修段則更多。最終取決于立修帶存量，如果這樣前端廢料會(huì)擠靠端墻(圖4(b)中粉藍(lán)色面),且越擠越緊，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，勢必壓壞模具。原刃帶設(shè)計(jì)不利于采用數(shù)銑空刀，只能鉗工打磨，可是鉗工修理不但費(fèi)工又不均勻，很難保證一沖一下滑。

模具設(shè)計(jì)的改進(jìn)：一是降低下模刃帶高度到6.0 ～7.0mm，背空為0.5mm，且刃帶寬度均勻，只有數(shù)控銑削才可保證；二是上刃帶CAM 端墻要加深，圖4(b)中粉藍(lán)色面及綠色面，在側(cè)修方向向模體中部延伸，即CAM 刃口線距離端面距離為46mm，不僅能杜絕積料堵塞風(fēng)險(xiǎn)，更便于數(shù)銑下刃帶空刀。由于圖4 所示側(cè)修凹模設(shè)計(jì)為裝配式，便捷獨(dú)立數(shù)銑刃帶和空刀?；灞M量下移，增大滑板面到橋底的距離。

某車型翼子板修邊設(shè)計(jì)分析

翼子板是車身覆蓋件中難度最大的沖壓件之一。產(chǎn)品特征是型面起伏大、輪廓形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高。起伏大決定了廢料形狀及邊界復(fù)雜；受工序數(shù)限制，一般正側(cè)交刀經(jīng)常有廢料下滑受阻不易偵測。圖5 為某車型翼子板工序件及修沖模具圖。

現(xiàn)分析翼子板廢料下滑風(fēng)險(xiǎn)，圖5 中1、2 號(hào)廢料都存在較大風(fēng)險(xiǎn)。本模具送件側(cè)為模具前側(cè)，出件側(cè)為模具后側(cè)，送料方向如圖5 中所示。

圖5 某車型翼子板工序件及修沖模具圖

1 號(hào)廢料是正修廢料，長度較短(幾乎小于廢料截面的最小距離)，斷面為空間曲線，并向模具后側(cè)滑出；刀背在前側(cè)，刃口在后側(cè)，符合常規(guī)設(shè)計(jì)。1號(hào)廢料的堵塞風(fēng)險(xiǎn)很大，經(jīng)測量滑道開口小于廢料長度，滑塊提升時(shí)廢料后端注定會(huì)被上帶，很容易立起超出滑道開口而受阻。

更改方案：將1 號(hào)廢料滑道口加大到大于廢料對(duì)角線尺寸。一種簡單的辦法是增大閉合高度，但因模具閉合高度受諸多因素限制，不宜或不能增高。

滑道坡度設(shè)計(jì)為20°，小于設(shè)計(jì)規(guī)范25°。若開口增大，只能再降低坡度，造成滑料風(fēng)險(xiǎn)陡增，顯然不可行。用盡所有辦法無解時(shí)，可以考慮提高送料線高度、增大滑板角度。

將后側(cè)廢料刀調(diào)轉(zhuǎn)180°，變成刃對(duì)刃，若配合優(yōu)異的空刀設(shè)計(jì)，可以明顯降低滑廢風(fēng)險(xiǎn)。由于跌落空間較深，翻轉(zhuǎn)概率較大，仍有立起的可能，不是最佳方案。而且廢料刀換向牽一發(fā)動(dòng)全身，其他廢料必須重新考量。

2 號(hào)廢料是正側(cè)交刀修邊，廢料向模具前側(cè)滑出。廢料后端為刀刃，前端為刀背，后側(cè)先于前側(cè)接觸滑板，卡滯風(fēng)險(xiǎn)較高。設(shè)計(jì)師起初認(rèn)為可以設(shè)置導(dǎo)桿干預(yù)，但是經(jīng)過多角度虛擬滑廢分析，認(rèn)為導(dǎo)桿干預(yù)只能優(yōu)化，不能徹底化解風(fēng)險(xiǎn)。

還可以采取縮短1 號(hào)廢料，延長2 號(hào)廢料，縮短部分留一定寬度，下一序修切。此方案最終也被認(rèn)定不可行，下一序?yàn)榉叄曳吥Ｒ呀?jīng)投鑄，工藝調(diào)整余地為零。

幾條道路被封死后，想要降低廢料下滑風(fēng)險(xiǎn)只能在OP20 一序做文章。將1、2 號(hào)廢料合二為一，取消中間廢料刀，模具閉高及送料高度維持不變。加長后的廢料向前滑出，廢料長度接近700mm，超出廢料長度設(shè)計(jì)規(guī)定。自動(dòng)線廢料長度一般規(guī)定550 ～600mm 是正確的，設(shè)計(jì)中不要隨意突破。只是本案例是逼到絕地的特例，“寧可超長滑出機(jī)臺(tái)，不可取短而卡在模體內(nèi)?！?/p>

經(jīng)小組聯(lián)合評(píng)審，自動(dòng)線壓機(jī)工作臺(tái)外側(cè)廢料道口尺寸長度可行。該廢料前部廢料刀傾斜約為45°，考慮廢料切斷后首先要側(cè)滑一定距離，需要加大滑道左右的開口寬度，則模具左右尺寸增加。

圖6 為取消中間廢料刀模具圖，廢料變?yōu)橐粔K，刀背在前、刀刃在后，似乎不利于廢料下滑。設(shè)計(jì)慣例是側(cè)滑廢料向前滑出，廢料前端應(yīng)該刀刃、后部刀背，也可以是刃對(duì)刃。

圖6 取消中間廢料刀

本案例曾想調(diào)轉(zhuǎn)2 號(hào)廢料前廢料刀，構(gòu)成刃對(duì)刃。由于調(diào)轉(zhuǎn)后不利于模具前側(cè)側(cè)修的3 號(hào)廢料下滑，只好維持不變。好在前側(cè)廢料刀刃面和后部刃面基本成45°夾角的大敞口，切斷瞬間有自動(dòng)放松趨勢，廢料上帶不會(huì)十分強(qiáng)烈，擬或根本帶不起來，從而降低了上帶堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

為降低廢料上帶，設(shè)計(jì)師已經(jīng)考慮好預(yù)案。如圖6 中增加導(dǎo)桿三處，廢料如果上帶，靠導(dǎo)桿干預(yù)控制姿態(tài)基本水平，不至于廢料后部較先跌落造成卡滯堵塞。導(dǎo)桿傾斜廢料先斜滑右側(cè)，廢料道上部左右向開口需要擴(kuò)寬。

為了防止廢料側(cè)滑不順暢，又增加了側(cè)推氣缸作為預(yù)案。導(dǎo)桿固定在導(dǎo)桿架，架體安裝在氣缸活塞桿。圖7 為氣缸側(cè)推導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，側(cè)推氣缸五個(gè)要素要特別注意，力的大小、作用點(diǎn)、方向、行程和速度。本案例中前后刀刃夾角為45°，卡滯概率很小，退料力量無需計(jì)算。如果刃對(duì)刃，刃帶幾乎平行，氣缸推力不小于卸料力。氣缸的速度不宜過大，要求退出廢料而不脫離導(dǎo)桿架。切忌快速?zèng)_擊，彈出廢料，下落不著調(diào)。一般選擇無沖擊退出，氣缸氣路必須設(shè)計(jì)調(diào)速閥。需以退出行程最小為原則，即剛好推出廢料不與45°前刀基座干涉，以減小氣缸的體積。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)導(dǎo)桿，不要等到模具驗(yàn)證時(shí)讓鉗工設(shè)計(jì)、安裝。導(dǎo)桿和模具體連接，若不帶氣缸側(cè)推裝置，采用螺釘、銷釘緊固，不要焊接。焊接容易脫落，且安裝及調(diào)整極為不便。

結(jié)束語

大量模具沖壓生產(chǎn)實(shí)踐和設(shè)計(jì)過程證明，每當(dāng)解決一個(gè)問題，常常會(huì)帶來幾個(gè)新的問題，有時(shí)是致命問題。對(duì)新問題繼續(xù)逐一分析，擴(kuò)大視角、拓展思維，不放過任何一個(gè)疑點(diǎn)。沒有問題是暫時(shí)的，是頭腦中沒有想到解決問題的方法。我們要勇于提出反對(duì)和否定意見，絕不能盲目自信。廢料零堵塞是一種理念，更是一種追求。復(fù)雜問題不可能一蹴而就，有時(shí)竭盡全力也未必能夠完美收官。只要廣大設(shè)計(jì)人員孜孜不倦、刨根問底、不言放棄，兩三個(gè)項(xiàng)目下來后，我們一定能實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線廢料零堵塞。