聚酰亞胺薄膜沖裁成型模設(shè)計(jì)與制造

摘 "要：針對(duì)聚酰亞胺薄膜沖裁加工中廢品率高、效率低、模具壽命短的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)和沖裁過(guò)程模具刃口受力情況進(jìn)行分析，指出用斜刃沖裁模加工聚酰亞胺薄膜的弊病和不足。根據(jù)壓輥沖裁機(jī)理，重新設(shè)計(jì)、制造了一套在普通壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙沖裁的新型模具。用軟質(zhì)上模與硬質(zhì)下模相互啃切形成無(wú)間隙配合，用有滾珠導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的精密模架和能夠自動(dòng)調(diào)整對(duì)中的單球面浮動(dòng)模柄，彌補(bǔ)沖床滑塊與工作臺(tái)面不平行對(duì)模具壽命的影響。生產(chǎn)實(shí)踐證明，此模具設(shè)計(jì)方案和制造方法簡(jiǎn)單可行，降低了模具加工難度、縮短了制造周期；加工了0.04mm的聚酰亞胺薄膜，沖切斷面平整、無(wú)毛刺，尺寸符合圖紙要求，適于批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺薄膜；沖裁；啃切；無(wú)間隙；滾珠模架；浮動(dòng)模柄

中圖分類(lèi)號(hào)：TG305 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and manufacturing of the punching and forming die for polyimide film

LI Chao

（Xian Vocational and Technical College， Xian 710077， Shaanxi， China）

Abstract： In response to the problems of high scrap rate， low efficiency， and short mold life in the punching process of polyimide film， an analysis is conducted on the existing mold structure and the force on the mold edge during the punching process. The drawbacks and shortcomings of using oblique edge punching molds to process polyimide film are pointed out. Based on the punching mechanism of the pressure roller， a new type of mold has been redesigned and manufactured to achieve seamless punching on a regular press. Using a soft upper mold and a hard lower mold to gnaw and cut each other without gaps， a precision mold base with a ball guide structure and a single spherical floating mold handle that can automatically adjust the alignment are used to compensate for the impact of non parallelism between the press slider and the worktable on the mold life. Production practice has proven that this mold design scheme and manufacturing method are simple and feasible， and have been recognized by the mold manufacturer， reducing the difficulty of mold processing and shortening the manufacturing cycle; The punching section of 0.04mm polyimide film is flat， without burrs， and the size meets the requirements of the drawing， making it suitable for mass production.

Key words： polyimide film; punching; gnaw and cut; no gaps; ball mold base; floating mold handle

0 "引 "言

聚酰亞胺薄膜（帶）由苯四甲酸二酐與對(duì)二氨基二苯醚合成樹(shù)脂，經(jīng)過(guò)流涎、亞胺化制成，是綜合性能最佳的有機(jī)高分子材料之一。其耐高溫達(dá)400℃以上；可耐極低溫，在-269℃的液氮中不會(huì)脆斷；長(zhǎng)期使用溫度范圍-200～300℃，高絕緣性能。同時(shí)具有優(yōu)良的機(jī)械性能，未填充的塑料的抗張強(qiáng)度在100MPa以上，彈性模量3～4GPa。聚酰亞胺由于上述性能上的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在薄膜、涂料、先進(jìn)復(fù)合材料、纖維、工程塑料。

圖1為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)落壓比調(diào)節(jié)器中使用的薄膜，由上述聚酰亞胺薄膜經(jīng)平板硫化機(jī)熱壓型面后再冷沖切成型，厚度0.04mm，在冷沖壓加工領(lǐng)域里屬超薄沖裁件。

此類(lèi)零件一般需采用精密沖裁設(shè)備，配小間隙或無(wú)間隙沖裁模加工。而工廠現(xiàn)有設(shè)備資源和模具制造能力均無(wú)法滿足此要求，僅能通過(guò)如圖2所示的手打模沖裁。

上述模具的凹模和沖頭刃口均為斜刃口，底座由聚氯乙烯板制作。為了保證沖切時(shí)薄膜型面與孔和外形的位置關(guān)系，薄膜毛坯在平板硫化機(jī)熱壓和手打模沖切時(shí)采用相同的定位基準(zhǔn)，工件和壓板通過(guò)定位銷(xiāo)定位，凹模由壓板引導(dǎo)，沖頭由凹模引導(dǎo)，下襯聚氯乙烯板進(jìn)行沖制。所得制品外觀質(zhì)量波動(dòng)大，合格率低，已無(wú)法滿足工廠科研生產(chǎn)配套需求，僅能通過(guò)加大投入量保證產(chǎn)出，主要存在以下問(wèn)題：

（1） 薄膜外徑較大，手工敲打凹模時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確敲擊凹模中心，導(dǎo)致沿周刃口受力不均勻，常出現(xiàn)沖不斷的現(xiàn)象，廢品率高；

（2） 沖裁力憑工人經(jīng)驗(yàn)控制，沖切時(shí)刃口易切入底板，損傷刃口、破壞底板，需經(jīng)常修模、更換工作部件；

（3） 純手工作業(yè)，生產(chǎn)效率低。

通過(guò)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用更優(yōu)的模具材料等技術(shù)手段后，上述問(wèn)題有所改善，但生產(chǎn)效率依然很低，僅能保障產(chǎn)品研發(fā)的使用需求，無(wú)法形成批量化生產(chǎn)。隨著各型航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)任務(wù)的增加，純手工作業(yè)、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題急需解決。

為了進(jìn)一步解決加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率問(wèn)題，2022年成立了攻關(guān)小組，致力于此項(xiàng)目的研究。摸索了一套新型無(wú)間隙沖裁模的設(shè)計(jì)、制造方法，能夠在現(xiàn)有設(shè)備資源條件下制成新型無(wú)間隙沖裁模，實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺薄膜的高品質(zhì)、高效率加工。

1 "新型無(wú)間隙沖裁模具的可行性分析

在梁炳文主編的《實(shí)用板金沖壓工藝圖集》中記載了一種壓輥沖裁法［1-2］，沖裁過(guò)程如圖3所示，底板6固定在工作臺(tái)上，模具4固定在底板6上，放上板料1，在板料1上放上一塊賽羅本德鉍基合金板3（其所含各金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鉍50%，錫26.7%，鉛13.3%，鎘10%），在驅(qū)動(dòng)輥5和壓輥2的壓力下移動(dòng)，沖裁出多排復(fù)雜板件。此法的缺點(diǎn)是每沖裁一次，需將合金板在100℃以下的熔點(diǎn)熔化一次，成本高，只適用于小批量生產(chǎn)。

上述壓輥沖裁法的工作原理是利用合金板的軟態(tài)，將其輥壓至硬態(tài)的模具4的空隙中，從而切斷板料得到所需零件。這一示例提示了我們，傳統(tǒng)復(fù)合沖裁模具的凸凹模也可選用軟質(zhì)材料，通過(guò)硬質(zhì)凸模、凹模與軟質(zhì)凸凹?？星行纬蔁o(wú)間隙配合，從而得到一種新型無(wú)間隙模具制造方法。

在沖裁模設(shè)計(jì)中，模具間隙的大小是影響沖裁零件斷面質(zhì)量和沖裁力的主要原因，根據(jù)沖裁零件材料的性質(zhì)及厚度不同，要求有各自的合理間隙。對(duì)于聚酰亞胺薄膜這種超薄材料，需用配合間隙近似為零的無(wú)間隙模和導(dǎo)向精密的精沖機(jī)完成沖裁。而在現(xiàn)有的普通設(shè)備上實(shí)現(xiàn)這種超薄材料沖裁需克服以下困難［3-6］：

（1） 現(xiàn)有沖床設(shè)備由于長(zhǎng)期加工硬度、厚度、形狀不同的零件，模具壓力中心與沖床壓力中心不統(tǒng)一，致使沖床導(dǎo)軌磨損嚴(yán)重，導(dǎo)向偏差嚴(yán)重，最大滑動(dòng)間隙達(dá)0.2～0.3mm，無(wú)法滿足上述無(wú)間隙沖裁模的導(dǎo)向精度要求；

（2） 常規(guī)導(dǎo)柱導(dǎo)套之間滑動(dòng)間隙大，多為0.02～0.05mm，無(wú)法滿足上述無(wú)間隙沖裁模的要求。

因此，按照常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無(wú)間隙模具在現(xiàn)有設(shè)備上無(wú)法實(shí)現(xiàn)沖裁加工，稍有偏差即發(fā)生啃刃、蹦刃現(xiàn)象， 而采購(gòu)高達(dá)百萬(wàn)元以上的精沖機(jī)顯然是不經(jīng)濟(jì)的，只能在模具結(jié)構(gòu)上解決精密導(dǎo)向的問(wèn)題，提高模具的使用精度和壽命。

2 "模具設(shè)計(jì)

2.1 "模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證薄膜型面與外形和孔的位置關(guān)系，即圖1中同軸度0.1mm的要求，模具設(shè)計(jì)時(shí)凹模上設(shè)置兩定位銷(xiāo)與熱壓成型模保持一致，采用順裝模具結(jié)構(gòu)。為了彌補(bǔ)沖床滑塊與工作臺(tái)面不平行度大所造成的不足，選用具有滾珠導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的精密模架和能夠自動(dòng)調(diào)整對(duì)中的浮動(dòng)模柄，在工作中導(dǎo)柱與導(dǎo)套始終不脫離，以滿足無(wú)間隙沖裁模具的導(dǎo)向精度要求［7-8］，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 "工作部件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)凸模、凹模與凸凹模啃切形成無(wú)間隙配合，模具設(shè)計(jì)中凸模、凹模選用CrWMn，熱處理硬度HRC58～62，而凸凹模則選用了預(yù)硬鋼NAK80，出廠硬度HB340～380，同時(shí)，凸凹?？壮叽绫韧鼓Ｍ鈴叫?.1～0.2mm，凸凹模外徑尺寸比凹模內(nèi)徑大0.1～0.2mm，如圖5～圖7所示。

2.3 "模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1） 模具主要工作部件（凸模、凹模和凸凹模）的選材不同，材質(zhì)硬度不同，工作部件間的工作間隙靠相互啃切形成，以此形成無(wú)間隙沖裁。

（2） 模具工作部件相互啃切形成無(wú)間隙配合后，必須依靠滾珠模架及浮動(dòng)模柄保證其后續(xù)工作關(guān)系不發(fā)生變化。

（3） 凸模、凹模與凸凹?？星星皟烧叩某叽珀P(guān)系為負(fù)間隙，也就是單邊需要留有0.05～0.10mm的啃切余量。

3 "模具制造要點(diǎn)

（1） 凸模、凹模制造方法同一般鋼模，采用數(shù)控車(chē)等常規(guī)機(jī)械加工方法加工出毛坯［9］，再經(jīng)熱處理強(qiáng)化，最后通過(guò)磨削等精加工方法保證圖紙相關(guān)技術(shù)要求。

（2） 凸凹模刃口采用啃切方法制造，其自身的尺寸精度可適當(dāng)降低，但必須將刃口段與端面的垂直度控制在0.01mm之內(nèi)［10］。

（3） 新型無(wú)間隙沖裁模具采用強(qiáng)力壓料，壓料不均會(huì)使零件質(zhì)量下降，因此，凡與上、下模板平行的零件表面應(yīng)提高其平面度、平行度和表面粗糙度［11］。

（4） 模具凸模、凹模與凸凹模沒(méi)有進(jìn)行相互啃切前，由模具裝配鉗工保證凸模、凹模和凸凹模的相對(duì)位置關(guān)系，先不安裝上模的推件器、頂桿和下模的退件器、頂桿，其余零件裝配完成后將整套模具裝夾于沖床上，啟動(dòng)機(jī)床，調(diào)整滑塊高度，使上模逐步切入凸凹?？诓?.5～1.0mm（每次啃切深度0.3～0.5mm）?？星型拱寄Ｈ锌谑侵圃鞜o(wú)間隙沖裁模的核心環(huán)節(jié)，啃切前凸、凹刃口涂潤(rùn)滑劑，啃切后及時(shí)清理廢屑，啃切過(guò)程如圖8所示。最后，將模具從沖床上拆下，對(duì)凸凹模磨削開(kāi)刃口，重新組裝。模具實(shí)物如圖9所示。

4 "試沖結(jié)論

將上述聚酰亞胺薄膜材料在這種新型無(wú)間隙沖裁模上試沖后，零件沖切斷面整齊，無(wú)毛刺，外觀質(zhì)量符合航空制品的要求；經(jīng)計(jì)量檢測(cè)，尺寸精度和形位公差符合圖樣要求。另外，還針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中常用的0.1mm厚度的不銹鋼板、0.3mm厚度的聚乙烯塑料薄膜和0.5mm厚度的夾布橡膠薄膜進(jìn)行試沖，所得零件尺寸滿足圖樣要求，斷面毛刺符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

５ "結(jié) "語(yǔ)

利用凸模、凹模加工凸凹模形成近似零間隙（無(wú)間隙）的模具，制造方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，并有效降低了小間隙模具加工的難度、縮短制造周期。另外，此模具通過(guò)自身結(jié)構(gòu)形成精準(zhǔn)導(dǎo)向，工作中可有效保證上、下模中心不偏移，對(duì)設(shè)備無(wú)特殊要求，利用普通沖裁設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，易于普及應(yīng)用。不僅適用于沖0.04mm厚度的聚酰亞胺薄膜，也可沖金屬薄料（厚度小于等于0.1mm）、塑料及夾布橡膠薄膜（厚度小于等于0.5mm），所得零件沖裁斷面整齊，毛刺符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為工廠薄板料及橡膠、塑料薄膜類(lèi)零件的沖裁提供了一種有效的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁炳文.實(shí)用板金沖壓工藝圖集［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

LIANG B. Practical Sheet Metal Stamping Process Atlas ［M］. Beijing： Mechanical Industry Press， 2003.

［2］余蔚荔，余冠洲.金屬板輥壓沖裁的研究與裝置設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2007（5）：159-161.

YU W L， YU G Z. Research and device design of metal plate rolling punching ［J］. Coal Mine Machinery， 2007（5）： 159-161.

［3］張國(guó)勝.薄板類(lèi)無(wú)間隙沖裁模的新工藝［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2007，3：104-106.

ZHANG G S. New technology of thin plate type clearance free blanking die ［J］. Agricultural Machinery Usage and Maintenance， 2007，3：104-106.

［4］洪詎.鋅合金無(wú)間隙沖裁模［J］.模具技術(shù)，1984（4）：50-54.

HONG J. Zinc alloy seamless punching die ［J］. Mold Technology， 1984 （4）： 50-54.

［5］曹馳，劉洪軍，郝遠(yuǎn)，等.鋅基合金在沖裁模具制造中的應(yīng)用［J］.模具工業(yè)，2009，35（10）：69-71.

CAO C， LIU H J， HAO Y， et al. The application of zinc based alloys in the manufacturing of stamping molds ［J］. Mold Industry， 2009，35 （10）： 69-71.

［6］曹馳.鋅基合金模具快速制造關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)：2009.

CAO C. Research on key technologies for rapid manufacturing of zinc based alloy moulds ［D］. Lanzhou： Lanzhou University of Technology： 2009.

［7］楊兆英.浮動(dòng)式?jīng)_模柄的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工人（熱加工），2003（10）：68-70.

YANG Z Y. Design of floating die shanks ［J］. Mechanical Worker （Hot Working）， 2003 （10）： 68-70.

［8］傅豐強(qiáng).浮動(dòng)式?jīng)_模柄的設(shè)計(jì)［J］.模具通訊，1978（4）：13-14.

FU F Q. Design of floating die shanks ［J］. Mold Communication， 1978 （4）： 13-14.

［9］王啟珍.新型薄板沖裁模［J］.鍛壓技術(shù)，1995（3）：60.

WANG Q Z. New type of thin plate blanking die ［J］. Forging Technology， 1995 （3）： 60.

［10］張正修，張鎮(zhèn)，趙向珍.超薄板料沖裁模設(shè)計(jì)與制造［J］.航空制造技術(shù)，2005（7）：89-92.

ZHANG Z X， ZHANG Z， ZHAO X Z. Design and manufacturing of ultrathin sheet metal blanking die ［J］. Aerospace Manufacturing Technology， 2005 （7）： 89-92.

［11］曹立林，李楊，王運(yùn)平，等.沖裁模具及其制造方法與利用其沖裁聚酰亞胺薄膜的方法：ZL202011290670.3［P］.2023-03-03.

CAO L L， LI Y， WANG Y P， et al. Punching molds and their manufacturing methods， as well as methods for using them to punch polyimide films： ZL202011290670.3 ［P］. 2023-03-03.

作者簡(jiǎn)介：李超，講師，主要從事機(jī)械制造工藝方面的研究。

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 "西安 "710077）