精密高速沖壓的非均勻沖裁間隙設計

文／胡道春·臺州職業技術學院模具研究所

精密高速沖壓的非均勻沖裁間隙設計

文／胡道春·臺州職業技術學院模具研究所

在精密高速沖裁過程中，由于模具刃口與材料不斷摩擦，刃口的表面幾何形狀極易發生變化，引起沖裁件斷面質量、尺寸、形狀都發生改變，特別是在大批量的高速沖壓過程中，刃口磨損對于沖裁件尺寸一致性的影響更大。所以在設計階段尋求合理的沖裁間隙設計，對降低模具內應力、緩解模具磨損、延長刃口使用壽命的意義重大。

以計算機（Computer）、通信（Communication）、消費性電子（Consumer Electronics）為代表的“3C”產業是當今社會的朝陽產業。3C產品中的接插件、連接器、彈片、端子等金屬制件都是3C產品的基礎零件，該類金屬制件均具有材料厚度超薄（毫米級以下）、形狀復雜且尺寸微小、形狀和位置精度非常高（尺寸精度要求接近微米級）、生產批量非常大等特點，通常采用精密高速級進沖壓技術進行生產。精密高速級進沖壓是在高速沖床上安裝一副包括沖裁、彎曲、拉深、成形等多道工序的精密、復雜、級進沖壓模具，同時配備自動送料、收料機構，進行自動化、高效率、大批量生產的一種沖壓生產方式。精密高速級進沖壓集精密制造、計算機技術、智能控制和綠色制造為一體，是高效率、高精度的先進制造技術，代表了精密沖壓技術的發展水平和方向。工業和信息化部發布的《裝備制造業技術進步和技術改造投資方向（2010年）》中已列入多工位級進模等10種模具作為重點鼓勵發展項目，模具行業“十二五”發展規劃中也將高速運行的長壽命精密多工位級進模具作為產品發展的重點方向之一。

隨著企業產能擴充及成本增加的雙重挑戰，級進沖壓模具的速度越來越高，精密高速級進沖壓技術得到了國內外廣泛的關注。沖壓速度的不斷提升，給精密高速沖壓模具的設計與制造及高速沖壓成形帶來了很大的困難，國際高端沖床滑塊行程次數可達3500 次/min，而國內沖床沖速普遍不足1200次/min，國內高速級進沖壓技術尚有諸多關鍵技術有待突破。本研究針對不同外形輪廓的沖裁件，從優化沖裁間隙以獲取最小凸模應力，緩解精密高速沖壓模具磨損的角度出發，探尋精密高速沖壓模具的設計技術，并應用于實際端子零件的精密高速沖壓領域。

高速沖裁過程中的受力分析

高速沖裁過程中模具與板材之間發生接觸主要有四處：⑴凸、凹模端面與板材之間；⑵凸、凹模側壁與板材之間；⑶板料斷裂分離后，廢料與工件之間；⑷推料過程中廢料與模具側壁之間。凸、凹模之間有間隙存在，凸模作用力Pp和凹模作用力Pd不重合，必然產生使板料扭轉的力偶。因此，凸、凹模模面與板材的實際接觸面積僅局限在刃尖附近的狹窄面積內，如圖1所示。設該實際接觸的狹窄帶長度為b，假定作用其上的壓力按直角三角形分布，則Pp和Pd之間的距離為2b＋c，在此實際接觸的狹窄帶區域內作用全部的沖裁力，板料將產生壓縮變形，并產生塑性流動。流動材料與模具之間有了相對滑動，產生摩擦力。摩擦力的大小將取決于Pp、Pd和潤滑條件，即凸凹模間隙與材料厚度的比值（c/t0）、摩擦系數μ1、μ2；摩擦力的方向則取決于材料塑性流動的方向。

圖1 沖裁過程中力平衡示意圖

已有研究表明，增加潤滑以減小刃口側部摩擦力相當于減小作用于刃側板料的拉應力，因而可以延遲裂紋的出現，并使圓角帶減少及光亮帶增多；同時，作用在模具刃口側壁與端面上的摩擦力都將會導致模具磨損，但沖裁過程中凸模所受的側壓力遠大于凹模，因此凸模側壁和端面最容易發生磨損，而且模具磨損與模具內應力存在一定的線性關系。本研究以高速沖裁過程中凸模的受力狀態為研究對象，以不同外形輪廓沖裁件的最小凸模內應力為優化目標，最終獲取合理的非均勻沖裁間隙，并經試模驗證。

沖裁間隙對凸模內應力的影響規律

沖裁間隙對凸模內應力的影響曲線（材料為AISI 1010，料厚為0.8mm，沖壓速度為600次/min），如圖2所示。從圖中可以看出，隨著沖裁間隙的增大，凸模內應力顯著降低，但沖裁間隙繼續增大到一定程度后，凸模內應力又逐漸升高，使得凸模內應力隨著沖裁間隙的增加呈現出“V”形曲線，表明沖裁過程中存在合理的沖裁間隙范圍，也使得獲取最小凸模內應力為目標的沖裁間隙優化在理論上成為可能。

圖2 沖裁間隙對凸模內應力的影響

不同外形輪廓的沖裁間隙優化

一般沖裁件的沖裁輪廓可分為四種基本形狀：圓、直邊、圓角、矩形（直邊＋圓角）。為此，建立四種基本形狀沖裁輪廓的有限元模型（圖3），進行不同沖裁間隙的數值模擬分析，以獲取不同沖裁輪廓在不同沖裁間隙下的凸模平均應力水平。

圖3 四種基本形狀沖裁輪廓的有限元模型

圖4 不同沖裁對沖裁輪廓、沖裁凸模內應力分布影響

模擬結果如圖4所示，不同輪廓沖裁時，凸模平均內應力隨沖裁間隙的變化曲線均呈現出“V”或“U”狀，表明不同輪廓沖裁時均存在合理的沖裁間隙，但實際沖裁件輪廓為此四種基本輪廓的若干耦合，且每種輪廓沖裁時最佳間隙各不相同，如何實現復雜輪廓的沖裁間隙優化，才是精密高速沖壓企業實際生產所需求的。

非均勻沖裁間隙設計及試模驗證

從前期模擬分析的結果及非均勻沖裁間隙的設計思想出發，完成如圖5所示的沖裁件模具設計（板料為AISI 1010，料厚為0.8 mm）。

圖5 沖裁件的非均勻沖裁間隙設計圖

圖6 不同量產階段的沖裁凸模磨損對比

不同量產階段的沖裁凸模磨損情況，如圖6所示。從圖中可以明顯看出，采用非均勻間隙沖裁的凸模，其磨損情況較傳統的均勻間隙沖裁有了明顯的改善，初步驗證其正常使用壽命可提高3倍以上。

結束語

通過模具與板料的摩擦力分析，確定了凸模刃口部位最易發生磨損失效，而凸模磨損與沖裁過程中凸模內應力存在一定的線性關系。本文借助數值模擬得出不同外形輪廓的沖裁件在不同沖裁間隙時各自的凸模平均內應力，探討復雜輪廓沖裁件的沖裁間隙與凸模內應力內在的聯系，最終提出基于最小凸模內應力的非均勻沖裁間隙優化設計思想，并經實驗驗證可顯著提高模具的使用壽命。