關(guān)于精密高速沖壓模具設(shè)計及生產(chǎn)維護的一些淺見

文／吳長炎、劉學(xué)文·深圳市華科精密組件有限公司

關(guān)于精密高速沖壓模具設(shè)計及生產(chǎn)維護的一些淺見

文／吳長炎、劉學(xué)文·深圳市華科精密組件有限公司

吳長炎，設(shè)計部/工程部課長，主要從事精密沖壓模具的設(shè)計與制造工作，擁有6項專利技術(shù)。

精密高速沖壓生產(chǎn)技術(shù)因具有高效率、高品質(zhì)、一致性、節(jié)約成本等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、光學(xué)、工控、醫(yī)療等領(lǐng)域，在市場經(jīng)濟高度發(fā)達，科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，高速、精密沖壓技術(shù)越來越受到工業(yè)生產(chǎn)多個相關(guān)行業(yè)的重視，而其高效性、可靠性、穩(wěn)定性成為連續(xù)沖壓技術(shù)不斷突破和研究的主要課題。在更新?lián)Q代、技術(shù)創(chuàng)新節(jié)奏越來越快的當(dāng)今，模具開發(fā)快速化、自動化技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、機電整合技術(shù)的應(yīng)用也不斷的被應(yīng)用和突破。隨著“中國制造2025”的推進，精密高速沖壓技術(shù)也將迎來良性發(fā)展的契機。

精密高速沖壓模具結(jié)構(gòu)及典型生產(chǎn)工藝設(shè)計方案

精密高速沖壓模具結(jié)構(gòu)

精密高速沖壓模具常用的結(jié)構(gòu)有二板模、抽屜模（模塊式模具）和三板模（也稱八板模）。

二板模是將沖壓脫料功能結(jié)構(gòu)設(shè)計并固定在下模板，整套模具由兩個相對獨立的整體構(gòu)成而得名。其特點是精度高，沖壓行程小，但因模具零件加工精度要求高，加工成本高，很大程度上被三板模取代。

抽屜模是由三板模的結(jié)構(gòu)演變而來，將模板設(shè)計成模塊式，模座設(shè)計成適應(yīng)多個模塊快速裝卸的結(jié)構(gòu)。它很好的解決了多料號生產(chǎn)頻繁切換問題，線下?lián)Q線、快速換模成為其名副其實的代名詞，但由于其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，模具制造成本較高、沖床參數(shù)要求高等缺點，導(dǎo)致其應(yīng)用更多的僅限于多料號產(chǎn)品的沖壓生產(chǎn)。

三板模，顧名思義，由上模、脫料板、下模三個模板組構(gòu)成，適用于單料號或者少料號的沖壓生產(chǎn)，由于結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、精度高、維修保養(yǎng)方便、穩(wěn)定性好等特點，被大多數(shù)模具設(shè)計和沖壓生產(chǎn)商所采用。相對來講，三板模在某種程度上能取代二板模，而在多料號生產(chǎn)時，抽屜模更具優(yōu)勢，故三板模和抽屜模成為現(xiàn)階段精密高速沖壓行業(yè)的主流。

無論哪種結(jié)構(gòu)的模具，其工作原理和功能結(jié)構(gòu)組成都是相同的。從工作原理看，他們都是通過沖床滑塊的上下運動，驅(qū)動模具零件的相對運動并作用于被沖壓的材料，使其完成沖切、折彎等分離或塑性變形的過程。從功能結(jié)構(gòu)組成看，模具由7大部分組成（圖1）：⑴主體結(jié)構(gòu)（模座模板），模具的載體。⑵導(dǎo)向元件（導(dǎo)柱導(dǎo)套），模具主要的導(dǎo)向功能。⑶壓料卸料系統(tǒng)（脫料板、傳力銷、壓縮彈簧、等高套筒等），沖壓過程的壓料卸料功能。⑷工作元件（沖子、刃口、成形、調(diào)整零件等），直接參與材料分離、塑性變形的核心功能件。⑸定位元件（定位針、導(dǎo)料板，脫料鑲件），保證料帶在模內(nèi)穿行順暢性和工作元件作用位置的準確性。⑹固定元件（螺絲、定位銷、壓塊、砌塊），模板與模板、零件與模板的相對位置固定。⑺輔助零件（浮料銷、彈簧、限高柱），料帶輔助支持和模具保護等功能。

圖1 模具功能結(jié)構(gòu)組成

典型沖壓工藝設(shè)計方案

精密沖壓工藝結(jié)構(gòu)種類眾多，均有其各自的工藝設(shè)計、生產(chǎn)維護特點，如用于觸點的彈片折彎、用于預(yù)斷的V-CUT成形，用于屏蔽隔斷的凸筋拉伸、用于焊板的錫腳刺破、用于裝配的倒刺下料，以及用于傳輸?shù)尼槜U下料等模具工藝，均為其典型的生產(chǎn)應(yīng)用實例。在此，筆者介紹若干典型模具工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，供讀者參考。圖2所示為FPC端子局部圖，剪切面作為接觸部，故需有剪切面均勻，且高于撕斷面，無翻料等要求，在產(chǎn)品壓料有限的情況下，模具設(shè)計時，除了局部強壓之外，常常采用粗切+精切的方式，以減少過大的沖壓力及內(nèi)應(yīng)力對產(chǎn)品的影響。圖3所示為細小端子的下料，同樣的，由于下料時壓料面積太小，壓料力不足，沖剪過程中，產(chǎn)品因壓料力小于沖裁力而被拉出翻料，以及產(chǎn)生扭曲等現(xiàn)象，因此，生產(chǎn)這類端子時也可以采用精切+粗切的方式來提高沖裁質(zhì)量。

再者，談?wù)務(wù)蹚澒に嚨脑O(shè)計，一般模具設(shè)計的人員都知道，折彎的展開主要取決于材料的折彎中性線，折彎的反彈主要取決于不同材質(zhì)的反彈系數(shù)（當(dāng)然，沖壓速度、模具潤滑、模具溫度、材料紋路等條件也會影響折彎參數(shù)取值）。不同材質(zhì)的中性線計算及反彈系數(shù)，除了特殊材質(zhì)外，基本已經(jīng)積累了比較準確的經(jīng)驗值供設(shè)計人員選用和計算，如圖4所示，簡單闡述了折彎展開的基本步驟。另外，尺寸調(diào)整結(jié)構(gòu)，也是精密沖壓模具常用的功能，特別是對于多PIN的端子，模具零件不可能做到絕對的精準，沖壓成形之后，多PIN端子尺寸一致性便難以得到有效地保證，單獨對每支PIN進行模內(nèi)微調(diào)能很好地糾正折彎尺寸的偏差，如圖5所示，在設(shè)計上，將折彎尺寸設(shè)定在略超上限值，再通過不同程度的微調(diào)每支PIN，從而達到彈高尺寸較好的一致性目的。

圖2 FPC端子

圖3 細小端子

圖4 折彎展開的基本步驟

圖5 多PIN端子的折彎工藝

模具的設(shè)計應(yīng)是一個綜合的技術(shù)整體，從產(chǎn)品的功能要求、工藝需求、裝配使用需求、其他因素等方面的影響維度，去解析模具設(shè)計需要達到怎樣的效果，才能滿足產(chǎn)品真正的需求，再從模具結(jié)構(gòu)、工藝等手段去實現(xiàn)以上多個維度需求。故模具設(shè)計本身，是這個技術(shù)整體的一部分，而非全部，譬如作為觸點的彈片設(shè)計（圖6），在產(chǎn)品功能上，應(yīng)具備接觸傳輸特性，需要接觸良好，故如何控制接觸區(qū)表面粗糙度，如何保證接觸點是彈片最可靠的地方，即為模具設(shè)計的關(guān)鍵；從工藝要求上，應(yīng)從如何控制折彎脹料、如何防止折彎后觸點兩邊高于中間、如何防止折彎歪斜等方面思考；從裝配使用上，應(yīng)考慮的是，怎樣的設(shè)計工藝更能提升彈片裝配插拔的疲勞壽命；其他影響因素上，材料材質(zhì)特性、沖壓速度、沖床噸位、電鍍尺寸變化、熱處理回彈等均直接或者間接地影響到模具設(shè)計結(jié)構(gòu)的選擇、設(shè)計排樣的工序、零件的材質(zhì)及加工方式的考量、設(shè)計參數(shù)的取值。

在對精密模具設(shè)計的前期工作中，設(shè)計者若能全面地按照以上或者更多的維度去思考和細致地分析，模具的設(shè)計將水到渠成，所設(shè)計的模具只是設(shè)計者思維的載體，精密、高速的要求自然能體現(xiàn)出來，故多維度地把模具設(shè)計工作當(dāng)做模具設(shè)計的技術(shù)整體來看待，貫穿整個產(chǎn)品的功能、工藝、應(yīng)用、模具特性，才能從理念和行為上真正做到高速和精密。

圖6 接觸點的彈片設(shè)計

精密高速沖壓模具的使用、維護以及車間管理

一套高效、穩(wěn)定、高品質(zhì)的精密高速沖壓模具，不僅在設(shè)計前期需要對產(chǎn)品功能、工藝、應(yīng)用、模具設(shè)計結(jié)構(gòu)等進行分析和設(shè)計，在模具正常生產(chǎn)過程中，模具的使用、保養(yǎng)、維修手法等均直接地影響模具使用效果和壽命。

在模具使用上，以架模條件設(shè)定和使用為例，架模條件參數(shù)的精準設(shè)定和固化，對于生產(chǎn)效率和品質(zhì)穩(wěn)定性起到舉足輕重的作用。在無法滿足專模專機的情況下，模具與沖床架模條件一一對應(yīng)能很好的滿足條件參數(shù)固化的要求，即一模一機一條件參數(shù)、一模N機便有N個條件參數(shù)。具體操作為，先根據(jù)模具總體需求，選用合適噸位合適結(jié)構(gòu)的沖床，再通過模具參數(shù)理論值進行設(shè)定和微調(diào)，達到架模調(diào)機理想狀態(tài)，并跟進生產(chǎn)品質(zhì)狀況，達到制程能力滿足要求，則定義為該模具在該機臺的固定參數(shù)，后續(xù)按照該固定參數(shù)進行架模生產(chǎn)，達到條件固化穩(wěn)定的目的，同樣的方法，在其他機臺對該模具進行條件設(shè)定，從而形成一系列固定架模條件參數(shù)，這些條件參數(shù)為生產(chǎn)效率和品質(zhì)穩(wěn)定提供了最根本的保障。

模具保養(yǎng)的目的是為了保持模具優(yōu)良穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)并提升模具的使用壽命，一般來講，保養(yǎng)可分為以下四個階段：⑴點檢階段，檢查零件是否松動、是否磨損并進行修復(fù)、拋光、潤滑等基礎(chǔ)保養(yǎng)工作，使模具恢復(fù)到設(shè)計狀態(tài)。⑵零件更換階段，確認零件已磨損而無法滿足生產(chǎn)品質(zhì)要求以及達到零件壽命時，則對其相關(guān)下料零件進行研磨，成形零件進行更換。⑶導(dǎo)向精度保養(yǎng)，模具的整體精度來源于模具的導(dǎo)向元件，當(dāng)其磨損到一定程度，無法提供所需的精度時，對其進行更換和精度修復(fù)，使其恢復(fù)導(dǎo)向精度。⑷模具翻新，模板模座作為模具的主體，其總體精度自然而然的會影響到模具的精度，對個別或主要模板的鉗工校正、精度調(diào)整、甚至更換，恢復(fù)模板的相互間隙、平面度、垂直度等。不管哪個階段，其目的均為保持和恢復(fù)模具精度，使其擁有優(yōu)良的狀態(tài)，在這里，涉及一個重要名詞：模具壽命（沖次數(shù)），每一次點檢和保養(yǎng)，所對應(yīng)的沖次數(shù)，即為各階段對應(yīng)的沖壓壽命，它決定于被沖壓材料的材質(zhì)特性、模具零件材質(zhì)、沖壓速度等因素。生產(chǎn)過程中，需每日記錄累積沖次數(shù)，能更好地管理模具保養(yǎng)時間和頻率，更清新地了解模具壽命狀態(tài)。

模具維護方面，筆者認為，應(yīng)側(cè)重抓住問題的根本并展開分析，譬如產(chǎn)品尺寸問題，一般情況下，維修的思路應(yīng)該從模具根本的定位基準孔入手，確保基準正確再進行工站或者料帶的分析，而不是看到下料間隙偏單邊，就移刃口，看到折彎不到位則減少折彎間隙等“見到現(xiàn)象則出對策”的條件反應(yīng)式的維修手法，因其容易導(dǎo)致維修基準錯亂，模具越修問題越多等惡性循環(huán)。另外，精密高速沖壓所面臨的普遍問題——跳屑問題，在此也略談一下看法，跳屑源自于沖下的廢料，被外力作用而帶出模面，而這外力可能是大氣壓強與真空的相互作用、油污粘合產(chǎn)生的粘力、模內(nèi)氣體產(chǎn)生的推力、也有可能是模具沖壓過程中振動的力，而相對的解決方法也多種多樣，各有利弊，清楚了產(chǎn)生的根本原因，解決問題的思路也大同小異，即減少這個“力”的產(chǎn)生，或者制造一個相對的力去抵消導(dǎo)致跳屑的外力，從產(chǎn)品上，可以變更廢料形狀，增加與模具的接觸面積而增大摩擦力；從模具結(jié)構(gòu)上，可以使用刃口被覆手法、刃口卡料結(jié)構(gòu)、沖子異形結(jié)構(gòu)、T形落料孔等方式；從其他外力上，可以從上向下增加一個吹氣裝置，形成負壓，大氣壓強的作用對廢屑產(chǎn)生向下的吸力，或者從下面增加一個吸氣裝置，直接吸走廢料，如圖7所示。從生產(chǎn)條件上，可以調(diào)整沖壓油給量、調(diào)整沖壓SPM等?？傊?，能從根本上區(qū)分問題、多維度去思考，模具維修的思路和方法千變?nèi)f化不離其宗。

圖7 吹氣/吸氣防跳屑結(jié)構(gòu)

精密高速沖壓工藝的新應(yīng)用及進展

隨著科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新迭代，精密沖壓以其特有的高效性、重復(fù)性等優(yōu)點不斷開拓應(yīng)用范圍，特別是在產(chǎn)品功能拓展方面，譬如剪切面作為產(chǎn)品的功能區(qū)，這必然對剪切面的質(zhì)量有非常高的要求，光亮平整、無毛刺、無沖壓塌角、全光亮帶等需求不斷拓展精密沖壓設(shè)計者的思路。在加工方式方面，在一些產(chǎn)品的加工上，精密沖壓已經(jīng)很好完成了以往通過壓鑄、CNC、車床等方式才能完成的工藝，從而大幅提升生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。在工藝技術(shù)方面，結(jié)合自動化技術(shù)的精密沖壓工藝、結(jié)合光電技術(shù)的精密沖壓工藝、無廢料沖壓工藝、低行程超高速的沖壓工藝、多料帶模具設(shè)計工藝等技術(shù)也逐漸被精密高速沖壓行業(yè)所使用，技術(shù)能力也不斷推陳出新。

作為精密高速沖壓的從業(yè)者，保持一顆對技術(shù)的執(zhí)著和不斷追求的初心，從前期分析、模具設(shè)計、生產(chǎn)使用維護到技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，以精益求精的姿態(tài)不斷探索和挖掘，我國的精密高速沖壓技術(shù)乘著“中國制造2025”的東風(fēng)立于世界行業(yè)塔尖指日可待。