沖切模橡膠卸料板設計及其3D 打印復膜成型研究*

韓斌慧，郭紫淇

（1 西安航空職業技術學院 汽車工程學院，陜西西安 710089；2 太原科技大學 機械工程學院， 030024；3 太原理工大學 機械與運載工程學院，山西太原 030024）

在沖切模設計中，卸料裝置的設計是極其重要的一環，只有合理的卸料裝置，才能保證每完成一個沖裁循環后，卡箍在凸模上的成型件及卡套在凹凸模上面的沖裁條料被及時卸掉，從而保證下一輪沖裁循環正常進行。根據沖壓板料厚度、硬度、沖壓精度等的不同，通常卸料裝置可大體分為剛性卸料裝置、彈性卸料裝置兩大類。合理選擇卸料裝置類型、設計卸料裝置尺寸成為衡量沖壓模具質量的重要部分。鄔宗鵬［1］、郭秀艷［2］等綜合考慮卸料力、壓料穩定性、操作便利等因素，采用了彈性卸料板，同時實現壓料和卸料雙重功能，配合模具倒置結構，實現了穩定的沖裁效果；李云妹［3］將剛性卸料板應用于連續模中，將卸料與壓料分開實現；姜琳［4］將氮氣彈簧巧妙地應用在冷沖模設計中，推動了先進模具制造業的發展。在彈性卸料板制造過程中，主要以聚氨酯橡膠作為首選，傳統的橡膠卸料板主要通過硫化成型方式實現，加工制造周期長，彈性模量及強度不達標時需要重新調整硫化橡膠配方，影響模具制造周期。本研究通過3D 打印技術結合硅膠復膜工藝，對高分子類橡膠材質實現成型，能夠明顯縮短模具制造周期，方便獲得各項性能滿足要求的彈性卸料板［5］。

1 彈性橡膠卸料原理

1.1 被沖壓鎖片結構特征

本研究所要沖壓的為一航空發動機異形鎖片，鎖片厚度為0.8mm，結構如圖1 所示。主要用于發動機外機匣部位螺母防松，由于該鎖片系學生實訓練習鎖緊技能所用，在選材方面用普通碳素結構鋼代替設計圖樣的不銹鋼材質。

圖1 航空發動機異形鎖片Fig. 1 Special-shaped locking piece of aeroengine

1.2 卸料板結構方案選擇

該鎖片具有相對復雜的外輪廓，在沖壓過程中，需要外輪廓和內孔之間具有比較精確的位置關系，所以在模具設計時，采用內孔及外形一次沖壓成型的方案，即采用沖孔落料復合模具一次成型。由于鎖片厚度僅0.8mm，選定材質以普通碳素結構鋼代替不銹鋼材質，沖裁力大為降低，考慮到卸料和壓料結構簡單，選用彈性卸料板結構形式，即以聚氨酯橡膠作為材質進行結構尺寸設計依據。

1.3 橡膠卸料板卸料原理

彈性橡膠按照受力方式可分為壓縮型、剪切型、扭轉型及復合型。在沖壓模具工作過程中，下模固定于沖床工作臺，上模按照沖床曲柄連桿機構的垂直軌道做直線運動。因此，橡膠卸料板在該狀態屬于標準的壓縮型工作方式。

根據硫化橡膠靜態特性相關理論，生橡膠在除去外力時不具備恢復原狀的全部彈性，必須在橡膠分子的各點上建立交聯，使其構成立體形網格結構的整體，以防止鏈狀分子相互滑動［6］。根據彈性理論，橡膠泊松比v、楊氏模量E可表示為：

式中：B、G分別為橡膠的體積彈性模量及抗剪彈性模量。

根據橡膠彈性理論、熱力學第一和第二定律，以及純均勻變形假設下自由能量表達式，作為模具用彈性卸料板的橡膠件只承受拉伸與壓縮載荷，基于此得到的自由能量F、截面積應力σ、變形ε、伸長比α分別表示如下：

初截面積應力σ為：

用變形ε代替伸長比α來表示時（α=1+ε）:

從上式可以看出，應力―變形曲線是非彈性的，其彈性模量為：

初彈性模量：E0=3G

因此，彈性卸料板設計的實質是根據卸料力、沖裁力的大小，選取合理的橡膠材料剪切彈性模量及楊氏模量，并基于此設計卸料板的結構尺寸，尤其是卸料板厚度尺寸的設計。實際選用時，更多關注的是橡膠材質的肖氏硬度，肖氏硬度選定后，G、E值隨即確定。

2 橡膠卸料板設計過程

2.1 結構設計

由于被加工鎖片厚度僅為0.8mm，沖壓件表面不允許出現凹凸不平及劃痕。因此，彈性卸料裝置總體結構形式如圖2 所示，橡膠卸料板套裝在凸模上，初始狀態時橡膠件底平面略突出凸模表面，這樣在初始接觸板料時橡膠被擠壓，可以起到壓料的作用；沖壓行程結束后，橡膠在彈性力作用下復位，將成品沖壓件從凸模上頂出，利用壓縮空氣將成品鎖片送入收集裝置（圖中未示出）［7-8］。圖2為沖壓工序結束后的橡膠卸料板變形示意圖。

圖2 橡膠卸料板結構設計Fig. 2 Structural design of rubber stripper

2.2 尺寸確定

（1）外廓形狀

主要取決于凹模形狀，本設計根據己經成型的模架結構，凹模選用圓形外廓，則卸料板也采用了在自然狀態下和凹模等外徑設計，即Φ90mm。

（2）卸料孔尺寸確定

卸料孔尺寸與凹模相同，使用過程中不需要作為導板用，所以內孔尺寸偏大，與凹凸模單邊間隙為0.05～1 mm。由此設計出卸料板草圖，如圖3 所示。

圖3 橡膠卸料板平面尺寸Fig. 3 Flat size of rubber stripper

（3）卸料板厚度方向尺寸確定

按照聚氨酯橡膠（PUR）設計，則橡皮的自由高度H可以按式（1）計算：

式（1）中：L為橡皮工作時的總壓縮量，單位mm；ε1及ε2分別為橡皮的預壓縮率及工作時的總壓縮率，單位%，對于聚氨酯橡膠：ε2=15%～35%，ε1=10%。

在本次模具設計中，L=1+0.8+1+4=6.8mm；其中第一項1 為裝配完成后，凸模低于卸料板的高度；第二項0.8 為板料厚度；第三項1 為沖裁完成后，凸模將落料推入凹模的深度；第四項4 為刃口修磨量。

從而計算出橡膠卸料板的自由高度尺寸為：

所以最終設計完成的橡膠卸料板形狀如圖4 所示。

圖4 橡膠卸料板總體結構形狀Fig. 4 The overall structure and shape of the rubber stripper

3 橡膠卸料板3D 打印復膜成型

橡膠件設計完成之后，通常需要有一整套完整的硫化工藝完成制造過程。硫化完成后再進行一系列復雜的測試：外觀試驗、靜態常數試驗、硬度試驗、拉伸試驗、老化試驗、壓縮永久變形試驗、耐油試驗等很多環節，才能最終決定其使用性能。對于模具而言，屬于單套生產，需要快速完成橡膠材料性能驗證后，盡快投入使用。因此橡膠件的生產周期是關注重點，在該模具研制中，結合3D 打印技術在類橡膠領域的應用成果，通過選定與設計橡膠件性能接近的類橡膠材質，采用3D 打印型芯加復膜的技術來完成制作過程。本次選用廣州形優科技有限公司生產的橡膠類聚合物噴射材料Agilus 軟膠作為主要材料，該材料具有肖氏硬度可調的優勢，實現步驟如下。

3.1 計算型芯尺寸及公差

型芯打印過程中，選用ABS 塑料作為基材，該步著重考慮工程塑料材質的收縮率等因素，根據文獻［9］ 可得到表1 所示的幾種常用熱固性塑料收縮率數據。

表1 常用熱固性塑料收縮率參考值Table 1 Reference value of shrinkage of commonly used thermosetting plastics

由于卸料板所使用的模具精度并不太高，綜合尺寸公差等因素，最終確定的卸料板尺寸為：外徑φ90+0.10、厚度值 27.2+0.10，其余內部異形孔尺寸在圖紙尺寸基礎上均取上偏差+0.1，下偏差0。

3.2 利用ABS 材質打印型芯

3D 打印過程中采用奇跡三維公司的打印機及配套打印軟件來完成。

運行Miracle 軟件，裝載、導入設計好的三維模型，執行切片命令后，得到打印分層模型。此處“層高”值設為0.2；“壁厚”選擇1.2；“底層/ 頂層厚度”經調試1.2 為最佳值；“噴頭溫度”設定時，根據收縮率規律，當成形溫度＞145℃時，殘余收縮量波動范圍較小。并參閱打印機使用說明：PLA 在190℃時開始熔融，但是粘度比較大，很難擠動，所以設置時結合經驗調整到205℃。打印速度設定為65mm/s；因為塑料件無明顯懸臂結構，考慮到打印表面質量選取默認值“全部支撐”［10］。圖5 顯示出了打印設置參數、最底層及最頂層的模型特征及噴頭運動軌跡。

圖5 3D 打印軟件端設置Fig.5 3D print software settings

3.3 以打印件為型芯復膜處理并裝模使用

用液體硅膠覆蓋住3D 打印的原始模型，等硅膠凝固之后就形成了用來復膜用的硅膠模型。根據模型，將類橡膠進行澆注后，便獲得了所需要的橡膠卸料板零件。將零件裝用于模具上經試模、沖壓后獲得了合格的發動機鎖片。

4 結論

在模具設置制造過程中，對于彈性卸料板等零件，當生產周期是衡量的主要因素時，不妨考慮將先進的3D打印技術作為成型首選方案。由于采用了3D 快速成型技術，加之類橡膠的成型己有很多成功案例可供借鑒，使模具生產周期大為縮短。既可以從設計的角度專注于結構設計，弱化對后期制造過程中的工藝考慮，同時提高了產品試制的效率。尤其當制造出來的產品經試驗不滿足使用要求的情況下，通過簡單的3D 打印工藝參數調整，便可比較快速獲取類橡膠材質的最優成型參數。同時應當注意到，隨著打印機打印軟件、硬件參數的不同，類橡膠關鍵重要尺寸的設計需要結合經驗進行初始判定。只有反復研究產品使用狀況、結構特點、壁厚均勻性及受力特點，并且靈活運用收縮量計算理論，綜合所有影響因素才能設計制造出合格的橡膠件。