沖切模橡膠卸料板設(shè)計及其3D打印復(fù)膜成型研究*

韓斌慧，郭紫淇

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

在沖切模設(shè)計中，卸料裝置的設(shè)計是極其重要的一環(huán)，只有合理的卸料裝置，才能保證每完成一個沖裁循環(huán)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(huán)正常進行。根據(jù)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(shè)計卸料裝置尺寸成為衡量沖壓模具質(zhì)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(wěn)定性、操作便利等因素，采用了彈性卸料板，同時實現(xiàn)壓料和卸料雙重功能，配合模具倒置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了穩(wěn)定的沖裁效果；李云妹［3］將剛性卸料板應(yīng)用于連續(xù)模中，將卸料與壓料分開實現(xiàn)；姜琳［4］將氮氣彈簧巧妙地應(yīng)用在冷沖模設(shè)計中，推動了先進模具制造業(yè)的發(fā)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(tǒng)的橡膠卸料板主要通過硫化成型方式實現(xiàn)，加工制造周期長，彈性模量及強度不達標(biāo)時需要重新調(diào)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(shù)結(jié)合硅膠復(fù)膜工藝，對高分子類橡膠材質(zhì)實現(xiàn)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(jié)構(gòu)特征

本研究所要沖壓的為一航空發(fā)動機異形鎖片，鎖片厚度為0.8mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要用于發(fā)動機外機匣部位螺母防松，由于該鎖片系學(xué)生實訓(xùn)練習(xí)鎖緊技能所用，在選材方面用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼代替設(shè)計圖樣的不銹鋼材質(zhì)。

圖1 航空發(fā)動機異形鎖片F(xiàn)ig.1 Special-shaped locking piece of aeroengine

1.2 卸料板結(jié)構(gòu)方案選擇

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

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(zhuǎn)型及復(fù)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(gòu)的垂直軌道做直線運動。因此，橡膠卸料板在該狀態(tài)屬于標(biāo)準(zhǔn)的壓縮型工作方式。

根據(jù)硫化橡膠靜態(tài)特性相關(guān)理論，生橡膠在除去外力時不具備恢復(fù)原狀的全部彈性，必須在橡膠分子的各點上建立交聯(lián)，使其構(gòu)成立體形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的整體，以防止鏈狀分子相互滑動［6］。根據(jù)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(jù)橡膠彈性理論、熱力學(xué)第一和第二定律，以及純均勻變形假設(shè)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(yīng)力σ、變形ε、伸長比α分別表示如下：

從上式可以看出，應(yīng)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(shè)計的實質(zhì)是根據(jù)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(shè)計卸料板的結(jié)構(gòu)尺寸，尤其是卸料板厚度尺寸的設(shè)計。實際選用時，更多關(guān)注的是橡膠材質(zhì)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(shè)計過程

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于被加工鎖片厚度僅為0.8mm，沖壓件表面不允許出現(xiàn)凹凸不平及劃痕。因此，彈性卸料裝置總體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，橡膠卸料板套裝在凸模上，初始狀態(tài)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(jié)束后，橡膠在彈性力作用下復(fù)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(jié)束后的橡膠卸料板變形示意圖。

圖2 橡膠卸料板結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計根據(jù)己經(jīng)成型的模架結(jié)構(gòu)，凹模選用圓形外廓，則卸料板也采用了在自然狀態(tài)下和凹模等外徑設(shè)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(dǎo)板用，所以內(nèi)孔尺寸偏大，與凹凸模單邊間隙為0.05～1 mm。由此設(shè)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(shè)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(yù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)形狀Fig.4 The overall structure and shape of the rubber stripper

3 橡膠卸料板3D打印復(fù)膜成型

橡膠件設(shè)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(fù)雜的測試：外觀試驗、靜態(tài)常數(shù)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(huán)節(jié)，才能最終決定其使用性能。對于模具而言，屬于單套生產(chǎn)，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(chǎn)周期是關(guān)注重點，在該模具研制中，結(jié)合3D打印技術(shù)在類橡膠領(lǐng)域的應(yīng)用成果，通過選定與設(shè)計橡膠件性能接近的類橡膠材質(zhì)，采用3D打印型芯加復(fù)膜的技術(shù)來完成制作過程。本次選用廣州形優(yōu)科技有限公司生產(chǎn)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(diào)的優(yōu)勢，實現(xiàn)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(zhì)的收縮率等因素，根據(jù)文獻［9］可得到表1所示的幾種常用熱固性塑料收縮率數(shù)據(jù)。

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 900.10+φ、厚度值27.20.10+，其余內(nèi)部異形孔尺寸在圖紙尺寸基礎(chǔ)上均取上偏差+0.1，下偏差0。

3.2 利用ABS材質(zhì)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(dǎo)入設(shè)計好的三維模型，執(zhí)行切片命令后，得到打印分層模型。此處“層高”值設(shè)為0.2；“壁厚”選擇1.2；“底層/頂層厚度”經(jīng)調(diào)試1.2為最佳值；“噴頭溫度”設(shè)定時，根據(jù)收縮率規(guī)律，當(dāng)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(shè)置時結(jié)合經(jīng)驗調(diào)整到205℃。打印速度設(shè)定為65mm/s；因為塑料件無明顯懸臂結(jié)構(gòu)，考慮到打印表面質(zhì)量選取默認(rèn)值“全部支撐”［10］。圖5顯示出了打印設(shè)置參數(shù)、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(shè)置Fig.5 3D print software settings

3.3 以打印件為型芯復(fù)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(fù)膜用的硅膠模型。根據(jù)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(jīng)試模、沖壓后獲得了合格的發(fā)動機鎖片。

4 結(jié)論

在模具設(shè)置制造過程中，對于彈性卸料板等零件，當(dāng)生產(chǎn)周期是衡量的主要因素時，不妨考慮將先進的3D打印技術(shù)作為成型首選方案。由于采用了3D快速成型技術(shù)，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(chǎn)周期大為縮短。既可以從設(shè)計的角度專注于結(jié)構(gòu)設(shè)計，弱化對后期制造過程中的工藝考慮，同時提高了產(chǎn)品試制的效率。尤其當(dāng)制造出來的產(chǎn)品經(jīng)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(shù)調(diào)整，便可比較快速獲取類橡膠材質(zhì)的最優(yōu)成型參數(shù)。同時應(yīng)當(dāng)注意到，隨著打印機打印軟件、硬件參數(shù)的不同，類橡膠關(guān)鍵重要尺寸的設(shè)計需要結(jié)合經(jīng)驗進行初始判定。只有反復(fù)研究產(chǎn)品使用狀況、結(jié)構(gòu)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(shè)計制造出合格的橡膠件。