一種醫療器械沖壓模具方案設計*

汶斌斌，張亞峰，王 昌，劉漢源，荊 磊，趙 曦

(西北有色金屬研究院 陜西省醫用金屬材料重點實驗室，陜西 西安 710016)

隨著科學技術的不斷提高，人們對醫療產品的要求越來越高，起搏器的研究領域也在不斷拓寬。起搏器中的殼形件是要把主板和線路放置其中，密封性要好，耐腐蝕，相容性要好，就必須有個好的質量外殼，殼形件就是這個系統的核心部件。心腦起搏器的殼形件是由內、外兩個不同形狀沖壓曲面組成，而將金屬板材沖壓成各種筒形、方形、圓形、錐形及異形等殼形件產品，主要通過上下模具腔里的模芯形狀決定。

1 沖裁件的結構工藝性分析

本設計沖裁件如圖1所示。它的技術要求及生產信息如下：材料-TA2；未注公差等級IT14；生產量為大批量。

TA2鈦板化學成分和TA2板材力學性能參數分別見表1和表2。根據TA2板材的冷沖壓成形特點，其模具的設計要達到如下要求。

1)要求沖切模具的刃口鋒利，硬度高(一般洛氏硬度≥64 HRC)，韌性好。對成形模具來說，一般的彎曲件和壓形件不易產生起皺，其模具硬度可以等于或者小于鈦材的硬度，但耐磨性要好，否則將會降低模具的使用壽命；而對于復雜的成形件和拉深件，因為容易發生起皺現象，其模具的硬度一定要比鈦板的硬度高。同時模具應具有一定的韌性，以避免開裂[1-2]。

2)要求成形模具的材料強度要比常用的金屬模具的材料強度高，冷成形用的機床的噸位應適當地增加。對于TA1板材來說，其延伸率比較高，可以使用冷成形的方式，但成形模具的結構參數選擇應合理。

圖1 起搏器殼形件示意圖

3)TA1板材的彈性模量小，沖壓成形后回彈量大，在設計冷沖壓成形模具時，應考慮回彈的影響。

4)TA1板材的耐蝕性雖好，但它與某些金屬(如鉛、鋁等)接觸后，可能會發生電化學腐蝕和應力腐蝕作用，因而模具在選材時應盡量避免這類材料[3-4]。

5)要求模具的機械加工性能良好。模具要經過各種切削加工工藝才能獲得所需型面及尺寸，因此，模具的加工性甚為重要[5]。

表1 TA2鈦板化學成分(質量分數) (%)

表2 TA2板材力學性能參數

心臟起搏器殼形件外形呈不規則曲面連接過渡，材料厚度為0.35 mm。該產品成形后要與另一半零件焊接組成部件，焊接組件有嚴格的幾何公差要求，對于長度52 mm和寬度26 mm的平面平行度應控制在0.02 mm之內。

2 產品成形工藝分析

該產品為0.35 mm厚的鈦合金板材，采用沖壓成形工藝步驟如下：1)落料成形復合，通過落料模具將0.35 mm厚的板材落料成一塊不規則件，再通過拉伸模具將不規則料拉伸成半圓形狀的半成品件；2)翻邊成形通過切邊模具將半成品上部邊緣頂部翻邊切除；3)沖孔成形將最終產品通過沖孔模具在殼體一側沖出半圓孔。

鈦板材的沖壓成形性能與其力學性能、變形條件以及內部組織有關。鈦板材主要成形性能有如下幾點。

1)鈦的彈性模量較小，約為鋼的一半左右，成形后回彈量比較大。

2)鈦的屈強比大，室溫下其屈服強度與抗拉強度非常接近，因而其可塑性加工成形的范圍十分有限，變形量稍大就會發生開裂。

3)鈦板的強度較高，加之厚向異性指數較大，因此，要求成形設備的噸位要大。

4)鈦板的加工硬化現象較嚴重，每道次工序間應進行去應力退火以消除應力。有文獻顯示，鈦板的冷變形度為50%時，其強度可提高54%；冷變形度為70%時，其強度可提高82.5%，其相對延伸率會降低77%～80%。在再結晶溫度(600～700 ℃)以上進行再結晶退火，可使力學性能恢復到退火前的狀態[6-7]。

5)鈦的抗磨損能力較低，易損傷模具和零件。

6)由于鈦的硬度和強度高，用于鈦板冷沖壓成形的模具材料應具有較高的硬度和強度。

7)鈦板的彎曲性能很差，凡是涉及彎曲變形的成形工序，板材的彎曲半徑都應加大。

8)鈦板受壓時穩定性較低，約為普通材料的50%，容易發生失穩進而導致起皺。

9)鈦板對于缺口、缺陷、劃傷、表面缺陷及變形速率敏感性較大，容易產生裂紋和擦傷，給沖壓成形帶來不利的影響[8-9]。

上述成形特性決定了鈦板的冷沖壓成形非常困難。對于成形不復雜且形狀較為簡單的零件，可選擇冷成形。但對于形狀復雜和精度要求較高的零件，就需要進行熱成形與熱校形。熱成形能夠提高鈦合金的塑性成形能力，降低成形力，減小回彈量；熱校形能夠提高沖壓零件的精度。目前，國外約有90%的鈦制沖壓件都采用了熱成形的方法[10-11]，鈦合金板材熱成形的技術主要包括超塑成形/擴散連接技術(SPF/DB)、溫/熱蠕變成形技術以及溫/熱介質成形技術等[12-13]。本文主要研究純鈦板材的室溫(冷)沖壓成形。

3 產品成形技術難點的解決方案

3.1 模具材料的選擇

由于凸模和凹模是在有很強的沖擊條件下連續配合工作的，所以要求凸、凹模材料有良好的耐磨性和抗沖擊性。制造沖壓用凸模(沖模)的材料主要有碳鋼、鑄鋼、合金鋼、硬質合金、低熔點合金、鑄鐵和聚氨酯橡膠等。模具材料的選用應根據被沖壓材料的性能、工序種類、沖壓件批量的大小以及成形溫度等因素決定。目前，國外的鈦及鈦合金沖壓模具材料多選用高鉻、高鎳的鑄造合金和鍛造合金材料，結合我國國情，應采用含鉬、鎢、錳的合金材料[14]。國外也有采用陶瓷作為模具材料，但陶瓷的使用壽命短，抗彎和抗拉強度低，脆性大，表面光潔度較差，使用范圍有一定的局限性。

本產品所使用的凸、凹模材質均為Cr12MoV。此材料具有良好的耐磨性和韌性，但由于磨損也會發生失效，因此應對磨具表面進行技術處理來提高其硬度和耐磨性能[15]。具體方法是應用PVD(物理氣相沉積)技術對凹凸模表面進行改性處理，涂層材料為TiN，該涂層具有硬度高、摩擦因數小、導熱性好、與鋼材的熱膨脹系數差異小以及耐粘著磨損等優點，處理后的硬度為2 400 HV以上，有效提高了模具壽命[16-17]。

3.2 壓邊圈力的控制

在沖壓成形過程中，所涉及到的摩擦主要有3個方面：凸模與板料之間的摩擦(摩擦因數為μ1)，凹模、壓邊圈與板料之間的摩擦(摩擦因數為μ2)[18]。根據試驗研究，當平均應變速率為1×10-4s-1時，研究了凸模與板料之間的摩擦對殼形件沖壓成形的影響(見圖2)。從圖2可以看出，隨著摩擦因數μ1的增大，殼形件所受的最大主應力呈現出“增→減→增→減”的趨勢，當μ1為0.4時取得最大值，當μ1為0.8時取得最小值。此外，當μ1為0.2～0.4時，最大主應力呈現出線性增加的趨勢。最大主應力越小，越不易使板材發生拉裂現象，對板料的沖壓成形越為有利；但μ1的值也不能過大，過大即意味著凸模表面非常粗糙，在成形過程中會對板料表面造成劃傷。故在實際加工時，應根據加工要求綜合考慮，本試驗的μ1值選定在0.5～0.6較為合適。

圖2 μ1對最大主應力的影響

圖3所示為不同壓邊圈、凹模和板料之間的摩擦系數μ2對板料在沖壓過程中所受最大主應力的影響的趨勢圖。最大主應力隨著μ2的增加總體呈現出“先增后減”的趨勢，當μ2為0.12時取得最大值。雖然在0.12～0.16區間內，曲線呈現出遞減態勢，但通過有限元模擬，當μ2取值為0.18或者更大時，計算會出現不收斂的情況。故結合實際加工情況，筆者認為，本試驗中μ2取值為0.1比較合適，這樣可以大大改善壓邊圈、凹模和板料之間的摩擦狀況，有利于提高板料的沖壓成形性。

圖3 μ2對最大主應力的影響

3.3 凸凹模間隙的控制

凸、凹模間隙對于板料沖壓成形具有很大的影響：若間隙過大，則板料的側壁極易變形為彎曲形狀，或形成底小口大的錐形[19]；若間隙過小，則容易使板料的側壁變薄，甚至可能出現拉裂現象。此外，間隙過小，會使得模具表面與板料之間的接觸壓力增大，增加模具磨損。因此，確定合適的凸、凹模間隙對板料的沖壓成形具有重要的意義[20]。本文研究試驗了不同單邊間隙值對沖壓件所受最大主應力的影響(見圖4)。從圖4中可以看出，最大主應力隨凸、凹模單邊間隙的增加而減小，在0.4 mm處取得最小值。凸、凹模間隙越小，板料在沖壓成形過程中所受的最大主應力越大，說明材料在變形過程中確實與模具的接觸壓力增大，導致了材料的流動困難。因此，經過有限元模擬與分析，筆者認為凸、凹模單邊間隙值為0.4 mm比較合適。

圖4 凸、凹模間隙對最大主應力的影響

4 成形模具的設計

本試驗根據數值模擬的優化結果和實際的設備條件，設計了TA1板材冷沖壓及成形模具。本試驗中主要加工制造了3套模具：落料成形復合模、去翻邊模和沖孔模。

4.1 落料成形復合模設計

落料成形復合模的三維圖、實物圖和結構示意圖分別如圖5和圖6所示。

a) 三維圖

b) 實物圖

圖6 落料成形復合模結構示意圖

模具工作過程：將薄材按位置放好在下模具上表面上，上模具在凸輪機構帶動下下模具運動，首先是上模大凹板、上模凹模、上模頂板同時接觸到板材，下模具中下模凸模、下模凹模、下模頂板也同時接觸到薄板材，但上模大凹板是硬連接，與其對應的下模頂板是軟連接，在上模大凹板向下運動時，下模頂板會隨著上模大凹板也往下運動，形成剪切運動，薄板材首先被按模具形狀下料。

在薄板料下料完成后，上模具繼續向下移動，上模頂板和下模凹模相對應，當上模頂板向下運動時會頂上下模凹模而向上回彈，上模頂板不會和上模凹模同時向下運動，此時上模凹模和下模凸模相對應，當上模凹模繼續向下運動時會頂上下模凸模，兩者同時向下運動，因為下模凸模下面是下模頂板內彈簧支撐，受力時會壓縮，形成腔體與上模凹模完成沖壓動作。此時上模凹模和下模頂板會形成沖形動作，兩者配合間隙非常重要，是決定產品成形與否的關鍵，達到行程后，上模具被提起，準備下一周期循環沖形。

4.2 去翻邊模具設計

去翻邊模的三維圖、實物圖和結構示意圖分別如圖7和圖8所示。

a) 三維圖

b) 實物圖

圖8 沖孔模具結構示意圖

模具工作過程：將落料成形后的產品安裝在下支撐板上，再將上蓋板安裝到殼形件內側，安裝在車床上，尾座頂住上蓋板，三爪夾住外圓板，再將多余的翻邊車掉。

4.3 沖孔模具設計

沖孔模具的三維圖、實物圖和結構示意圖分別如圖9和圖10所示。

a) 三維圖

b) 實物圖

圖10 沖孔模具結構示意圖

模具工作過程：將車削掉余邊的件安裝在沖孔模具上，拉動兩邊工件定位銷，將工件安裝在凹模上，在定位彈簧的作用下壓緊工件，沖頭頂板向下運動，安裝在頂板上的沖頭跟著向下運動，調整好行程，沖頭完成沖孔動作。

5 沖壓設備的選擇和安裝

本試驗所使用的沖壓設備為XLB-D(Q) 400×400×2/0.50MN型小型平板硫化機(見圖11)。其主要技術參數見表3。該機采用立柱式和框架結構，結構簡單合理，操作靈活，空間寬敞，外型美觀。液壓站和電控箱分別放于主機兩側，操作方便。

a) 小型平板硫化機

b) 沖剪成形

表3 平板硫化機主要技術參數

5.1 沖壓成形及前處理

鈦板的表面清理，主要是指成形前對鈦板的表面進行除油(包括油漆)。除油的原理是通過皂化或者乳化反應，除去粘附于板料或者零件表面的油脂、油污和油漬等。除油處理能夠保證坯料或零件的潔凈，以免在成形過程中造成污染。當產量不大時，往往采用汽油、丙酮、無水酒精等溶劑對鈦板的表面進行擦拭，來達到除油目的。但這種方法效果不佳，除油不徹底，往往會在鈦板的表面殘留油跡，影響潤滑劑的涂敷。國外常采用三氯乙烯蒸汽進行除油，效果很好，也有采用異丙酮或者甲基-乙丙酮進行除油的[21]。

本試驗采用金屬洗滌劑對板料進行除油。洗滌劑分子式的一端具有親水基，另一端則為疏水基。親水基的存在使其易溶于水，將油脂包圍在水分子中，阻止彼此的結合，油污則被分解為細小的油珠，油珠上浮而形成乳濁液，再用流動清水沖洗即可。

為了檢測鈦板表面是否清洗干凈，將鈦板置于干凈的冷水中，再從水中取出，如果潔凈，鈦板表面的水膜應該連接成片；如果表面油污未除盡，鈦板表面的水膜將不連續[22]。

5.2 潤滑劑和保護涂料的選用

鈦板冷沖壓成形過程和其他材料的壓力加工過程類似，應在坯料的表面(必要時，在模具的某些部位上)涂敷涂料和潤滑劑，以減少鈦板和模具之間的摩擦，減少劃傷，降低成形所需壓力[23]，提高產量，延長模具壽命。

鈦板冷沖壓成形時，一般可以使用常規沖壓成形用潤滑劑，如硝基清漆、丙烯酸清漆等。通過噴、涂、刷、浸等方式將清漆涂敷在坯料表面，涂層不宜過厚，待涂層干透后，常常在涂層之上再涂一層潤滑油(機油)，然后成形。在沖壓成形完成后，熱處理或者熱成形之前，應將涂層除去，以防止對工件造成污染[24]。

本試驗所用的潤滑劑為氯化石蠟(摩擦因數為0.1)，在試驗過程中，將其噴涂在凹模上，而凸模不需要潤滑，沖壓成形的產品如圖12所示。

a) 純鈦板材落料成形后形狀

b) 純鈦殼形件去翻邊后形狀

c) 純鈦殼形件沖孔后形狀

d) 一對純鈦殼形件實物圖

通過使用三坐標測量機對加工成形后的殼形件的相關參數進行測量，并將測量結果與之前Pro/E軟件所建模型進行比較，其整體成形誤差范圍在0.05 mm以內。說明數值模擬對沖壓成形具有實際的指導意義，數值模擬的精度也比較高，模擬結果較為可靠[25]。

6 結語

分析材料的特點和產品結構尺寸要求，通過落料、沖深、切邊、沖孔4道工序模具成形，將板材加工成產品。此4道工序系列模具經過嚴密設計、精心加工、細心裝配，試模調模、間隙修正、壓力調整，使模具尺寸和裝配調整到最佳狀態。經客戶嚴格檢測，產品尺寸精度、幾何公差及外觀要求均達到圖樣要求。