修沖模修邊碎屑分析與優化

文/杜洋洋·上汽大眾汽車有限公司

隨著中國汽車工業的快速發展，汽車作為常用的交通工具進入千家萬戶，人們對汽車覆蓋件的質量要求也越來越高。在實際沖壓件批量生產中，修邊碎屑一直是困擾沖壓車間的難點問題。不僅影響高速沖壓線的生產連續性，影響在線停機率，還影響覆蓋件的表面質量，導致零件返工甚至報廢。因此，分析清楚沖壓模具修邊碎屑的產生機理，并將之有針對性的消除或改善，成為現代模具及汽車制造行業共同面對的課題。

修邊碎屑產生原因分析

按照修邊碎屑的產生機理，可將修邊碎屑分為純剪切、二次剪切兩種類型。

純剪切區域模具結構由卸料板、上下模切邊刀組成。首先卸料板完成壓料，然后由上下模切邊刀對切完成修邊過程。修邊碎屑的產生一般與沖壓模具基礎狀態有關，如切邊刀垂直度、切邊刀刃口間隙、刃口硬度、型面符型及壓料狀態等有關。該類修邊碎屑相對容易解決，通過提升模具基礎狀態，即可減少修邊碎屑的產生。

二次剪切修邊碎屑主要集中在廢料刀交接區域，現場碎屑狀態如圖1 所示。上模交接區域由切邊刀Ⅰ(帶廢料切斷功能)、切邊刀Ⅱ組成。為實現修邊與廢料切斷功能，傳統模具設計中上模切邊刀Ⅰ比切邊刀Ⅱ凸出5mm，因此在切邊刃口方向形成了段差。下模交接區域由凸模切邊刀與廢料刀組成，廢料刀比凸模切邊刀低5mm，交接區域模具結構如圖2 所示。

圖1 廢料刀交接區域產生碎屑

圖2 廢料刀交接區域模具結構(上下模)

沖壓生產時，隨著上模下降，上模切邊刀Ⅰ刃口首先接觸工件，在尖角區域初始剪切為非純剪切，而是撕裂。隨著上模下降，撕裂區域擴展延長。當上模再下降5mm 時，上下模廢料刀刃口、切邊刀Ⅱ與下模切邊刀刃口均開始對切。由于初始撕裂邊線的不規則，在尖角區域會進行二次剪切，撕裂口凸出部分被剪切成碎屑。由于結構限制，該區域修邊碎屑一直是沖壓生產中的難題，本文將針對該問題進行重點分析。

修邊碎屑的優化方案(二次剪切)

由于傳統廢料刀設計中固有缺陷的存在，該區域修邊碎屑很難通過模具基礎狀態的提升來解決。國內外學者也進行了大量的研究與實踐，根據是否對切邊刀(廢料刀)的結構或工藝進行優化，可分為兩類。

第一類：未針對切邊刀(廢料刀)結構或工藝進行優化，即不改變修邊碎屑的產生過程，而是將產生的修邊碎屑進行物理收集。如在修邊碎屑聚集區域切邊刃口下方涂抹黃油粘結碎屑或利用真空吸廢料裝置將產生的碎屑收集，避免落到零件或者模具表面，壓壞零件或模具，如圖3 所示。

圖3 真空吸廢料裝置

無論是在刃口下部涂黃油還是利用真空吸廢料裝置進行修邊碎屑的收集，雖然能在一定程度上緩解零件或模具壓傷，但實際收效并不大。由于黃油可收集的修邊碎屑有限，隨著大批量生產的累計，無法粘結的碎屑依然會隨氣流漂移，還增加了線下模具維護的難度，該方法僅可作為生產臨時措施。真空吸廢料裝置增加了模具制造的成本，且只有在距離切邊刀刃口很近的位置才能發揮作用，還受到氣源穩定性的影響。

第二類：針對切邊刀(廢料刀)結構或工藝進行優化，即從減少修邊碎屑的產生入手，可將其解決思路分兩種。

一種為優化切邊工藝，使用二級廢料切刀，結構如圖4 所示。工作過程：先通過切邊刀將廢料整體切斷，廢料通過導桿下滑至廢料刀擋桿處，下個沖次再將廢料進行分割。通過設置二級廢料刀，將切邊與廢料切斷過程分開進行，避免了先撕裂再二次剪切產生碎屑。但該方法存在一定的局限性，僅可用于車頂外板、前蓋外板等外形輪廓簡單的模具，另外廢料刀外移模具尺寸增大，一定程度上也增加了模具制造成本。

圖4 某車頂外板修邊模

另一種為優化廢料刀結構，通過結構的更改，減小或避免傳統廢料刀結構在尖角位置的切邊段差。如浮動切刀，將切邊刀Ⅰ的一部分做成可浮動結構，如圖5 所示。工作過程：隨著上模下降，在完成純修邊之前，浮動切刀與切邊刀Ⅰ、切邊刀Ⅱ刃口高度保持一致，同時進行剪切，在切邊刀與廢料刀交接位置不存在切邊段差，因此不存在撕裂現象。廢料整體切斷后，隨著上模繼續下行，下模廢料刀刀背頂住浮動切刀，壓縮氮氣彈簧，浮動切刀后退，上下廢料刀刃口對切完成廢料分割。

圖5 浮動切刀工作過程

通過結構改造，該優化方法從理論上避免了二次剪切過程修邊碎屑的產生，優勢明顯。實際由于上模切邊刀刃口之間存在相對運動，刃口很容易磨損，下模廢料刀刀背在高速沖擊下也存在變形，進一步影響了浮動切刀的導向精度。該結構設計復雜，對后期的模具維修保養也提出了更多挑戰。

考慮到二級廢料切刀的使用局限性，僅可應用在前蓋外板、車頂等外形輪廓相對簡單的模具上；浮動切刀等廢料刀優化方法雖從原理上可消除相鄰切邊刀落差，避免撕扯廢料二次剪切產生修邊碎屑，但綜合考慮其結構復雜性及批量維護難點，實用性并不高。本文將引入兩種實用性更高的廢料刀優化方法。

調整廢料刀接口位置刃口落差

傳統廢料刀的設計一般遵循2-3-2 原則，刃口落差示意圖，如圖6 所示。切邊刀Ⅰ(帶廢料刀)刃口刃入量為7mm，切邊刀Ⅱ刃口刃入量為2mm，上下模廢料刀刃口刃入量為2mm。在廢料刀交接區域，兩切邊刀在刃口方向上存在5mm 的段差，這也是造成二次剪切產生修邊碎屑的根源。

圖6 刃口落差示意圖(傳統設計)

針對相鄰切邊刀刃口落差問題，可從設計角度對其進行優化。通過減小廢料刀交接區域切邊刀刃口落差，以減少切邊碎屑的產生，如圖7 所示。優化后，切邊刀Ⅰ刃口刃入量為3mm，切邊刀Ⅱ刃口刃入量為1mm，廢料刀刃口刃入量為1mm。在廢料刀交接區域，兩切邊刀在刃口方向的落差減少至2mm。

圖7 刃口落差示意圖(優化后)

通過對傳統廢料刀設計原則的優化，降低了廢料刀交接區域切邊刃口的段差，從原理上減少了二次剪切碎屑的產生。此外，切邊刀Ⅰ的刃口刃入量由7mm 降低至3mm，減少切邊刃入量后，可避免切邊刀后口擠壓碎屑的產生。

廢料刀讓空法

設計思路：⑴在上模切邊刀Ⅰ(帶廢料切斷功能)尖角位置，增加5mm 高的刺破刀，并在切邊刀刃口及廢料刀刃口方向15mm 內均勻過渡，新的刃口做成銳角形式，上模切邊刀改造示意圖如圖8 所示。⑵將下模廢料刀沿刃口方向外移5mm，即在下模廢料刀與下模切邊刀刃口之間留下5mm 空檔。此處設置5mm 空間，為上模切邊刀相應區域讓位。讓空區域廢料靠上模凸出刺破刀刺破，避免二次剪切產生碎屑，更改前后對比見圖9、圖10。

圖8 上模切邊刀改造示意圖

圖9 更改前

圖10 更改后

該方法通過在上模設置刺破刀工藝，并對下模廢料刀讓空處理，避免了尖角區域二次剪切。此外，即使有修邊碎屑產生也可落入空檔之中，避免帶到模具或零件上，有利于零件與模具表面修邊碎屑的控制。

針對上汽大眾某前門內板應用該方法進行優化，優化后修邊碎屑明顯改善，返工率由30%降低至5%以下，優化前后效果如圖11、圖12 所示。

圖11 優化前

圖12 優化后

結論

本文根據沖壓模具修邊碎屑的產生機理，對修沖模修邊碎屑進行了總結分類，即純剪切、二次剪切修邊碎屑。鑒于二次剪切修邊碎屑產生頻次高、優化難度大的問題，本文重點對其產生原因及優化方案進行了介紹，并引入了兩種更加實用的優化方法。

⑴純修邊區域修邊碎屑的產生與模具基礎狀態密切相關，如切邊刀硬度、切邊刀刃口間隙、垂直度等。無論在項目階段還是批量維護過程，都需要重視模具基礎狀態。通過不斷優化，確保模具處于最佳切邊狀態，減少修邊碎屑的產生。

⑵二次剪切修邊碎屑主要集中在切邊刀與廢料刀交接區域，切邊碎屑的產生與交接區域切邊刃口段差有關。本文引入了兩種實用性更高的解決二次剪切修邊碎屑的方法，不僅在新模具切邊刀設計過程可進行參考，對批量模具的切邊刀改造也簡單易行，值得推廣使用。