提高聚氨酯復合模沖切合格率的研究

王珍， 周璞

（中航西安飛機工業集團股份有限公司， 陜西 西安 710089）

0 引 言

機械加工中存在部分超薄且質軟的材料，在使用傳統鋼制模具加工時，由于零件材料超薄，要求凸模與凹模的間隙必須足夠小，甚至接近無間隙沖裁，對模具設計與制造精度的要求均比較高。一種新型的高分子彈性材料——聚氨酯，因其較高的強度和優秀的耐磨性可承受凸模無數次的反復沖裁，還有良好的流動性可以解決無間隙沖裁的沖壓工藝需求。聚氨酯模具已在沖壓工藝中得到了廣泛應用，但是在沖壓過程中仍存在無法正常落料的現象，即零件與原材料無法正常分離。

聚氨酯復合模使用聚氨酯代替了傳統鋼制凹模，由于聚氨酯的高強度與不可壓縮性，當聚氨酯受到凸模擠壓后，不可壓縮的聚氨酯流入壓套與凹?？p隙內，將材料在刃口處充分擠壓，達到剪切效果。此種工藝方法理論上屬于無間隙沖裁，不存在零件與原材料無法正常分離、毛刺高等現象，但在實際沖壓過程中毛刺高、無法落料現象層出不窮。以下通過對聚氨酯模具結構、下料過程、模具設計及制造等方面進行分析探究，解決聚氨酯模具沖壓過程中無法落料的問題。

1 聚氨酯模具結構與沖裁原理

1.1 聚氨酯模具與傳統模具的區別

結構方面聚氨酯模具與傳統模具相比增加了壓套、使用聚氨酯代替傳統鋼制凹模。壓套的作用是聚氨酯受到凸模擠壓時利用其良好的流動性，可被擠壓到壓套倒角的縫隙內（以下簡稱擠入深度），利用其較高的硬度將原材料擠壓到凸模刃口使材料得到充分的擠壓，達到剪切效果，如圖1所示。

圖1 聚氨酯模具結構

物理特性方面聚氨酯具有不可壓縮性和較高的硬度，受壓后聚氨酯便向擠入深度內流動，產生壓力而進行沖切。

1.2 聚氨酯下料過程

聚氨酯下料過程：首先是凸模與壓套同時下行，因凸模與壓套存在間隙，故凸模先對原材料壓緊，壓套起到拉平原材料及擠壓聚氨酯的作用。此時聚氨酯處于封閉狀態，聚氨酯開始受壓，材料的搭邊被壓套固定在容框的上平面，聚氨酯由于不可壓縮的性能，受壓后便往容框型腔和凸模的擠入深度內流動，產生壓力，材料分離，如圖2所示。

圖2 下料原理

2 模具設計原理

聚氨酯模具與傳統模具相比在凸模增加了壓套，使用聚氨酯代替傳統鋼制凹模，使用容框將聚氨酯固定在容框內，利用聚氨酯的不可壓縮性進行零件沖裁。以下將從沖裁力設定、沖裁影響因素分析、壓套設計、容框設計、聚氨酯選擇、凸模與凹模配合6個方面進行分析。

2.1 沖裁力設定

聚氨酯橡膠沖裁原理：容框內的聚氨酯橡膠受壓時能像液體一樣流動，因此根據帕斯頓原理和壓強公式：沖裁力P=qF，其中，q表示壓強或單位壓力，即聚氨酯沖裁所需單位壓力，MPa；F表示壓力的作用面積，即容框內聚氨酯橡膠模墊的水平面積，mm2。

原材料分離所需沖裁力：P=Ltτ，其中，L表示沖裁周邊長度，mm；t表示沖裁板料厚度，mm，τ表示材料的抗剪強度，Pa，鋼材的抗剪強度τ=（0.7~0.9）σb，其中，σb表示材料的抗拉強度。

2個沖裁力相等的情況下，材料才可以分離，即qF=Ltτ，故q=Lτt/F。

沖孔：q=4τt/d，其中，d表示直徑，mm。

沖裁帶凸圓角和凹圓角：q=2Rtσb/H(2R±H)。

沖直線段：q≈tσb/H，當圓角R趨向無限大時即為直線，因聚氨酯橡膠擠入深度H一般都較小（1~2 mm），可將公式中（2R±H）H約去不計。

2.2 沖裁影響因素

依據沖裁力計算可得出：除沖孔外，外形沖切材料的分離均與聚氨酯墊擠入深度H有關。

（1）沖孔時與零件上孔的大小和形狀有關。沖孔直徑d越小，所需單位壓力q越大；沖裁外形時與零件外形的復雜程度有關。

（2）沖裁帶凸圓角所需q較沖裁帶凹圓角所需q小，寬度越小所需的單位壓力q越大，所以沖裁窄條難度大。

（3）沖直線時聚氨酯墊擠入深度H。

聚氨酯墊的擠入深度H和擠入寬度D與沖裁材料的相對伸長率（%）和原材料的搭邊余量有關。因此，經過分析發現造成模具沖裁力不足的原因為聚氨酯墊的直徑過小、壓套過小、固定原材料時搭邊余量過小等。除此之外，可能造成模具沖裁力不足的原因是聚氨酯墊的硬度不能達到設計所給的沖裁性能要求。

2.3 容框設計

容框的作用是使聚氨酯受上模擠壓時產生較大且均勻的單位壓力。將聚氨酯放置在容框內，容框需要承受聚氨酯受壓后產生的壓力，因此容框要有足夠的強度，防止聚氨酯受力流動產生裂紋，并獲得較好的剪切效果，保證整個沖壓過程的安全性。常規容框材料選擇普通碳素45鋼，熱處理硬度為28~32 HRC。

容框尺寸計算公式：D容框=D凸模+2Z，其中，Z為容框與凸模間的單面間隙，當材料厚度為0.05 mm時，Z=1.5 mm。

D容框=D凸模+3 mm，因壓套內部設計的倒角尺寸為2 mm，得出容框尺寸應在凸模外徑基礎上增大至5 mm。

2.4 壓套設計

依據沖裁力計算q=2Rtσb/H(2R±H)，該零件最大圓弧處約R8 mm，經查詢手冊，原材料抗拉強度σb=540 MPa，材料厚度t=0.05 mm，q≈7.5 N（q不允許超過聚氨酯壓縮量30%，厚度為25 mm），得出H=1.95 mm，利用H=2tanα，故α=45°，如圖3所示。

圖3 壓套尺寸

依據容框設計，容框尺寸應在凸模外徑基礎上增大5 mm，因此考慮壓套需要留0.5 mm的寬度用來拉平原材料，則聚氨酯墊擠入寬度D為4.5 mm。

2.5 聚氨酯墊厚度

對超薄不銹鋼材料進行外形及內孔的沖裁是研究難點，聚氨酯作為一種新型材料用于沖裁零件，更適合沖裁塑性差、強度小的原材料。因為聚氨酯具有較高的塑性、韌性與機械強度，但要對超薄且韌性強的材料進行無間隙沖裁，在復合模中除了選擇更高硬度的聚氨酯，對聚氨酯墊厚度也有一定的要求，常規聚氨酯復合模對聚氨酯墊厚度要求為25 mm。

2.6 壓套與凸模的配合關系

在聚氨酯模具沖裁過程中，壓套的作用很關鍵。沖裁過程中，凸模首先對原材料進行壓緊，壓套拉平原材料并擠壓聚氨酯，使聚氨酯流入壓套與凸模間隙中，使零件與廢料分離。因此凸模與壓套必須存在一定間隙，常規推薦間隙為0.5 mm。

3 影響“吊料”的因素和優化措施

“吊料”即沖裁過程中廢料與零件無法完全分離的一種現象。通過以上分析并結合聚氨酯模具沖裁原理、結構設計、受力情況，從人員、設備、材料、設計4個方面分析初步判斷模具無法落料可能與聚氨酯墊的擠入深度、擠入寬度及聚氨酯材料的選擇三大因素有關，以下將對可能產生的因素進行優化并試驗驗證。

3.1 聚氨酯墊的擠入深度

擠入深度是壓套與凸模刃口邊緣的縫隙，聚氨酯墊在受到凸模擠壓時流動到壓套倒角縫隙里，將材料在刃口處充分擠壓，達到剪切效果。擠入深度不足，縫隙過小致使聚氨酯無法流入，沖剪效果減小，因此需要適當增大擠入深度。將壓套結構的倒角角度α改為45°，通過試驗驗證，“吊料”現象仍未解決。因此可以判斷聚氨酯沖裁過程中的“吊料”現象與聚氨酯墊的擠入深度無關。

3.2 聚氨酯墊的擠入寬度

由于模具制造存在誤差，各組件之間都有縫隙，現有模具壓套較薄，致使原材料在刃口以外部分接近于光滑過渡，減弱水平方向的固定作用。因此適當增大壓套寬度，使原材料在沖壓時，對凸模外圈材料進行有效彎曲，增大材料在水平方向所承受的拉力，提高沖切效果。

壓套與聚氨酯接觸面積過小會導致原材料搭邊余量不足，原有壓套寬度為2.5 mm，除去壓角要求寬度2 mm，故壓套與聚氨酯墊接觸寬度為0.5 mm。將容框尺寸在凸模外徑的基礎上增大至5 mm，同時考慮壓套需要留0.5 mm的寬度用來拉平原材料，則聚氨酯墊擠入寬度D為4.5 mm。通過試驗驗證，解決了聚氨酯的“吊料”現象。

3.3 聚氨酯選材

因聚氨酯具有良好的流動性和較寬的硬度區間，如果硬度太低使其柔韌性增高，則材料在水平方向無法進行有效固定，垂直方向無法進行沖切。因此常規聚氨酯復合模對聚氨酯的硬度要求為邵氏硬度95HA，如果聚氨酯硬度過低，則無法產生足夠的沖裁力，在沖裁過程中產生“吊料”現象。

目前所使用聚氨酯經過硬度試驗滿足所使用模具的要求，同時使用不同硬度、不同材質聚氨酯進行試驗分析，得出模具出現“吊料”現象與聚氨酯選材無關的結論。

4 結束語

通過對現有聚氨酯復合模中壓套結構、容框尺寸及聚氨酯墊尺寸的優化，改變了模具沖壓過程中原材料的受力情況。經試驗驗證，聚氨酯復合模的一次沖壓合格率達到100%，并能持續沖壓300余件合格零件，從根本上解決了聚氨酯模具沖壓過程中的“吊料”現象。