高速精密级进冲压中的冲裁断面质量实验研究

摘 　要 : 运用正交实验方法 , 研究了冲裁间隙、模具表面粗糙度、冲压速度对高速精密级进冲压中的冲裁断面质量的影响 , 结果显示 , 模具表面粗糙度对冲裁断面质量的影响最大 , 模具表面精度越高 , 冲裁断面质量越好。因此 ,尽量采用先进的加工设备和加工工艺以获得尽量高的凸、凹模表面加工精度 , 对于保证高速精密级进冲压中的冲裁断面质量非常重要。

关键词 : 高速精密级进冲压 ; 冲裁断面质量 ; 模具表面粗糙度 ; 正交实验

引 　言

IT 金属制件中有 70 % 以上的特征是冲裁特征 ,有的 IT 金属制件甚至全部由冲裁特征组成。这些冲裁特征包括了复杂的型孔分割特征、孔位特征、弯曲外形分割特征、最后的落料特征 , 等等。因此 ,冲裁是 IT 金属制件高速精密级进冲压中最基本的、最主要的工序 [1] 。

国内外有许多学者对普通冲裁速度下的普通冲裁和精密冲裁技术进行了广泛的理论和实验研究 [2 2 11] , 但这些研究存在两方面的局限性 , 即大多数是从单因素出发 , 且基本是针对普通冲裁 ; 另 ,多数的研究是通过计算机仿真模拟进行的 , 与实际生产状况存在不可避免的失真。

由于 IT 金属制件具有细小、超薄、高精、复杂等特点 , 而其高速精密级进冲压过程又具有瞬时性、精密性、微小性等特点 , 使得高速冲压状态下冲裁断面质量的实验研究受到很大限制 , 实验结果的区别判断也比较困难。目前 , 这方面的实验研究报道较少。本文以国产磷青铜为研究对象 , 结合正交实验方法和生产实践 , 研究了在产品外形、材料性能、厚度、润滑方式等客观因素一定的情况下 , 高速精密级进冲压中的冲裁间隙、模具表面加工精度、冲裁速度对冲裁断面质量的影响程度和规律。

1 　冲裁断面质量的影响因素
1 1 1 　冲裁间隙
冲裁间隙是冲裁工艺及模具设计中的极其重要的技术参数。不仅影响冲裁件的尺寸精度、断面质量 , 而且影响冲裁力、模具寿命、模具结构、制造工艺和加工成本。因此 , 对冲裁间隙的研究已得到国内外有关学者的普遍关注 [3 ,6 2 7 ,9] 。对于高速、精密级进冲压中的冲裁间隙 , 其合理间隙一般取 c = 3 % ～ 10 % 之间 , 对于 0 1 5mm 以下的薄板 , 其间隙值一般取 c = 1 % 左右 , 与普通冲裁相比 , 这个值非常小 , 甚至可以等同于无间隙冲裁。这种间隙能保证良好的冲裁断面质量 , 但是对细小凸模的强度和耐磨性则提出了非常高的要求。

1 1 2 　模具表面粗糙度
金属塑性成形过程中的摩擦不仅与润滑方式有关 , 还与待加工的材料和模具表面的粗糙度有很大关系 [12] 。在高速、精密级进冲压中 , 冲裁变形过程的摩擦主要发生在凸模侧面与冲裁断面的接触部分 ,由于润滑油不容易进入剪切变形区 , 所以该部位基本上处于干摩擦状态。因此 , 模具和板材的表面层结构、表面形貌以及材料的物理、化学性能等 , 对该部位的摩擦具有主导性的影响作用。根据加工要求的不同 , 高精密速级进冲压模具的凸、凹模镶件的加工一般采用平面磨削、慢走丝线切割、光学曲线磨等精密加工方法。从宏观上看 , 所加工出来的模具表面非常光滑 , 但在显微镜下观察 , 仍然可以看到表面高低不平的尖峰和凹谷 ( 见图1)。

1 1 3 　冲裁速度
IT 金属制件的需求量大 , 交货周期短 , 而这些要求是通过高速生产来保证的。目前 , 国内纯冲裁件的高速级进冲压速度已经达到 1000 次 / min , 带冲裁和弯曲等成形工序的冲压速度已经达到 600 次 /min ～ 800 次 / min , 而国外已是这个水平的 2 倍以上。高速虽然可以大大提高 IT 制件的生产率 , 但是 , 变形速度太快不仅会对金属的塑性性能产生影响 , 而且还会产生温度效应 ; 另外 , 高速还会带来跳屑、叠片、送料异常、模具磨损加速等工艺方面的问题 , 同时也会对金属冲裁质量造成影响。

2 　实验方案

实验以冲裁间隙、冲裁速度和模具表面加工粗糙度作为影响因素 , 建立了如表 1 所示的正交实验方案 , 按照标准的 L 9(34 )正交表建立正交计划表 ,实验以光亮带高度和毛刺高度作为评价指标。

3 　实验过程
根据不同的模具间隙和粗糙度配比情况 , 分别采用光学曲线磨削、平面磨削、慢走丝线切割的加工方法 , 加工了 9 组凸、凹模镶件 , 如图 2 所示。对分别用慢走丝线切割、平面磨削和光学曲线磨加工的冲裁凸、凹模镶件各取一个样品 , 在每个样件上取两个高度位置 , 对同一高度位置的左、中、右 3 个面进行轮廓算数平均值测量。测量获得的模具表面粗糙度有光学曲线磨削加工的为 0 109 (B 1) ,平面磨削的为 0 1195 (B 2) , 慢走丝线切割加工的为0 1425(B3)。

图 2 　 9 组实验用凸、凹模镶件

为减少实验换模次数 , 按照凸、凹模镶件加工方法的不同 , 将 9 个实验分成 3 组 , 每一组安排在同一副模具上同时进行 , 用不同大小的冲裁形状区分冲裁间隙 , 如图 3 的排样图所示 , 所用带料为洛阳磷铜 C5210 , 规格为 0 1 3mm × 14 1 0mm 。将同组凸、凹模镶件安装在精密级进冲压模具上。同一组实验分别取 100 ( C1)次 / min 、 300 ( C2)次 / min 、 600( C3)次 / min 3 种冲压速度 , 在高速压力机上分别进行 3 次冲压实验 , 每一次冲压过程在稳定生产后持续 10min , 取最后阶段的落料样品若干和带料样品一条 , 如图 4 、图 5 所示。

图 6 　冲裁断面图

图 7 　效应曲线图
a)光亮带; b)毛刺

5 　结 　论
实验研究表明 , 冲裁凸、凹模的表面精度对高速精密级进冲压中的冲裁断面质量的影响非常大 ,因此必须尽量采用最先进的加工设备和加工工艺以获得尽量高的凸、凹模表面加工精度 ; 而一定范围内的冲裁间隙对冲裁断面质量的影响并不大 ; 冲裁速度的提高不仅可以提高生产率 , 而且能减小毛刺高度 , 因此 , 在解决了送料、生产稳定性等问题的前提下 , 生产中可以采用尽量高的速度。