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冲压模具修边掉铁屑的解决方法

2020-02-26 14:41:00 来源: 冲模技术
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导读: 介绍了冲压模具中修边掉铁屑对冲压模具、制件表面质量及车间现场的影响,修边模具的结构设置及优化模具工艺上的解决方法,并从日常生产质量控制、工艺设计、冲压模具结构等方面,简述了合理的模具设计及修边模具工艺结构、新技术应用等对改善冲压模具修边掉铁屑的重要性。
文:段宝娟,牧立峰,刘 宇,仇保虎     奇瑞汽车股份有限公司

   1 引言

随着汽车工业的飞速发展,对于汽车产品质量要求越来越高。特别是对产品表面的要求越来越高,制件由于修边工艺本身的特点,在修边条件不好的位置修边会产生铁屑,部分铁屑会进入模腔,而这些进入模腔的铁屑在压伤制件的同时也会损坏模具,如图1、图2所示。

   2铁屑产生的原因

   2.1 冲裁过程

冲裁变化曲线如图3所示,从图3中可以看到冲裁过程的几阶段。(1)A-B段:板料的弹性变形阶段。(2)B-C段:板料的塑性变形阶段。(3)C点:相当于材料的极限强度,即冲裁力的最大值,当材料内的应力达到抗剪切强度,材料开始产生裂纹。(4)C-D段:裂纹扩展至材料分离的断裂阶段。(5)D-E段:凸模克服摩擦力,将冲裁件(或废料)从凸模中推出。

2.2 铁屑产生的成因分析

(1)A———σ1为凸模侧压力与板料弯曲引起的径向压应力;σ2为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成切向应力;σ3为凸模下压引起的横向拉应力,如图4所示。

(2) B———受三向压缩应力,是由凸模下压及板料弯曲引起的。

(3) C———σ1为板料受拉伸作用而产生的拉应力,σ2板料受挤压而产生的压应力。

(4) D———板料弯曲引起的径向拉应力σ1 和切向拉应力σ2σ3是凹模挤压板料产生的轴向压应力。

(5) E———σ1为板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起的压应力合成产生的应力,σ2为凸模下压引起的轴向拉应力。一般情况下,E点主要以拉应力为主。

ABCDE各点的应力状态可以看出,凸模与凹模端面(BD点处)的静水压应力(压应力球张量)高于侧面(AE点)。又因材料弯曲使凸模一侧的板料受到双向压缩,凹模一侧板料受到双向拉伸,故凸模刃口附近的静水压应力又比凹模刃口附近的静水压应力高。因此,冲裁裂纹首先在静水压应力最低的凹模刃口侧壁E点产生,继而在凸模刃口侧面A点产生。

如果冲裁间隙合理,则从AE点产生的主裂纹重合;但是如果间隙不合理,则会在上下两裂纹制件生成第三裂纹,如图5所示。

图5 裂纹产生及发展过程 a——产生首次裂纹 b——首次裂纹停止发展 c——产生第2、第3条裂纹 d——产生主裂纹毛刺的产生:毛刺的形成是从塑性变形阶段产生光亮带之后,凸模继续下降,塑性变形加大,变形区材料硬化加剧,导致材料开始在刃口附近产生裂纹。由于凸、凹模间隙的存在,并非正好处于刃口处,而是出现在离刃口不远的AE点处,并且除了因凸模挤入材料使之不但发生剪切变形外,还会产生弯曲及拉伸变形,故在此时产生了毛刺。当材料在剪断阶段(开裂阶段),凸模的下降又使毛刺继续拉伸,并最后留在冲裁件上。

铁屑的产生:在毛刺产生时,如间隙不合理,上下裂纹间出现的第三裂纹就会导致一些毛刺脱离材料,形成修边铁屑。

2.3 修边铁屑的危害

当自动化冲压线生产时,只能在自动化线尾端对制件的质量进行检查,对冲压过程中制件的质量状态控制,不能像手工操作流水线那样做到立即发现,立即处理。往往发现质量缺陷时,已经有多件制件在生产环节中。其中影响最大的质量问题,是制件在修边过程中,由于上下模相对移动,在模腔内部产生负压,模腔外部相对正压的气流把修边产生的铁屑吸入到模腔内,污染了模腔型面,不得不停下流水线进行模腔清洁,这不仅影响制件质量,而且生产效率也大受影响,甚至会影响设备和模具的精度,造成安全隐患。

      3 预防减少铁屑的措施

3.1 刃口间隙的合理化

(1)间隙过小时,最初从凹模刃口附近发生的裂纹就指向凸模下面的高压应力区。因此,这个裂纹 的成长受到抑制,不能达到凸模刃口处,而成为滞裂纹,当裂纹口开得相当大的时候,两裂纹中间的一部分材料随着冲裁的进行将被第二次剪切,继而被凸模挤入凹模腔内。由于凹模刃口的挤压作用,在断面上形成第二光亮带,在两光亮带间形成撕裂的毛刺和夹层,如图6a所示。

(2) 间隙过大时,由于在光亮带形成之前,板料已形成较大的圆角带,所以实际的间隙就显得更大。在这种情况下,因为上、下裂纹错开一段距离,且圆角带大,所以断面的垂直度差,如图6b所示。又由于加工条件的不同,裂纹也不一定在上、下两刃口处同时发生,所以有时可能由一个刃口发生的裂纹使材料分离。当这个裂纹从一个刃口的尖端出发,扩展到另一个刃口的侧面时,在断面上留下很大的毛刺。因此间隙过大时,断面上的光亮带减小,圆角、毛刺及斜度变大。

(3) 间隙合理时,上、下刃口处产生的裂纹,在冲裁切断过程中会合成一条线,如图6c所示。在这种情况下所得冲裁件的断面光亮带较大,而圆角带及毛刺和斜度均较小,表面也比较平整,断面与平面质量均可达到理想的效果。

由上述分析可知,间隙过大或过小时,冲裁件的断面质量都较差,只有在合理间隙时,才能使冲裁件的断面质量符合标准.

3.2 修边工艺优化

(1) 最常用的也是产生修边铁屑最多的修边方案,如图7所示。这类模具最容易产生修边铁屑,而且经常会导致废料排料困难。

(2) 分工序两次或多次修边,采用废料刀结构/无废料刀结构,如图8所示。此类模具结构,由于修边分两次完成,第一次修边时候废料四周带压料,在刃口间隙合理的情况下,基本不会产生毛刺及铁屑现象,且制件质量稳定。

(3) 整体式修边二次分切排料。模具第一个工作行程将制件整体式修边,第二个工作行程将上次修边废料切断排料,这类模具也比较适合自动化生产,便于排料并且刃口间隙合理的情况下不会产生毛刺和修边铁屑,如图9所示,此类结构目前在顶盖上应用比较多。

3.3 废料刀布置及结构优化

(1) 在废料输送设备及模具结构排料允许的尺寸的前提下,可以最大化的减少废料刀的排布,如上海大众废料刀标准中就明确说明废料刀尽量避免。

(2) 废料刀结构的优化。两相比较,其实韩国的废料刀只是有两点不同:一是刃口部分只留5mm左右的平面,其它全部打成斜面,这样有铁屑也不会堆积,如图10、图11所示。二是在可能铁屑被带入到模腔的部位,废料刀用的都是锻件,而非铸件。

3.4 旋转废料刀

传统的废料刀难以实现修边与废料切断相分开,特别是在废料刀与修边刃口交接部分,此处是最容易产生修边铁屑的地方。上海大众就要求对于覆盖件废料刀必须用旋转废料刀,此种废料刀能实现修边与废

料切断两动作的分离,可以很大程度上的减少铁屑的产生,如图12所示。

结构说明:

(1) 螺栓中心点的位置必须高于起始点。

(2) 两个杠杆臂之比应为L1 : L2=1 : 1。

(3)摆动刀片装置应在旋转点中心线上方离空5mm,角度X应比摆刀旋转角度Y大2°。

3.5 优化模具结构,注意适当淘空

自动化或者高速线生产的模具,由于生产节拍比较快,如果模具结构不合理,造成在模腔内部产生负压,模腔外部相对正压的气流把修边产生的铁屑吸入到模腔内,从而造成制件表面的压伤。在生产现场也可以看到,日韩的模具虽然在修边时也有掉铁屑的情况,但是很少出现带入模腔压伤制件的情况,而国内的模具则经常出现铁屑带入模腔的情况,很大一部分原因就是国内的模具要么不淘空,要么“淘空而不通”。

3.6 加装气吹装置进行改善

利用滑块角度控制压缩空气该副修边模吹气装置工作过程为:通过在上模型面镶块和废料切刀之间,安装吹气管,利用压力机滑块角度控制压缩空气阀门开关,从而吹掉废料切刀产生的铁屑,如图13所示。

  4 结束语

综上所述,修边掉铁屑与修边模具结构、刀块布置、修边刀块材质、硬度、垂直度、间隙、生产环境、废料排放等有着很大的关系。模具设计阶段废料刀布置不合理以及批量生产阶段生产人员及工装维护人员未能严格按照生产及模具维护作业指导书进行作业都会产生铁屑。另外生产时装模高度过低、废料不及时清理、模具表面压入异物导致上下模不同心,啃伤刃口,也会产生铁屑。因此合理的模具结构和刃口间隙及标准的作业流程与执行,对消除、减少修边掉铁屑,提高模具使用寿命起着至关重要的作用。

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