大尺寸精密冲裁模的设计与加工过程分析

1、大尺寸精密冲裁模的设计与加工过程分析李 林 （深圳市金洲精工科技股份有限公司 广东 深圳 518116）摘要：通过对大尺寸精密冲裁模从设计到生产过程中各关键环节的分析，总结了各关键环节出现问题的原因并提出了解决问题的方法，为相关模具从设计到最后装配完成的整个过程提供了一种思路。关键词：精密冲裁 大尺寸 超薄材料 有色金属剪切 1引言：在大尺寸（如300mm以上的圆片）超薄（0.1mm以下）的有色金属带的剪切中，要求剪切毛刺很小或没有毛刺，并要求在剪切中没有明显的材料拉伸现象，因此要求凸凹模之间的间隙在0.02mm以内。同时因为凸凹模尺寸规格较大，材料不良、热处理不当也容易造成在加工过程中或使用

2、一段时候后产生变形而报废。在此，结合生产实际中出现的问题对该类模具的设计、热处理、加工、检测及装配中的关键点作一些探讨。2设计2.1凸凹模结构设计在冲裁模中凹模起落料作用，故只能采用外结构定位的方式。对于凸模的结构设计有外挂台定位方式及内定位方式：2.1.1外挂台设计：作为定位及紧固凸模的孔在挂台位置，凸模的冲切主体不会有过多的孔存在，增强了凸模的结构强度，在热处理时可达到凸模变形小的效果，但是对于此类尺寸较大配合间隙很小的模具来说，在装配时存在明显的缺点，增大了凸凹模的装配难度，且在满足装配条件的情况下，需提高凸凹模及上下模板的平面度及定位精度的要求。2.1.2内定位结构：通过在凸模切削刃实

3、体内设计定位和紧固孔，采用内腔挖空结构的方式，这样会使凸模结构强度变差，增加热处理变形的可能性，但是对这种冲切尺寸较大的模具，在设计上可以作到尽可能布置孔位及孔的大小，保证整个凸模各孔壁厚的均匀性，选择微变形及正规厂家的优质模具钢，同时配合近年来发展起来的新型热处理工艺方法，可以达到控制变形的要求。在装配中此种结构形式具有很好的装配优势，在此选用了内定位方式设计凸模。2.2凸凹模的硬度设计虽然对凸凹模的剪切作用来说，高硬度增加了材料的耐磨性，但高硬度也增加了热处理的工艺难度，因此在保证对有色金属材料的剪切条件下可以调整凸凹模的硬度设计。从结构上说，相对于凸模而言，凹模更容易产生热处理变形，而较

4、低的硬度要求，更容易保证凸凹模的热处理质量，因此在设计上凹模选择HRC42左右，凸模选择HRC60左右。并且采用这种凸凹模差异性硬度设计，可以避免在合模或剪切过程中凸模与凹模之间部分区域的微过切啃伤刃口。这种过切可能是由于产品淬火应力、加工应力变形产生或机床加工精度原因造成的凸凹模、上下模板尺寸和形状位置偏差。因此在凸凹模剪切间隙很小的情况下，采用相同硬度的凸凹模就很有可能砸伤凸凹模的刃口，所以选用合适的硬度及硬度差异既降低了热处理工艺的难度，保证剪切要求，又有利于保护凸凹模。由于允许微过切现象的存在，这样既降低了对凸凹模本身的加工难度要求，也减小了对凸凹模相关辅助件及上下模板的加工精度要求。

5、2.3冲切压力中心设计 由于冲切凸凹模这间的间隙很小，所以必须使模具的冲切压力中心与冲压设备的滑块的中心重合。否则在冲压时将产生弯矩，使冲压设备的滑块和模具发生歪斜，引起凸、凹模间隙不均匀，甚至在凸、凹模之间产生经常连续的过切现象，造成刃口迅速钝化，并使冲压设备和模具的导向机构产生不均匀磨损。同时为了获得良好的剪切效果，根据是落料还是冲孔，须把凹模或凸模设计成斜刃，并让斜刃呈对称分布，以免凸、凹模承受单向侧压力而发生偏移损坏刃口。对于超薄有色金属材料，斜角可选择在2以下。3加工此类零件在生产过程中有两个关键点：一是热处理问题，二是凸凹模及刃口质量的问题。在热处理方面，主要有以下的原因会造成凸凹

6、模的报废：首先是材料方面的问题，在正确选材后，应特别注意材料的品质，如果不是选择正规的材料，即使是选择了很好牌号的热处理微变形材料，也会产生热处理变形较大而没有精加工余量而报废；其次是由于热处理方法不当造成产品变形较大而报废，或者热处理后产品变形不大，但由于热处理后有应力存在或者热处理后产品的金相组织不良，造成产品在后期精加工过程中或在使用一段时候后出现报废。由于产品零件尺寸较大，如果凸凹模在热处理后或精加工过程中因为应力的原因而产生变形，对产品的最终质量将产生不良的影响；而且凸凹模之间的配合间隙很小，在连续高速冲切过程中，凸凹模由于摩擦会产生较高的温度，会对凸凹模本身造成二次回火的作用，如果

7、材料本身质量不良或热处理方法不当，均可能因为二次回火产生凸凹模的膨胀或收缩，最终造成凸凹模的报废。为了避免上述情况的出现，需要在如下环节注意产品的质量控制： 3.1选择正规厂家的材料，要求材料的碳化物偏析较小。对于碳化物偏析严重的模具钢需进行合理的锻造，并在锻后进行调质处理，消除材料的各向异性。但是尺寸较大的模具钢的锻造，大多数厂家都不具备条件，、可采用固溶双细化处理达到消除碳化物偏析严重的现象，从而减少模具热处理变形。另外部分进口模具钢不需要锻造而具有较好的内部金相组织及材料使用性能，有很好的热处理性，对于此类模具是一种很好的选择。 3.2根据不同的材料，制定合理的热处理工艺：选择合理的加热

8、速度、加热温度、回火温度、冷却介质和冷却方式。避免由于热处理工艺不当造成材料内部金相组织不合理，在回火时材料变形较大；同时在回火时材料会因压应力的消除而收缩，因张应力的消除而膨胀 ，因此也须避免或消除热应力和组织应力的产生。3.3利用近年来发展起来的新型的热处理技术，比如真空热处理、深冷处理、超冷处理技术等，对提高此类模具钢的热处理质量都有很好的效果。对于凸凹模刃口质量，要求在微观上刃口不能有明显的圆角或者钝化现象，因为有明显的圆角或者钝化，在剪切时可能产生材料挤压现象，出现挤压拉伸毛刺。在加工过程中如果采用镗床加工的方式，无论对凸模还是凹模，加工刀具的主运动都是沿被加工表面的圆周运动，这样在

9、凸凹模的被加工表面上会产生沿圆周方向的加工纹路，如图一示，因此加工后刃口质量并不好。用坐标磨床进行加工是一种比较好的加工方法，在此加工过程中，坐标磨床的轴向（螺旋）运动作为磨削的主运动方向，沿圆周的运动为辅助运动，这样的加工方法保证了产品的加工纹路方向与模具最后的剪切方向相垂直或形成很大的斜角，如图二示，可以达到很好的切削效果。在加工中，须适当选取磨头的大小，磨头直径偏大不利于凸凹模刃口质量的提高，直径偏小会影响磨头的刚性，也降低了产品的加工效率。同时，也应注意加工斜刃时的磨削方向，提高模具的刃口质量。 4 检测4.1材料和热处理的质量检测对于不能确定组织性能的材料，首先需要进行金相分析，以确

10、定材料是可以直接进行淬火前机械加工，还是需要进行锻压或预先热处理来改善材料的组织性能再进行淬火前的机械加工。为了更真实地检测凸凹模淬火后的热处理质量，可在淬火前的机械加工中，对凸凹模某些特定位置的孔只加工出线割穿丝孔，在完成热处理工序后，线割该孔取余料进行金相分析，以检测热处理质量。4.2凸凹模配合尺寸的检测由于凸凹模名义尺寸较大，而相互间的配合间隙很小，对尺寸的加工精度要求较高，相应地对凸凹模的检测提出了较高的要求。一些精密的检测仪器可以保证检测精度的要求，可是在产品的加工过程中需要反复在机床与检测仪器之间装、卸零件，比较麻烦，并且在此种检测条件下，需合理地设计凸凹模定位销孔的位置，在加工并

11、检测凸模（或凹模）的刃口尺寸合格后，以刃口型面为基准加工销孔到尺寸。在此种检测条件下，检测的硬件成本较高，检测的效率较低。另一种检测方法是用相应大小的外径千分尺与内径百分表进行测量，这样可以在生产现场进行检测，避免了反复在机床与检测仪器这间装、卸零件。但相对而言由于量具本身规格较大，产品尺寸精度要求较高，因此要求检测人员对量具的使用应有一定的水平，对量具的测量精度有相当的认识，能清楚分析检测过程中各个环节可能产生测量误差的原因，知道如何尽可能减小或避免这些误差的产生，并在检测时对量具的操作也能作到这一点。在加工过程中先加工检测凸模，在凸模合格后，以凸模为基准锁定外径千分尺，然后以外径千分尺为基

12、准调节内径百分表的零位作为测量凹模的基准。无论对于圆形或方形的凸凹模都可以用此方法进行检测。此种检测方法除了对检测人员水平有一定的要求外，极大地降低了对检测硬件条件的要求，而且更有利于生产现场的操作。此外，由于凸凹模公称尺寸比较大且凸凹模间配合间隙很小，在检测中应注意由于加工不良或材料变形造成的圆度（对于圆形产品）或直线度（对于方形产品）不能满足要求，在冲裁时会使冲切的部分区域产生过切干涉现象或因间隙偏大而产生毛刺现象。4.3装配间隙的检测用一张与冲切材料厚薄均匀一样的纸，放在已初步调整好的凸、凹模之间，然后合模并切出纸制件。根据所冲纸片的周边是否切断、有无毛边或毛边的分布均匀程度来判断间隙大

13、小或全周边间隙的均匀性是否合适。若在某一段发现毛边较大，则说明在此段方向上间隙不均匀，需要进行调整，直到切纸试冲件的四周毛边大小分布均匀为止。5装配在凸凹模均使用外挂结构定位方式的情况下，只能是分别在上下模板上安装凸凹模，通过导柱孔及销孔定位来保证凸凹模的合模精度要求，这就对导柱孔及销孔间的相互位置精度提出了很高的要求。而在冲裁尺寸较大的情况下，要求对上下模板进行更高精度的形位加工会带来很大的加工成本。在实际的生产中，在保证一定的经济性的情况下，在坐标磨床上加工圆形的凸凹模时存在0.0050.01mm的圆度偏差，在冲裁间隙在0.02mm以内的情况下，由于定位孔位的偏差及凸凹模的圆度偏差，在上述

14、装配方法下很容易造成部分区域的干涉或间隙偏大现象。因此，在凸凹模的装配结构设计上，采用前述凹模外挂式固定、凸模内固定方式，按照优化的装配程序进行模具的装配，在此说明以下出料方式冲裁模的一些装配要点：5.1装配凹模在下模板上并锁上螺钉至九分紧。5.2在上下模板装配限位等高柱，等高柱总高度应保证凸凹模之间有一定的过切量。5.3翻转下模板使下模板在上，上模板在下，并通过导柱孔使上下模板合模，依靠等高柱限位于上下模板的合模位置。5.4使凸模的剪切刃口向上，从下模板的落料腔位置放入凸模，为了方便装配导向，可用长销钉定位凸模与上模板之间的相互位置，允许销钉与上模板销孔之间有不大于凸凹模配合公差三分之一的间

15、隙。5.5用螺钉锁定凸模于上模板上，更换正常销钉后再紧固螺钉。然后紧固下模板螺钉。这样通过凸凹模的强制定位修正由于导柱孔和销孔位置偏差、上下模板的平面度偏差及凹模可能的变形等对合模的影响，保证了合模的精度要求。6结束语在保证材料质量的情况下，采用最佳热处理工艺，是消除模具在加工或使用过程中变形的关键，如果热处理工艺不合理，则会严重影响模具的使用性能，造成模具过早报废。尤其是淬火和回火工艺合理与否是模具制作最后成功的一个重要方面。同时，在加工过程中保证凸凹模刃口质量和凸凹模之间的间隙要求是模具根本的要求，因此，在加工过程中凸凹模尺寸检测的精确度相当重要。作者简介：李 林（1971-）男. 广东深圳