精密高速冲压的非均匀冲裁间隙设计

文/胡道春、台州职业技术学院模具研究所

在精密高速冲裁过程中，由于模具刃口与材料不断摩擦，刃口的表面几何形状极易发生变化，引起冲裁件断面质量、尺寸、形状都发生改变，特别是在大批量的高速冲压过程中，刃口磨损对于冲裁件尺寸一致性的影响更大。所以在设计阶段寻求合理的冲裁间隙设计，对降低模具内应力、缓解模具磨损、延长刃口使用寿命的意义重大。

以计算机〈Computer)通信(Communication)、消费性电子〈Consumer Electronics）为代表的"3C"产业是当今社会的朝阳产业。 3C产品中的接插件、连接器、弹片、端子等金属制件都是3C产品的基础零件，该类金属制件均具有材料厚度超薄〈毫米级以下）、形状复杂且尺寸微小、形状和位置精度非常高〈尺寸精度要求接近微米级）、生产批量非常大等特点，通常采用精密高速级进冲压技术进行生产。精密高速级进冲压是在高速冲床上安装一副包括冲裁、弯曲、拉深、成形等多道工序的精密、复杂、级进冲压模具，同时配备自动送料、收料机构，进行自动化、高效率、大批量生产的一种冲压生产方式。精密高速级进冲压集精密制造、计算机技术、智能控制和绿色制造为一体，是高效率、高精度的先进制造技术，代表了精密冲压技术的发展水平和方向。工业和信息化部发布的《装备制造业技术进步和技术改造投资方向〈2010年〉》中已列入多工位级进模等10种模具作为重点鼓励发展项目，模具行业“十二五"发展规划中也将高速运行的长寿命精密多工位级进模具作为产品发展的重点方向之一。

随着企业产能扩充及成本增加的双重挑战，级进冲压模具的速度越来越高，精密高速级进冲压技术得到了国内外广泛的关注。冲压速度的不断提升，给精密高速冲压模具的设计与制造及高速冲压成形带来了很大的困难，国际高端冲床滑块行程次数可达35m 次/min.而国内冲床冲速普遍不足1200次/min 国内高速级进冲压技术尚有诸多关键技术有待突破本研究针对不同外形轮廓的冲裁件，从优化冲裁间隙以获取最小凸模应力，缓解精密高速冲压模具磨损的角度出发。探寻精密高速冲压模具的设计技术，并应用于实际端子零件的精密高速冲压领域。

高速冲栽过程中的受力分析

高速冲裁过程中模具与板材之间发生接触主要有四处

（1）凸、凹模端面与板材之间（2）凸、凹模侧壁与板材之间，〈3）板料断裂分离后，废料与工件之间 @推料过程中废料与模具侧壁之间。凸、凹模之间有间隙存在，凸模作用力Pp和凹模作用力Pd不重合必然产生使板料扭转的力偶。因此，凸、凹模模面与板材的实际接触面积仅局限在刃尖附近的狭窄面积内，如图1所示设该实际接触的狭窄带长度为假定作用其上的压力按直角三角形分布，则0和Pd 之间的距离为2b +c,在此实际接触的狭窄带区域内作用全部的冲裁力，板料将产生压缩变形，并产生塑性流动。流动材料与模具之间有了相对滑动，产生摩擦力。摩擦力的大小将取决于Pp、Pd和润滑条件即凸凹模间隙与材料厚度的比值（c/t0)，摩擦系数u1,u2,摩擦力的方向则取决于材料塑性流动的方向。

已有研究表明，增加润滑以减小刃口侧部摩擦力相当于减小作用于刃侧板料的拉应力，因而可以延迟裂纹的出现，并使圆角带减少及光亮带增多，同时，作用在模具刃口侧壁与端面上的摩擦力都将会导致模具磨损，但冲裁过程中凸模所受的侧压力远大于凹模因此凸模侧壁和端面最容易发生磨损，而且模具磨损与模具内应力存在一定的线性关系。本研究以高速冲裁过程中凸模的受力状态为研究对象以不同外形轮廓冲裁件的最小凸模内应力为优化目标，最终获取合理的非均匀冲裁间隙，并经试模验证。

冲裁间隙对凸模内应力的影响规律

冲裁间隙对凸模内应力的影响曲线〈材料为AISI 1010，料厚为0，8mm，冲压速度为600次/min〉如图2所示。从图中可以看出，随着冲裁间隙的增大，凸模内应力显著降低，但冲裁间隙继续增大到一定程度后，凸模内应力又逐渐升高，使得凸模内应力随着冲裁间隙的增加呈现出"V"形曲线，表明冲裁过程中存在合理的冲裁间隙范围，也使得获取最小凸模内应力为目标的冲裁间隙优化在理论上成为可能。

不同外形轮廓的冲裁间隙优化

一般冲裁件的冲裁轮廓可分为四种基本形状，圆、直边、圆角、矩形（直边+圆角）。为此，建立四种基本形状冲裁轮廓的有限元模型〈图3）进行不同冲裁间隙的数值模拟分析，以获取不同冲裁轮廓在不同冲裁间隙下的凸模平均应力水平。

模拟结果如图4所示，不同轮廓冲裁时，凸模平均内应力随冲裁间隙的变化曲线均呈现出"V"或"U" 状，表明不同轮廓冲裁时均存在合理的冲裁间隙，但实际冲裁件轮廓为此四种基本轮廓的若干耦合，且每种轮廓冲裁时最佳间隙各不相同，如何实现复杂轮廓的冲裁间隙优化，才是精密高速冲压企业实际生产所需求的。

非均匀冲裁间隙设计及试模验证

从前期模拟分析的结果及非均匀冲裁间隙的设计思想出发，完成如图5所示的冲裁件模具设计〈板料为AISI 1010，料厚为0．8 mm)

不同量产阶段的冲裁凸模磨损情况，如图6所示。从图中可以明显看出，采用非均匀间隙冲裁的凸模其磨损情况较传统的均匀间隙冲裁有了明显的改善初步验证其正常使用寿命可提高3倍以上。

结束语

通过模具与板料的摩擦力分析，确定了凸模刃口部位最易发生磨损失效，而凸模磨损与冲裁过程中凸模内应力存在一定的线性关系。本文借助数值模拟得出不同外形轮廓的冲裁件在不同冲裁间隙时各自的凸模平均内应力，探讨复杂轮廓冲裁件的冲裁间隙与凸模内应力内在的联系，最终提出基于最小凸模内应力的非均匀冲裁间隙优化设计思想，并经实验验证可显著提高模具的使用寿命。