沖壓模具產(chǎn)生鐵屑問(wèn)題的解決方法

李佳俊，董碧寧

河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心（河北保定 071000）

1 引言

在沖壓件生產(chǎn)過(guò)程中，主要影響生產(chǎn)直通率的問(wèn)題就是高點(diǎn)、凹坑，直接造成的是制件的返修返工，增加人工及能耗成本，為了快速推進(jìn)直通率的提升，對(duì)高點(diǎn)的墊料雜質(zhì)進(jìn)行了分析研究，如圖1所示（雜質(zhì)類(lèi)型占比圖）。

通過(guò)圖1分析得出結(jié)論：鐵屑占比在75%，是高點(diǎn)墊料雜質(zhì)中的主要物質(zhì)。

圖1 雜質(zhì)類(lèi)型占比圖

2 產(chǎn)生鐵屑的位置

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)地現(xiàn)物確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)在第二工序模具刃口及廢料剪切部位有大量鐵屑，經(jīng)取樣與造成高點(diǎn)的鐵屑形態(tài)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本相同。因此確定造成制件高點(diǎn)的鐵屑來(lái)自第二工序模具板料剪切部位，如圖2所示。

圖2 鐵屑產(chǎn)生位置

3 鐵屑進(jìn)入模具的原因

隨著模具上模向上運(yùn)動(dòng)，模具內(nèi)部氣壓下降，空氣變稀薄，形成負(fù)壓區(qū)，空氣由于氣壓差補(bǔ)償，外部空氣流入模具內(nèi)部，氣流就會(huì)把板料剪切部位產(chǎn)生的鐵屑吸入到模腔內(nèi)，污染了模腔型面，如圖3所示。上模運(yùn)動(dòng)速度越快，負(fù)壓形成越快、壓力越強(qiáng)，空氣流動(dòng)越快。因生產(chǎn)效率的提升，上模具運(yùn)動(dòng)速度隨之增加，因此負(fù)壓無(wú)法減小或避免。

圖3 模具工作運(yùn)轉(zhuǎn)圖

4 鐵屑產(chǎn)生及解決思路

4.1 板料剪切過(guò)程機(jī)理分析

板料剪切過(guò)程共分為3個(gè)階段：

（1）彈性形變階段：凸模擠壓板料，使之產(chǎn)生局部彈性拉伸和彎曲變形，如圖4a所示。

（2）塑性變形階段：塑性變形階段當(dāng)板料變形區(qū)應(yīng)力滿(mǎn)足屈服條件時(shí)，便形成塑性變形，材料擠入凹模，并引起冷變形強(qiáng)化，如圖4b所示。

（3）斷裂分離階段：斷裂分離階段隨著凸、凹模刃口的繼續(xù)壓入，上下裂紋延伸，以至相遇重合，板料被分離，如圖4c所示。

圖4 板料剪切階段

板料剪切后得到的斷面并不是光滑而垂直的，而是在斷面上形成了4個(gè)特征區(qū)，如圖5所示。

圖5 剪切斷面圖

①塌角區(qū)：由于凸模與凹模有間隙，材料在塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)材料產(chǎn)生拉扯作用，刃口側(cè)面的材料因受拉應(yīng)力較大形成圓角。材料的塑性越好、凸模與凹模的間隙越大，塌角將越大。

②光亮帶：依靠材料的塑性變形而形成的很光滑的表面，是最理想的沖裁斷面。材料的塑性越好，裂紋將推遲產(chǎn)生，光亮帶也就越寬。此外，凸模與凹模的間隙及刃口的磨損程度等因素對(duì)光亮帶的大小及其分布有較大的影響。

③斷裂帶：由主裂紋貫通型面形成的表面十分粗糙的撕裂面。材料塑性好時(shí)，光亮帶較寬，斷裂帶的寬度便相應(yīng)的減小。

④毛刺：毛刺是由于裂紋在刃口的側(cè)面而自然形成的，毛刺影響沖裁件的外觀、手感和使用性能，脫落后形成鐵屑。

因此，在板料剪切后斷面上形成的4個(gè)特征區(qū)有以下特點(diǎn)：①材料的塑性越好、凸模與凹模的間隙越大，塌角將越大；②材料的塑性越好，裂紋將推遲產(chǎn)生，光亮帶也就越寬；③凸模與凹模的間隙及刃口的磨損程度等因素對(duì)光亮帶的大小及其分布有較大的影響。

4.2 板料剪切部位質(zhì)量提升

為了提升剪切質(zhì)量，減少板料鐵屑產(chǎn)生，將從凸模與凹模的間隙、刃口磨損程度、廢料刀與凸模間隙等3個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防及改善。

4.2.1 凸模和凹模間隙控制

（1）刃口間隙不合理，理論間隙合理值應(yīng)為5%～8%的料厚，沖壓外板件料厚為0.7mm，間 隙 應(yīng) 為 0.035～0.056mm，如圖6所示。

a.間隙大：材料上下產(chǎn)生的裂紋不重合，材料中的拉應(yīng)力將增加，使拉伸斷裂過(guò)早發(fā)生，因而使塑性變形較早結(jié)束，光亮帶窄，斷裂帶、圓角帶增寬，毛刺較大，沖裁件斷面質(zhì)量較差。

b.間隙?。荷舷铝鸭y之間的材料隨著沖裁的進(jìn)行將被第2次剪切，在斷面上形成第2光亮帶，該光亮帶中部有殘留的斷裂帶。凸凹模刃口間隙過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)形成鐵屑。

控制方法：①將修邊模具壓料芯取出，模具上到研配機(jī)上，凸模涂抹紅丹粉，輸入生產(chǎn)時(shí)使用的閉合參數(shù)，查看凹模刃口著色情況；②塞尺測(cè)量凸凹模間隙。

圖6 修邊處斷面圖

（2）凸模與凹模間隙不均勻，導(dǎo)致制件符型度不好，制件與模具型面不符型導(dǎo)致刃口工作時(shí)受力不均勻（見(jiàn)圖7），制件受力變形較大，剪切時(shí)產(chǎn)生鐵屑；同時(shí)可能出現(xiàn)偏位切斷產(chǎn)生鐵屑。

圖7 制件符型

控制方法：①第二工序制件涂抹紅丹粉，研配機(jī)上查看壓料芯著色情況；②第一工序制件涂抹紅丹粉，查看與凸模和廢料刀著色情況。

4.2.2 刃口磨損程度控制

主要從4個(gè)方面控制，分別為刃口垂直度、刃口吃入量、刃口硬度、刃口光潔度等4個(gè)方面。

（1）刃口垂直度。刃口正錐時(shí)，刃口為線接觸而非面接觸極易磨損，經(jīng)反復(fù)沖裁刃口磨損加大出現(xiàn)間隙不均勻?qū)е潞笃诘男捱呉桩a(chǎn)生鐵屑；刃口倒錐時(shí)，由于變形區(qū)屬于剪切、拉伸、彎曲、擠壓的組合變形，多余材料被廢料和凹模刃口向上剪切形成切屑。當(dāng)沖裁間隙很小時(shí)，形成毛刺，易掉落而產(chǎn)生鐵屑；同時(shí)出現(xiàn)負(fù)間隙，產(chǎn)生側(cè)向力擠壓刃口，加劇刃口的磨損后出現(xiàn)間隙不均勻，也易產(chǎn)生鐵屑。

控制方法：垂直刀一側(cè)涂抹紅丹粉，沿刃口滑動(dòng)，查看著色情況。

（2）刃口吃入量。外板件修邊輪廓線較長(zhǎng)并且有些復(fù)雜形狀，這樣對(duì)刀口垂直度要求非常高，如果刃口垂直度不當(dāng)，再?zèng)_壓量過(guò)大會(huì)造成斷面二次擠壓，最后結(jié)果將毛刺擠出粘結(jié)在刃口頭部，形成鐵屑。如圖8所示：①?gòu)U料與制件分離吃入量；②廢料刀與上模刀防干涉間隙；③廢料部分吃入量。

圖8 廢料刀區(qū)斷面圖

控制方法：吃入深度控制在2～3mm，依據(jù)刃口吃刀磨損痕跡，判定刃口吃入量。

（3）刃口硬度。刃口硬度不足體現(xiàn)的就是刃口變鈍成圓角后導(dǎo)致修邊切不斷、產(chǎn)生毛刺和擠壓鐵屑。

控制方法：刃口淬火后的硬度要求在55～65HRC，使用硬度計(jì)對(duì)刃口部位強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量并記錄。

4.2.3 刃口光潔度控制

刃口工作面光潔度差影響制件斷面質(zhì)量，刃口工作面與制件摩擦，上死點(diǎn)后將制件向下拉，下死點(diǎn)后將制件向上帶，導(dǎo)致修邊帶料或鐵屑的產(chǎn)生。

控制方法：刃口光潔度要求Ra0.8～1.6μm，使用粗糙度儀對(duì)模具刃口部位光潔度進(jìn)行檢測(cè)。

5 典型案例分析

案例一：對(duì)于修邊線上的廢料切斷凸模最容易產(chǎn)生三角形碎屑。解決方法：將切斷凸模的端尖在與板料接觸后先將板料刺破，從而避免產(chǎn)生撕裂碎屑，然后廢料凸模的兩條邊像兩把剪刀一樣分別將板料剪開(kāi)，減少?gòu)U料凸模對(duì)板料的撕拉，從而避免了三角形撕裂碎屑的產(chǎn)生。凸模端尖挑起的要點(diǎn)是一定要保證切邊處刃口要尖銳、鋒利，間隙不能太小，防止崩刃，如圖9所示。

案例二：條狀碎屑產(chǎn)生的主要原因是上凸模將板料刺破，廢料邊緣大于下模廢料凸模端面，廢料凸模將多余板料切斷（二次剪切）導(dǎo)致碎屑產(chǎn)生，碎屑被帶到模具內(nèi)產(chǎn)生壓印。

圖9 修邊刀改善前后對(duì)比

解決方法：根據(jù)此批的長(zhǎng)度將下模凸模做讓刀，消除二次剪切，解決刃口碎屑。禁止打磨廢料凸模端尖，同時(shí)應(yīng)上研配壓機(jī)試沖確認(rèn)狀態(tài)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該項(xiàng)目的研究，沖壓模具產(chǎn)生鐵屑的問(wèn)題控制方法強(qiáng)相關(guān)因素的標(biāo)準(zhǔn)化：凸凹模刃口間隙為料厚的5%～8%；模具刃口硬度要求56～65HRC；刃口粗糙度值要求Ra0.8～1.6μm；刃口吃入深度要求2～3mm；廢料刀與凸模間隙要求0.5～1.0mm；廢料刀消磁周期要求至少1次/年。

通過(guò)強(qiáng)相關(guān)因素的標(biāo)準(zhǔn)化，從根本上對(duì)沖壓模具生產(chǎn)鐵屑的產(chǎn)生原因有了清晰的認(rèn)識(shí)，掌握控制鐵屑產(chǎn)生具體的控制方法，對(duì)模具維修標(biāo)準(zhǔn)及其前期驗(yàn)收控制點(diǎn)有重點(diǎn)的借鑒點(diǎn)。