鋁板模具中鋁屑的治理與維護(hù)

文／劉俊坤·北京奔馳汽車有限公司

根據(jù)多個(gè)車型鋁板零件新項(xiàng)目生產(chǎn)爬坡階段的模具維修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以及投入到序列化生產(chǎn)過程中鋁板模具的生產(chǎn)表現(xiàn)，充分分析總結(jié)鋁屑的產(chǎn)生原因和修理方案，明確修理流程并探討線下的模具維護(hù)和保養(yǎng)，前期進(jìn)行預(yù)防性刃口精確修理，做到鋁屑的防、治結(jié)合，雙管齊下，減少生產(chǎn)停機(jī)和返修，提高鋁板生產(chǎn)效率，為鋁板模具修理的持續(xù)性改善提供基礎(chǔ)。

鋁板和鋼板存在先天的材料性能差異，鋁板材料的硬度遠(yuǎn)低于鋼板，也導(dǎo)致鋁板表面更加容易出現(xiàn)坑包缺陷；另一方面，鋁板修邊容易產(chǎn)生鋁屑，鋁屑重量比鐵屑要輕很多，在高速沖壓生產(chǎn)過程中，更容易被負(fù)壓吸進(jìn)模具型腔里面，造成零件表面硌傷缺陷。這使得在零件的生產(chǎn)過程中，零件返修占比不斷提高，為高效率生產(chǎn)帶來很大的挑戰(zhàn)。為了保證生產(chǎn)效率和降低返修率，減少鋁屑的產(chǎn)生和零件表面硌傷就成為一項(xiàng)重點(diǎn)課題。本文從現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)作為入口，同時(shí)結(jié)合模具結(jié)構(gòu)等方面因素分析鋁屑產(chǎn)生的原因，對應(yīng)的制定出有效的解決措施，提高了鋁板生產(chǎn)效率。

板料沖裁機(jī)理介紹

正常修邊狀態(tài)下，板料的沖裁斷面存在三個(gè)特征區(qū)：塌角帶、光亮帶、斷裂帶(理想狀態(tài)無毛刺)。沖裁斷面如圖1 所示。

圖1 沖裁斷面圖

由于板料的沖裁過程中，從鑲塊刃口接觸板料開始，根據(jù)材料的變形和破壞機(jī)理分為3 個(gè)過程：彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段。光亮帶產(chǎn)生于材料發(fā)生塑性變形階段，當(dāng)修邊鑲塊刃口切入板料后，板料與刃口的立面擠壓而造成光亮帶。鋁屑的產(chǎn)生與沖裁斷面的光亮帶狀態(tài)、以及板料斷面與刃口立面剮蹭有著直接關(guān)系。

鋁屑種類分析統(tǒng)計(jì)

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，對生產(chǎn)中常見鋁屑的類型進(jìn)行初步分類歸納，主要有以下四種常見類型。

冷壓焊：冷壓焊周期性剝落造成(圖2)。

圖2 冷壓焊鋁屑

片狀鋁屑：板料斷面上的微粒被刮落或斷裂縫不受控制的延伸造成(圖3)。

圖3 片狀鋁屑

針狀鋁屑：上刃口將細(xì)長鋁屑從光亮帶和斷裂帶分界處刮落或毛刺在回彈時(shí)掉落(圖4)。

圖4 針狀鋁屑

粉末狀鋁屑：粉末狀微粒在切面產(chǎn)生(圖5)。

圖5 粉末狀鋁屑

產(chǎn)生原因分析

板料符型相關(guān)

板料符型差、壓料不實(shí)，修邊時(shí)板料竄動，修邊后板料回彈，板料斷面與刃口側(cè)壁刮蹭，產(chǎn)生不規(guī)則碎屑。板料符型區(qū)見圖6。

圖6 板料符型區(qū)

修邊刃口相關(guān)

⑴修邊刃口垂直度差(圖7)，常見狀態(tài)俗稱“鼓肚”、“倒掃”，切斷后上模刃口與板料發(fā)生擠壓，板料邊緣先是被擠出毛刺，然后斷裂成片狀碎屑。

圖7 修邊刃口垂直度差

⑵修邊刃口立面粗糙(圖8)，修邊過程中立面與板料刮蹭，掉落微粒鋁屑。

圖8 刃口立面粗糙

⑶刃口不鋒利(圖9)，切斷時(shí)撕扯產(chǎn)生不規(guī)則鋁屑。

圖9 刃口不鋒利

⑷刃口刃入量過多(圖10)，增加立面與板料斷面的刮蹭距離，增加鋁屑產(chǎn)生的可能性。

圖10 刃入量過多

⑸刃入時(shí)機(jī)不一致(圖11)，發(fā)生剪切動作，極易產(chǎn)生鋁屑。

圖11 刃入時(shí)機(jī)不一致

沖孔和其他相關(guān)

⑴沖孔偏離中心，局部間隙不均勻(圖12)產(chǎn)生鋁屑，與修邊間隙不良原理相似。

圖12 沖孔間隙不均勻

⑵刃口背面與板料干涉(圖13)，導(dǎo)致板料變形，修邊狀態(tài)差而導(dǎo)致鋁屑產(chǎn)生。

圖13 刃口背面干涉

⑶少數(shù)情況下，雙面切斷(圖14)導(dǎo)致中間出現(xiàn)料片脫落。

圖14 雙面切斷

減少鋁屑的措施

想要做好鋁屑修理工作，首先要將模具的基礎(chǔ)工作做到位，其中首先要關(guān)注以下相關(guān)的問題。

板料符型與壓料優(yōu)化

⑴板料與凸模和壓料器的充分符型：在模具制造階段，修邊工序凸模可采用成形穩(wěn)定后的拉延工序件，進(jìn)行逆向掃描加工，前期做好符型工作。

⑵修邊壓料狀態(tài)：壓料器邊緣的位置距離刃口邊緣0.5mm；壓料面積盡可能小，末端距離刃口邊緣15 ～20mm 即可。

修邊刃口優(yōu)化

⑴修邊刃口的垂直度要保證，盡量減少刃口立面的刮蹭；修邊刃口立面表面粗糙度很重要，即便發(fā)生刮蹭，立面光潔的情況下也不易產(chǎn)生刮蹭鋁屑。

⑵刃口保持鋒利，保證刃口刃入時(shí)板料的塌角情況，進(jìn)而改善切斷的狀態(tài)。

⑶刃口間隙(板厚10%±3%)要合適，控制光亮帶占沖裁斷面1/3 左右為佳。

⑷減少刃入量，在保證切斷順利的情況下，減少刃入量(2 ～3mm)，減少刃口立面刮蹭鋁屑。

⑸刃口表面做DLC 處理，可以降低刃口表面粗糙度、增加硬度，同時(shí)具有疏鋁特性，減少鋁屑粘附。

學(xué)案導(dǎo)學(xué)教學(xué)中的導(dǎo)即開導(dǎo)、啟迪之意，導(dǎo)學(xué)不是傳統(tǒng)教學(xué)意義上的輔導(dǎo)教學(xué)，這里的導(dǎo)學(xué)是以學(xué)案為依托、以素質(zhì)教育為指導(dǎo)、以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為目的，對學(xué)生的導(dǎo)思、導(dǎo)讀、導(dǎo)練的過程。

⑹刃入時(shí)機(jī)匹配好，盡量同時(shí)刃入，避免剪切的情況發(fā)生。

沖孔和其他優(yōu)化

⑴沖孔對中：沖孔要保證對中，并檢查板料孔周圍的斷裂帶情況，避免沖孔間隙不均勻，產(chǎn)生局部鋁屑和冷焊鋁瘤。

⑵刃口背面避空：工序件表面涂紅丹，確認(rèn)切邊刃口背面干涉情況，如有干涉區(qū)域則需要做避空處理。

⑶雙面切斷：雙面切斷時(shí)，上下模刃口需選擇一面做鈍化處理。

鋁板模具針對鋁屑預(yù)防性設(shè)計(jì)

前期設(shè)計(jì)階段充分考慮可以減少鋁屑發(fā)生的理論可能，并在模具設(shè)計(jì)制造過程中進(jìn)行采用和實(shí)驗(yàn)，前期結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間要比后期維修更有余量。

拉延工序設(shè)計(jì)優(yōu)化

拉延筋在廢料刀處做斷開處理(圖15)，避免筋槽位置立切產(chǎn)生不可控的鋁屑。

圖15 拉延筋斷開

修邊工序設(shè)計(jì)優(yōu)化

⑴修邊角度控制在15°以內(nèi)。

⑵廢料盡可能大，在允許的范圍內(nèi)通過減少廢料的數(shù)量減少廢料刀的設(shè)置。在模具空間充足的情況下，優(yōu)選大塊廢料滑落后的二次切斷，讓鋁屑遠(yuǎn)離型面減少硌傷零件的風(fēng)險(xiǎn)。

⑶沖頭選用經(jīng)DLC 處理的型號，以保證沖頭的耐久性和立面表面粗糙度。

⑷盡量避免采用無壓料的修邊，由于無壓料情況下板料很難控制。

⑸非工作區(qū)域的壓料器盡量避空，減少不必要的硌傷。

⑹上模切邊鑲塊的刃口立面做－2°傾斜處理，避免碎屑堆積，減少立面刮蹭。

刃口修理新措施

低本高效的輔助工具

通過Quick-Boy 輔助工具(圖16)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制垂直，配合專屬磨頭，可以有效提高刃口垂直度且節(jié)省刃口修理時(shí)間。

圖16 Quick-Boy 輔助工具

高質(zhì)量數(shù)控：仿形磨

數(shù)控仿形磨工藝(圖17)，具有“先裝配后加工”的特性，先將下模刃口使用數(shù)控銑床加工到位，上模刃口只做粗加工后再裝配。裝配后安裝于壓機(jī)上，此時(shí)通過仿形完全參照下模刃口的實(shí)際情況去匹配加工上模，可以消除導(dǎo)向元件與壓機(jī)的外在因素對刃口精度的影響，高質(zhì)量保證刃口間隙。

圖17 數(shù)控仿形磨

線上鋁屑抑制

噴切削油抑制

噴切削油(圖18)：線上生產(chǎn)時(shí)，由于上模刃口難免會粘連鋁屑，后期會不規(guī)律飄落至型面容易造成零件硌傷。為此線上生產(chǎn)時(shí)，可以在生產(chǎn)過程中規(guī)定沖次后，對上模刃口修邊區(qū)域和立面噴切削油，有效地使上模刃口鋁屑凝聚后再墜落，不至于落入型面。

圖18 噴切削油

鋁屑收集引導(dǎo)

設(shè)置鋁屑收集引導(dǎo)裝置(圖19)，在設(shè)計(jì)初期或調(diào)試階段，對難以消除的鋁屑多發(fā)位置，設(shè)置專用的氣動鋁屑吸引收集裝置，并將鋁屑集中導(dǎo)出至廢料坑中。

圖19 鋁屑吸引管

線下模具維護(hù)保養(yǎng)方法的探索與實(shí)踐

增加模具清潔頻次

生產(chǎn)中鋁屑高發(fā)的情況下，每批次修邊工序開模檢查模具并清潔殘余鋁屑，能有效保障生產(chǎn)穩(wěn)定性，但線下工作量較大。

涂黃油粘附鋁屑

在下模刃口的刃入量以下區(qū)域涂抹黃油，粘住生產(chǎn)過程中的修邊鋁屑，防止鋁屑被吸入型腔內(nèi)造成二次硌傷。

結(jié)束語

鋁屑鉻傷是鋁板零件生產(chǎn)過程中繞不過去的難題，要想減少鋁屑硌傷，需要從前期設(shè)計(jì)時(shí)增加相應(yīng)的考慮：要把模具基礎(chǔ)做牢靠，刃口的垂直度、表面粗糙度、間隙大小等模具基礎(chǔ)狀態(tài)至關(guān)重要；具體情況具體分析，遇到某些部位難以治理的情況，要充分考慮利用特別的解決方法。以某車型翼子板為例，在模具投產(chǎn)初期零件一次合格率(FTC)僅為47.5%，經(jīng)過對鋁屑發(fā)生位置的摸底排查，再分析具體的發(fā)生原因，從模具基礎(chǔ)工作入手，綜合鋁板特需的保養(yǎng)及維護(hù)方法。經(jīng)過三個(gè)月的努力，零件一次合格率上升至96.5%，可以為公司節(jié)省大量的時(shí)間和返修成本，同時(shí)也為以后鋁板新項(xiàng)目開發(fā)制作提供了有用的經(jīng)驗(yàn)。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，也許鋁板也會成為過去時(shí)，會有更新更好的材料應(yīng)運(yùn)而生，以后的沖壓生產(chǎn)制造也會更有挑戰(zhàn)和樂趣，現(xiàn)階段我們?nèi)孕璨粩嗟靥岣咪X板的生產(chǎn)技術(shù)，期盼著沖壓越來越穩(wěn)定高效。