精密箔墊沖裁成形模設(shè)計(jì)

李 楊， 曹立林， 薛秀秀

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司， 陜西 西安 710077）

1 工藝分析

圖1所示為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)中使用的精密箔墊零件，材料為PbSn4.5～2.5，厚度為0.05 mm，尺寸精度為1T14級(jí)，要求成形后表面無(wú)起皺、無(wú)起包、光潔平整。

圖1 箔墊零件

PbSn4.5～2.5材料首次在航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件上使用，由于其厚度薄且軟，剛性弱，容易出現(xiàn)折、皺、包、點(diǎn)等缺陷，用機(jī)械、電加工和常規(guī)沖壓均無(wú)法成形。對(duì)鉛錫合金類材料成形的研究是新課題，嘗試采用聚氨酯橡膠模予以解決[1,2]。

2 沖裁成形工藝

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

采用聚氨酯橡膠模成形剛性弱的PbSn4.5～2.5時(shí)，先將待成形的箔料放置在容框內(nèi)的聚氨酯橡膠上，然后將凸凹模輕放在箔料上，開啟壓力機(jī)，調(diào)整機(jī)床滑塊帶動(dòng)凸模沖出零件。此過(guò)程中聚氨酯橡膠表面有傷痕（無(wú)法避免）或在聚氨酯橡膠表面上存在異物都會(huì)在成形零件上留下包、麻點(diǎn)等缺陷；另外聚氨酯橡膠在工作過(guò)程中受壓變形，導(dǎo)致放置于表面的鉛錫合金箔料在摩擦力作用下也隨之變形，沖裁結(jié)束后聚氨酯橡膠恢復(fù)原有形狀，鉛錫合金箔料卻不能彈性恢復(fù)而在其表面形成褶皺。對(duì)上述缺陷的控制在國(guó)內(nèi)外的技術(shù)資料中均未見介紹，因此消除上述缺陷是沖裁成形技術(shù)的難點(diǎn)。

2.2 解決措施

基于上述理論分析，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，沖裁時(shí)在聚氨酯橡膠和沖切坯料間墊上一層輔助沖裁墊，此輔助墊具有一定剛性且易于沖裁，選用的是0.05 mm厚的鋁箔墊。增加輔助墊不但可以避免現(xiàn)有技術(shù)中聚氨酯橡膠因表面?zhèn)酆彤愇飳?duì)成形零件表面質(zhì)量的影響，而且能作為（相比聚氨酯橡膠）較鋒利的刃口對(duì)成形零件完成沖裁[3,4]，避免了成形零件外形和孔邊緣形成褶皺，模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未設(shè)置壓邊裝置，而是通過(guò)增大被剪材料與模板間的摩擦力，提升沖裁效果，模具結(jié)構(gòu)通用性好，沖裁不同結(jié)構(gòu)的零件時(shí)僅需更換凸凹模即可。

2.3 工作過(guò)程

將圖2所示模具上模座5安裝在壓力機(jī)滑塊上，下模固定在壓力機(jī)工作臺(tái)面上。當(dāng)壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行時(shí)，模板7進(jìn)入容框，坯料4和鋁箔墊9被凸凹模8壓住，鋁箔墊9另一面緊貼聚氨酯橡膠，且各處均受聚氨酯橡膠的單位壓力。當(dāng)壓力機(jī)滑塊繼續(xù)下行，聚氨酯橡膠迫使坯料4和鋁箔墊9沿凸凹模8內(nèi)外輪廓發(fā)生彎曲拉伸現(xiàn)象，并在凸凹模8刃口處產(chǎn)生壓痕，當(dāng)坯料4和鋁箔墊9受到橡膠剪切力超過(guò)其本身抗剪強(qiáng)度時(shí)，坯料和鋁箔墊沿刃口部位產(chǎn)生裂紋，緊接著分離，完成沖裁，剪切過(guò)程示意圖如圖3所示。

圖3 剪切過(guò)程示意圖

上述過(guò)程中鋁箔墊表面不會(huì)隨聚氨酯橡膠受壓變形，保證了鉛錫合金箔料表面的平整，另外放入鋁箔墊還可以避免聚氨酯橡膠表面?zhèn)酆彤愇飳?duì)成形零件表面質(zhì)量的影響。加鋁箔墊后，聚氨酯橡膠模成形的零件光潔平整，滿足質(zhì)量要求，還能作為（相比聚氨酯橡膠）較鋒利的刃口對(duì)零件完成沖裁。

3 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 聚氨酯橡膠

聚氨酯橡膠選用國(guó)產(chǎn)澆注型聚氨酯橡膠[5]，硬度為邵氏90～95 HA，抗拉強(qiáng)度為13～15 MPa，斷裂強(qiáng)度為45 MPa，斷裂永久變形為15%～18%，耐撓曲18萬(wàn)次無(wú)裂紋。橡膠壓縮量不宜大于30%，厚度取15～20 mm，壓入容框的過(guò)盈量為0.1～0.2 mm。

3.2 容 框

容框工作中受聚氨酯橡膠脹開力較大，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，以防模具工作時(shí)脹裂。容框口部倒R0.5～0.7mm，容框的型孔與橡膠大小一致，但要保證橡膠在型孔內(nèi)有0.1～0.2 mm的過(guò)盈量。

容框材料一般選45鋼，熱處理硬度為42～48 HRC，也可選用30CrMnSiA，壁厚取30 mm。

3.3 模 板

沖裁過(guò)程中為保證聚氨酯橡膠處于密封狀態(tài)，要嚴(yán)格控制模板與容框之間的間隙，以防聚氨酯橡膠從間隙中溢出，模板與容框的配合間隙單邊為0.2～0.3 mm。模板的另一作用是在沖裁過(guò)程中，坯料的余量部分被聚氨酯橡膠壓向模板并壓緊，此時(shí)模板與坯料之間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，以使刃口處坯料在較強(qiáng)的應(yīng)力集中下分離，為增大模板的摩擦力，在模板端面上車出深0.4～0.5 mm螺旋形溝槽，見圖2A處放大所示。

3.4 凸凹模

凸凹模刃口必須鋒利，周邊和內(nèi)型表面粗糙度為Ra0.8 μm，端面表面粗糙度為Ra0.4 μm，用碳素工具鋼T8A或合金工具鋼CrWMn制造，熱處理硬度為60～64 HRC[4]。

凸凹模刃口尺寸的設(shè)計(jì)與一般鋼制沖裁模有不同，落料外形尺寸決定于凸模刃口尺寸，沖孔孔徑尺寸決定于凹模刃口尺寸，所以凸凹模刃口尺寸按下式計(jì)算。

（1）以聚氨酯橡膠作凹模時(shí)落料凸模尺寸為：

（2）以聚氨酯橡膠作凸模時(shí)沖孔凹模尺寸為：

式中：Dp——凸?；境叽?，mm；dd——凹?；境?，mm；Dmax——零件最大極限尺寸，mm；dmin——孔的最小尺寸，mm；△——零件公差，mm；X——系數(shù)，取0.5～0.6；δp、δd——凸、凹模制造公差，mm，查《模具設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得。

最終經(jīng)過(guò)計(jì)算得出凸凹模設(shè)計(jì)尺寸，如圖4所示。

圖4 凸凹模

凸凹模高度H不僅影響沖裁完成情況，而且影響零件的成形質(zhì)量。H過(guò)高，成形零件會(huì)出現(xiàn)毛刺并和廢料粘連，不能沖切完成；H過(guò)低，使沖裁力增大，甚至難以完成沖切。生產(chǎn)實(shí)踐證明，H取5 mm較為合適，成形零件平整、無(wú)毛刺。

4 結(jié)束語(yǔ)

PbSn4.5～2.5材料沖裁模的特點(diǎn)是在聚氨酯橡膠上表面增加鋁箔墊，待沖切坯料置于凸凹模與鋁箔墊之間。由于聚氨酯橡膠在工作過(guò)程中受壓變形，導(dǎo)致放置于表面的鉛錫合金箔料在摩擦力的作用下也隨之變形，沖裁結(jié)束后聚氨酯橡膠恢復(fù)原有形狀，鉛錫合金箔料卻不能彈性恢復(fù)而在表面形成褶皺，在聚氨酯橡膠和沖切坯料間墊上一層輔助沖裁墊（鋁箔墊），鋁箔墊不會(huì)隨聚氨酯橡膠受壓變形而發(fā)生變形，保證了PbSn4.5～2.5箔料表面的平整，另外放入鋁箔墊還可以避免聚氨酯橡膠表面?zhèn)酆彤愇飳?duì)成形零件表面質(zhì)量的影響，增加鋁箔墊后，聚氨酯橡膠模成形的零件光潔平整，滿足質(zhì)量要求，還能作為（相比聚氨酯橡膠）較鋒利的刃口對(duì)成形零件完成沖裁，避免了零件外形和孔邊緣形成褶皺，起到二合一的效果。該模具結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，成形不同結(jié)構(gòu)的鉛錫合金箔墊零件時(shí)僅需更換不同的成形凸凹模即可。