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浅析模具及冲压成形的稳定性

模具的设计与制造中,设计人员的经验与技能起到关键作用。设计合理与否,通过试模才能确认;而模具则需要通过多次试模及反复修改,才能最终完成。生产实践中,有些模具一旦投入到生产线上使用以后,却往往会产生各种问题,无法满足产品的生产要求或技术要求,造成生产线的非正常停工等,带来诸多不稳定因素。于是,如何提高模具的稳定性,成为模具制造企业面临的现实问题。

    模具及冲压成形的稳定性及其影响因素

    何谓稳定性?稳定性分为工艺稳定性和生产稳定性。工艺稳定性指满足生产合格产品具有稳定性的工艺方案;生产稳定性则指生产过程中具有稳定性的生产能力。

    由于国内的模具制造企业大多为中小企业,而且这其中的相当一部分企业,尚停留在传统作坊式的生产管理阶段,往往忽略了模具的稳定性,造成模具开发周期长、制造成本高等问题,严重制约了企业的发展步伐。

    先让我们来看看影响模具及冲压成形稳定性的主要因素,分别为:模具材料的使用方法;模具结构件的强度要求;冲压材料性能的稳定性;材料厚度的波动特性;材质的变化范围;拉伸筋阻力大小;压边力变化范围;润滑剂的选择。

    如何正确选材及实例

    众所周知,冲压模具所用的金属材料涉及到很多种类,由于模具中各种零件所起的作用不同,对其材料的要求和选用原则也不尽相同。因此,如何合理地选用模具材料,便成为模具设计中十分重要的工作之一。

    选用模具材料时,除了要求材料必须具备高强度、高耐磨性和适当的韧性之外,还必须充分考虑到被加工产品材料的特性与产量要求,这样才能达到模具成形的稳定性要求。

    而在实际操作中,由于模具设计人员倾向于凭个人经验选择模具材料,在冲压成形中往往会出现因模具零件的材质选用不当而导致的模具成形不稳定的问题。以下试举例说明。

    〔例〕在材料厚度为1.2mm(抗剪强度64kgf/mm2)的铁板上,加工一个直径为2.8mm的圆孔。

    ①冲剪力:P=Ltτ。其中,

    L:冲裁轮廓长度(mm)

    t:材料的厚度(mm)

    τ:材料的抗剪强度(kgf/mm2)d:凸模直径(mm)P=3.14×2.8×1.2×64=675kgf

    ②凸模刃口的应力:σS=4tτ/d。也即,

    σS=4×1.2×64/2.8=110kgf/mm2

    工具钢的疲劳特性

    如上图所示:当σS110kgf/mm2、选用凸模材料为SKD11,其冲次达到约9000冲次之时,凸模刃口就可能破损。而如若将材料更换为SKH51后,则可望令冲次提高到40,000冲次左右的水平。由此可见,在模具设计阶段,有必要对模具结构件进行必要的强度校核计算,而选用材料时则有以下注意事项:

    ①凸模承受的应力<凸模材料的许用压应力

    ②为提高凸模的抗弯强度,应选用弹性系数大的材质

    ③根据欧拉公式,进行稳定能力的校核

    综合权衡影响稳定性的各项因素

    值得注意的是,在冲压成形过程中,由于每一种冲压板材都有自己的化学成分、力学性能以及与冲压性能密切相关的特性值,冲压材料的性能不稳定、冲压材料厚度的波动、以及冲压材质的变化,不但直接影响到冲压成形加工的精度和品质,亦可能导致模具的损坏。

    以拉伸筋为例,其在冲压成形中便占据有非常重要的地位。在拉伸成形过程中,产品的成形需要具备一定大小、且沿固定周边适当分布的拉力,这种拉力来自冲压设备的作用力、边缘部分材料的变形阻力,以及压边圈面上的流动阻力。而流动阻力的产生,如果仅仅是依靠压边力的作用,则模具和材料之间的摩擦力是不够的。

    为此,还须在压边圈上设置能产生较大阻力的拉伸筋,以增加进料的阻力,从而使材料产生较大的塑性变形,以满足材料的塑性变形和塑性流动的要求。同时,通过改变拉伸筋阻力的大小与分布,并控制材料向模具内流动的速度和进料量,实现对拉伸件各变形区域内的拉力及其分布状况的有效调节,从而防止拉伸成形时产品的破裂、起皱,以及变形等品质问题。由上可见,在制定冲压工艺和模具设计过程中,必须考虑拉伸阻力的大小,根据压边力的变化范围来布置拉伸筋并确定拉伸筋的形式,使各变形区域按需要的变形方式和变形程度完成成形。

    如果作一总结,为了解决模具稳定性问题,需要从以下几方面严格把关:

    ①在工艺制定阶段,通过对产品进行分析,预知产品在制造中可能产生的缺陷,从而制定一个具有稳定性的制造工艺方案;

    ②实施生产流程的规范化、生产工艺的标准化;

    ③建立数据库,并不断对其总结优化;借助CAE分析软件系统,得出最优化解决方案。

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