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沖壓模具與五金沖壓穩定性分析


   沖壓模具的設計與制造中,設計人員的經驗與技能起到關鍵作用。設計合理與否,通過試模才能確認;而模具則需要通過多次試模及反復修改,才能最終完成。生產實踐中,有些模具一旦投入到生產線上使用以后,卻往往會產生各種問題,無法滿足產品的生產要求或技術要求,造成生產線的非正常停工等,帶來諸多不穩定因素。于是,如何提高模具的穩定性,成為模具制造企業面臨的現實問題。

   沖壓模具及五金沖壓的穩定性及其影響因素

   何謂穩定性?穩定性分為工藝穩定性和生產穩定性。工藝穩定性指滿足生產合格產品具有穩定性的工藝方案;生產穩定性則指生產過程中具有穩定性的生產能力。

    由于國內的模具制造企業大多為中小企業,而且這其中的相當一部分企業,尚停留在傳統作坊式的生產管理階段,往往忽略了模具的穩定性,造成模具開發周期長、制造成本高等問題,嚴重制約了企業的發展步伐。

    先讓我們來看看影響模具及五金沖壓穩定性的主要因素,分別為:模具材料的使用方法;模具結構件的強度要求;沖壓材料性能的穩定性;材料厚度的波動特性;材質的變化范圍;拉伸筋阻力大??;壓邊力變化范圍;潤滑劑的選擇。

    如何正確選材及實例

    眾所周知,沖壓模具所用的金屬材料涉及到很多種類,由于模具中各種零件所起的作用不同,對其材料的要求和選用原則也不盡相同。因此,如何合理地選用模具材料,便成為模具設計中十分重要的工作之一。

    選用模具材料時,除了要求材料必須具備高強度、高耐磨性和適當的韌性之外,還必須充分考慮到被加工產品材料的特性與產量要求,這樣才能達到模具成形的穩定性要求。

    而在實際操作中,由于模具設計人員傾向于憑個人經驗選擇模具材料,在五金沖壓中往往會出現因模具零件的材質選用不當而導致的模具成形不穩定的問題。以下試舉例說明

   〔例〕在材料厚度為1.2mm(抗剪強度64kgf/mm2)的鐵板上,加工一個直徑為2.8mm的圓孔。

 ①沖剪力:P=Ltτ。其中,

 L:沖裁輪廓長度(mm);

 t:材料的厚度(mm);

τ:材料的抗剪強度(kgf/mm2);d:凸模直徑(mm);P=3.14×2.8×1.2×64=675kgf

②凸模刃口的應力:σS=4tτ/d。也即,

σS=4×1.2×64/2.8=110kgf/mm2

工具鋼的疲勞特性

   如上圖所示:當σS110kgf/mm2、選用凸模材料為SKD11,其沖次達到約9000沖次之時,凸模刃口就可能破損。而如若將材料更換為SKH51后,則可望令沖次提高到40,000沖次左右的水平。由此可見,在模具設計階段,有必要對模具結構件進行必要的強度校核計算,而選用材料時則有以下注意事項:

①凸模承受的應力<凸模材料的許用壓應力

②為提高凸模的抗彎強度,應選用彈性系數大的材質

③根據歐拉公式,進行穩定能力的校核。

   綜合權衡影響穩定性的各項因

   值得注意的是,在五金沖壓過程中,由于每一種沖壓板材都有自己的化學成分、力學性能以及與沖壓性能密切相關的特性值,沖壓材料的性能不穩定、沖壓材料厚度的波動、以及沖壓材質的變化,不但直接影響到五金沖壓加工的精度和品質,亦可能導致模具的損壞。

   以拉伸筋為例,其在五金沖壓中便占據有非常重要的地位。在拉伸成形過程中,產品的成形需要具備一定大小、且沿固定周邊適當分布的拉力,這種拉力來自沖壓設備的作用力、邊緣部分材料的變形阻力,以及壓邊圈面上的流動阻力。而流動阻力的產生,如果僅僅是依靠壓邊力的作用,則模具和材料之間的摩擦力是不夠的。

為此,還須在壓邊圈上設置能產生較大阻力的拉伸筋,以增加進料的阻力,從而使材料產生較大的塑性變形,以滿足材料的塑性變形和塑性流動的要求。同時,通過改變拉伸筋阻力的大小與分布,并控制材料向模具內流動的速度和進料量,實現對拉伸件各變形區域內的拉力及其分布狀況的有效調節,從而防止拉伸成形時產品的破裂、起皺,以及變形等品質問題。由上可見,在制定沖壓工藝和模具設計過程中,必須考慮拉伸阻力的大小,根據壓邊力的變化范圍來布置拉伸筋并確定拉伸筋的形式,使各變形區域按需要的變形方式和變形程度完成成形。

   如果作一總結,為了解決模具穩定性問題,需要從以下幾方面嚴格把關:

   ①在工藝制定階段,通過對產品進行分析,預知產品在制造中可能產生的缺陷,從而制定一個具有穩定性的制造工藝方案;

   ②實施生產流程的規范化、生產工藝的標準化;

   ③建立數據庫,并不斷對其總結優化;借助CAE分析軟件系統,得出最優化解決方案。

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