軟硬模輥式沖壓模具設計及工藝優化
2019-2-14 來源： 宜賓職業技術學院 作者：劉 勇
摘要: 軟硬模輥式沖壓模具解決了傳統鋼質模輥沖裝置存在的干涉問題，但在實際使用中仍存在諸多缺陷，如: 上下輥的易調節操縱性差、板料沖裁加工變形大等。結合沖壓模具的實際應用情況，對軟硬模輥式沖壓模具進行了結構改進和沖頭優化設計。優化調整了下輥高度的楔形機構，保證沖壓時的重疊量且更容易實現上下輥的水平度; 將輥式沖壓機上的平刃口圓柱沖頭改為中空內斜刃沖頭，減小了沖壓后產生的塌陷深度，提高了板的平整度。經計算仿真和實驗驗證，表明本文所提出的優化方案切實可行，能夠有效提高沖壓質量。
關鍵詞: 輥式沖壓模具; 楔形結構; 模具缺陷; 沖頭; 沖裁力
隨著工業產品質量的不斷提高，沖壓產品呈現出多品種、少批量、復雜化、精密化、更新換代快的特點，傳統的沖壓工藝越來越難滿足需求。
我國板材沖孔工業規模雖大，技術卻較落后，輥沖工藝的出現在很大程度上使當前沖壓技術得到了一定改善。
付建華等對輥式沖孔機的研究較多，其研究主要集中在上下輥模具齒輪咬合式的沖壓工藝，并對沖壓機的結構進行了設計與優化，對沖裁力、輥壓力、輥直徑等參數提出了理論的計算公式，還對凸模的形狀進行了優化分析。
但研究對象仍還是采用了傳統的鋼質模具，并沒有解決模具磨損問題，另外這種滾動沖裁帶來了機械干涉的問題，造成沖裁質量的下降。付志強對輥沖進行了研究，并將其研究成果與現有的輥彎成形生產線進行了有效結合。趙鵬展等設計研發了上模為鋼模、下模為聚氨酯橡膠軟模的軟硬模輥式沖壓機，該機器已能夠成功完成一定的沖孔工藝，所得沖壓件質量較高。
綜上研究成果，并結合部分大中型沖壓廠家在使用輥式沖壓中存在的不足，本文對軟硬模輥式沖壓模具進行了優化設計，并對其進行實驗驗證，為輥式沖壓新型工藝技術應用于輥彎成形生產提供一些參考。
1 、沖壓模具簡述
輥式沖壓模具結構主要由 3 部分組成: 喂料結構、沖裁結構及修整結構，其結構示意圖如圖 1 所示。
板材經喂料結構的傳遞和調整送達沖裁結構。為保證其水平度，3 部分結構理論上位于同一水平面上。沖壓工藝需在剪切區建立良好的水平靜壓狀態作為沖壓的必要條件，這一必要條件正是沖壓工藝的難點。
輥式沖壓原理為: 受剪件局部受剪變形但受整體不變形的制約，從而獲得剪切面而不出現撕裂面。
其沖頭與坯料局部接觸施壓，形成局部剪切狀態，隨著輥軸的旋轉，在剪切狀態下連續地完
成沖孔。
其沖裁結構與傳統鋼制模輥沖裝置存在顯著不同，具體構造如圖 2 所示。
上輥采用鋼質模，而下輥采用聚氨酯，高度調節采用楔形機構，實現上下輥重疊量的調整，調節螺栓在機座的內側。板材沖裁過后需要修整結構對其進行矯正，降低板材的變形量。
2 、模具缺陷分析與結構優化
沖壓模具在實際工作中，由于聚氨酯下輥的高度調節采用楔形機構，調節螺栓在機座內側，同時下輥高度的調節范圍也相當有限，使得調節起來非常不方便，甚至采用專用設備在實際操作過程中也很難調整至期望位置。為此，本文從實際使用的易操作性出發，對沖壓模具結構、沖壓工藝進行優化。
其中，模具結構的優化包括下輥高度調整機構優化和沖頭結構優化。
2. 1 下輥高度調整機構優化
設計下輥高度調整機構仍由 4 部分組成，包括上楔形塊、下楔形塊、楔形塊底座和楔形塊擋板。將調節螺栓由機座內側調整至機座外側邊，同時增大調節高度，這樣保證了沖壓時的重疊量，而且更容易實現上下輥的水平度，優化改進后楔形下輥高度調整機構中各組件設計圖如圖 3
所示。
其中，圖中所設計參數比改進前基礎上增大了約 20% 調節高度，其具體尺寸值僅作為參考。安裝時首先固定底座，再分別放置下、上楔形塊，最后用沉頭螺栓固定擋板 ( 具體使用螺絲的規格及數量，根據沖壓模具的實際使用情況確定) 。楔形機構的各參數根據使用設備情況設計，材質選取硬質鋼。同時，上下楔形塊的接觸面必須保證足夠的粗糙度。
圖 3 楔形機構改進后組件設計二維圖
2. 2 沖頭優化
目前，設備上的沖頭通常采用平刃口圓柱形狀，厚度一般為 5 mm。通過監測實際使用情況發現，傳統的上下往返式沖孔工藝，其沖頭的形狀會影響沖孔過程中的沖裁力和沖孔后板料的塌陷度。
結合工程實際，將沖頭采用兩種方案進行優化對比，然后根據仿真結果選取最佳方案。這兩種方案分別為橢圓相貫沖頭和內斜刃沖頭，如圖 4 所示。
首先求取在相同工況下沖孔過程中沖頭的沖裁力，由于仿真過程中沖頭的變形會耗散沖頭沖擊能，因此將沖頭設定為剛性材料; 工件設定為彈塑性材料，且材料參數按拉伸試驗測定值設定。通過有限元仿真反求，在平刃口圓柱沖頭載荷為 5436 N 的沖壓工況下，橢圓相貫沖頭的沖裁力為 6459 N，內斜刃沖頭的沖裁力為 6030 N。進一步求取沖壓過程中斷裂瞬間 3 種結構的沖頭變形量，即塌陷深度值。在上述反求得到的沖裁力作用下，材料參數同樣按上述反求沖裁力設置，進一步計算得到其變形位移云圖，如圖 5 所示。
圖 5 不同沖頭形狀的變形仿真結果
從仿真結果可以看出: 在相同工況下，采用圓柱沖頭沖孔時塌陷變形最大，深度值為 1. 5 mm; 采用橢圓相貫沖頭次之，最大塌陷量為 0. 9 mm; 當采用中 空 內 斜 刃 沖 頭 時， 其 塌 陷 變 形 最 小， 為0. 3 mm。由此不難看出，沖頭的形狀對沖孔效果的影響顯著。
將輥式沖壓機上的平刃口圓柱沖頭改為中空內斜刃沖頭，沖壓后產生的塌陷深度會大大減
小，同時也減小了碾平機架的工作負擔，板料的平整度會得到很大的提高。
2. 3 沖壓工藝優化及沖壓質量實測對比
為進一步對中空內斜刃沖頭方案進行試驗驗證，選取 Q195 鋼板作為試驗板材，其被試件參數為長2000 mm × 寬 100 mm × 厚 4 mm。為客觀評價其沖壓效果，沖壓的其他參數與試驗前實際使用的沖壓保持一致。
將沖壓工藝優化調整為: 首先將 3 機架上的上下輥輥縫調整至能使板料順利穿過，板料穿過碾平輥約 10 cm 左右; 同時，調整修整機架上輥高度，使其與下輥緊緊壓住板料; 然后調節楔形機構，即上升聚氨酯下輥，左右側同時調節，以保證水平度。
沖頭將板料咬入聚氨酯里一定量時為止，由于重疊量過大，當轉速較小時設備無法正常啟動，因此，調節該步驟中的重疊量時其值不宜過大，約 5 mm左右。最后調節咬入上輥，在保證左右無縫隙差的情況下，適當壓緊板料。
圖 6 模具優化前 ( a) 、后 ( b) 板料沖壓結果
圖 6 所示為模具優化前后板料沖壓結果。從被試件的沖壓結果中可以看出: 板料跑偏的問題得到很好地解決，同時沖不透的情況也有所改善，整個被試板料的彎曲度也大大降低。中間鑰匙形孔與兩側圓孔完全能夠被沖透，邊緣孔大多數能被沖透，僅有極少數孔未被完全沖透，但較優化之前的未沖透孔的數量要少很多。
同時，這些未被完全沖透的孔中，大部分是由于與板料有少量連帶所以落料未能順利掉下; 板料邊緣的折疊現象幾乎不存在。優化后被試件整體板料較優化前的彎曲度大大降低其平整度更好，這說明在沖壓過程中板料不均勻變形量得到了抑制。
3 、結論
( 1) 對沖裁機架上控制聚氨酯下輥高度的楔形盒機構進行改進設計，改善了調節方式，在滿足足夠壓下量的前提下，使得操作更為方便，同時增大了高度的調節范圍。
( 2) 在當前使用的平刃口圓柱形沖頭基礎上，優化設計了橢圓相貫沖頭和內斜刃沖頭兩種方案，并對其進行仿真對比，其結果表明: 在相同工況下，橢圓相貫沖頭的塌陷變形量要比平刃口圓柱形沖頭小，中空內斜刃沖頭塌陷變形最小，該沖頭方案能夠有效提高板料的平整度。
( 3) 將沖壓工藝進一步調整優化，進行試驗驗證，中空內斜刃沖頭較之原設計方案平刃口圓柱形沖頭，能夠有效解決板料跑偏的現象，同時沖不透的情況也有所改善，整個被試板料的彎曲度也大大降低，能夠顯著提高沖壓效果。
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