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图1所示厚板零件料厚4.5mm，材质为65Mn。在冲压工艺中，通常板料厚度≤1.0mm称为薄板；厚度在1.0~4.0mm称为中厚板；厚度≥4.0mm称为厚板。该零件料厚4.5mm，属于厚板范畴，采用常规冲压工艺生产，其剪断面上呈现不同断面的特征非常明显。

图1零件

零件冲压工艺分析

图2剪口断面上的4个特征区间

在常规冲裁过程中，随着材料的逐渐分离，零件剪口处的材料存在3个变形阶段：弹性变形、塑性变形、撕裂变形；相应的在剪口断面上通常呈现4个特征区间：圆角带、光亮带、断裂带、毛刺带，如图2所示。因此采用常规冲裁间隙进行冲压时，不同料厚处的断面特征区各有特点。该零件原制造工艺方案为：冲压、去毛刺、机加工（铣、磨削），其中模具采用常规冲裁结构。常规模具制造简单，生产、维护方便，可进行厚板冲裁，但零件的断面质量很不稳定。由于该零件材料为65Mn，其抗剪强度、硬度较普通碳素钢高，当采用传统常规模具结构，并按正常间隙（双边间隙按料厚的12%～15%取值）进行冲裁时，先用5.0mm厚度的板材进行冲裁，再通过铣削、磨削机加工方式，尽可能消除厚度方向上的圆角带及毛刺带，达到零件4.5mm厚度要求。采用这种工艺生产，在厚度剪断面上，圆角带占料厚的1/6～1/7；光亮带适中，占料厚的1/3～1/4；断裂带占料厚的1/2～4/7，与料厚方向的夹角较小。生产一段时间后，零件毛刺带较严重，占料厚的1/7～1/8，成为零件主要质量控制点。零件冲裁后，需对其圆角带及毛刺带正反两面机加工至尺寸要求。采用传统结构模具，在kN压力机上生产时，机床需承受较大载荷，其周围伴有较大震动，冲压时产生的噪声相当大，而且存在一定的安全隐患。经与客户协商，对模具结构进行改进，按大冲裁间隙（双边间隙按料厚的18%～20%取值）进行冲压，这样冲压设备所受载荷减轻，机床周围振动减弱。采用大冲裁间隙模具，从零件厚度断面看，圆角带增大，占1/4左右；光亮带略有减少，占1/4～1/5；断裂带增大，占4/7～5/7，与料厚方向的夹角有较明显增大倾向；毛刺带比原来要小，用砂带稍磨即可满足客户需求；零件冲裁后，只需对圆角带一面机加工至尺寸要求即可。从生产成本分析，由于机加工的便捷性及冲压环境的改善，模具产能较原来高10%~15%。然而，随着客户对零件质量要求的提高及产量的扩大，需要尽可能提高零件断面质量。经与客户多次技术探讨及反复验证，对该零件直接采用4.5mm厚板料、小间隙的精密冲裁模进行生产，可达到客户对零件断面质量的要求。

精密冲裁模结构分析

图3模具结构

1.下推板2.下模座3.下模板4.下限位块垫块5.下限位块6.凸模垫板7.凸模固定板8.凹模9.导柱10.上限位块11.齿圈压板座12.齿圈压板13.上模板14.上模座15.上推板16.凸凹模垫板17.上连接推杆18.上推杆19.上推杆20.凸凹模21.齿圈限位柱22.上模板导套23.齿圈压板座导套24.齿圈限位块25.圆柱销26.弹顶销27.凹模顶件板28.螺钉29.凸模30.凸模31.下推杆

图4精密冲裁模三维图

图3为精密冲裁模结构，图4为精密冲裁模三维图。模具为倒装结构，上、下模的双边冲裁间隙为0.01mm。模具预压过程当压力机滑块带动上模下行时，压力机内的上液压缸顶杆顶在上推板15上，将轻微的压力通过上连接推杆17作用于齿圈压板12和凸凹模内的上推杆18、19上。上模继续下行，齿圈压板12上的齿圈压在厚板材料上，在其表面形成浅齿痕。上模继续下行，齿圈压板在齿圈的作用下，一方面继续在厚板上加深齿痕；另一方面材料的变形抗力通过齿圈压板及上连接推杆17反作用于上推板15，并传递至压力机内的上液压缸。上液压缸设定的压力逐渐加大至预设压力，此时齿圈压板上的齿圈逐渐全部压入材料，板料在齿圈的作用下产生压缩应力。由于齿圈压板的齿圈部分存在高低差，板料上齿圈内压应力要远高于齿圈外压应力。压制工作过程压力机在预压阶段结束后，经短暂停留后继续下行，上推板在事先设定的压力值下施加压力，通过齿圈压板及上推杆18、19将压力作用到板料上，凸凹模20则将齿圈压板内受压的板料挤入到凹模中。压力机下液压缸对下推板1施加压力，经下推杆31传递到凹模顶件板27上。下模的凸模29、30将进入凹模内的板料反向顶入到凸凹模内，这样上、下模间的板料全部处于巨大的压应力下。由于模具采用小间隙冲裁，按照精冲模冲压工作原理，处于三向压应力状态下的板料，在压力机预设定的差动压力（机械压力、上液压缸预设压力、下液压缸工作压力形成的压力差）下有序分离。搭边料留在齿圈压板12与凹模8之间，卡在凸凹模上；半成品工件留在凸凹模与凹模顶件板之间，卡在凹模与凸模29、30上；冲孔的废料分别留在凸模29和上推杆19、凸模30和上推杆18之间，并卡在上模的凸凹模内。这一过程中，厚板材料随压力机下行直至成形出完整零件。经短暂停留，机床上的上、下液压缸分别卸载，厚板材料的压制分离结束。回程工作过程压力机进入回程阶段，在下液压缸卸料压力、凸凹模回程压力共同作用下，通过下推杆推动凹模顶件板，将零件从凹模和凸模29、30上推出，下液压缸卸载卸料压力；凸凹模随压力机上行，卡在凸凹模外面的废料及凸凹模内部的圆孔废料，在上液压缸预设的卸料压力下，由齿圈压板和上推杆18、19分别推出。上模继续上行至机床行程结束。经过预压、压制、回程过程，一个零件完整的精冲过程完成。通过多次试验，发现零件剪断面上的圆角带与毛刺带，在一定的模具参数、材料强度下，与施加在上推板、下推板上的压力有密切关系。当凸凹模和凹模刃口处的压应力与材料剪切强度相匹配时，零件断面的圆角带很小，毛刺带也很小。图5为精密冲裁模实物，图6为精密冲裁后的零件剪断面效果图。

图5精密冲裁模实物

图6精密冲裁后的零件剪断面效果图

对比工艺改进后的生产条件，由于新工艺采用压力机与精冲模组合进行生产，不会因较大的金属冲击和能量积聚后突然释放而产生振动。在工作过程中，压力机将板料在上、下模之间压合时，有一个相对明显的能量成对积聚过程，由于小间隙精冲模与常规冲裁模在变形机理中存在较大差异，在材料分离的时间段内，能量成对增长与释放，直至板料完全成形。机床上、下液压缸的压力有一个渐变过程，所积聚的能量再释放时，会产生相对沉闷的振颤声，相比常规冲床冲压时产生的明显振动，生产操作人员更加适应。在模具选材方面，由于凸模主要受压力与卸料力，选用Cr12MoV模具钢并热处理至56~58HRC；上、下推板与上、下推杆等主要受压力件选用碳素工具钢T10并热处理至51~53HRC；上、下安装板与上、下模板等结构件，选用45钢并热处理至28~32HRC；凸凹模垫板、凸模垫板选用Cr12并热处理至38~43HRC，凸模固定板选用Cr12，不作热处理。凸凹模、齿圈压板、凹模等模具零件，如选用SKD-11材料，受热处理等条件的影响，生产过程中会出现爆裂及崩口现象，根据其产量要求及受力复杂的特点，选用新型模具材料XW-5，并热处理至58~60HRC。经试验，XW-5综合性能优于SKD-11，符合精冲模的生产要求。

▍原文作者:束国栋，张维光

▍作者单位：丹阳市丹润金属制品有限公司；江苏科技大学

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