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机械加工中存在部分超薄且质软的材料，在使用传统钢制模具加工时，由于零件材料超薄，要求凸模与凹模的间隙必须足够小，甚至接近无间隙冲裁，对模具设计与制造精度的要求均比较高。一种新型的高分子弹性材料——聚氨酯，因其较高的强度和优秀的耐磨性可承受凸模无数次的反复冲裁，还有良好的流动性可以解决无间隙冲裁的冲压工艺需求。聚氨酯模具已在冲压工艺中得到了广泛应用，但是在冲压过程中仍存在无法正常落料的现象，即零件与原材料无法正常分离。聚氨酯复合模使用聚氨酯代替了传统钢制凹模，由于聚氨酯的高强度与不可压缩性，当聚氨酯受到凸模挤压后，不可压缩的聚氨酯流入压套与凹模缝隙内，将材料在刃口处充分挤压，达到剪切效果。此种工艺方法理论上属于无间隙冲裁，不存在零件与原材料无法正常分离、毛刺高等现象，但在实际冲压过程中毛刺高、无法落料现象层出不穷。以下通过对聚氨酯模具结构、下料过程、模具设计及制造等方面进行分析探究，解决聚氨酯模具冲压过程中无法落料的问题。1聚氨酯模具结构与冲裁原理1.1聚氨酯模具与传统模具的区别结构方面聚氨酯模具与传统模具相比增加了压套、使用聚氨酯代替传统钢制凹模。压套的作用是聚氨酯受到凸模挤压时利用其良好的流动性，可被挤压到压套倒角的缝隙内（以下简称挤入深度），利用其较高的硬度将原材料挤压到凸模刃口使材料得到充分的挤压，达到剪切效果，如图1所示。图1聚氨酯模具结构物理特性方面聚氨酯具有不可压缩性和较高的硬度，受压后聚氨酯便向挤入深度内流动，产生压力而进行冲切。1.2聚氨酯下料过程聚氨酯下料过程：首先是凸模与压套同时下行，因凸模与压套存在间隙，故凸模先对原材料压紧，压套起到拉平原材料及挤压聚氨酯的作用。此时聚氨酯处于封闭状态，聚氨酯开始受压，材料的搭边被压套固定在容框的上平面，聚氨酯由于不可压缩的性能，受压后便往容框型腔和凸模的挤入深度内流动，产生压力，材料分离，如图2所示。图2下料原理2模具设计原理聚氨酯模具与传统模具相比在凸模增加了压套，使用聚氨酯代替传统钢制凹模，使用容框将聚氨酯固定在容框内，利用聚氨酯的不可压缩性进行零件冲裁。以下将从冲裁力设定、冲裁影响因素分析、压套设计、容框设计、聚氨酯选择、凸模与凹模配合6个方面进行分析。2.1冲裁力设定聚氨酯橡胶冲裁原理：容框内的聚氨酯橡胶受压时能像液体一样流动，因此根据帕斯顿原理和压强公式：冲裁力P=qF，其中，q表示压强或单位压力，即聚氨酯冲裁所需单位压力，MPa；F表示压力的作用面积，即容框内聚氨酯橡胶模垫的水平面积，mm2。原材料分离所需冲裁力：P=Ltτ，其中，L表示冲裁周边长度，mm；t表示冲裁板料厚度，mm，τ表示材料的抗剪强度，Pa，钢材的抗剪强度τ=（0.7~0.9）σb，其中，σb表示材料的抗拉强度。2个冲裁力相等的情况下，材料才可以分离，即qF=Ltτ，故q=Lτt/F。冲孔：q=4τt/d，其中，d表示直径，mm。冲裁带凸圆角和凹圆角：q=2Rtσb/H(2R±H)。冲直线段：q≈tσb/H，当圆角R趋向无限大时即为直线，因聚氨酯橡胶挤入深度H一般都较小（1~2mm），可将公式中（2R±H）H约去不计。2.2冲裁影响因素依据冲裁力计算可得出：除冲孔外，外形冲切材料的分离均与聚氨酯垫挤入深度H有关。（1）冲孔时与零件上孔的大小和形状有关。冲孔直径d越小，所需单位压力q越大；冲裁外形时与零件外形的复杂程度有关。（2）冲裁带凸圆角所需q较冲裁带凹圆角所需q小，宽度越小所需的单位压力q越大，所以冲裁窄条难度大。（）冲直线时聚氨酯垫挤入深度H。聚氨酯垫的挤入深度H和挤入宽度D与冲裁材料的相对伸长率（%）和原材料的搭边余量有关。因此，经过分析发现造成模具冲裁力不足的原因为聚氨酯垫的直径过小、压套过小、固定原材料时搭边余量过小等。除此之外，可能造成模具冲裁力不足的原因是聚氨酯垫的硬度不能达到设计所给的冲裁性能要求。2.容框设计容框的作用是使聚氨酯受上模挤压时产生较大且均匀的单位压力。将聚氨酯放置在容框内，容框需要承受聚氨酯受压后产生的压力，因此容框要有足够的强度，防止聚氨酯受力流动产生裂纹，并获得较好的剪切效果，保证整个冲压过程的安全性。常规容框材料选择普通碳素45钢，热处理硬度为28~2HRC。容框尺寸计算公式：D容框=D凸模+2Z，其中，Z为容框与凸模间的单面间隙，当材料厚度为0.05mm时，Z=1.5mm。D容框=D凸模+mm，因压套内部设计的倒角尺寸为2mm，得出容框尺寸应在凸模外径基础上增大至5mm。2.4压套设计依据冲裁力计算q=2Rtσb/H(2R±H)，该零件最大圆弧处约R8mm，经查询手册，原材料抗拉强度σb=MPa，材料厚度t=0.05mm，q≈7.5N（q不允许超过聚氨酯压缩量0%，厚度为25mm），得出H=1.95mm，利用H=2tanα，故α=45°，如图所示。图压套尺寸依据容框设计，容框尺寸应在凸模外径基础上增大5mm，因此考虑压套需要留0.5mm的宽度用来拉平原材料，则聚氨酯垫挤入宽度D为4.5mm。2.5聚氨酯垫厚度对超薄不锈钢材料进行外形及内孔的冲裁是研究难点，聚氨酯作为一种新型材料用于冲裁零件，更适合冲裁塑性差、强度小的原材料。因为聚氨酯具有较高的塑性、韧性与机械强度，但要对超薄且韧性强的材料进行无间隙冲裁，在复合模中除了选择更高硬度的聚氨酯，对聚氨酯垫厚度也有一定的要求，常规聚氨酯复合模对聚氨酯垫厚度要求为25mm。2.6压套与凸模的配合关系在聚氨酯模具冲裁过程中，压套的作用很关键。冲裁过程中，凸模首先对原材料进行压紧，压套拉平原材料并挤压聚氨酯，使聚氨酯流入压套与凸模间隙中，使零件与废料分离。因此凸模与压套必须存在一定间隙，常规推荐间隙为0.5mm。影响“吊料”的因素和优化措施“吊料”即冲裁过程中废料与零件无法完全分离的一种现象。通过以上分析并结合聚氨酯模具冲裁原理、结构设计、受力情况，从人员、设备、材料、设计4个方面分析初步判断模具无法落料可能与聚氨酯垫的挤入深度、挤入宽度及聚氨酯材料的选择三大因素有关，以下将对可能产生的因素进行优化并试验验证。.1聚氨酯垫的挤入深度挤入深度是压套与凸模刃口边缘的缝隙，聚氨酯垫在受到凸模挤压时流动到压套倒角缝隙里，将材料在刃口处充分挤压，达到剪切效果。挤入深度不足，缝隙过小致使聚氨酯无法流入，冲剪效果减小，因此需要适当增大挤入深度。将压套结构的倒角角度α改为45°，通过试验验证，“吊料”现象仍未解决。因此可以判断聚氨酯冲裁过程中的“吊料”现象与聚氨酯垫的挤入深度无关。.2聚氨酯垫的挤入宽度由于模具制造存在误差，各组件之间都有缝隙，现有模具压套较薄，致使原材料在刃口以外部分接近于光滑过渡，减弱水平方向的固定作用。因此适当增大压套宽度，使原材料在冲压时，对凸模外圈材料进行有效弯曲，增大材料在水平方向所承受的拉力，提高冲切效果。压套与聚氨酯接触面积过小会导致原材料搭边余量不足，原有压套宽度为2.5mm，除去压角要求宽度2mm，故压套与聚氨酯垫接触宽度为0.5mm。将容框尺寸在凸模外径的基础上增大至5mm，同时考虑压套需要留0.5mm的宽度用来拉平原材料，则聚氨酯垫挤入宽度D为4.5mm。通过试验验证，解决了聚氨酯的“吊料”现象。.聚氨酯选材因聚氨酯具有良好的流动性和较宽的硬度区间，如果硬度太低使其柔韧性增高，则材料在水平方向无法进行有效固定，垂直方向无法进行冲切。因此常规聚氨酯复合模对聚氨酯的硬度要求为邵氏硬度95HA，如果聚氨酯硬度过低，则无法产生足够的冲裁力，在冲裁过程中产生“吊料”现象。目前所使用聚氨酯经过硬度试验满足所使用模具的要求，同时使用不同硬度、不同材质聚氨酯进行试验分析，得出模具出现“吊料”现象与聚氨酯选材无关的结论。▍原文作者：王珍，周璞▍作者单位：中航西安飞机工业集团股份有限公司

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