普通液压机精冲模具凹模早期开裂的相关探究
（江苏省常熟职业教育中心校，江苏苏州，215500）
摘要：精冲是一种精密冲裁方法，与普通加工工艺相比具有无切削的特征。相比普通冲裁需要对板料撕裂的情况进行控制，精冲的区别在于对板料撕裂的控制，其过程中金属板料变形区自始至终处于塑性变形的状态，这一工艺在专用精冲机或普通液压机中均可进行，但均需要借助精冲模具。由于精冲生产过程中可能造成模具凹槽开裂的情况，最终影响到精冲加工的质量。基于此，本文将围绕普通液压机精冲模具凹模早期开裂进行相应探究。
关键词：液压机；精冲模具；凹模；开裂
引言：精冲工艺生产的零件在形状、尺寸的精度上均超过普通冲裁生产的零件，在零件表面与剪切面质量上也有更好的表现，这在很大程度上需要依赖精冲模具。精冲模具直接作用于零件的形成，因而精冲模具冲裁间隙、冲裁刃口形状、模具的加工使用性能、模具所用的材料在加工业普遍受到广泛关注。但由于精冲工艺涉及到的内容繁多，其凹模可能在各种因素的影响下出现开裂，从而影响到精冲零件的质量、参数及液压机的生产效率，因此对精冲模具凹模早期开裂的相关研究就显得十分重要。
1.有关精密冲裁技术的概念
1.1精密冲裁技术
作为一种精密冲裁方法，精冲的发展源自普通冲裁，且具有无切削的特质。两者的区别在于对板料撕裂的控制。精冲无论是在专用精冲机或是普通液压机中均可进行，而在普通液压机中进行精冲加工作业需要额外加装液压模架。其原理是应用精冲模具使板料承受三向压应力，以纯剪切的方式完成分离，由此加工出的零件具有尺寸公差小、形位精度高、翘曲度小、垂直度高的特点，还具有较高的光洁度，因此精冲加工的零件质量是很好的。
精冲的详细工艺原理如下图1所示。在应用精冲加工零件使冲裁凸模压入板料之前，压边力Fr能将板料压紧在凹模上，使V形齿内面产生方向为横向的侧压力，这种侧压力能够有效控制金属板料的位置，避免其在剪切区域内出现撕裂或横向流动，同时反压力Fg能将板料压紧在顶件板上，此时板料处于压紧状态，并在冲裁力Fs的作用下开始冲裁。在此过程中，剪切区域内的板料会因为三向压应力获得塑性上的提升，而材料则会以纯剪切的形式从板料上分离，从而获得冲裁零件，零件的大致形状则主要取决于刃口的形状[1]。
图1 精冲工作原理图
1.2精冲液压模架
当前我国精冲专用设备已经得到了长足的发展，不仅能够满足国内需求，还能在一定程度上代替设备的进口，但其高昂的价格及其他因素使得改装压力机的做法依然有着较为广泛的应用，后者的价格普遍只有前者的1/20左右，且在简易精冲上的生产能够有效满足社会需求。精冲用液压模架是通过在模具上加入液压缸活塞装置或是一组强力元件来获取三向压应力，进而满足精冲的要求及目的。精冲用液压模架具有高水准的导向精度，其本身的刚度也能满足精冲所需的压边力及反压力要求。液压精冲模工作中的主压力来自机床滑块，而模架或模架外的液压缸活塞则为其提供齿圈压板及推件板的压力。尽管在整体性能上来看精冲液压模架的参数与专用的精冲压力机还存在一定差距，但前者在造价成本、使用难度及通用性上具有更明显的优势，因而其应用也就十分广泛。当前的精冲液压模架分为专用与通用两种，分别应用于不同零件精度要求及数量的生产作业，且精冲液压模架的生产成本较低、制造周期短，因而能够有效满足重复利用需求，也就能够实现对成本的有效控制。
2.精冲模具凹模早期开裂的相关分析
2.1凹模早期失效的表现形式
精冲模具属于工程结构中的一种，而如果其丧失了相应的工程功能就称为机械失效，在失效形式上包括磨损、腐蚀与断裂三种。其中磨损失效是指机械在应用过程中因机械摩擦导致接触面离散颗粒逐渐脱落的情况，且这种脱落具有不符合期望的尺寸累积改变的特征；腐蚀失效涉及的内容比较多，但多为材料与环境中其他物质产生化学或电化学作用，从而导致材料劣化并逐步丧失规定功能；断裂时效则多产生自材料负荷超过原有极限值，导致材料中出现裂纹并最终造成材料断裂，这种断裂又包括脆性断裂、韧性断裂及疲劳断裂三种。综合精冲模具失效表现的成因来看，可分为以下三种。
一是磨损失效，磨损失效在各类零部件失效中十分常见，而精冲模具凹模出现早期开裂在很大程度上是因为发生了磨损失效。精冲过程中模具和工件会反复发生摩擦，从而导致模具表面材料在生产过程中以肉眼不可见的形式产生缓慢损失，造成凹模尺寸变大的情况。而凹模尺寸变大会导致零件的尺寸与形状受到影响。磨损失效会导致凹模周围材料强度下降，从而为凹模开裂带来隐患[2]。
二是过载失效，即超过模具承载能力导致的失效。如果构成凹模的材料在加工过程中因各种复杂作用导致强度下降，会使凹模在工作过程中对断裂及塑性变形的抵抗能力下降，最终导致凹模出现过载失效造成凹模开裂。假如构成凹模的材料韧性不足，则凹模失效断裂多表现为脆性断裂；如果凹模本身强度达不到相应要求，则会发生塑性变形并导致失效。
三是疲劳失效。本身精冲模具的生产加工需要具有一定的规律性，这就使得精冲模具处在反复加热冷却的交替过程中，也就使得模具中很容易生成微裂纹，并随着加工次数的上升而发展，并最终导致失效的出现。尤其对于脆性材料而言，疲劳裂纹一旦生成，会以极快的速度扩展，而精冲模具凹模中的疲劳裂纹则是导致其开裂的重要原因之一。
2.2导致凹模失效开裂的原因
就相关统计数据现实，因材料选用不当及热处理工艺不当导致的凹模早期开裂，在所有的凹模开裂原因中占比重达70%及以上。首先模具材料的应用是否有效会对模具本身的工艺性及使用寿命造成直接影响，因此在制作及选择精冲模具时，需要对材料的强度、刚度及韧性予以充分关注，确保制造出的模具或选购的模具在抵抗变形、耐磨、抗脆断的能力上均能够满足相应要求，同时也能有效使加工材料产生塑性变形。而热处理则是模具加工制造的关键环节，如果热处理能够产生理想的效果，甚至能有效修复热加工过程中产生的各种缺陷，进而使零件的组织与性能更加均匀，但如果热处理工艺的合理性不足，就极易导致模具产生早期失效开裂的情况。
导致凹模早期失效开裂的另一个原因是模具加工制造工艺的选择。本身精冲工艺就对精冲模具有很高要求，而模具还需在热处理之后进行磨削加工，来使其达到高水准的表面精度。而磨削加工很容易产生磨削热，从而使模具表层出现二次淬火现象，增大模具的脆性并产生磨削裂纹。也就是说模具加工制造工艺中必须控制好磨削加工的强度，同时还要选择力度合适的砂轮，并以回火的方式消除磨削应力。
模具结构同样也会影响到凹模开裂。精冲对模具中凹模、凸模轮廓形状的决定，取决于精冲零件本身的形状与成型方案，一旦模具结构中出现曲率半径较小的部位，会因此产生应力集中的情况，而结合上述内容来看，应力过于集中很容易导致凹模开裂。此外还需考虑孔径、悬臂长度、槽宽等设计参数，进而改变应力分布状态，避免应力集中导致的问题。
3.改善凹模早期开裂的方法
3.1提升凹模装配精度
凹模在精冲模中发挥了十分关键的作用，也承受了精冲生产过程中的绝大部分压力，因而为了使凹模早期开裂的情况得到改善，就需要对凹模与凸模在合模后形成的间隙及间隙均匀性进行有效控制，尤其是高速开合、冲击下的动态精度更需要做好控制工作，这就需要提升凹模的装配精度，从而实现这一条件。通常凹模的结构分为整体式与镶拼式两种，整体式具有结构强度大的特点，因而不易变形，适合冲裁大型且带有直面或锥面的零件；镶拼式则适用于冲裁形状复杂、断面强度低、易于损坏的零件。而要提升凹模装配精度，需要在锥面定位之后借助螺钉及上模板加以固定，并控制好拧紧力矩。具体的方法包括控制转矩、转角及螺纹伸长法等，在工具上可以应用手动测力扳手或电动力矩扳手。
3.2强化凹模背面支撑强度
如果凹模上垫面背板具有足够大的支撑强度，能够大幅减轻凹模的变形，也就能够有效避免凹模早期开裂的情况。理论上若是能够完全固定凹模背面的垫板，则能使凹模背面的变形及方向性上的变形得到有效控制，且凹模背面型腔周围所受应力值也会大幅下降，因而能够起到控制凹模形变的作用，也就能有效避免凹模早期开裂的出现。
3.3改变模架结构
通用液压模架能够有效胜任小批量、多品种、中小型精冲零件的生产，但在大批量生产及零件尺寸、厚度较大的生产上会表现出明显的局限性，因此需要尽可能应用专用模架。专用模架的优势在于增加了凹模背面固定板及垫板的面积，因而能够有效提升承力强度，且与凹模、凸模有更强的装配性，也能有效避免凹模早期开裂的情况出现。
结语：普通液压机因其经济上的优势得到了中小型企业的青睐，因而对于中小型企业精冲模架的研究仍然具有相应的现实意义。而精冲模具凹模早期开裂的现象会影响到企业的生产效率，因此需要对其开裂的成因进行深入分析，研究开裂的表现形式及原因，采取材料、工艺、结构及其他辅助措施避免凹模变形的情况出现，实现对凹模早期开裂的有效控制。
参考文献：
[1]熊妮.普通液压机精冲模具早期开裂分析[D].华中科技大学.2016.
[2]屈亚奇.温度荷载和导致精冲模工作部件微变形的研究[D].华中科技大学.2016.
作者简介：郁蔚，出生年月：1982.12，男，讲师，研究方向：模具、PLC液压与气动自动化控制、机械结构设计与装调。
