黄铜钢模设计（超厚不锈钢零件的冲模设计）

图1所示为304不锈钢成形的零件，单件月产量约300件以上，材料板厚分别为12.0 mm与6.0 mm。该零件外形尺寸可通过机械加工与冲压成形得到，与客户交流后，零件长度通过剪板切断实现，两长圆孔因材质及板厚原因，采用激光切割加工后，出现割缝发黑或发青，且局部存在细小残留，影响零件后工序处理并存在安全隐患，建议断面保留原色泽。

图1 不锈钢成形的不同零件

（a）料厚12 mm零件一 （b）料厚12 mm零件二 （c）料厚6 mm零件

1零件冲压工艺分析

在常规冲裁过程中，随着材料在凸模的作用下逐渐分离，材料在剪口截面处呈现4个变形阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段、微裂纹扩展阶段、撕裂变形阶段，如图2所示。

图2 材料在凸模作用下变形过程

材料冲裁断面产生4个特征区：圆角带、光亮带、断裂带、毛刺带，如图3所示。材料加工后，有用部分称工件，无用部分称废料，工件与废料断面状态对应且相反。

图3 工件断裂面特征区与废料断裂面特征区对应关系

零件原生产工艺采用机加工形式，工作过程：准备待加工材料、装夹材料、铣削加工、松卸夹具、工件移位、再夹紧材料、铣削加工、松卸夹具、卸取工件、去毛刺。原生产工艺在采用合适铣刀工况下，加工t=6.0 mm不锈钢板上1个孔需要12~15 min，即加工图1（c）一个零件需耗时0.4~0.5 h；加工t=12.0 mm不锈钢板上1个孔需要25~30 min，即加工图1（a）或图1（b）所示1个零件需耗时0.8~1.0 h；再叠加实际加工工况，如铣刀材质、刀损、磨刀量、备用刀数量等，则需延长工时。原机械加工工艺方案拟升级为激光切割加工方案，经试切及送样后反馈断面有色泽差异、氧化残留而不接受，因此激光切割加工方案不予考虑。在综合分析原机械加工工艺、月产量、批量加工所需投入成本等要素后，依据材料特性、不同厚度规格，采用快拆共模方式进行冲压成形，在已有需求量的支撑下，既能充分发挥投入可控、体现冲压加工的经济性及合理性，又能更好满足客户在品质上的要求，是生产的可替代工艺。

2超厚不锈钢快拆型模具结构分析

图4所示为快拆型模具结构，考虑板厚的变化及卸料的通用可靠性，模具在冲压平板不锈钢时采用刚性卸料。在试冲不同型号不锈钢角钢样件时，因工件外形及空间受限等因素，改用弹性卸料结构（即聚氨脂包络凸模），则工况呈现差异性。当快拆镶件18采用正常双边间隙时（按常用不锈钢冲裁间隙推荐表即Ⅰ类按（5%~8%）t、Ⅱ类按（8%~11%）t、Ⅲ类按（11%~15%）t取值，此处取Ⅲ类中较大值即14%t），冲压后工件粘连凸模，如图5所示，工件光亮区较大且不均匀，虽已预留6 mm聚氨脂预压量，但仍不能有效卸出工件。在冲压过程中采用冷却液润滑后，冲压工况有改善，但卸料不良率达80%~90%。当快拆镶件18采用超大双边间隙时，如表1所示，不锈钢角钢卸料较好，但工件及废料断裂带明显增大，截面断裂角（见图3中β）明显变大。在冲压过程中辅以冷却液，快速连续冲压时（即冲压频率提高40%~50%时），模具弹性卸料仍保持顺畅。

图4 冲孔快拆型模具结构

1.模柄 2.螺钉 3.上模座 4.销钉 5.上垫板 6.上夹板 7.凸模 8.固定卸料板 9.销钉 10.冲压件 11.托板 12.下模板 13.螺钉 14.托板垫块 15.下垫板 16.下模座 17.定位垫块 18.快拆镶件 19.定位块 20.调节螺钉 21.螺钉 22.导柱

图5 采用正常间隙冲压的工件及废料各断面效果（t=6.0 mm）

表1 超厚不锈钢采用超大间隙时部分参数及所测数值 ( mm )

模具装模过程：按冲模装夹规范与冲压设备装配好，松开螺钉21，移开固定卸料板8，松开快拆镶件18的螺钉13，换上与材料厚度相匹配的快拆镶件18（依次采用正常双边间隙、再采用超大双边间隙，以下类似）；再顺序紧固螺钉13、移回固定卸料板8、螺钉21。随上滑块下行，上模部分在上滑块的带动下下行。

模具冲压过程：随上模持续下行，凸模7穿过钢性固定卸料板8至冲压件10上表面。因材料特征及厚度不同，此冲压过程有明显差异。通过冲压验证（以t=12.0 mm为例），采用2种间隙、3种压力设备进行冲压并比对试样。第1种工况：当快拆镶件18采用正常双边间隙，取（16%~18%）t、小压力液压机1 200 kN时，上模开始向下微压（积蓄能量的短停时段），随上模持续下压，当能量积蓄到材料变形直至断裂时，凸模7冲压材料进入凹模，伴随较沉闷的金属断裂声。当快拆镶件18采用超大双边间隙，取（24%~25%）t、小压力液压机1 200 kN时，上模向下微压，材料有渐变过程；随上模持续下压，当能量积蓄到材料断裂、凸模7冲压材料进入凹模内，伴随稍清脆的金属断裂声。当快拆镶件18的双边间隙采用（24%~25%）t、稍大压力液压机1 600 kN时，上模持续向下微压、材料渐变直至断裂，凸模7冲压材料进入凹模内，伴随较清脆的金属断裂声。第2种工况：除采用800 kN或1 100 kN压力机替代液压机外，其余验证条件及方法相同，因压力机具有机械运动的连惯性，凸模7在材料表面停顿间隔比采用液压机时短、声音更脆、震动更大。同类冲压设备，因800 kN压力机的冲压力比理论冲裁力仅大10%~15%，从冲断过程看，1 100 kN压力机比800 kN压力机省力省颤。

模具冲压回程：上模带动凸模7冲孔后，凸模7进入快拆镶件18内，冲压件10包络凸模7侧面。当快拆镶件18采用较小间隙时，凸模7的卸料力远大于快拆镶件18采用超大间隙的卸料力。在验证中采用冷却液循环冷却时，冲压件包络凸模的卸料力有较大改善。当快拆镶件18采用正常间隙、小压力冲床时，卸料顺畅性有较明显的改善；当快拆镶件18采用超大间隙、小压力冲床时，卸料已无障碍顺利实现。

在冲压参数优化后，经工时核定，t=6.0 mm及t=12.0 mm不锈钢可达6~10冲次/min，即每分钟可生产3~5件。成形零件毛刺面符合质量要求，如图6所示。

图6 采用超大间隙冲压的工件及废料各断面效果（t=12.0 mm）

3模具零件材料的选用

凸模7常用材料有Cr12MoV、SKD-11、D2、DC53、SKH-51，快拆镶件18常用材料有Cr12MoV、SKD-11、DC53等。结合不锈钢超厚材料冲压特性及经济性，验证时凸模选用Cr12MoV（热处理硬度60~61 HRC）、D2（热处理硬度61~62 HRC）、DC53（热处理硬度63 HRC以上），快拆镶件选用Cr12MoV（热处理硬度58~59 HRC）、DC53（热处理硬度59~61 HRC）。依据凸模材料特征、工作端面等不同工况对冲压的影响，开展了对凸模工作面进行TD镀层的冲压效果比对。经验证，在不锈钢超厚板材正常频次冲压中，当快拆镶件采用正常间隙、同材料、无冷却液工况时，凸模进行TD镀层处理所呈现的工效期（指凸模工作部位本次刃磨到下次刃磨期内，工件冲压毛刺合格所开展的冲压次数）稍长，凸模失效形式如图7所示。据现场统计，冲压次数不超过20~30冲次时，凸模台肩处断裂；当快拆镶件采用超大间隙、同材料、有冷却液工况下，凸模进行TD镀层处理的工效期比不做处理时约延长一倍以上，冲压200次以上的凸模、快拆镶件刃口仍较好。从冲压超厚不锈钢验证来看，不考虑镀层厚度、均匀性等因素，凸模材料的稳定性、耐用性从高到低依次是DC53、D2、Cr12MoV。从快拆镶件工况来看：工作刃口采用镀层与不采用镀层的实际使用效果差异较小；同种材料，采用超大间隙其实际工作效果好于采用正常间隙；对不同材料，凸模材料的冲压稳定性、耐用性从高到低依次是DC53、Cr12MoV。综合经济性、可接受的冲压寿命、有效刃磨性考量，凸模选用DC53并进行TD处理，快拆镶件采用Cr12MoV 超大间隙参数处理，冷却方式采用乳白色皂化液介质循环冷却。

图7 在相应工况下的凸模与快拆镶件失效形式

▍原文作者：束军平莫仁春

▍作者单位：浙江亿利达科技有限公司