余傳來，張樹國，裴桓偉，肖曉春，王冠剛，姜行

1. 南昌航空大學 江西南昌 330063

2．中國航發(fā)長江動力有限公司 湖南岳陽 414000

1 序言

目前在機械、電子、航空等領域已經(jīng)廣泛運用厚度＜0.25mm的薄料，尤其是在航空航天領域中，許多調整墊片、密封件、止動墊片以及膜片等沖裁鈑金件厚度＜0.25mm。如用鋼模生產(chǎn)此類零件，對于沖裁間隙的要求高，制造成本高，模具的磨損大、壽命低，裝配困難。

使用聚氨酯橡膠作為彈性介質代替鋼模中的凸?；蛘甙寄磉M行沖裁，能夠有效地避免上述問題。聚氨酯橡膠是一種性能介于橡膠與塑料之間的彈性體，素有“流體鋼”的別稱，與環(huán)氧塑料類似，是一種高分子材料，具有較好的流動性、耐磨、耐油、耐老化、耐臭氧以及耐輻射等性能，得到了各工業(yè)部門的重視及廣泛應用。

胡樹松研究了聚氨酯橡膠沖壓技術的成形機理以及試驗過程中出現(xiàn)廢品的原因[1]。張繼平等人進行了多種材料及厚度的沖裁試驗，并研究其與斷面質量之間的聯(lián)系[2]。李小琴進行了大量的銀銅焊料帶HIAgCu28薄料的沖裁分離，發(fā)現(xiàn)聚氨酯模具具有良好的性能，模具采用活動式壓料板形式能夠提高零件質量，降低模具成本[3]。TAKAHASHI等人研究了Fe78B13Si9薄板聚氨酯沖裁分離中不同反頂力下聚氨酯橡膠壓入深度對斷面毛刺的影響，發(fā)現(xiàn)在較小的反頂力下，增加壓入深度會使毛刺加大；而在較大的反頂力下，并未產(chǎn)生明顯的影響[4]。張騰飛等人研究了沖頭高度、薄料厚度和薄料物理性能與沖裁力的關系，并對比分析了斷面形貌，得出沖裁力隨薄料厚度和抗拉強度的增加而增大，在一定范圍內，沖裁力隨沖頭高度的增加而減小[5]。本文則以厚度為0.12mm、0.15mm和0.2mm的AM-350不銹鋼為對象，通過試驗研究沖壓力大小、板料厚度、橡膠硬度和橡膠與容框的配合程度對于零件成品的成型質量與斷面質量的影響。

2 零件材料

傳統(tǒng)鋼制沖裁分離模具試驗所用的材料有Q235、H62Y和SUS304等，常用于制造墊圈、密封件等零件。本次試驗所用的材料為AM-350不銹鋼，美國半奧氏體沉淀硬化型不銹鋼，固溶后具有奧氏體鋼的優(yōu)點，易于冷加工成形；隨后經(jīng)過強化處理又具有馬氏體鋼的優(yōu)點，而且熱處理溫度不高，沒有變形及氧化的缺點[6]。但是，這類鋼在315℃以上長期使用時，由于金屬間化合物繼續(xù)沉淀而使材料變脆，使用溫度應限制在315℃以下。為探究AM-350不銹鋼在拉伸過程中的應力應變情況，進行AM-350不銹鋼單向拉伸試驗來分析該材料的拉伸性能。厚度均選取0.12mm，在拉伸試驗機上進行單向拉伸試驗，得出結論：AM-350不銹鋼板材在550MPa左右時達到屈服極限；隨著拉應力逐漸增加，變形量逐漸增大；當應力增加到1200MPa時，AM-350不銹鋼板材達到抗拉強度極限，試件發(fā)生斷裂。由此可知，AM-350不銹鋼超薄板具有良好的抗拉強度和韌性，抗破裂風險能力強，具有良好的拉伸成形性能[7]。

3 零件工藝分析

圖1是某普通薄料類零件，材料為AM-350不銹鋼，材料厚度有0.12mm、0.15mm和0.2mm三種，零件結構如圖1、圖2所示。該類零件傳統(tǒng)的模具設計一般是采用倒裝復合模或順裝復合模，對零件質量要求高，厚度較薄，平面平整光潔，斷面無毛刺。若零件采用鋼模來進行沖裁分離，則會因為小間隙或無間隙導致難以配合，對模架精度和設備精度要求高而導致模具成本高，制件毛刺大、精度低且平面度差等導致加工裝配困難。使用聚氨酯橡膠代替凸?；虬寄？梢越鉀Q這些問題，其適用于薄類材料零件的小批量生產(chǎn)，沖裁機理不同于傳統(tǒng)鋼模，具有制模周期短、成本低的特點，對操作者的技術要求低，生產(chǎn)成本顯著下降。

圖1 薄料類零件

圖2 薄料類零件截面

4 聚氨酯沖裁模的沖裁機理

聚氨酯是一種彈性體，沖裁分離過程中容框內處于封閉狀態(tài)，橡膠被壓入容框內，由于是在密封的環(huán)境下，所以橡膠會像液體一樣充滿整個模腔，受到3個方向等壓應力的影響。壓力機滑塊下行，凸模壓縮聚氨酯橡膠，給聚氨酯橡膠一個作用力，使得聚氨酯橡膠以同樣大小的反作用力迫使被沖材料沿著凸模外形周邊產(chǎn)生彎曲、拉伸和剪切，并在凸模的刃口處產(chǎn)生塑性變形。當壓力機繼續(xù)下行，被沖材料受到聚氨酯橡膠壓力超過了材料本身的抗剪強度，沿著凸模刃口處產(chǎn)生裂紋，從而實現(xiàn)了材料的分離。

板料沖裁分離如圖3所示，在整個過程中，金屬板料經(jīng)歷了從彈性變形到塑性變形再到剪切斷裂的階段。聚氨酯橡膠緊貼凸模刃口流動，幾乎是無間隙沖裁，所以制件基本無毛刺。但是在凸模與凸模保護板之間存在一個斜角為15°的刀槽，此刀槽不宜過深，否則會出現(xiàn)圖4所示情況——板料不在刃口處被切斷，而是被拉斷。將沖裁分離出來的波形片通過50倍的光學顯微鏡觀察，端面如圖5所示，可以清晰地看到3塊具有顯著特征的區(qū)域，即圓角帶、光亮帶和斷裂帶，無明顯毛刺，零件的斷面斷裂完整，輪廓清晰，沖裁質量極佳。沖裁分離出來的零件兩兩首尾相連并且通過焊接的方式連接成密封環(huán)（見圖6）。

圖3 板料沖裁分離示意

圖4 板料被拉斷局部示意

圖5 端面

圖6 裝配示意

5 聚氨酯沖裁模的結構設計

5.1 模具整體結構

分析所沖零件的工藝性，模具采用的是復合模具的結構，其結構如圖7所示。

圖7 模具結構

5.2 橡膠的選擇

本次試驗采用的是邵氏硬度95HA的聚氨酯橡膠，橡膠厚度取20mm，為圓柱形狀，與上模容框應該過盈配合，單邊過盈量取1～2mm。此外，為了保證橡膠元件的使用壽命，最大壓縮應變應≤30%，橡膠元件工作時的最小壓縮應變一般取10%，根據(jù)公式：h＝Δh/（0.1～0.35），Δh取6，所以橡膠的厚度取20mm即可。

5.3 沖裁力的計算

根據(jù)公式計算沖裁力

式中，K為安全系數(shù)，取1.2～1.4；L為沖裁件的周邊長度（mm）；t為板料厚度（mm）；τ為抗剪強度（MPa），取860MPa。

該零件的內徑d＝210mm，外徑D＝230mm，求得Pmax＝213.9噸力（1噸力＝9.8kN）。在實際的試驗過程中發(fā)現(xiàn)，零件在壓力為240～250噸力時會被完全沖斷，這是由于模具刃口變鈍或者是橡膠容框與凹凸模之間的間隙造成沖壓力的部分損失。

5.4 設備的選擇

與普通沖裁分離一樣，聚氨酯橡膠模具可以適用于大部分的壓力機，比如曲軸沖床、液壓力機和摩擦壓力機等。但是，聚氨酯橡膠的彈性較大，最好使用行程不固定的液壓力機或者摩擦壓力機，避免發(fā)生設備或模具的損傷。試驗使用的是可控制壓力峰值的液壓力機，峰值設在250～280噸力，整個過程包括沖壓設備的起動、快速下行、減速加壓、保壓及快速退回[8]。

5.5 模具結構

（1）容框的設計 本沖裁模容框采用上裝式結構，容框為圓形。模具整體采用45鋼，調質處理。容框內的橡膠厚度取20mm，為保證沖裁分離時橡膠不會從容框中擠出，容框的深度取22mm。

（2）容框的強度校核 在沖壓成型的過程中，安裝在鋼制容框內的聚氨酯橡膠模墊發(fā)生形變。在垂直方向上，橡膠承受壓力而產(chǎn)生壓縮變形，與此同時，將壓力傳遞到容框的側壁。為了使橡膠承受一定的單位壓力q以獲得較好的成形質量，容框必須要有足夠的強度與剛度。

模墊在垂直載荷q的作用下，容框的內壁受到分布載荷px和py的影響。由于容框具有一定的剛度，且內壁與橡膠緊緊貼合，所以，聚氨酯橡膠在x、y方向的應變：εx≈0，εy≈0。根據(jù)廣義胡克定律可知

根據(jù)式（2）和式（3）可得橡膠對容框側壁的壓力，令其為p，則

橡膠的泊松比μ≈0.47，可得載荷q與橡膠對側壁的壓力p的關系為

對承受內壓力p的圓形容框的內壁進行強度校核，內壁在內壓力p的作用下的切向拉應力與徑向壓應力分別為

由式（6）、式（7）與圖8中所示的σt與σr的分布曲線可知，σt與σr差值（σt－σr）的最大值處于容框的內壁。根據(jù)第三強度理論得到強度條件

圖8 容框內壁受壓力示意

設容框的內徑為d＝2r2，外徑為D＝2r1，代入式（8），可得

當已知凹模的內徑d時，其外徑D應滿足上述條件才能保證容框具有足夠的強度。由于容框的橫向受壓比較大，故必須采用式（9）進行強度校核，許用應力[σ]在目前使用的模具材料強度的條件下最高可取200～220MPa。容框的內徑d＝246mm，p取理論值213.9噸力，在設計模具時，厚度取30mm，故容框在安全范圍內。

6 結束語

材料厚度為0.12mm、0.15mm和0.2mm的AM-350不銹鋼金屬板料成形輪廓清晰，成品基本無毛刺。本試驗所用模具可以適用于0.25mm以內各種厚度的金屬板料，對于SUS350、Q235及H62Y等材料，只需相應調整沖壓力即可，沖裁力隨著薄料厚度和抗拉強度的增加而增大。用邵氏硬度為95HA的聚氨酯橡膠效果最佳，聚氨酯橡膠與容框之間應該過盈配合，單邊過盈量為1～2mm。

試驗過程中也遇到了一些問題，如沖裁件出現(xiàn)毛刺、沖裁件未與廢料完全分離、零件表面質量差和橡膠發(fā)生永久變形或松弛等現(xiàn)象，出現(xiàn)這些問題與模具長時間使用導致刃口變鈍有關，模具制作精度不夠、模具清潔不到位和沖壓力過小等也是造成這些問題的原因。

該模具能夠完成傳統(tǒng)鋼制模具所完成的沖壓工作，而且所加工零件的質量比鋼制模具更好，薄板生產(chǎn)中應用該技術將給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。為避免試驗中出現(xiàn)的問題，提高模具的使用壽命，研發(fā)一種硬度足夠且不容易老化的橡膠至關重要，這也是今后需要攻克的難點。