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高速级进模跳屑问题的探讨与解决对策

高速级进模跳屑问题的探讨与解决对策 2011年12月03日 来源： 摘要：阐述了影响高速级进模具在生产过程中“跳屑”产生的几个主要因素， 并据此提出了解决方法和措施，对于级进模的设计制造具有一定的借鉴作用。在金属冷冲压行业中，高速级进模具的生产效率高，产品精度高，便于实现自动化和机械化，适宜大批量生产需求，因而广泛应用于汽车﹑电子﹑家用电器等产品的冲压制造业中。目前国内模具主流速度SPM(Strike Per Minute)集中在40 – 2000，国际上已经开发出超过4000SPM的冲床和模具。但是，无论是过去还是现在，高速级进模的“跳屑”一直是个令设计和生产人员苦恼的问题。因为只要“跳屑”偶尔发生一次，就会在产品表面留下压伤，产出成批的不良品。轻则影响制造部门的产能，需要停机修理模具、重新架模调试;重则崩碎刀口、折断凸模、损伤昂贵的模具和高速冲床主轴。而“跳屑”又是高速级进模行业里发生频率很高的问题。所谓的“跳屑”是指在模具生产过程中，本应从凹模刀口中落下去的屑料或制品因为种种原因却随着凸模跳出模面的现象，如图1所示。从力学的角度来阐述，跳屑是因为屑料与凹模刀口侧壁的咬合力f小于它所受到的向上的吸附力F而跳出凹模进入模面，如图2所示。本文专门针对高速级进模来具体分析跳屑所产生的原因及其解决对策。

1 高速级进模跳屑原因的分析前文中已经提到跳屑产生的两个力学因素，下面就从这两个方面来阐述。

(1)屑料向上的吸附力过大导致屑料跳出，包括以下几个部分。1)屑料受凸模的真空吸附的作用。在冲切加工时，凸模切下的材料，因受到弯矩的作用，中心部位发生弯曲，四周却与凸模紧密压着，如图3示：屑料下方受到一个大气压向上的力，上方与凸模之间是真空负压，从而产生一个压力差吸附在凸模上。随着模具的开启，而跳出模面。另外在高速冲切生产中，为了给模具散热以及润滑凸凹模，我们往往会在材料送入模具前，给它涂上切削油，这会产生类似吸附剂的作用。如果切削油的挥发性差、黏度高、加的量过大，屑料与凸模的真空吸附现象会更加明显。2)电磁力的效应。模具上的很多零件是通过研磨加工出来的。现有的磨床都是利用电磁平台的磁力装夹零件。如果加工结束后，没有对零件的残余磁性进行消磁处理，铁基材料的屑料就会因为磁力随着凸模吸附上升，发生跳屑。3)凸模活塞效应以及加速度的影响。如图4，当模具闭合到下死点时，模具内部卸料板和材料紧密地包在凸模周围，紧紧地压死在凹模刀口上，形成一个相对真空负压，此时上模回升打开，凸模先从凹模中抽出，由于屑料受到下面一个大气压力与上面真空之间的压力差，而随着凸模一起上升，就象活塞在汽缸里运动，称之为活塞效应。由于加速度以及惯性作用的影响，凸模上升的越快，就越容易发生活塞效应。在生产现场常遇到模具在高速正常生产时频繁跳屑，此时将模具的运行速度SPM(Speed Per Minute)降下来就不会出现跳屑，这就是活塞效应引起的。

4)凸模磨损的影响。模具在长时间使用后，凸模的有效切刃部分都会磨损。屑料被切下后，毛刺会变大，毛刺会按照磨损后的凸模刃口形状形成根部很厚的大毛刺，由于凹模的挤压作用，会紧紧粘附包裹在凸模切刃部位，如图5，随着凸模一起上升而吸附跳出模面。

(a) 凸模正常形状 (b)凸模磨损后形状 (c)屑料粘附凸模上

(2) 屑料与凹模侧壁的咬合力过小，主要是受以下几方面影响。2.1冲裁间隙的影响。如图6为冲切后的屑料断面形状。从理论的角度来说，冲切后的屑料与凹模相接触的部分是光亮带，当冲裁间隙合适时，光亮带通常占全断面的1/2-1/3，高精密下料的光亮带所占的比例会更高，比如日本采用反切法可以做到接近100%。当屑料的光亮带所占断面的比例越大，与刀口的接触面积越大，两者之间的咬合力也越大。当冲裁间隙过大时，材料所受的拉伸作用增大，接近于胀形破裂，光亮带所占的比例减小，因材料弹性回复，屑料尺寸向实体方向收缩，冲下的屑料尺寸比凹模尺寸偏小，这样，屑料对刀口的咬合力会变弱，屑料就容易从刀口中随凸模上升跳出。但冲裁间隙大有利于减小冲裁力，提高刀口使用寿命。

2.2屑料的外周形状简单。当屑料的形状简单时，其整个外周的切断线相对而言简单且短，其内部应力变化与材料的应变也简单，都是集中指向实体同一个中心，屑料外周向中心均匀收缩，与凹模刀口之间有均匀间隙，这就减小了屑料与凹模侧壁的接触面积，降低了咬合力，这就是为什么屑料形状越简单越容易跳出凹模。生产现场最常见的就是圆形孔屑料跳屑，压坏冲压制品。形状复杂的屑料，由于切断线长，有多个实体中心，其内部应力与应变复杂，外周各处收缩不一致，导致其可以与凹模刀口紧密咬合在一起，增加了磨擦力，有效减少了屑料上跳的机率。2.3凹模刀口的面粗度。屑料与凹模刀口之间的磨擦力f=u×N, f：摩擦力，u：摩擦系数，N：正压力。要提高磨擦力f，只有提高摩擦系数和正压力才能达到。正压力N可以通过设计合理的冲裁间隙来控制。摩擦系数u的大小取决于摩擦面的粗糙度。为了保证刀口的锋利性及容易落料，现在的模具厂家加工凹模刀口，通常采用慢走丝线切割﹑光学曲线磨床等高精密机床来加工，尺寸可控制在±0.002mm以内，表面光洁度也达到Ra0.2以下。因此凹模刃口的侧壁非常光洁，磨擦系数u很小，屑料与刀口侧壁的磨擦力会减小，导致容易跳屑。

2.4模具冲切材料的机械物理性能的影响。材料的硬度高，则脆性大，被剪切的有效深度就小，材料基本上是在被剪切不久就被拉裂，整个剪切面的大部分是断裂带，光亮带所占的比例很小，材料径向收缩大，因而咬合力弱，容易跳屑。塑性好的材料，容易被剪切，光亮带所占的比例大，材料径向收缩小，与凹模咬合好，相对而言，不容易跳屑。2.5模具保养过量与刃口磨损的影响。为了便于屑料容易从模具中落出，我们设计的凹模刀口下面有个斜度或扩口，如图7，经常保养研磨刀口上表面后，如果把刃口有效段已经完全磨掉，则造成冲裁间隙变大，引起跳屑。对于凸模，保养后总长度变短，切入凹模深度过浅，屑料在凹模里接近模面，容易被凸模吸附带出。模具凸凹模侧面磨损后，造成冲裁间隙过大，屑料与凹模侧壁的咬合力小而引起跳屑。

(3) 屑料的变形弹出，如图8，对于一些非封闭切断线的屑料而言，由于缺少一个或几个凹模侧壁的相互咬合，冲切时会产生向下的弯曲，由于受机台振动和凸模上升的影响，弯曲有时会产生向上反转，从而跳出模面。高速级进模所生产的精密制品料薄，体积小，由于其屑料的自身重力与它所受到的其它力相比非常小，对于跳屑影响的分析，可以忽略不计。2 高速级进模跳屑的解决对策从理论上讲，屑料是否跳出凹模进入模面，取决于其所受的向上的吸附力和凹模侧壁对屑料向下的咬合力之间的差值。只要提高咬合力，减小吸附力，即可达到跳屑的改善与防止。2.1设计段的改善与防止综合评价一副模具的优劣，关键在于设计的好与坏。所以我们做设计时一定要考虑全面，既要考虑防止跳屑，又不能损失模具的其它的性能。否则模具先天不足，后续调试很难改善的尽善尽美。2.1.1设计合理的冲裁间隙对于不同材料的合理冲裁间隙，很多教材都有研究。一般来说，单面冲裁间隙大于5%t以上时，大部分的材料冲切下来的屑料会小于凹模刀口的尺寸，这样咬合力会偏小，容易跳屑。当单面冲裁间隙小于3%以下时，屑料与凹模刀口的咬合力会很强。从防止跳屑的角度来说，冲裁间隙越小越好，但间隙小，凸凹模的接触压力会易引起凹模刀口压缩疲劳破坏，发生崩刃，影响模具的寿命，同时会产生较大的毛刺。在高速级进模设计中，推荐使用表1的冲裁间隙：

2.1.2下料刀口的形状在设计下料刀口时，尽量避免外形过于简单，应将形状复杂化，包括增加一些卡料槽。如图9所示的IDE-CUT(切边)形状，a形状简单，容易发生跳屑，但是如果设计变更为b状，增长外形切断线，同时屑料增加了卡料槽，外形复杂化，容易被凹模的刀口咬住，难以跳屑。最好的设计应为c状，卡料槽为燕尾星，有效提高了与刀口的咬合力。屑料形状与跳屑难易之间的关系，按照我们日常设计所积累的经验，如图10示：从左到右，跳屑由易到难。我们在设计下料接刀时，无可避免地会遇到一些外形简单的下料，必须冲切出此形状。另外级进模是连续生产，料带需要定位，设计有圆形孔。为了防止此类跳屑，设计时，可将刀口做成分体式，如图11，并故意错开一个0.002 -0.005mm的间隙，使冲切时的屑料产生变形，增大毛刺，而留在凹模内。

2.1.3为了有效切断屑料与防止屑料跳出，凸模必须完全切入凹模，根据理论经验，普通冲模的切入量应在3-5mm,而高速级进模考虑提升模具的运行速度，可控制在1mm，凹模的刃口有效端长度L应保证凸模完全切入凹模后，残留屑料不超过3片，下面再做成一个倒退拔的角度或者让位，利于屑料下落，防止回跳，如图12。

2.1.4模具结构上的考虑

(1)凸模中间钻孔通压缩空气，如图13示：利用凸模端面吹出的高压气体吹落屑料，但此种方法有其局限性，如果屑料受力不均，发生翻转反翘，容易迭加在一起，出现堵料。

(2)借鉴真空发生器原理吹落屑料。如图14所示：在凹模垫板的下方通入高压气体，使凹模刀口里的屑料下方形成负压，从而将废料吸下去。

(3)凸模前端加顶料销。为了防止吸附，可在较大的凸模上设计增加顶料销机构，对于防止跳屑很有效果，但需注意顶料销设计的大小及位置。直径过大，顶料销端面会产生吸附效应，位置偏离中心过多，会使屑料发生翻转跳出，或迭加堵料。正确的方法是将顶料销设计在凸模中心，端部做成半球形，防止吸附跳屑。如图15所示。2.2组装试模段的改善与防止对于跳屑，永久性的对策是在设计段就应该考虑，并且能够兼顾模具结构的合理性和保证模具的使用寿命。组装调试阶段所采取的措施基本都是临时性的对策，针对性很强，并可能会影响模具刃口寿命，或者降低生产效率。2.2.1增加凹模刀口的粗糙度对于有些容易跳屑的工站，拆下凹模镶件在显微镜下仔细观察，如果发现刃口侧壁的光洁度非常高，应该考虑使用放电被覆机把侧壁面修整粗糙，被覆上一些金属颗粒，增大摩擦系数，提高对屑料的咬合力。注意被覆时应尽量让开凸模所切入的1mm深度，防止凸凹模剪切时咬伤凸模。或者在凹模的刃口部位用锉刀进行倒角，修钝刃口的锋利度，深度不要超过0.05mm，修整后，凹模上表面的切削部位会比下面大，因此屑料被凸模挤入下面后，会与比它尺寸小的凹模紧紧咬合而难以跳屑。2.2.2修整凸模的端面如果模具发生了跳屑，除了观察凹模之外，凸模的作用也应充分考虑到。很多的跳屑，是因为吸附作用造成的。对于外形全部为钝角的屑料，特别要考虑凸模的吸附作用。在模具装配阶段，可以在凸模前端焊接一些小凸起物，或者直接将凸模的切刃边进行倒角，以降低吸附产生的风险。2.2.3降低模具的SPM对于活塞效应或者因空气压缩而发生的跳屑，除了上述方法之外，可以在调机的时候。实践证明，模具在低速运转时，可以大大减少跳屑的机会。这是因为SPM低，模具打开时，屑料上方的负压真空来的及补充空气，同时低速运转时机台有充分的时间响应紧急停止，降低模具打坏的风险，但此举会影响模具的产能。考虑到切削油会产生吸附剂的效果，应根据不同的材料应选用不同黏度的切削油。对于材料很薄容易产生吸附跳屑的模具，应考虑将切削油加在材料的下表面，防止与凸模产生黏连吸附。切削油的用量，应根据模具运转SPM的不同而改变，在生产中，需遵循以下原则：SPM<400时，1滴/4秒;400 700 2.2.4加装吸尘器

对于某些因真空吸附而频繁发生跳屑的模具，为了不降低SPM而影响产能，可在机台下方模具废料收集箱上加装吸尘器，如图16所示。由于吸尘器的作用，屑料下方产生一个负压，可以抵消上方的负压，使废料易于从凹模中脱落。在模具生产过程中，为了防止屑料跳出后，模具继续高速拍打，损坏模具，模具上必须加装跳屑检知块。一旦有屑跳出，卸料板压下时会有倾斜，立即被跳屑检知块检测到，自动紧急停机，从而有效保护模具。3 小结在精密高速级进模设计生产中，跳屑是无可避免的一大困扰。本文从设计和生产的角度分别提出的几点解决手法，可以有效防止跳屑的发生，值得借鉴一用。同时，也旨在抛砖引玉，希望业内的行家能够提出更好的解决方法，供大家参考，共同提高我国的模具制作水平。参考文献[1]日本.press技术.1997年6月号.[2] 姜奎华.冲压工艺及模具设计.北京:机械工业出版社，1998.(end)

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