數控沖床模具的使用和保養
鈑金類零件的生產加工是機械生產加工中的一個重要組成部分,特別是在航空、家電、消防、通信、儀器儀表、電子測量等行業,鈑金類零件應用越來越廣泛。各種儀器和設備的機箱、面板、控制柜等都是由鈑金零件組成,許多零件形狀都比較復雜,精度要求非常高。
采用傳統的加工方式費時費力,效率極低,不能滿足質量和供貨要求,于是國內許多企業都逐步淘汰了原來的傳統加工方法,引進數控沖床進行生產加工。由于數控沖床具有精度高、加工速度快、可靠性高、適應廣泛等特性,大大縮短了生產周期,提高了勞動生產率和加工精度,降低了加工成本。但是,數控沖床在使用中除了要求對設備進行正常的維護和保養外,還需要對模具經常進行保養和更新。據不完全統計,模具成本在機床的維修使用成本中占有相當大的比重,高的甚至能達到50%,如果能夠正確地對模具進行使用和保養,可大大提高模具的使用壽命,為企業節省一定的生產成本。筆者有多年數控沖床工作經驗,現將數控沖床模具使用和維護中的一些個人心得和體會寫出來,供大家參考。
1.沖孔的基本理論
(1)沖壓過程
模具的詳細沖壓過程見圖1,沖壓時會在材料的斷面形成塌陷帶、光亮帶、撕裂帶和毛刺四部分,見圖2,其各部分的尺寸受材料厚度和模具間隙等因素影響會有所不同。
圖1 沖孔過程
圖2 沖壓孔分析
(2)計算沖壓噸位
模具在進行沖壓時,沖壓力不能超過機床的最大公稱力,并且不能超過模具的耐壓力。模具的結構形式決定了模具的最大耐壓力。沖床在設計時,對于各模具工位的沖壓力都設定在機床的控制系統內,系統會自動根據不同工位所安裝模具的大小、沖壓的材料種類和厚度調整沖孔力。沖壓力可由下式計算:
P=KLtτ
式中
P——沖孔力,N
L——模具刃口的周長,mm
t——板料厚度,mm
τ——材料的剪切強度(MPa),由材料的材質所決定,可在材料手冊中查到。
K——系數,考慮到刃口鈍化、間隙不均勻、材料厚度波動而增加的安全系數,K值常取1.1～1.3。
鈑金加工常用材料的剪切強度見表1
表1
舉例:在3mm厚的低碳鋼板上沖孔,形狀方形,邊長為20mm時,沖壓周長L=20×4mm=80mm,材料厚度t=3mm,查表剪切強度τ=344.7MPa。
沖孔所需的沖壓力(理論值,不考慮其他因素影響)P=Ltτ=80×3.00×344.7=82728(N)。
該公式計算出的沖壓力是指無斜刃口模具所需的沖壓力,如果模具帶有斜刃口則會大幅度降低模具沖壓時所需的沖壓力。
(3)模具間隙
模具間隙是指模具的凸模和凹模工作部分尺寸之差,即當凸模進入凹模時,凸、凹模之間的距離,通常指的是總間隙。間隙是數控模具使用中一個不可忽視的重要參數,間隙選擇是否合適直接影響到零件的加工質量、尺寸精度、沖裁力大小和模具使用壽命。間隙的大小應按被沖裁材料的厚度和力學性能來決定,材料越硬越厚,間隙也應越大。如圖3、4所示。
圖3 模具間隙
圖4 間隙太大產生的影響
總間隙=沖頭兩側的間隙之和=凹模間隙1+凹模間隙2
模具間隙如果選擇合理,由凸模和凹模刃口產生的兩個裂紋將連成一直線,靠近凹模的工件下部是一條帶有小圓角的光亮帶,靠近凸模的工件上部略成錐形,表面粗糙,但斷面沒有裂口和裂紋,毛刺正常,沖切力均衡,沖切質量良好。如果間隙過小,上下兩裂紋互不重合,相距彼此平行,當材料最后撕裂分離時,由于擠壓會使兩縫之間的斷面出現毛刺或裂口,工件斷面出現二次光亮帶。當間隙過大時,上下裂縫也不重合,沖厚料時則類似鐓壓加工,此時在落料靠近凹模的外邊,沖孔靠近凸模的內邊會產生很大的圓角;沖薄料時則近似拉伸,材料將被拉伸到凸模和凹模的間隙中,直到拉斷為止,工件斷面會產生拉斷毛刺。
圖5 最佳間隙,剪切裂縫結合
圖6 間隙太小,剪切裂縫結合不上,沖壓力變大
根據多年的數控加工經驗,總結出模具間隙與材料的關系,推薦根據表2進行選擇
表2
凹模間隙與材料厚度的百分比關系:最小間隙為材料厚度的15%,最佳間隙為材料厚度的20%～25%,最大模具間隙為材料厚度的30%。如果板材較厚4mm以上,所需沖壓力較大時,建議模具間隙為材料厚度的30%以上。
正確選用模具間隙的優點:
?、傺娱L模具使用壽命。②退料效果好。③減少毛刺和塌陷帶。④沖孔質量高。⑤減小模具帶料的可能。⑥沖孔所需沖切力最小。⑦減少撕裂帶寬度。
(4)模具刃磨
沖床模具使用過程中,需要根據模具使用情況及時進行刃磨,提高模具的使用壽命。判斷模具是否需要刃磨可根據以下條件:
?、贈_頭或下模被磨損,刃口產生半徑R為0.25mm的圓弧時。
②檢查沖孔質量,沖出的孔有較大毛刺產生時。
③聽聲音,沖孔產生異常噪聲時。
?、芨鶕＞邲_切次數,如每10萬次對模具刃磨一次。
模具使用中是否需要進行刃磨,這需要機床操作人員有較強的責任心,如果刃口達到R=0.50mm時還沒進行刃磨,從那時起模具會急劇磨損。如果在模具間隙選擇合理的情況下,只要加工的板料出現較大毛刺,就說明模具需要刃磨。最佳方法是:每半月或每固定周期,根據機床模具最佳間隙選用標準的板材,將機床所有模具安裝在標準板材上沖孔,觀察沖孔毛刺情況并與標準樣板比較,判斷是否需要刃磨。模具刃磨的正確方法:
?、俣ㄆ谌心?保證質量。②充足的切削液。③采用燒結粘合氧化鋁砂輪。④粗砂輪:磨粒尺寸46～60,軟砂輪:硬度D～J。⑤刃磨下進給量:0.03～0.08mm。⑥橫向進給量:0.13～0.25mm。⑦縱向進給量:2.5～3.8m/min。
表3 模具合理刃磨和沒有進行刃磨的沖孔次數比較
2.模具的正確使用和維護
數控沖床模具的使用壽命,除了取決于合理的模具結構,高的制造精度,良好的熱處理效果以及正確地選用沖床、沖床的模具安裝精度等因素外,模具的正確使用、保養和維護也是不可忽視的環節,對此應注意以下幾點:
(1)模具安裝使用前應嚴格檢查,清除臟物,檢查模具的導向套和模具是否潤滑良好。
(2)定期對沖床的轉盤及模具安裝底座進行檢查,確保上下轉盤的同軸精度。
(3)按照模具的安裝程序將凸凹模在轉盤上安裝好,保證凸凹模具的方向一致,特別是具有方向要求的(非圓形和正方形)模具更要用心,防止裝錯、裝反。
(4)模具安裝完后,應檢查模具安裝底座各緊固螺釘是否鎖緊無誤。
(5)沖床模具的凸模和凹模刃口磨損時應停止使用,及時刃磨,否則會迅速擴大模具刃口的磨損程度,加速模具磨損,降低沖件質量和模具壽命。
(6)對于批量生產所使用的通用模具,應有備份,以便輪換生產,保證生產所需。
(7)沖壓人員安裝模具應使用較軟的金屬(如銅、鋁等)制成操作工具,防止安裝過程中敲、砸時損壞模具。
(8)模具運送過程中要輕拿輕放,決不允許亂扔亂碰,以免損壞模具的刃口和導向。
(9)模具使用后應及時放回指定位置,并作涂油防銹處理。
(10)保證模具的使用壽命,還應定期對模具的彈簧進行更換,防止彈簧疲勞損壞影響模具使用。
3.沖床模具使用中常見問題
(1)凸模磨損太快
主要原因:①模具間隙偏小,一般建議模具總間隙為材料板厚的20%～25%。②凸凹模具的對中性不好,包括模座和模具導向組件及轉塔鑲套精度不足等原因造成模具對中性不好。③凸模溫度過高,主要是由于同一模具連續長時間沖壓造成沖頭過熱。④模具刃磨方法不當,造成模具退火,磨損加劇。⑤局部的單邊沖切,如步沖、沖角或剪切時,側向力會使沖頭偏向一邊,該邊的間隙減小,造成模具磨損嚴重,如果機床模具安裝精度不高,嚴重的會使沖頭偏過下模,造成凸模和凹模損壞。
(2)模具帶料問題
模具帶料會造成廢料反彈,其相關因素:①模具刃口的鋒利程度,刃口的圓角越大,越容易造成廢料反彈。②模具的入模量,機床每個工位的入模量是一定的,模具入模量小,容易造成廢料反彈。③模具的間隙是否合理,如果模具間隙不合適,容易造成廢料反彈。④被加工板材表面是否存在較多的油物。⑤彈簧疲勞損壞。
防止模具帶料的方法:①使用專用的防帶料凹模。②模具經常刃磨保持鋒利,并退磁處理。③增大凹模間隙。④采用斜刃口模具代替平刃口模具。⑤模具安裝退料器。⑥合理增大模具的入模量。⑦檢查模具彈簧或卸料套的疲勞強度。
(3)模具對中性問題
模具在使用中容易發生沖芯各側位置的磨損量不同,有的部分有較大劃痕,磨損較快,這種情況在細窄的長方模具上特別明顯。該問題主要原因:①機床轉塔設計或加工精度不足,主要是上下轉盤的模具安裝座的對中性不好。②模具的設計或加工精度不能滿足要求。③模具凸模的導套精度不夠。④模具間隙選擇不合適。⑤模具安裝座或模具導套由于長期使用磨損造成對中性不好。
為防止模具磨損不一致,應:①定期采用對中芯棒對機床轉塔和安裝座進行對中性檢查調整。②及時更換模具導套并選用合適間隙的凸凹模具。③采用全導程模具。④加強操作人員的責任心,發現后及時查找原因,避免造成更大損失。
(4)特殊成形模具使用
為滿足生產需要,經常需要使用成形模具或特殊模具,主要有橋形模具、百葉窗模具、沉孔形模具、翻孔攻螺紋模具、凸臺模具、拉伸模具、組合式模具等,使用特殊或成形模具可以大大提高生產效率,但是成形模具價格較高,通常是普通模具的4～5倍。為避免失誤,應注意和遵循以下原則:
①模具安裝時進行方向檢查,確保模具凸凹模安裝方向一致。
?、诟鶕笳_調整模具的沖壓深度,每次調整最好不超過0.15mm。
③使用較低的沖切速度。
?、馨宀囊秸麩o變形或翹起。
⑤成形加工位置應盡量遠離夾鉗。
⑥成形模具使用時應避免向下成形操作。
?、邲_壓時按照先普通模具沖壓,最后使用成形模具。