作者：張瑩，韋榮發(fā)，蒙世瑛，石峰，吳海剛

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)過程中，修邊是不可或缺的工序之一，但隨著高速自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線的普及與生產(chǎn)效率的提高，修邊模工作時(shí)，在空壓、交刀（不同工序之間切邊交匯的區(qū)域）或修邊與切廢料同步的區(qū)域產(chǎn)生大量的修邊鐵屑，其中交刀區(qū)域的修邊鐵屑尤為顯著。

（a）修邊鐵屑

（b）制件表面凹凸

圖1 修邊鐵屑與制件表面凹凸

修邊鐵屑若不及時(shí)清除，鐵屑在氣流或上模刃口的往復(fù)運(yùn)動(dòng)下被帶入模腔，附著在零件或模具零件表面，易造成制件表面凹凸，如圖1所示。部分鐵屑粘附在刃口下方產(chǎn)生積瘤導(dǎo)致刃口崩刃，造成設(shè)備和模具成形零件的精度下降，影響車間生產(chǎn)和制件的成形質(zhì)量。如何在現(xiàn)有壓力機(jī)設(shè)備精度、沖壓工藝及模具穩(wěn)定性等因素條件下減少或消除修邊鐵屑，成為模具制造企業(yè)及各主機(jī)廠面臨的重要問題之一。

然而受企業(yè)規(guī)模及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，目前國內(nèi)大部分汽車主機(jī)廠和模具制造商并未對(duì)修邊工藝進(jìn)行系統(tǒng)管理及完整的質(zhì)量跟蹤，僅依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，修邊鐵屑難以消除，降低生產(chǎn)效率及沖壓件表面質(zhì)量。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，沖裁間隙、刃口狀態(tài)及切刀吃入深度是影響切削沖裁的主要工藝參數(shù)。修邊模工作時(shí)上、下刃口承受正壓力、側(cè)壓力及彎曲等復(fù)雜應(yīng)力，并且在高頻次反復(fù)剪切時(shí)刃口與板料的劇烈摩擦使刃口及刃口間隙出現(xiàn)熱變形。

圖2 修邊鐵屑類型

當(dāng)刃口產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象后，刃口硬度及強(qiáng)度降低，沖裁修邊過程中易出現(xiàn)崩刃，修邊時(shí)先撕裂后剪切板料，容易產(chǎn)生三角形鐵屑（見圖2（a））或細(xì)小顆粒鐵屑（見圖2（b））。在反復(fù)沖壓過程中，刃口受力出現(xiàn)磨損使刃口變鈍，但刃口尖端仍承受高壓應(yīng)力作用，于是在刃口鈍化曲線之外產(chǎn)生裂紋并伴隨一定大小的毛刺，且毛刺大小與刃口磨損量呈正比關(guān)系。隨著沖裁變形過程的深入，上模刃口剪切毛刺，產(chǎn)生長條狀鐵屑（見圖2（c））。此外，在維修或研配過程中，刃口間隙不均勻或上下刃口垂直度不足時(shí)，凹模刃口處產(chǎn)生的裂紋與凸模尖角處產(chǎn)生的裂紋不重合，裂紋向壓應(yīng)力更低的沖裁廢料一側(cè)方向延伸，導(dǎo)致沖裁過程出現(xiàn)二次剪切而產(chǎn)生大量薄片鐵屑（見圖2（d））。

在高速自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)模式下，汽車覆蓋件的生產(chǎn)效率較快，如前、后門外板每分鐘沖次（strokes per minute，SPM）為10~12；頂蓋SPM為9~10。在此生產(chǎn)模式下，修邊刀塊工作時(shí)，伴隨著凸、凹模相對(duì)移動(dòng)，模腔內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，脫模時(shí)模腔外部的相對(duì)正壓氣流將修邊鐵屑吸入模腔內(nèi)，鐵屑粘附在模具零件型面或制件表面，造成制件壓傷、凹凸等缺陷，影響沖壓件成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

修邊間隙是修邊工序的重要工藝參數(shù)，對(duì)沖裁件的斷面質(zhì)量、尺寸精度及模具使用壽命等具有重要影響，間隙過大或過小，都會(huì)使沖裁件尺寸與沖模工作部分尺寸的偏差增加。當(dāng)間隙合理時(shí)，可使板料上、下端出現(xiàn)的微小裂紋重合，可有效減少修邊鐵屑，同時(shí)獲得良好的制件斷面與表面質(zhì)量。在模具設(shè)計(jì)開發(fā)階段，主要根據(jù)制件斷面質(zhì)量、尺寸精度、模具使用壽命等因素確定理論間隙值，并結(jié)合長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，形成汽車覆蓋件修邊模沖裁間隙，如表1所示。

理論研究表明，修邊間隙不均勻或切刀吃入量不足是產(chǎn)生鐵屑的主要原因之一。修邊模工作時(shí)，上、下刃口承受巨大的沖裁力，在循環(huán)交變應(yīng)力作用下，刃口不可避免地出現(xiàn)磨損與鈍化。當(dāng)因刃口磨損出現(xiàn)修邊毛刺時(shí)，可通過修配刃口間隙進(jìn)行抑制，在自動(dòng)化生產(chǎn)模式下，通常將修邊間隙控制在（8%~10%）t內(nèi)（t為板料厚度）。

圖3 上刃口和下刃口吃入量示意圖

此外在布置廢料切刀的修邊工藝中，合理設(shè)置上、下模刃口的切刀吃入量可有效減緩修邊鐵屑的產(chǎn)生，生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)廢料切刀吃入量控制在2~3mm內(nèi)時(shí)修邊鐵屑的抑制效果最佳。上、下刃口吃入量如圖3所示，其中：①料厚<1.0mm時(shí)，上、下刃口吃入量為2mm×2mm×2mm（上模刃口進(jìn)入下模刃口、避讓部分及廢料刀的量，中間的避讓部分是防止過壓導(dǎo)致刃口壓潰）；②料厚>1.0mm時(shí)，上、下刃口吃入量為3mm×3mm×3mm。

在翻邊、整形工序中，由于翻邊、整形過程中板料會(huì)出現(xiàn)一定的塑性應(yīng)變，只有在板料非變形區(qū)進(jìn)行充分壓料才能使制件不發(fā)生變形或攢動(dòng)，確保制件表面質(zhì)量。但在壓料力滿足成形要求的前提下，過大的壓料范圍會(huì)增大鐵屑夾雜在壓料板與板料之間的概率，壓料板接觸板料后將使板料產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，在壓料力充足的前提下將壓料板后端制成臺(tái)階形避讓，盡量減少壓料板與工序件的接觸面積，減小鐵屑與壓料板接觸的概率，避免鐵屑在制件表面產(chǎn)生缺陷，壓料范圍改進(jìn)前后對(duì)比如圖4所示。

圖4 壓料范圍改進(jìn)前后對(duì)比

在切刀交匯處鐵屑產(chǎn)生位置增加吸收裝置，將產(chǎn)生的鐵屑及時(shí)吸取引入廢料口。該裝置基于文丘里原理，利用進(jìn)氣口和吸氣口的截面差，在進(jìn)氣口末端和吸氣口空間內(nèi)形成真空，在外大氣壓作用下吸氣口與出氣口間形成氣流，從而對(duì)沖模切刀交匯處周邊鐵屑進(jìn)行及時(shí)吸取清理，原理模型如圖5所示，V1、P1、S1和V2、P2、S2分別為入口截面處和喉管處的平均速度、平均壓力和截面積，可通過優(yōu)化進(jìn)氣口和吸氣口的截面比值，實(shí)現(xiàn)吸氣功率的最大化。

圖5 原理模型

圖6 吸料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

吸料裝置整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，該裝置主要由進(jìn)氣管、文丘里管、固定調(diào)節(jié)支架3個(gè)部分組成。進(jìn)氣管接壓力機(jī)氣源，由壓力機(jī)內(nèi)部PLC控制其通斷角度（利用PLC程序控制氣源的開啟與關(guān)閉），在進(jìn)行切邊前接通，完成切邊后斷開（通斷時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整）。固定調(diào)節(jié)支架則可實(shí)現(xiàn)文丘里管多個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，滿足文丘里管管口朝向、與切邊刃口距離的要求。文丘里管吸氣口要求為長橢圓喇叭口狀，以增大利用面積。

圖7 整體布置示意圖

鐵屑吸收裝置安裝在下模切刀交匯處（鐵屑產(chǎn)生位置）附近，距離刀口下方5~10mm，壓力機(jī)每工作一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行一次鐵屑吸氣動(dòng)作并將鐵屑隨廢料排出模具外，且模具上、下行程不全程通氣，僅在切邊前后進(jìn)行開閥通氣，整體布置如圖7所示。

為驗(yàn)證上述修邊鐵屑優(yōu)化方案的有效性，對(duì)目前市場(chǎng)上某車型翼子板OP20（修邊工序）切刀交匯處鐵屑問題進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8所示。

（a）切邊鐵屑異常

（b）切邊鐵屑消除

圖8 某車型翼子板修邊鐵屑吸料裝置應(yīng)用

通過修配上、下模刃口間隙及吃入量，使其工藝參數(shù)符合修邊工藝要求，減少修邊鐵屑的產(chǎn)生；同時(shí)在下模刃口處增加鐵屑吸收裝置，利用壓力機(jī)提供的常開氣源接口，在壓料面觸料瞬間氣源接通，封閉高度到底2~3mm前關(guān)閉氣源，最大程度吸收修邊鐵屑并將其導(dǎo)入模具廢料通道中。

試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示，改進(jìn)后每百件擦試模具頻次由0.85降低至0.27、生產(chǎn)效率由72.3%提升至84.7%、制件一次性下線合格率（first time qualigy，F(xiàn)TQ）由82.8%提升至96.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化刃口間隙及吃入量工藝參數(shù)，并在下模切刀交匯處刃口下方增加鐵屑吸收裝置，可有效減少鐵屑的來源并及時(shí)清除鐵屑，抑制因修邊鐵屑造成制件表面凹凸和生產(chǎn)停線問題，對(duì)制件表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率具有顯著提升作用。