圖1所示厚板零件料厚4.5mm，材質(zhì)為42CrMo。在沖壓工藝中，通常板料厚度≤1.0mm稱為薄板；厚度在1.0~4.0mm稱為中厚板；厚度≥4.0mm稱為厚板。該零件料厚4.5mm，屬于厚板范疇，采用常規(guī)沖壓工藝生產(chǎn)，其剪斷面上呈現(xiàn)不同斷面的特征非常明顯。

在常規(guī)沖裁過(guò)程中，隨著材料的逐漸分離，零件剪口處的材料存在3個(gè)變形階段：彈性變形、塑性變形、撕裂變形；相應(yīng)的在剪口斷面上通常呈現(xiàn)4個(gè)特征區(qū)間：圓角帶、光亮帶、斷裂帶、毛刺帶，如圖2所示。因此采用常規(guī)沖裁間隙進(jìn)行沖壓時(shí)，不同料厚處的斷面特征區(qū)各有特點(diǎn)。該零件原制造工藝方案為：沖壓、去毛刺、機(jī)加工（銑、磨削），其中模具采用常規(guī)沖裁結(jié)構(gòu)。常規(guī)模具制造簡(jiǎn)單，生產(chǎn)、維護(hù)方便，可進(jìn)行厚板沖裁，但零件的斷面質(zhì)量很不穩(wěn)定。

圖2 剪口斷面上的4個(gè)特征區(qū)間

由于該零件材料為65Mn，其抗剪強(qiáng)度、硬度較普通碳素鋼高，當(dāng)采用傳統(tǒng)常規(guī)模具結(jié)構(gòu)，并按正常間隙（雙邊間隙按料厚的12%～15%取值）進(jìn)行沖裁時(shí)，先用5.0mm厚度的板材進(jìn)行沖裁，再通過(guò)銑削、磨削機(jī)加工方式，盡可能消除厚度方向上的圓角帶及毛刺帶，達(dá)到零件4.5mm厚度要求。采用這種工藝生產(chǎn)，在厚度剪斷面上，圓角帶占料厚的1/6～1/7；光亮帶適中，占料厚的1/3～1/4；斷裂帶占料厚的1/2～4/7，與料厚方向的夾角較小。生產(chǎn)一段時(shí)間后，零件毛刺帶較嚴(yán)重，占料厚的1/7～1/8，成為零件主要質(zhì)量控制點(diǎn)。零件沖裁后，需對(duì)其圓角帶及毛刺帶正反兩面機(jī)加工至尺寸要求。

采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模具，在2000kN壓力機(jī)上生產(chǎn)時(shí)，機(jī)床需承受較大載荷，其周圍伴有較大震動(dòng)，沖壓時(shí)產(chǎn)生的噪聲相當(dāng)大，而且存在一定的安全隱患。經(jīng)與客戶協(xié)商，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，按大沖裁間隙（雙邊間隙按料厚的18%～20%取值）進(jìn)行沖壓，這樣沖壓設(shè)備所受載荷減輕，機(jī)床周圍振動(dòng)減弱。

采用大沖裁間隙模具，從零件厚度斷面看，圓角帶增大，占1/4左右；光亮帶略有減少，占1/4～1/5；斷裂帶增大，占4/7～5/7，與料厚方向的夾角有較明顯增大傾向；毛刺帶比原來(lái)要小，用砂帶稍磨即可滿足客戶需求；零件沖裁后，只需對(duì)圓角帶一面機(jī)加工至尺寸要求即可。從生產(chǎn)成本分析，由于機(jī)加工的便捷性及沖壓環(huán)境的改善，模具產(chǎn)能較原來(lái)高10%~15%。然而，隨著客戶對(duì)零件質(zhì)量要求的提高及產(chǎn)量的擴(kuò)大，需要盡可能提高零件斷面質(zhì)量。經(jīng)與客戶多次技術(shù)探討及反復(fù)驗(yàn)證，對(duì)該零件直接采用4.5mm厚板料、小間隙的精密沖裁模進(jìn)行生產(chǎn)，可達(dá)到客戶對(duì)零件斷面質(zhì)量的要求。

圖3 模具結(jié)構(gòu)

1.下推板 2.下模座 3.下模板 4.下限位塊墊塊 5.下限位塊 6.凸模墊板 7.凸模固定板 8.凹模 9.導(dǎo)柱10.上限位塊 11.齒圈壓板座 12.齒圈壓板 13.上模板 14.上模座 15.上推板 16.凸凹模墊板 17.上連接推桿 18.上推桿 19.上推桿 20.凸凹模 21.齒圈限位柱 22.上模板導(dǎo)套 23.齒圈壓板座導(dǎo)套 24.齒圈限位塊 25.圓柱銷 26.彈頂銷 27.凹模頂件板 28.螺釘 29.凸模 30.凸模 31.下推桿

圖3為精密沖裁模結(jié)構(gòu)，圖4為精密沖裁模三維圖。模具為倒裝結(jié)構(gòu)，上、下模的雙邊沖裁間隙為0.01mm。

圖4 精密沖裁模三維圖

模具預(yù)壓過(guò)程：當(dāng)壓力機(jī)滑塊帶動(dòng)上模下行時(shí)，壓力機(jī)內(nèi)的上液壓缸頂桿頂在上推板15上，將輕微的壓力通過(guò)上連接推桿17作用于齒圈壓板12和凸凹模內(nèi)的上推桿18、19上。上模繼續(xù)下行，齒圈壓板12上的齒圈壓在厚板材料上，在其表面形成淺齒痕。上模繼續(xù)下行，齒圈壓板在齒圈的作用下，一方面繼續(xù)在厚板上加深齒痕；另一方面材料的變形抗力通過(guò)齒圈壓板及上連接推桿17反作用于上推板15，并傳遞至壓力機(jī)內(nèi)的上液壓缸。上液壓缸設(shè)定的壓力逐漸加大至預(yù)設(shè)壓力，此時(shí)齒圈壓板上的齒圈逐漸全部壓入材料，板料在齒圈的作用下產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。由于齒圈壓板的齒圈部分存在高低差，板料上齒圈內(nèi)壓應(yīng)力要遠(yuǎn)高于齒圈外壓應(yīng)力。

壓制工作過(guò)程：壓力機(jī)在預(yù)壓階段結(jié)束后，經(jīng)短暫停留后繼續(xù)下行，上推板在事先設(shè)定的壓力值下施加壓力，通過(guò)齒圈壓板及上推桿18、19將壓力作用到板料上，凸凹模20則將齒圈壓板內(nèi)受壓的板料擠入到凹模中。壓力機(jī)下液壓缸對(duì)下推板1施加壓力，經(jīng)下推桿31傳遞到凹模頂件板27上。下模的凸模29、30將進(jìn)入凹模內(nèi)的板料反向頂入到凸凹模內(nèi)，這樣上、下模間的板料全部處于巨大的壓應(yīng)力下。由于模具采用小間隙沖裁，按照精沖模沖壓工作原理，處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下的板料，在壓力機(jī)預(yù)設(shè)定的差動(dòng)壓力（機(jī)械壓力、上液壓缸預(yù)設(shè)壓力、下液壓缸工作壓力形成的壓力差）下有序分離。搭邊料留在齒圈壓板12與凹模8之間，卡在凸凹模上；半成品工件留在凸凹模與凹模頂件板之間，卡在凹模與凸模29、30上；沖孔的廢料分別留在凸模29和上推桿19、凸模30和上推桿18之間，并卡在上模的凸凹模內(nèi)。這一過(guò)程中，厚板材料隨壓力機(jī)下行直至成形出完整零件。經(jīng)短暫停留，機(jī)床上的上、下液壓缸分別卸載，厚板材料的壓制分離結(jié)束。

回程工作過(guò)程：壓力機(jī)進(jìn)入回程階段，在下液壓缸卸料壓力、凸凹模回程壓力共同作用下，通過(guò)下推桿推動(dòng)凹模頂件板，將零件從凹模和凸模29、30上推出，下液壓缸卸載卸料壓力；凸凹模隨壓力機(jī)上行，卡在凸凹模外面的廢料及凸凹模內(nèi)部的圓孔廢料，在上液壓缸預(yù)設(shè)的卸料壓力下，由齒圈壓板和上推桿18、19分別推出。上模繼續(xù)上行至機(jī)床行程結(jié)束。

經(jīng)過(guò)預(yù)壓、壓制、回程過(guò)程，一個(gè)零件完整的精沖過(guò)程完成。

通過(guò)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)零件剪斷面上的圓角帶與毛刺帶，在一定的模具參數(shù)、材料強(qiáng)度下，與施加在上推板、下推板上的壓力有密切關(guān)系。當(dāng)凸凹模和凹模刃口處的壓應(yīng)力與材料剪切強(qiáng)度相匹配時(shí)，零件斷面的圓角帶很小，毛刺帶也很小。圖5為精密沖裁模實(shí)物，圖6為精密沖裁后的零件剪斷面效果圖。 

圖5 精密沖裁模實(shí)物

圖6 精密沖裁后的零件剪斷面效果圖

對(duì)比工藝改進(jìn)后的生產(chǎn)條件，由于新工藝采用壓力機(jī)與精沖模組合進(jìn)行生產(chǎn)，不會(huì)因較大的金屬?zèng)_擊和能量積聚后突然釋放而產(chǎn)生振動(dòng)。在工作過(guò)程中，壓力機(jī)將板料在上、下模之間壓合時(shí)，有一個(gè)相對(duì)明顯的能量成對(duì)積聚過(guò)程，由于小間隙精沖模與常規(guī)沖裁模在變形機(jī)理中存在較大差異，在材料分離的時(shí)間段內(nèi)，能量成對(duì)增長(zhǎng)與釋放，直至板料完全成形。機(jī)床上、下液壓缸的壓力有一個(gè)漸變過(guò)程，所積聚的能量再釋放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)沉悶的振顫聲，相比常規(guī)沖床沖壓時(shí)產(chǎn)生的明顯振動(dòng)，生產(chǎn)操作人員更加適應(yīng)。

在模具選材方面，由于凸模主要受壓力與卸料力，選用Cr12MoV模具鋼并熱處理至56~58HRC；上、下推板與上、下推桿等主要受壓力件選用碳素工具鋼T10并熱處理至51~53HRC；上、下安裝板與上、下模板等結(jié)構(gòu)件，選用42CrMo鋼并熱處理至28~32HRC；凸凹模墊板、凸模墊板選用42CrMo并熱處理至38~43HRC，凸模固定板選用42CrMo，不作熱處理。凸凹模、齒圈壓板、凹模等模具零件，如選用SKD-11材料，受熱處理等條件的影響，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)爆裂及崩口現(xiàn)象，根據(jù)其產(chǎn)量要求及受力復(fù)雜的特點(diǎn)，選用新型模具材料XW-5，并熱處理至58~60HRC。經(jīng)試驗(yàn)，XW-5綜合性能優(yōu)于SKD-11，符合精沖模的生產(chǎn)要求。

零件經(jīng)精密沖裁后組裝到某設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)表明設(shè)備的使用壽命有了較大改善，零件斷面處的承載能力得到提高，且使用過(guò)程中因磨損失效導(dǎo)致的售后服務(wù)成本大為降低。采用新工藝沖壓零件，雖然前期裝備投入較高，但零件質(zhì)量能滿足客戶要求，而且不需進(jìn)行后續(xù)的工藝處理，綜合成本更低，體現(xiàn)了較高的綜合效益，提升了企業(yè)形象。