文/吳立軍·奇瑞汽車股份有限公司

淺論汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的原因及相應(yīng)對(duì)策

文/吳立軍·奇瑞汽車股份有限公司

本文簡(jiǎn)單論述了汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的形成原因及可以采取的相應(yīng)對(duì)策，并從模具設(shè)計(jì)的間隙、模具設(shè)計(jì)的工藝與結(jié)構(gòu)及其他輔助手段等方面說明了合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)改善覆蓋件修邊掉鐵屑的重要性，并介紹了幾種新型的模具結(jié)構(gòu)及新型廢料刀結(jié)構(gòu)。

背景介紹

目前，汽車覆蓋件模具的自動(dòng)化程度越來越高，已經(jīng)有很多汽車或零部件廠家采用了多工位模具和自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。除壓力機(jī)設(shè)備、模具及材料穩(wěn)定性、工序排布等因素外，廢料排出不暢、修邊掉鐵屑及模具型面拉毛已經(jīng)成為困擾模具制造廠家和汽車制造廠家的重大問題；本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和模具理論知識(shí)，針對(duì)汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的產(chǎn)生原因及可以采取的相應(yīng)對(duì)策進(jìn)行介紹。

汽車覆蓋件的生產(chǎn)現(xiàn)狀及修邊掉鐵屑危害

當(dāng)前各汽車整車制造企業(yè)，為了及時(shí)應(yīng)對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng)和有效降低生產(chǎn)成本，覆蓋件生產(chǎn)的自動(dòng)化需求越來越高，各汽車制造企業(yè)大都選擇了封閉的自動(dòng)化沖壓線，如圖1所示，壓機(jī)之間采用機(jī)器人或機(jī)械手加穿梭小車方式輸送機(jī)構(gòu)取放工件，因整個(gè)自動(dòng)化沖壓線是個(gè)封閉的模塊化系統(tǒng)，所以只能在自動(dòng)化線尾對(duì)零件的質(zhì)量進(jìn)行檢查，對(duì)工藝過程中零件的質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行控制，不能像手工生產(chǎn)線那樣做到立即發(fā)現(xiàn)和處理；即質(zhì)量缺陷的發(fā)現(xiàn)存在滯后性。

圖1 封閉的自動(dòng)化沖壓線

對(duì)于封閉的自動(dòng)化沖壓線，其中影響最大的質(zhì)量問題是修邊工序的掉鐵屑問題，工件在修邊工序過程中，由于上、下模的相對(duì)移動(dòng)，在模腔內(nèi)部形成負(fù)壓，把修邊產(chǎn)生的鐵屑吸入模腔內(nèi)，污染模具型腔內(nèi)型面，不得不停下流水線進(jìn)行模腔清潔，這不僅影響沖壓件的表面質(zhì)量，而且影響沖壓生產(chǎn)效率，甚至?xí)绊懺O(shè)備和模具的精度，造成安全生產(chǎn)隱患；如圖2所示。

圖2 修邊工序產(chǎn)生的鐵屑實(shí)例及其影響

汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的原因分析

從沖裁工藝的理論方面分析，修邊沖裁過程分為三個(gè)階段，基于圖3修邊沖裁力變化曲線圖，討論沖裁過程中板料的斷裂及產(chǎn)生鐵屑的原因。

切斷廢料區(qū)域無壓料產(chǎn)生鐵屑的原因分析

從修邊沖裁力變化曲線圖中，我們可以看到修邊沖裁過程的三個(gè)階段：

A～B段：板料的彈性變形階段；

B～C段：板料的塑性變形階段；

C點(diǎn)：相當(dāng)于材料的極限強(qiáng)度，即沖裁力的最大值，當(dāng)材料的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗剪切強(qiáng)度時(shí)，材料開始產(chǎn)生裂紋；

C～D段：裂紋擴(kuò)展至材料分離的斷裂階段；

圖3 修邊沖裁力變化曲線圖

D～E段：凸模克服摩擦力，將沖裁件（或廢料）從凸模中推出。

在整個(gè)修邊沖裁廢料切斷過程中，B區(qū)域都是自由狀態(tài)，這就造成A區(qū)域的變形不可控。特別是A區(qū)域在修邊過程中前5mm行程中（B～C段）撕裂時(shí)產(chǎn)生的裂紋，即使刃口間隙合理，裂紋的產(chǎn)生也不可避免。而這前5mm行程中產(chǎn)生的裂紋在最后2mm的廢料切斷行程時(shí)，不可避免的會(huì)被刃口切斷產(chǎn)生鐵屑，如圖4所示。制件修邊區(qū)域的不符型，即局部區(qū)域的無壓料修邊產(chǎn)生鐵屑的原理與之相同。

圖4 廢料刀工作示意圖

模具刃口不良產(chǎn)生鐵屑的原因分析

⑴ 模具刃口不垂直。

一般來說，模具刃口不垂直存在以下幾種情況：下模刃口為直角，上模刃口成銳角或鈍角；上模刃口為直角，下模刃口為銳角或鈍角；以下模刃口為直角，上模刃口成銳角為例，簡(jiǎn)要介紹鐵屑的產(chǎn)生過程如下：上模刃口成銳角時(shí)，刃口將料邊切斷后，刀塊在上升時(shí)會(huì)將料邊帶起產(chǎn)生帶料，這種帶料是由于板料與刀塊產(chǎn)生摩擦引起的，因此在這過程中刀塊會(huì)與板料摩擦產(chǎn)生鐵屑。同時(shí)，由于上模刃口接觸面較小，生產(chǎn)過程中容易磨損導(dǎo)致刃口間隙過大產(chǎn)生毛刺，這也是產(chǎn)生修邊掉鐵屑的另一個(gè)原因。

汽車覆蓋件修邊掉鐵屑的相應(yīng)對(duì)策

模具刃口間隙的合理化

在模具的設(shè)計(jì)階段，主要根據(jù)沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度和模具壽命這三個(gè)因素給出一個(gè)合理間隙，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與研究成果，按要求確定最小的合理間隙值，對(duì)于尺寸精度和斷面質(zhì)量要求不高的沖裁件，在滿足沖裁件質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)以降低沖裁力、提高模具壽命為主，選用較大的雙面間隙值，在頻繁的沖裁過程中，凸、凹模要與沖裁零件或廢料發(fā)生摩擦，凸模輪廓越磨越小，凹模輪廓越磨越大，結(jié)果使間隙越用越大。

當(dāng)模具間隙過小時(shí)，最初從凹模刃口附近發(fā)生的裂紋就指向凸模下面的高壓應(yīng)力區(qū)。因此，這個(gè)裂紋的成長(zhǎng)受到抑制，不能達(dá)到凸模刃口處，而成為滯裂紋，如圖5(a)所示，當(dāng)裂紋口開得相當(dāng)大的時(shí)候，兩裂紋中間的一部分材料隨著沖裁的進(jìn)行將被第二次剪切，繼而被凸模擠入凹模腔內(nèi)。由于凹模刃口的擠壓作用，在斷面上形成第二光亮帶，在兩光亮帶間形成撕裂的毛刺和夾層，如圖5(a)所示。間隙過大時(shí)，由于在光亮帶形成之前，板料已形成較大的圓角帶，所以實(shí)際的間隙就顯得更大。在這種情況下，如圖5(b)所示，因?yàn)樯稀⑾铝鸭y錯(cuò)開一段距離，且圓角帶大，所以斷面的垂直度差。又由于加工條件不同，裂紋也不一定在上、下兩刃口處同時(shí)發(fā)生，所以有時(shí)便可能由一個(gè)刃口引發(fā)的裂紋使材料分離。當(dāng)這個(gè)裂紋從一個(gè)刃口的尖端出發(fā)，擴(kuò)展到另一個(gè)刃口的側(cè)面時(shí)，在斷面上留下很大的毛刺。因此間隙過大時(shí)，斷面上的光亮帶減小，圓角、毛刺及斜度變大。間隙合理時(shí)，上、下刃口處產(chǎn)生的裂紋，在沖裁切斷過程中會(huì)合成一條線，如圖5(c)所示。在這種情況下所得沖裁件的斷面光亮帶較大，而圓角帶及毛刺和斜度均較小，表面也比較平整，斷面與平面質(zhì)量均可達(dá)到理想的效果。經(jīng)由上述分析可知，間隙過大或過小時(shí)，沖裁件的斷面質(zhì)量都較差，間隙過大，修邊時(shí)扯拉制件（剪切變形）產(chǎn)生毛刺和鐵屑；間隙過小，修邊后的薄毛刺通過刃口的擠拉和回帶，進(jìn)入模具型面；只有在合理間隙時(shí)，才能使沖裁件的斷面質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，通過研配凸凹模間隙，使廢料刃口與切邊刃口間隙控制在1mm 以內(nèi)，廢料刃口切入深度控制在3mm以內(nèi)，使凸凹模切邊刃口間隙保持在板料厚度8%～10%之間。該間隙值的優(yōu)點(diǎn)是能很好地抑制鐵屑的產(chǎn)生；其缺點(diǎn)之一是周期性研配凸凹模，工作量大，且受制于設(shè)備及模具的日常生產(chǎn)使用；之二是具有模具改造風(fēng)險(xiǎn)，維修成本較高。

圖5 模具刃口間隙示意圖

模具設(shè)計(jì)工藝與結(jié)構(gòu)

⑴模具采用無廢料刀結(jié)構(gòu)。

重要的汽車外覆蓋件模具建議采用無廢料刀結(jié)構(gòu)，對(duì)于此類模具結(jié)構(gòu)修邊分兩次完成，第一次修邊的時(shí)候廢料三面帶壓料，修邊后的工序件狀態(tài)如圖6所示；三面帶壓料修邊在刃口間隙合理的情況下，基本不會(huì)產(chǎn)生毛刺及鐵屑現(xiàn)象，且制件質(zhì)量穩(wěn)定，如A3車型前后門外板模具如圖7所示。

廢料刀口布置盡量隨形，刃口部位緊貼基體面；上下模廢料刀口保持與零件作用面垂直；自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，在廢料輸送設(shè)備以及模具結(jié)構(gòu)排料允許的尺寸前提下，還可采取減少?gòu)U料刀排布數(shù)量，來減少?gòu)U料鐵屑帶給生產(chǎn)的影響，現(xiàn)車型的該類模具結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用的案例如圖8和圖9所示。

圖6 修邊后的工序樣件

圖7 A3車型前后門外板模具

圖8 無廢料刀工序樣件

圖9 無廢料刀的模具

⑵模具整體式修邊二次分切排料。

模具第一個(gè)工作行程將制件整體式修邊，第二個(gè)工作行程將上次修邊廢料切斷排料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示；這類模具也比較適合自動(dòng)化生產(chǎn)，在刃口間隙合理的情況下不會(huì)產(chǎn)生毛刺和修邊鐵屑且便于排料。此類結(jié)構(gòu)目前在頂蓋上應(yīng)用比較多，如A、B、C等車型的頂蓋如圖11所示。

圖10 廢料二次切斷的結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 現(xiàn)場(chǎng)二次分切的模具圖片

⑶新型廢料刀結(jié)構(gòu)的采用。

根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)的廢料刀無法實(shí)現(xiàn)修邊與廢料切斷相分開，特別是在廢料刀與修邊刃口交接部位，此部位也是最容易產(chǎn)生修邊鐵屑的地方。目前，國(guó)內(nèi)部分主機(jī)廠要求覆蓋件的廢料刀必須使用旋轉(zhuǎn)廢料刀，旋轉(zhuǎn)廢料刀的結(jié)構(gòu)示意如圖12所示，此種廢料刀能夠?qū)崿F(xiàn)修邊與廢料切斷兩個(gè)動(dòng)作的分離，可以在很大程度上減少鐵屑的產(chǎn)生。但此類廢料刀對(duì)加工制造設(shè)備的精度要求比較高，特別是要求具有外圓磨床等設(shè)備，部分模具廠家因不具備該類設(shè)備或設(shè)備精度不夠而無法采用該廢料刀結(jié)構(gòu)，因而限制了該廢料刀在覆蓋件修邊工序中的應(yīng)用和推廣范圍。

圖12 旋轉(zhuǎn)廢料刀的結(jié)構(gòu)示意圖

模具上設(shè)置吹氣裝置

為了用一種既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的辦法來解決該問題，我們以某款汽車的頂蓋自動(dòng)化線生產(chǎn)過程為例，通過對(duì)生產(chǎn)后的模具進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在廢料刀處存在許多的小鐵屑堆積。經(jīng)過分析和總結(jié)以及其他主機(jī)廠成功應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，決定采取加裝吹氣裝置方式進(jìn)行改善。我們提出在上模切邊刃口處加裝吹氣管的方案，如圖13所示，該套修邊模吹氣裝置工作原理是：通過在上模型面鑲塊和廢料切刀之間安裝吹氣管，利用壓力機(jī)滑塊角度控制壓縮空氣閥門開關(guān)，來吹掉廢料切刀產(chǎn)生的鐵屑。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，采用模具上設(shè)置吹氣機(jī)構(gòu)，在模具整體設(shè)計(jì)未作變動(dòng)的情況下，成功地解決了修邊鐵屑過多影響外覆蓋件表面質(zhì)量的問題。該吹氣機(jī)構(gòu)具有制造成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、改造容易等特點(diǎn)，能較好地普及到該類型模具減少鐵屑的使用中，具有一定的借鑒和參考作用。

圖13 模具設(shè)置吹氣裝置的應(yīng)用實(shí)例

修邊掉鐵屑涂抹黏性潤(rùn)滑脂的處理方法

實(shí)際沖壓生產(chǎn)過程中，通過在廢料刀口處涂抹黏性潤(rùn)滑脂粘住修邊鐵屑，一般涂在廢料刀口作用面背面以下3mm處，防止凹模面接觸黏性潤(rùn)滑脂而把鐵屑帶入模腔，該處理方法因操作步驟煩瑣，可靠性不高等原因，一般不建議使用。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，綜合考慮覆蓋件表面質(zhì)量的控制特點(diǎn)、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和模具維護(hù)等多方面因素，針對(duì)覆蓋件修邊掉鐵屑，汽車制造廠商在解決覆蓋件修邊掉鐵屑問題方面，選擇貼合實(shí)際的模具結(jié)構(gòu)工藝才顯得格外關(guān)鍵。

吳立軍，沖壓高級(jí)經(jīng)理，工程師。主要從事沖壓新品模具開發(fā)、產(chǎn)線規(guī)劃及新技術(shù)、新工藝導(dǎo)入等工作。