42CrMo中厚板零件精密冲裁工艺分析与模具设计

图1所示厚板零件料厚4.5mm，材质为42CrMo。在冲压工艺中，通常板料厚度≤1.0mm称为薄板；厚度在1.0~4.0mm称为中厚板；厚度≥4.0mm称为厚板。该零件料厚4.5mm，属于厚板范畴，采用常规冲压工艺生产，其剪断面上呈现不同断面的特征非常明显。

在常规冲裁过程中，随着材料的逐渐分离，零件剪口处的材料存在3个变形阶段：弹性变形、塑性变形、撕裂变形；相应的在剪口断面上通常呈现4个特征区间：圆角带、光亮带、断裂带、毛刺带，如图2所示。因此采用常规冲裁间隙进行冲压时，不同料厚处的断面特征区各有特点。该零件原制造工艺方案为：冲压、去毛刺、机加工（铣、磨削），其中模具采用常规冲裁结构。常规模具制造简单，生产、维护方便，可进行厚板冲裁，但零件的断面质量很不稳定。

图2 剪口断面上的4个特征区间

由于该零件材料为65Mn，其抗剪强度、硬度较普通碳素钢高，当采用传统常规模具结构，并按正常间隙（双边间隙按料厚的12%～15%取值）进行冲裁时，先用5.0mm厚度的板材进行冲裁，再通过铣削、磨削机加工方式，尽可能消除厚度方向上的圆角带及毛刺带，达到零件4.5mm厚度要求。采用这种工艺生产，在厚度剪断面上，圆角带占料厚的1/6～1/7；光亮带适中，占料厚的1/3～1/4；断裂带占料厚的1/2～4/7，与料厚方向的夹角较小。生产一段时间后，零件毛刺带较严重，占料厚的1/7～1/8，成为零件主要质量控制点。零件冲裁后，需对其圆角带及毛刺带正反两面机加工至尺寸要求。

采用传统结构模具，在2000kN压力机上生产时，机床需承受较大载荷，其周围伴有较大震动，冲压时产生的噪声相当大，而且存在一定的安全隐患。经与客户协商，对模具结构进行改进，按大冲裁间隙（双边间隙按料厚的18%～20%取值）进行冲压，这样冲压设备所受载荷减轻，机床周围振动减弱。

采用大冲裁间隙模具，从零件厚度断面看，圆角带增大，占1/4左右；光亮带略有减少，占1/4～1/5；断裂带增大，占4/7～5/7，与料厚方向的夹角有较明显增大倾向；毛刺带比原来要小，用砂带稍磨即可满足客户需求；零件冲裁后，只需对圆角带一面机加工至尺寸要求即可。从生产成本分析，由于机加工的便捷性及冲压环境的改善，模具产能较原来高10%~15%。然而，随着客户对零件质量要求的提高及产量的扩大，需要尽可能提高零件断面质量。经与客户多次技术探讨及反复验证，对该零件直接采用4.5mm厚板料、小间隙的精密冲裁模进行生产，可达到客户对零件断面质量的要求。

图3 模具结构

1.下推板 2.下模座 3.下模板 4.下限位块垫块 5.下限位块 6.凸模垫板 7.凸模固定板 8.凹模 9.导柱10.上限位块 11.齿圈压板座 12.齿圈压板 13.上模板 14.上模座 15.上推板 16.凸凹模垫板 17.上连接推杆 18.上推杆 19.上推杆 20.凸凹模 21.齿圈限位柱 22.上模板导套 23.齿圈压板座导套 24.齿圈限位块 25.圆柱销 26.弹顶销 27.凹模顶件板 28.螺钉 29.凸模 30.凸模 31.下推杆

图3为精密冲裁模结构，图4为精密冲裁模三维图。模具为倒装结构，上、下模的双边冲裁间隙为0.01mm。

图4 精密冲裁模三维图

模具预压过程：当压力机滑块带动上模下行时，压力机内的上液压缸顶杆顶在上推板15上，将轻微的压力通过上连接推杆17作用于齿圈压板12和凸凹模内的上推杆18、19上。上模继续下行，齿圈压板12上的齿圈压在厚板材料上，在其表面形成浅齿痕。上模继续下行，齿圈压板在齿圈的作用下，一方面继续在厚板上加深齿痕；另一方面材料的变形抗力通过齿圈压板及上连接推杆17反作用于上推板15，并传递至压力机内的上液压缸。上液压缸设定的压力逐渐加大至预设压力，此时齿圈压板上的齿圈逐渐全部压入材料，板料在齿圈的作用下产生压缩应力。由于齿圈压板的齿圈部分存在高低差，板料上齿圈内压应力要远高于齿圈外压应力。

压制工作过程：压力机在预压阶段结束后，经短暂停留后继续下行，上推板在事先设定的压力值下施加压力，通过齿圈压板及上推杆18、19将压力作用到板料上，凸凹模20则将齿圈压板内受压的板料挤入到凹模中。压力机下液压缸对下推板1施加压力，经下推杆31传递到凹模顶件板27上。下模的凸模29、30将进入凹模内的板料反向顶入到凸凹模内，这样上、下模间的板料全部处于巨大的压应力下。由于模具采用小间隙冲裁，按照精冲模冲压工作原理，处于三向压应力状态下的板料，在压力机预设定的差动压力（机械压力、上液压缸预设压力、下液压缸工作压力形成的压力差）下有序分离。搭边料留在齿圈压板12与凹模8之间，卡在凸凹模上；半成品工件留在凸凹模与凹模顶件板之间，卡在凹模与凸模29、30上；冲孔的废料分别留在凸模29和上推杆19、凸模30和上推杆18之间，并卡在上模的凸凹模内。这一过程中，厚板材料随压力机下行直至成形出完整零件。经短暂停留，机床上的上、下液压缸分别卸载，厚板材料的压制分离结束。

回程工作过程：压力机进入回程阶段，在下液压缸卸料压力、凸凹模回程压力共同作用下，通过下推杆推动凹模顶件板，将零件从凹模和凸模29、30上推出，下液压缸卸载卸料压力；凸凹模随压力机上行，卡在凸凹模外面的废料及凸凹模内部的圆孔废料，在上液压缸预设的卸料压力下，由齿圈压板和上推杆18、19分别推出。上模继续上行至机床行程结束。

经过预压、压制、回程过程，一个零件完整的精冲过程完成。

通过多次试验，发现零件剪断面上的圆角带与毛刺带，在一定的模具参数、材料强度下，与施加在上推板、下推板上的压力有密切关系。当凸凹模和凹模刃口处的压应力与材料剪切强度相匹配时，零件断面的圆角带很小，毛刺带也很小。图5为精密冲裁模实物，图6为精密冲裁后的零件剪断面效果图。 

图5 精密冲裁模实物

图6 精密冲裁后的零件剪断面效果图

对比工艺改进后的生产条件，由于新工艺采用压力机与精冲模组合进行生产，不会因较大的金属冲击和能量积聚后突然释放而产生振动。在工作过程中，压力机将板料在上、下模之间压合时，有一个相对明显的能量成对积聚过程，由于小间隙精冲模与常规冲裁模在变形机理中存在较大差异，在材料分离的时间段内，能量成对增长与释放，直至板料完全成形。机床上、下液压缸的压力有一个渐变过程，所积聚的能量再释放时，会产生相对沉闷的振颤声，相比常规冲床冲压时产生的明显振动，生产操作人员更加适应。

在模具选材方面，由于凸模主要受压力与卸料力，选用Cr12MoV模具钢并热处理至56~58HRC；上、下推板与上、下推杆等主要受压力件选用碳素工具钢T10并热处理至51~53HRC；上、下安装板与上、下模板等结构件，选用42CrMo钢并热处理至28~32HRC；凸凹模垫板、凸模垫板选用42CrMo并热处理至38~43HRC，凸模固定板选用42CrMo，不作热处理。凸凹模、齿圈压板、凹模等模具零件，如选用SKD-11材料，受热处理等条件的影响，生产过程中会出现爆裂及崩口现象，根据其产量要求及受力复杂的特点，选用新型模具材料XW-5，并热处理至58~60HRC。经试验，XW-5综合性能优于SKD-11，符合精冲模的生产要求。

零件经精密冲裁后组装到某设备进行测试，数据表明设备的使用寿命有了较大改善，零件断面处的承载能力得到提高，且使用过程中因磨损失效导致的售后服务成本大为降低。采用新工艺冲压零件，虽然前期装备投入较高，但零件质量能满足客户要求，而且不需进行后续的工艺处理，综合成本更低，体现了较高的综合效益，提升了企业形象。