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摘 要：倒装式垫圈复合冲裁模结构的使用是与其凸凹模零件结构、强度有着紧密联系的，只能在其固有的结构和强度范围内使用。笔者通过对此套模具的凸凹模零件的受力情况和主要失效形式展开分析，从模具结构、材料选择以及制造工艺等几个方面入手，就如何加强凸凹模强度从而提高其使用寿命进行改制，延长其的使用寿命，从而提高更大的产生效益。
关键词：倒装式垫圈复合冲裁模；凸凹模（模具结构）；使用寿命
中图分类号：TG385.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）20-0332-02
1 前 言
复合冲裁模又叫复合模，由于此类模具结构紧凑，对于冲裁条料的精度要求不高，冲裁的工件整体较为平整，能够较为容易的满足精度需求，同时冲件内外形同轴度误差不高等特点而在制造业上得到了广泛的应用，有着良好的市场前景。因为复合模冲裁的特点在于同一冲裁行程和模具的同一冲裁工位上完成零件额内外形冲裁工作，所以整体冲裁力较大，就会影响凸凹模零件的强度及寿命，如果其强度达不到要求，就无法进一步推广使用。
以加工垫圈零件为例，当零件厚度尺寸与规定尺寸中要求的最小厚度参数有着较大差距时，倘若按照常规工艺设计成复合模冲裁，那么模具的整体参数较难达到正常水平，其强度及使用寿命远难以达到正常模具使用的要求，那么模具在实际使用过程中就会因为功能不足或强度不足等原因导致无法使用或缩短使用寿命。倘若使用单工序冲裁的方法，那么整体工作效率不高，将会严重影响工业生产整体进度和效益，同时连续冲裁模具的结构占地较大，也不适用。而选择连续模或是单工序模冲裁，零件的同轴度要求太高，成为难以逾越的技术难题。所以综合以上情况加工垫圈零件还是选择倒装式复合冲裁模为好，如（图1）结构。
按照如此模具结构主要凸凹模零件使用Cr12材料，一般正常能冲裁量为9～10万件左右就失效或损毁。要想能更好提高模具寿命产生更大的效益，就需要对冲裁工艺中模具主要零件的受力特点展开分析，确定造成模具失效的主要原因，由此来找到增强模具强度、延长使用寿命的办法。
2 凸凹模零件受力分析
因为复合冲裁模的凸凹模零件需要负担冲孔与落料两方面的工作，受力负荷最重，因此，主要分析凸凹模的受力情况。从冲裁区应力和应变情况能够清晰地掌握凸凹模的受力情况，如图2所示。
根据模具铸造文献可知，凸凹模轴向及径向的压应力都会随着冲裁间隙的提高而减少，此外，凸凹模还受到内孔中存留的冲孔废料因弹性回复而产生的径向压应力和轴向的剪应力。不过这两种应力将会在冲裁间隙变大的情况下而减小。
3 倒装式复合冲裁模的主要失效形式
通常来说，模具中受力情况最为严重地除了极小孔冲孔的凸模意外，就数凸凹模零件了，因此，倒装式复合模的失效形式主要集中在凸凹模零件里。按照模具生产的实际情况来看，凸凹模的失效形式分别表现在以下几个方面：
①刃口产生纵向裂纹；②冲孔刃口和漏料空刀交接处环形开裂；再次是凸凹模在刃口或非刃口的直壁部位沿着冲裁方向成45°角方向断裂；③刃口过早变钝，刃口侧壁磨损严重，从而让冲裁间隙过早地超出许可范围，造成失效。
对冲裁区的应力应变情况分析和凸凹模受力情况分析可知，第一种模具失效的原因在于冲裁力过大以及凸凹模壁厚太薄，从而导致冲孔凹模口内的被冲材料产生的反向压应力和冲孔凹模内堆积的废料造成的弹性压应力，在两种应力的共同作用下大于凸凹模人刃口处抗拉力所能承受的最大值，加之凸凹模的韧性不足，最终造成失效形式。该失效形式是模具应用过程中最为常见的。
第二种失效形式的原因在于冲裁力过大，加之刃口和漏料空刀交接的位置由于尖角导致的应力集中作用使得出现开裂。第三种失效形式则是因为冲裁力超过了模具所能承受的范围，使得模具沿着45°角的方向出现剪切断裂，通常在模具制作过程中冲擦力的使用都较大，但该失效形式较为少见往往是在该种失效形式出现以前，就已经发生第一种失效形式了。最后的失效形式通常是因为凸凹模在刃口侧壁受到的轴向切应力π和径向压应力超出承受范围，同时凸凹模的表面硬度较差共同导致的。
4 加强复合冲裁模凸凹模零件强度，延长其使用寿命的措施
按照上文中的分析结果，笔者结合自身工作经验，指出能够加强零件硬度、延长模具使用寿命的几种措施。
4.1 合理使用大间隙冲裁
因为冲裁间隙对于冲压材料的應力应变状态和凸凹模的受力情况有着巨大影响，因此，科学合理地使用大间隙冲裁不仅能够有效降低冲压材料中对凸凹模作用的压应力成分，还能够减少由于废料回弹产生的对凹模带来的径向压应力，同时还能够减少冲裁力与卸料力，进而使得凸凹模整体横向与径向的受力都减少。如此，即可使得模具整体的径向开裂几率降低，还能尽可能地延缓凸凹模侧壁的磨损。对于冲裁间隙的合理选用数值在中国机械工程学会铸造专业学会出版的《铸造手册》一书中有着明确的规定，施工者可以结合具体的生产情况选择。
4.2 使用差值冲裁间隙冲裁，改变凸凹模的受力情况
差值冲裁间隙冲裁法指的是对模具的冲孔和落料采取不同的冲裁间隙数值，对后者的数值要低一些，前者的冲裁间隙数值则应当超过后者，同时结合模具制作的要求尽可能选择大一些的数值，如此，在落料过程中材料对于凸凹模的径向压应力就会较大，同时冲孔时的材料与废料对凸凹模的径向压应力则会减少，由此改变了原先凸凹模人口径向受力过大的情况，有效地降低了径向开裂的概率，确保了模具的整体强度。
4.3 合理选择凸凹模具使用的材料及热处理
模具零件的材料与模具制成后的质量效果是息息相关的，因此材料的质量越好，越能确保模具的强度质量。而凸凹模的零件往往是较为脆弱的，加之需要承受制作过程中较大的冲裁力，所以，材料改选用高强度、高韧性的模具钢Cr12MoV效果更适宜。对于热处理方面，对于受力负荷较为严重的或是冲裁轮廓有尖角的刃口凸凹模零件，应当在精加工结束以后，在进行一次去应力回火，从而实现热处理后精加工中出现残余应力被消除的目的，由此来避免模具由于承受过大压力而开裂的情况。 4.4 冲裁间隙的均匀性
在模具装配工作中必须确保模具的刃口冲裁间隙的均匀性，如果生产者无法保证间隙的均匀性，那么将会导致冲裁过程中刃口的应力分布，从而导致凸凹模的受力平衡被打破，此外，还会导致冲裁间隙过小的区域由于受力负荷过大而提前损毁。
4.5 优化落料刃口结构
常见的落料刃口结构有如图以下三种。
以图3中的a结构为例，由于其加工程度不难，因此被广泛地应用在工业生产中，不过为了让凸凹模的强度不会被过分削减，空刀b就需要留的小一些，所以R就比较小，如此，就容易产生应力集中。此外，综合考量刃磨的因素，为了确保刃口的强度，刃口高度h应该以最高数值为准，但是会造成凹模口中堆积的废料偏多，从而引发凸凹模径向应力过多，出现失效情况。图中b的结构有点在于模口不堆积废料，但是刃口强度有限，使用寿命不长，所以工业生产商用的较少。c的结构在人口高度数值不高的情况下，能够有效规避a、b结构的缺点，因此，c的结构显得最为合理。另外，刃口高度h的数值应当在合适范围内，如果过大就会造成废料堆积引发模具开裂。所以，模具结构的刃口高度需要结合料厚的实际情况，选择料厚数据的4～5倍就可以了，厚料的情况下数值低一些，反之则取高数值。
5 结 语
模具在工业上有着广泛的应用，而倒装式复合冲裁模在很多冲压件加工中得到广泛的应用。对于倒装式垫圈复合冲裁模的凸凹模主要零件的受力分析后，通过改用Cr12MoV材料及热处理、选用最大间隙冲裁、使用差值冲裁间隙冲裁方式、在装配时保证冲裁间隙的均匀性、特别是优化落料刃口结构等主要方法后，凸凹模零件的沖裁受力强度得到增强，使用寿命得到了明显提高，在原来冲裁量只为10～12万件左右就失效或损毁得情况下能冲裁最大量达18～20万件，总体提高40%，这给企业产生大大的增加效益。以上是笔者结合自身工作经验结合相关文献资料，对提高倒装式垫圈复合冲裁模使用寿命进行改制的一些相关措施，以期能为同行提供一定参考。
参考文献
[1]孙文东，战冬飞.125MN自动线切边校正复合模工艺研究[J].金属加工（热加工），2017（17）.
[2]张 胜.小议机床散热器垫片冲压复合模设计[J].黑龙江科技信息，2017（12）.
[3]张艳琴，张占领.基于Pro/E与智能模具设计系统的复合模设计[J].模具工业，2017（03）.
[4]郑世念.锤用热冲复合模持续改进的技术经济研究[J].科技与创新，2017（01）.
[5]焦雷魁，张 洋，靳 刚，韦秀妹.汽车后安全带固定座冲压模拟及模具设计[J].模具制造，2016（11）.
[6]侯钦义，于云程，沙 伟，祁百龙.一种应用杠杆侧冲的罩盖复合模设计[J].现代制造技术与装备，2016（10）.
收稿日期：2018-6-11
关键词：倒装式垫圈复合冲裁模；凸凹模（模具结构）；使用寿命
中图分类号：TG385.2 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）20-0332-02
1 前 言
复合冲裁模又叫复合模，由于此类模具结构紧凑，对于冲裁条料的精度要求不高，冲裁的工件整体较为平整，能够较为容易的满足精度需求，同时冲件内外形同轴度误差不高等特点而在制造业上得到了广泛的应用，有着良好的市场前景。因为复合模冲裁的特点在于同一冲裁行程和模具的同一冲裁工位上完成零件额内外形冲裁工作，所以整体冲裁力较大，就会影响凸凹模零件的强度及寿命，如果其强度达不到要求，就无法进一步推广使用。
以加工垫圈零件为例，当零件厚度尺寸与规定尺寸中要求的最小厚度参数有着较大差距时，倘若按照常规工艺设计成复合模冲裁，那么模具的整体参数较难达到正常水平，其强度及使用寿命远难以达到正常模具使用的要求，那么模具在实际使用过程中就会因为功能不足或强度不足等原因导致无法使用或缩短使用寿命。倘若使用单工序冲裁的方法，那么整体工作效率不高，将会严重影响工业生产整体进度和效益，同时连续冲裁模具的结构占地较大，也不适用。而选择连续模或是单工序模冲裁，零件的同轴度要求太高，成为难以逾越的技术难题。所以综合以上情况加工垫圈零件还是选择倒装式复合冲裁模为好，如（图1）结构。
按照如此模具结构主要凸凹模零件使用Cr12材料，一般正常能冲裁量为9～10万件左右就失效或损毁。要想能更好提高模具寿命产生更大的效益，就需要对冲裁工艺中模具主要零件的受力特点展开分析，确定造成模具失效的主要原因，由此来找到增强模具强度、延长使用寿命的办法。
2 凸凹模零件受力分析
因为复合冲裁模的凸凹模零件需要负担冲孔与落料两方面的工作，受力负荷最重，因此，主要分析凸凹模的受力情况。从冲裁区应力和应变情况能够清晰地掌握凸凹模的受力情况，如图2所示。
根据模具铸造文献可知，凸凹模轴向及径向的压应力都会随着冲裁间隙的提高而减少，此外，凸凹模还受到内孔中存留的冲孔废料因弹性回复而产生的径向压应力和轴向的剪应力。不过这两种应力将会在冲裁间隙变大的情况下而减小。
3 倒装式复合冲裁模的主要失效形式
通常来说，模具中受力情况最为严重地除了极小孔冲孔的凸模意外，就数凸凹模零件了，因此，倒装式复合模的失效形式主要集中在凸凹模零件里。按照模具生产的实际情况来看，凸凹模的失效形式分别表现在以下几个方面：
①刃口产生纵向裂纹；②冲孔刃口和漏料空刀交接处环形开裂；再次是凸凹模在刃口或非刃口的直壁部位沿着冲裁方向成45°角方向断裂；③刃口过早变钝，刃口侧壁磨损严重，从而让冲裁间隙过早地超出许可范围，造成失效。
对冲裁区的应力应变情况分析和凸凹模受力情况分析可知，第一种模具失效的原因在于冲裁力过大以及凸凹模壁厚太薄，从而导致冲孔凹模口内的被冲材料产生的反向压应力和冲孔凹模内堆积的废料造成的弹性压应力，在两种应力的共同作用下大于凸凹模人刃口处抗拉力所能承受的最大值，加之凸凹模的韧性不足，最终造成失效形式。该失效形式是模具应用过程中最为常见的。
第二种失效形式的原因在于冲裁力过大，加之刃口和漏料空刀交接的位置由于尖角导致的应力集中作用使得出现开裂。第三种失效形式则是因为冲裁力超过了模具所能承受的范围，使得模具沿着45°角的方向出现剪切断裂，通常在模具制作过程中冲擦力的使用都较大，但该失效形式较为少见往往是在该种失效形式出现以前，就已经发生第一种失效形式了。最后的失效形式通常是因为凸凹模在刃口侧壁受到的轴向切应力π和径向压应力超出承受范围，同时凸凹模的表面硬度较差共同导致的。
4 加强复合冲裁模凸凹模零件强度，延长其使用寿命的措施
按照上文中的分析结果，笔者结合自身工作经验，指出能够加强零件硬度、延长模具使用寿命的几种措施。
4.1 合理使用大间隙冲裁
因为冲裁间隙对于冲压材料的應力应变状态和凸凹模的受力情况有着巨大影响，因此，科学合理地使用大间隙冲裁不仅能够有效降低冲压材料中对凸凹模作用的压应力成分，还能够减少由于废料回弹产生的对凹模带来的径向压应力，同时还能够减少冲裁力与卸料力，进而使得凸凹模整体横向与径向的受力都减少。如此，即可使得模具整体的径向开裂几率降低，还能尽可能地延缓凸凹模侧壁的磨损。对于冲裁间隙的合理选用数值在中国机械工程学会铸造专业学会出版的《铸造手册》一书中有着明确的规定，施工者可以结合具体的生产情况选择。
4.2 使用差值冲裁间隙冲裁，改变凸凹模的受力情况
差值冲裁间隙冲裁法指的是对模具的冲孔和落料采取不同的冲裁间隙数值，对后者的数值要低一些，前者的冲裁间隙数值则应当超过后者，同时结合模具制作的要求尽可能选择大一些的数值，如此，在落料过程中材料对于凸凹模的径向压应力就会较大，同时冲孔时的材料与废料对凸凹模的径向压应力则会减少，由此改变了原先凸凹模人口径向受力过大的情况，有效地降低了径向开裂的概率，确保了模具的整体强度。
4.3 合理选择凸凹模具使用的材料及热处理
模具零件的材料与模具制成后的质量效果是息息相关的，因此材料的质量越好，越能确保模具的强度质量。而凸凹模的零件往往是较为脆弱的，加之需要承受制作过程中较大的冲裁力，所以，材料改选用高强度、高韧性的模具钢Cr12MoV效果更适宜。对于热处理方面，对于受力负荷较为严重的或是冲裁轮廓有尖角的刃口凸凹模零件，应当在精加工结束以后，在进行一次去应力回火，从而实现热处理后精加工中出现残余应力被消除的目的，由此来避免模具由于承受过大压力而开裂的情况。 4.4 冲裁间隙的均匀性
在模具装配工作中必须确保模具的刃口冲裁间隙的均匀性，如果生产者无法保证间隙的均匀性，那么将会导致冲裁过程中刃口的应力分布，从而导致凸凹模的受力平衡被打破，此外，还会导致冲裁间隙过小的区域由于受力负荷过大而提前损毁。
4.5 优化落料刃口结构
常见的落料刃口结构有如图以下三种。
以图3中的a结构为例，由于其加工程度不难，因此被广泛地应用在工业生产中，不过为了让凸凹模的强度不会被过分削减，空刀b就需要留的小一些，所以R就比较小，如此，就容易产生应力集中。此外，综合考量刃磨的因素，为了确保刃口的强度，刃口高度h应该以最高数值为准，但是会造成凹模口中堆积的废料偏多，从而引发凸凹模径向应力过多，出现失效情况。图中b的结构有点在于模口不堆积废料，但是刃口强度有限，使用寿命不长，所以工业生产商用的较少。c的结构在人口高度数值不高的情况下，能够有效规避a、b结构的缺点，因此，c的结构显得最为合理。另外，刃口高度h的数值应当在合适范围内，如果过大就会造成废料堆积引发模具开裂。所以，模具结构的刃口高度需要结合料厚的实际情况，选择料厚数据的4～5倍就可以了，厚料的情况下数值低一些，反之则取高数值。
5 结 语
模具在工业上有着广泛的应用，而倒装式复合冲裁模在很多冲压件加工中得到广泛的应用。对于倒装式垫圈复合冲裁模的凸凹模主要零件的受力分析后，通过改用Cr12MoV材料及热处理、选用最大间隙冲裁、使用差值冲裁间隙冲裁方式、在装配时保证冲裁间隙的均匀性、特别是优化落料刃口结构等主要方法后，凸凹模零件的沖裁受力强度得到增强，使用寿命得到了明显提高，在原来冲裁量只为10～12万件左右就失效或损毁得情况下能冲裁最大量达18～20万件，总体提高40%，这给企业产生大大的增加效益。以上是笔者结合自身工作经验结合相关文献资料，对提高倒装式垫圈复合冲裁模使用寿命进行改制的一些相关措施，以期能为同行提供一定参考。
参考文献
[1]孙文东，战冬飞.125MN自动线切边校正复合模工艺研究[J].金属加工（热加工），2017（17）.
[2]张 胜.小议机床散热器垫片冲压复合模设计[J].黑龙江科技信息，2017（12）.
[3]张艳琴，张占领.基于Pro/E与智能模具设计系统的复合模设计[J].模具工业，2017（03）.
[4]郑世念.锤用热冲复合模持续改进的技术经济研究[J].科技与创新，2017（01）.
[5]焦雷魁，张 洋，靳 刚，韦秀妹.汽车后安全带固定座冲压模拟及模具设计[J].模具制造，2016（11）.
[6]侯钦义，于云程，沙 伟，祁百龙.一种应用杠杆侧冲的罩盖复合模设计[J].现代制造技术与装备，2016（10）.
收稿日期：2018-6-11