沖模CAD中非圓凸模和凹模的自動生成

圖1 指針

常用儀表的指針零件如圖1所示，該零件上的孔徑尺寸較小為?0.5mm，對沖孔的凸模及凹模有特殊要求。這類小孔沖模的損壞主要是磨損失效及小孔凸模折斷。

成形指針的模具零件磨損失效部位主要存在于沖小孔凸、凹模刃口部位、凸模端面、凸模圓柱面以及凹模型孔表面。

模具的沖裁過程：凸模與凹模組成上、下刃口，板料放在凹模上，凸模在壓力機的滑塊帶動下下行，將板料壓入凹模中，板料在經(jīng)過彈、塑性變形后發(fā)生斷裂分離。模具零件的磨損主要發(fā)生在沖裁過程中及沖裁結(jié)束階段。凸模在將板料壓入凹模的最初階段，凸、凹模刃口部位受到拉壓交替的應力，隨著沖裁次數(shù)的增加，模具零件刃口處易出現(xiàn)疲勞裂紋，進而造成模具零件刃口磨損。同時，凸模端面與板料接觸面之間的摩擦也會造成凸模端面磨損。在繼續(xù)將板料壓入凹模的最終階段，一般凸模伸進凹模深度為一個料厚t，隨后凸模隨壓力機滑塊上行脫離板料。但此時未被沖入凹模孔內(nèi)的板料會緊緊套在凸模上，因為在沖裁時材料受到了凸模的擠壓，發(fā)生了沿凸模徑向向外的擠壓彈性變形，沖裁一結(jié)束材料將回彈緊抱凸模。卸下板料則需卸料力，約占沖裁力的8%左右，在卸料過程中會造成凸模外圓柱面磨損。

隨著模具使用次數(shù)增加，凸、凹模刃口磨損、端面磨損以及圓柱面的磨損都從微量磨損逐漸累積成過量磨損，最后導致凸、凹模間隙變大及刃口鈍化。如果凸模尺寸小，強度本身不足，在刃口變鈍和間隙變大的情況下很容易造成凸模受力偏載，從而造成小凸模過早折斷，這是成形指針?0.5mm孔的小凸模容易折斷的主要原因。

如何降低指針模具零件的磨損量是提高凸、凹模刃磨壽命的關鍵因素，除了優(yōu)化結(jié)構設計減緩模具零件磨損，還應選擇合適的模具零件材料。當前，指針模具常采用Cr12MoV鋼制作凸、凹模，但Cr12MoV鋼材料韌性不足，在使用凸模沖制?0.5mm孔的過程中易折斷、刃磨壽命短。對于小尺寸凸、凹模材料的選擇首先應注重材料的韌性，7Cr7Mo2V2Si鋼經(jīng)熱處理后具有較好的硬度、耐磨性，關鍵還具有較好的韌性。如果選擇7Cr7Mo2V2Si鋼制作成形指針小孔的凸、凹模有可能提高刃磨壽命，降低小孔凸模的折斷率。

因此，對Cr12MoV鋼和7Cr7Mo2V2Si鋼制作的模具零件磨損量、刃磨壽命、小凸模折斷情況進行比較，以驗證7Cr7Mo2V2Si鋼提高沖小孔模具使用壽命的可行性。

一 試驗準備

1 試驗材料

Cr12MoV鋼的化學成分如表1所示，具有高的含碳量和含鉻量，Cr與碳形成Cr23C6型碳化物能極大程度地提高鋼的耐磨性、淬透性及回火穩(wěn)定性；Mo與碳能形成（Fe、Mo）6C型碳化物，能提高鋼的淬透性、細化晶粒、提升共晶碳化物的均勻度和強化二次硬化效果；V的主要作用是細化晶粒，提高回火穩(wěn)定性，強化二次硬化效果，增加鋼的耐磨性。Cr12MoV鋼是目前常用的模具零件材料，指針模具零件也常選用此冷作模具鋼。

Cr12MoV鋼熱處理工藝采用油淬加回火處理，加熱保溫階段采用3次分步預熱處理：①預熱溫度650℃，升溫在30min內(nèi)完成，保溫時間2h；②升溫至850℃，升溫時間為20min，保溫時間2h；③升溫至1000℃，升溫時間在20min內(nèi)完成，保溫時間1.5h。淬火冷卻采用油冷至油溫，回火選擇二次回火溫度190℃，每次保溫4h，最終硬度經(jīng)測定為60HRC。

7Cr7Mo2V2Si鋼是一種高強韌性、高耐磨性冷作模具鋼，其化學成分如表2所示。與Cr12MoV鋼所含成分比較，7Cr7Mo2V2Si鋼碳含量少了近1/2，Si元素含量增加了0.53%。碳含量減少，共晶碳化物含量也會減少，Si元素含量增多，鋼材的回火穩(wěn)定性將得到提升。經(jīng)過熱處理的7Cr7Mo2V2Si鋼在強度、韌性、耐磨性都比Cr12MoV鋼好。7Cr7Mo2V2Si鋼更適合制造承受高負荷的沖模零件。

7Cr7Mo2V2Si鋼熱處理同樣采用油淬加回火處理，具體淬火加熱保溫階段也采用3次分步預熱處理：①預熱溫度大約為650℃，升溫在30min內(nèi)完成，保溫2h；②升溫至850℃，升溫時間為20min，保溫時間2h；③升溫至1100℃，升溫時間在20min內(nèi)完成，保溫1.5h。淬火冷卻采用油冷然后冷卻至油溫?；鼗鹋cCr12MoV鋼不一樣，選擇二次回火溫度240℃，每次保溫2h，最終硬度經(jīng)測定為59HRC。

選擇1040℃作為最終淬火溫度，在加熱過程中，大量的碳和合金元素充分溶入奧氏體中，淬火后，馬氏體中含碳量增加，提高馬氏體硬度，同時由于加熱溫度不高，能降低淬火馬氏體的熱應力。選擇240℃低溫回火主要是為了消除淬火應力，穩(wěn)定尺寸，減少熱處理變形。經(jīng)過熱處理的凸、凹模零件，可獲得較高的硬度和耐磨性。

2 模具設計方案及沖壓設備

圖2 沖孔落料級進模

針對圖1所示的指針零件，模具設計方案選擇為沖孔落料級進模結(jié)構，所用模架為對角導柱式標準模架，如圖2所示。采用這種導向模式的模具便于操作，最大限度規(guī)避因?qū)騿栴}而引起模具偏載、模具凸模彎曲等問題，進而避免模具零件的非正常磨損。關鍵模具工作零件凸、凹模的制造采用線切割加工，為避免線切割加工變質(zhì)層，對相關零件采用再次回火處理。

根據(jù)試驗采用的指針模具結(jié)構，按照壓力機的裝模高度、所能提供的最大沖裁力、試驗操作方便3個原則選用機型為開式可傾壓力機JN23-40A。該壓力機最大裝模高度為280mm，最大沖裁力為400kN。

3 試驗方法

分別采用Cr12MoV鋼和7Cr7Mo2V2Si鋼制造凸、凹模零件，模具其他零件材料及結(jié)構不變，在相同潤滑條件下，在同一設備JN23-40A上進行沖裁試驗。統(tǒng)計在相同時間內(nèi)沖裁同樣數(shù)量制件后，工作零件凸、凹模的磨損量以及每副模具的最終刃磨壽命和小孔凸模折斷的次數(shù)，根據(jù)結(jié)果驗證7Cr7Mo2V2Si鋼制造指針小孔沖裁模的實用性。

二 試驗結(jié)果及分析

1小孔凸模磨損量

圖3 7Cr7Mo2V2Si鋼和Cr12MoV鋼小孔凸模磨損量比較

圖3所示為7Cr7Mo2V2Si鋼和Cr12MoV鋼在相同時間內(nèi)沖裁一樣多的指針情況下，小孔凸模的磨損量比較統(tǒng)計圖。由圖3可見，7Cr7Mo2V2Si鋼和Cr12MoV鋼在沖裁的最初1h內(nèi)，磨損情況差別不大，因為新模具凸、凹模間隙小，此時潤滑不足，凸、凹模摩擦劇烈，2種鋼材在此種情況下磨損情況相差不大。隨著時間的推移，用7Cr7Mo2V2Si鋼的凸模磨損量比Cr12MoV鋼小，因為沖裁初始階段過后，模具凸、凹模間隙變大，潤滑情況變好，7Cr7Mo2V2Si鋼抗磨的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，當連續(xù)工作約5h后，可明顯的發(fā)現(xiàn)用Cr12MoV鋼的凸模磨損急劇變大，而7Cr7Mo2V2Si鋼還是維持在較低水平。

2 模具零件刃磨壽命及折斷次數(shù)

模具零件的刃磨壽命情況如表3所示，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，在相同潤滑條件下，用7Cr7Mo2V2Si鋼的凸模平均刃磨壽命約30000件，而用Cr12MoV鋼的凸模平均刃磨壽命約20000件，使用壽命延長了50%。

凸模折斷的原因在于模具材料韌性不足，從表4中統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，以同樣沖裁5萬件指針的情況下，用7Cr7Mo2V2Si鋼的凸模折斷次數(shù)為0，但用Cr12MoV鋼的小孔凸模已出現(xiàn)3次折斷。

聲明：本文摘選自《模具工業(yè)》2017年第01期 作者：李文平 （四川信息職業(yè)技術學院）