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作者：张莹，韦荣发，蒙世瑛，石峰，吴海刚 （上汽通用五菱汽车股份有限公司） 汽车覆盖件冲压生产过程中，修边是不可或缺的工序之一，但随着高速自动化冲压生产线的普及与生产效率的提高，修边模工作时，在空压、交刀（不同工序之间切边交汇的区域）或修边与切废料同步的区域产生大量的修边铁屑，其中交刀区域的修边铁屑尤为显著。 （a）修边铁屑 （b）制件表面凹凸 图1 修边铁屑与制件表面凹凸 修边铁屑若不及时清除，铁屑在气流或上模刃口的往复运动下被带入模腔，附着在零件或模具零件表面，易造成制件表面凹凸，如图1所示。部分铁屑粘附在刃口下方产生积瘤导致刃口崩刃，造成设备和模具成形零件的精度下降，影响车间生产和制件的成形质量。如何在现有压力机设备精度、冲压工艺及模具稳定性等因素条件下减少或消除修边铁屑，成为模具制造企业及各主机厂面临的重要问题之一。 然而受企业规模及经济发展水平的制约，目前国内大部分汽车主机厂和模具制造商并未对修边工艺进行系统管理及完整的质量跟踪，仅依靠操作者的经验进行设计加工，修边铁屑难以消除，降低生产效率及冲压件表面质量。 生产实践表明，冲裁间隙、刃口状态及切刀吃入深度是影响切削冲裁的主要工艺参数。修边模工作时上、下刃口承受正压力、侧压力及弯曲等复杂应力，并且在高频次反复剪切时刃口与板料的剧烈摩擦使刃口及刃口间隙出现热变形。 图2 修边铁屑类型 当刃口产生疲劳现象后，刃口硬度及强度降低，冲裁修边过程中易出现崩刃，修边时先撕裂后剪切板料，容易产生三角形铁屑（见图2（a））或细小颗粒铁屑（见图2（b））。在反复冲压过程中，刃口受力出现磨损使刃口变钝，但刃口尖端仍承受高压应力作用，于是在刃口钝化曲线之外产生裂纹并伴随一定大小的毛刺，且毛刺大小与刃口磨损量呈正比关系。随着冲裁变形过程的深入，上模刃口剪切毛刺，产生长条状铁屑（见图2（c））。此外，在维修或研配过程中，刃口间隙不均匀或上下刃口垂直度不足时，凹模刃口处产生的裂纹与凸模尖角处产生的裂纹不重合，裂纹向压应力更低的冲裁废料一侧方向延伸，导致冲裁过程出现二次剪切而产生大量薄片铁屑（见图2（d））。 在高速自动化冲压生产模式下，汽车覆盖件的生产效率较快，如前、后门外板每分钟冲次（strokes per minute，SPM）为10~12；顶盖SPM为9~10。在此生产模式下，修边刀块工作时，伴随着凸、凹模相对移动，模腔内部产生负压，脱模时模腔外部的相对正压气流将修边铁屑吸入模腔内，铁屑粘附在模具零件型面或制件表面，造成制件压伤、凹凸等缺陷，影响冲压件成形质量和生产效率。 修边间隙是修边工序的重要工艺参数，对冲裁件的断面质量、尺寸精度及模具使用寿命等具有重要影响，间隙过大或过小，都会使冲裁件尺寸与冲模工作部分尺寸的偏差增加。当间隙合理时，可使板料上、下端出现的微小裂纹重合，可有效减少修边铁屑，同时获得良好的制件断面与表面质量。在模具设计开发阶段，主要根据制件断面质量、尺寸精度、模具使用寿命等因素确定理论间隙值，并结合长期的工程实践经验数据进行修正，形成汽车覆盖件修边模冲裁间隙，如表1所示。 理论研究表明，修边间隙不均匀或切刀吃入量不足是产生铁屑的主要原因之一。修边模工作时，上、下刃口承受巨大的冲裁力，在循环交变应力作用下，刃口不可避免地出现磨损与钝化。当因刃口磨损出现修边毛刺时，可通过修配刃口间隙进行抑制，在自动化生产模式下，通常将修边间隙控制在（8%~10%）t内（t为板料厚度）。 图3 上刃口和下刃口吃入量示意图 此外在布置废料切刀的修边工艺中，合理设置上、下模刃口的切刀吃入量可有效减缓修边铁屑的产生，生产实践表明，当废料切刀吃入量控制在2~3mm内时修边铁屑的抑制效果最佳。上、下刃口吃入量如图3所示，其中：①料厚<1.0mm时，上、下刃口吃入量为2mm×2mm×2mm（上模刃口进入下模刃口、避让部分及废料刀的量，中间的避让部分是防止过压导致刃口压溃）；②料厚>1.0mm时，上、下刃口吃入量为3mm×3mm×3mm。 在翻边、整形工序中，由于翻边、整形过程中板料会出现一定的塑性应变，只有在板料非变形区进行充分压料才能使制件不发生变形或攒动，确保制件表面质量。但在压料力满足成形要求的前提下，过大的压料范围会增大铁屑夹杂在压料板与板料之间的概率，压料板接触板料后将使板料产生质量缺陷。根据生产实际情况，在压料力充足的前提下将压料板后端制成台阶形避让，尽量减少压料板与工序件的接触面积，减小铁屑与压料板接触的概率，避免铁屑在制件表面产生缺陷，压料范围改进前后对比如图4所示。 图4 压料范围改进前后对比 在切刀交汇处铁屑产生位置增加吸收装置，将产生的铁屑及时吸取引入废料口。该装置基于文丘里原理，利用进气口和吸气口的截面差，在进气口末端和吸气口空间内形成真空，在外大气压作用下吸气口与出气口间形成气流，从而对冲模切刀交汇处周边铁屑进行及时吸取清理，原理模型如图5所示，V1、P1、S1和V2、P2、S2分别为入口截面处和喉管处的平均速度、平均压力和截面积，可通过优化进气口和吸气口的截面比值，实现吸气功率的最大化。 图5 原理模型 图6 吸料装置结构简图 吸料装置整体结构如图6所示，该装置主要由进气管、文丘里管、固定调节支架3个部分组成。进气管接压力机气源，由压力机内部PLC控制其通断角度（利用PLC程序控制气源的开启与关闭），在进行切边前接通，完成切边后断开（通断时间可根据实际情况灵活调整）。固定调节支架则可实现文丘里管多个自由度的调节，满足文丘里管管口朝向、与切边刃口距离的要求。文丘里管吸气口要求为长椭圆喇叭口状，以增大利用面积。 图7 整体布置示意图 铁屑吸收装置安装在下模切刀交汇处（铁屑产生位置）附近，距离刀口下方5~10mm，压力机每工作一个循环，进行一次铁屑吸气动作并将铁屑随废料排出模具外，且模具上、下行程不全程通气，仅在切边前后进行开阀通气，整体布置如图7所示。 为验证上述修边铁屑优化方案的有效性，对目前市场上某车型翼子板OP20（修边工序）切刀交汇处铁屑问题进行试验，如图8所示。 （a）切边铁屑异常
（b）切边铁屑消除 图8 某车型翼子板修边铁屑吸料装置应用 通过修配上、下模刃口间隙及吃入量，使其工艺参数符合修边工艺要求，减少修边铁屑的产生；同时在下模刃口处增加铁屑吸收装置，利用压力机提供的常开气源接口，在压料面触料瞬间气源接通，封闭高度到底2~3mm前关闭气源，最大程度吸收修边铁屑并将其导入模具废料通道中。
试验结果数据如表2所示，改进后每百件擦试模具频次由0.85降低至0.27、生产效率由72.3%提升至84.7%、制件一次性下线合格率（first time qualigy，FTQ）由82.8%提升至96.8%。试验结果表明，通过优化刃口间隙及吃入量工艺参数，并在下模切刀交汇处刃口下方增加铁屑吸收装置，可有效减少铁屑的来源并及时清除铁屑，抑制因修边铁屑造成制件表面凹凸和生产停线问题，对制件表面质量及生产效率具有显著提升作用。 |
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