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如何正确研磨来有效提高钣金模具寿命?​
编辑:东莞市众辰五金有限公司   发布时间:2018-04-09

在钣金制造业中,国内很多钣金企业早已通过研磨来延长数控冲床模具的使用寿命,但很少有企业系统考察和研究如何正确使用研磨技术来有效提高模具的寿命,部分企业甚至在研磨过程中导致了模具的退火,反而缩短了模具的有效使用时间。

在研磨过程中,刃口研磨后的粗糙度的好坏,将直接决定了该模具在两次研磨之间的可冲压次数,并间接影响了该模具的总体使用寿命。正确选用模具模具刃口研磨技术是提高模具寿命的一个行之有效的重要途径。刃口研磨技术成本较低,而模具寿命可提高几倍甚至几十倍。合理的应用模具刃口研磨技术可以获得高精度、长寿命的模具使用效果。

刀片式模具,特别是避让式刀片式模具的自动研磨是个麻烦的问题,如AMADA天田的a刀片式冲头,威尔逊wilson和启泰的让位刀片式冲头等,拆卸后就只是个独立刀片,难以装夹。Rate锐特尔刀片式冲头转换器即可轻松完成研磨工作。

刀片式冲头研磨转换器

如何正确使用研磨技术来有效提高模具的寿命?

数控冲模具的可研磨长度

可研磨长度是模具使用过程中最重要的参数之一,但也是最容易忽略的地方,主要原因是钣金企业对于研磨工艺的忽视。

刃口总长度(SBR)

刃口总长度是考察模具基本性能的一个重要数据,是指从冲芯的刃尖到刃端发生弧度变化的位置的直线部分高度。刃口总长度是计算可研磨量的最重要的长度基础,是考察不同品牌冲芯的重要参考值之一,以MATE模具为例,超能TEC的刃口总长度达到了18.9mm,而原始型模具的刃口总长度则只有17.9mm,至于其他品牌的冲芯,部分甚至连15mm也不到。因此,在模具总长不可能发生变化的这个基本情况下,刃口总长度直接决定了模具的理论可用寿命。

下模穿透度(DP)

下模穿透度(见图1)指在冲压过程中,冲芯深入进下模内的最大行程。在钣金业中,下模穿透度是最容易让人误解的一个机床设定值,很多国际和本土中端品牌的模具生产企业都建议下模穿透度要达到3~4mm,从而可以有效解决废料的带料问题,而许多低端下模的制造者对此的要求比较模糊,部分模具制造商甚至为了避免下模加工对心度不足对冲芯产生潜在的啃刀影响,故意制造了一个理论误区,甚至建议客户把冲芯穿透度定为1mm,甚至更小,他们在引导操作工的时候宣称,冲芯穿透下模的深度越浅,冲床的加工效率就会越高。因此,不少冲床操作工受此错误的理论的指导,把下模的穿透度调整得非常小。

但实际上我们通过简单的数学计算就会发现,在高速冲压过程当中,冲芯来回运动产生的6mm行程在不同冲床的高达200~400m/h的冲压速度面前产生的多余耗时,与板材在台面上的位移耗时和转塔的换刀耗时相比,简直是微乎其微,而与此同时,由于入模太浅从而造成的带料问题,却给企业带来了大量的板材浪费,造成了巨大的损失。

图1 冲模穿透板料

退料板厚度 (SLT)

如图2所示冲模基本参数。退料板厚度是一个经常被人遗忘的角落,业界一直认为退料板是模具当中最容易制造的产品,因此,价格之低让人对其嗤之以鼻。但是几乎没有人意识到,如果可以有效地减少退料板的厚度,就可以通过少量的模具投资延长冲芯的寿命,从而节约成本。

以厚转塔冲床模具为例,一款普通原始型的退料导套厚度为8mm,一款市场较为流行的可拆卸式退料板厚度在7~8mm之间。MATE生产的A,B工位超能TEC退料板采用M2材质的高速钢,其冲芯环绕部分的厚度通过削薄的方式可以达到3.99mm,这就意味着同样一把冲芯,如果放在TEC系统内,可以增加3~4mm的可研磨量。由此可以很容易的比较出微量的退料板投入与冲芯可研磨量巨大产出之间的比例关系。

图2 冲模基本参数

BR开刃前总长度 PUNCH冲头 ULTRA Stripper退料板 Material Thickness材料厚度 Die Penetration下模穿透厚度 Grind Life可用刃磨长度

可研磨量计算公式(Grind Life)

通过对以上技术参数的阐述,就可以得到冲芯可研磨量的计算公式:

Grind Life=SBR-DP-SLT-ST,即:冲芯可研磨量=刃口总长度-下模穿透度-退料板厚度-板材厚度

为更容易理解,以MATE生产的两款产品在冲压1.5mm冷轧板时的数据来对此解释。

A工位超能TEC模具系统中,超能TEC冲芯的刃口总长度为18.9mm,建议下模穿透度为3mm,退料板厚度3.99mm,板材厚度1.5mm,可以得出,其可研磨长度=18.9mm-3mm-3.99mm-1.5mm=10.41mm;

A工位原始型模具系统中,原始型冲芯的刃口总长度为17.9mm,建议下模穿透度3mm,退料板厚度8mm,板材厚度1.5mm,可以得到可研磨长度=17.9mm-3mm-8mm-1.5mm=5.4mm

由此,可以非常明显的看出,不同的模具系统,对于模具使用成本的巨大影响,读者如果有兴趣,也可以将自己厂家的模具和相应的模具系统测量后进行计算,从而得到自己目前使用的模具系统下,冲芯的可研磨量。

如图3所示,是MATE的超能TEC和WILSON的HP模具系统下,针对不同厚度的板材的冲芯的可研磨长度比较图,供参考计算。

图3 最终研磨量比较

Final grind life comparis on 最终研磨量比较 resulting Grind Life可研磨量 material t0hickness材料厚度 Wilson grind life Wilson模具研磨量 mate grind life mate模具研磨量

数控冲床模具的维护保养准则及其重要性;理解了模具可研磨量之后,进一步研究数控冲床模具维护保养的重要性。在此之前,需要先了解一个概念,模具什么时候需要研磨。MATE在对国内数百家厂家的拜访中发现,70%的企业,特别是小型的私营钣金加工厂,对于模具研磨的问题根本就没有在意,经常把同一个模具反复使用,直到其无法再冲压出一个像样的孔洞为止,并以此作为衡量模具寿命的标准,和衡量冲床模具性价比的基础数据。

为了正确掌握模具研磨的时间点,首先需要弄清楚两个概念:第一,如何判断模具是否需要研磨。实际上,按照生活的常识来看,每隔几天模具在使用前就应该进行研磨,正所谓“磨刀不误砍柴工”,这个流传千年的谚语,却被大部分的钣金企业所忽略了。在条件允许的情况下,尽可能多的频繁研磨,肯定会大大的延长模具的使用寿命。

图4 冲模圆角

而按照目前钣金制造业界的经验,如图所示,当冲芯刃口的半径为0.25mm的时,一般就认为模具必须要进行研磨了。如果大家对半径0.25mm没有概念的话,那么还有两个窍门:一种是当用手指去触摸冲芯刃口,能够明显感觉出来刃口边缘有圆角的时候,就是模具该进行研磨的时候了;另一种则是通过聆听冲床冲压时候产生的噪声,如果非常沉闷且噪杂的时候,也是到了必须研磨的时候了。

如何才能充分延长模具的使用寿命。接下来进行一个反面分析,即,如果不去频繁研磨,将会有什么后果。表1是一个理论分析对照表。需要注意的是,该图是以MATE超能TEC的每次研磨的理论可冲数为基础,并不是确切的实验结果。如果其他厂家想对本厂使用的模具进行类似分析的话,需要根据自身的实验数据对此进行相应的增减。

如表1所示,右侧对超能TEC冲芯正常的研磨频率进行了分析,如果每当冲芯刃口出现0.25mm圆角的时候都能保质保量的进行研磨的话,那么每次研磨之后,都能达到相应的10万次冲压数,那么经过了4次研磨,模具刃口共被磨掉了1mm,而此时模具可进行40万次的冲压。

表1左侧则对很多企业不好的使用习惯做了模拟。当第一个0.25mm半径出现时,模具属于正常使用,因此可以达到10万次的冲压次数;如果此时不去研磨而是继续使用,模具表面遭到破坏,加速了模具的磨损,因此当圆角扩大到0.5mm的时候,只能达到额外的5万次的冲压次数;如果继续冲压,圆角半径扩大到0.75mm,甚至1mm的时候,其可以提供的冲压次数成几何级数下降,那么当模具表面出现近1mm的毛刺面的时候,一把昂贵的超能TEC冲芯理论上仅仅只能可以冲压18万次左右。

表1 模具有、无规律研磨的寿命比较

需要注意的是,其危害性不仅在此。如果按照第一种方式频繁研磨,模具始终保持良好的平面和侧面品质,那么一把超能TEC冲芯按照单次0.3mm研磨量来计算的话,针对1.5mm的钢板,实际上可以达到的理论冲压次数为10万/次×(10.4mm)可研磨量/(0.3mm/次)=340万次。

如果按照第二种方式使用同一把模具,当模具出现2mm深的毛刺时,这把模具基本就废弃了,那么实际可以达到的冲压次数按照几何基数递减的法则,最多可以达到25万次,该把超能TEC冲芯基本报废。比较两种方式,会发现,由此产生的差距竟然达到了10倍之多。因此,频繁研磨对于降低冲床模具成本的革命性的意义了。

刃口平面的粗糙度对于模具寿命的影响;了解了模具频繁研磨的重要性之后,来解决第二个问题,即如何才能提高每次研磨之间的冲芯和下模的可冲压次数。通过分析以下几方面的力学现象,从而理解刃口平面的粗糙度对于有效延长模具寿命的重要性:

模具的有效作用面积

粗糙度是机械加工学上最为常见的技术参数之一,它描述了工件表面的研磨和抛光质量。粗糙度越高,表明了工件表面凹凸不平,从而导致了较小的有效受力面积的;粗糙度越小,表明了工件表面趋于平坦,可以获得较大的有效受力面积。

判断粗糙度大小的标准非常简单,只需打量研磨后的刃口平面的光亮度,基本上就可以看出粗糙度是高是低了。


图5a的模具在研磨过程中没有润滑,没有敷料,即使进行了研磨,仍然会迅速磨损,表面暗淡无光,因为其粗糙度太高,导致了阳光在其表面发生了漫反射,使得没有足够的阳光进入人们的视线之中。

图5c的模具再次研磨后光亮有致,甚至可以照出人脸,说明其研磨的高质量和低粗糙度,可冲冲次丝毫没有减少,冲孔质量也没有降低。

而反映到有效接触面积的时候,可以为以上的三种研磨效果进行排序:图6a的模具研磨后,实际有效接触面积只占理论接触面积的大约60%;图6b的模具研磨后,实际有效接触面积大约占理论接触面积的85%;图6c模具研磨后,实际有效接触面积大约要占理论接触面积的97%以上。

理论强度VS实际压强

通过以上的计算,引入实际压强这个数值。材料力学中,工件在某种压强下保持其原本物理结构不产生断裂或破碎的特性,称之为材料的刚度。

而工件之所以不会产生断裂的前提条件就是:工件承受的实际压强小于工件的刚度,由于针对某种特定的模具,其刚度是它本身的特性,是一个常数,因此在这种情况下,如下图所示,我们如果想对工件的断裂做进一步的分析时,工件承受的实际压强成为了唯一的可变因素。

压强实际上等于作用力除以实际有效接触面积,当冲床的作用力吨位数固定的情况下,实际有效接触面积越大,其产生的实际压强值就越小,工件就越难断裂;实际有效接触面积越小,其产生的实际压强就会成倍增加,工件就很容易断裂,如果工件是冲芯的话,那么其刃口表面的毛刺就会如同多米诺骨牌一样,成几何级数的迅速垮塌,从而制造了新的毛刺,进一步减少了有效接触面积,进一步加大了实际作用压强,形成了恶性循环,最终导致模具的整体报废。


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