摘要：針對鎖扣凸臺強度不足而導(dǎo)致的失效實例，在分析其壓凸臺模具結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，找出了原壓凸成形機理上的缺陷，明確了失效的原因。由此提出了壓凸—冷擠復(fù)合工藝，設(shè)計了壓凸—冷擠復(fù)合模，分析了壓凸—冷擠復(fù)合工藝的成形機理。生產(chǎn)實踐及強度試驗表明：該工藝能滿足產(chǎn)品要求，對強度的提高有顯著效果。

　　關(guān)鍵詞：凸臺；壓凸—冷擠復(fù)合工藝；強度；成形

　　如圖 1 所示為可調(diào)式座椅上滑套機構(gòu)中的關(guān)鍵件——鎖扣。采用3毫米優(yōu)質(zhì)碳素鋼 20 制成，其上有一直徑為φ12 的圓凸，在機構(gòu)中該圓凸與外滑套配合滑動且繞其自身軸心線擺動，并承受交變載荷。由于功能重要，零件制成后，要求與外滑套配合進行一百萬次的滑動試驗而不失效。

圖1 鎖扣零件簡圖

1 工藝方案及壓凸臺模結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　該零件主要為成形及彎曲的復(fù)合件，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，由于成形的凸臺與零件連接僅有1mm，該處的強度勢必受到影響，如果沖床行程調(diào)節(jié)不當或模具設(shè)計不合理都將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，故凸臺成形模的設(shè)計成為零件合格與否的關(guān)鍵。
　　經(jīng)對零件進行工藝分析后，確定采用落料—彎曲—切舌—壓凸臺的工藝方案。分別設(shè)計落料模、彎曲模、切舌模、壓凸臺模等四套模具完成零件的制造，其中設(shè)計的壓凸臺模結(jié)構(gòu)，如圖 2 所示。
　　整套模具由上模及下模兩部分組成。工作時，半成品零件置于凹模 6 適當位置，隨著壓機滑塊的下降，凸模 4 與凹模 6 共同作用開始對零件實施壓凸，當導(dǎo)套與限位塊 1 相撞，凸臺即告完成。隨著壓機滑塊上行，上、下卸料板分別在各自聚氨酯塊彈力的作用下將壓好的凸臺零件分別從凸、凹模上卸出，從而完成壓凸臺工序。
　　為避免沖床行程調(diào)節(jié)不當對零件成形凸臺深度的影響，同時在兩個導(dǎo)柱上設(shè)置限位塊1控制沖床滑塊下降的高度，以免造成零件沖斷。根據(jù)零件工作性質(zhì)，凸、凹模單面間隙取0.27~0.35mm。

1限位塊 2固定板 3聚氨酯塊 4凸模 5卸料板 6凹模
圖2 壓凸臺模結(jié)構(gòu)簡圖

2 零件失效原因分析及改進措施
　　按上述工藝方案及設(shè)計的模具生產(chǎn)出了外形完全合格的零件，然而在滑動試驗中，在運行十幾萬次至幾十萬次時，圓凸臺發(fā)生斷裂脫落現(xiàn)象，多次更換零件再試驗，結(jié)果依然。
　　對斷口形貌進行仔細觀察發(fā)現(xiàn)，斷口粗糙，零件斷裂口附近有三至五處裂紋，裂紋沿凸臺周圍呈發(fā)射狀向外延伸，斷口分析表明為脆性斷裂。為找尋零件早期失效原因，針對壓凸臺模具結(jié)構(gòu)，分析了其凸臺成形機理。
　　從壓凸臺模具結(jié)構(gòu)可知，這種壓凸成形是在具有尖銳刃口及間隙合理的凸、凹模作用下，經(jīng)過壓縮塑性變形、剪切、部分斷裂分離三個階段而完成的。材料的變形過程類似于沖裁變形過程，實際上是一種材料未完全沖斷的不完全沖裁。
　　整個變形過程為：凸模接觸材料，將材料壓入凹模洞口，在凸、凹模壓力作用下，材料表面受到壓縮產(chǎn)生塑性變形，由于間隙的存在，使材料同時受到彎曲和拉伸的作用，當凸模繼續(xù)壓下，壓力增加，材料內(nèi)部應(yīng)力達到屈服條件，剪切變形區(qū)開始宏觀的滑移變形，此時凸模開始擠入材料，并將下部材料擠入凹模孔中，纖維組織產(chǎn)生更大的彎曲和拉伸變形，由于所壓凸臺下陷較大，板料與凸模和凹模刃口接觸處將分別產(chǎn)生裂紋，使板料產(chǎn)生部分分離，同時纖維組織部分被切割破壞。
　　由此可知，圓凸產(chǎn)生斷裂脫落的本質(zhì)是由于成形機理不合理，導(dǎo)致圓凸與原材料間的纖維組織遭到破壞，并使下陷的凸臺口應(yīng)力集中甚至出現(xiàn)微裂紋。要徹底解決，只有采用新的成形工藝。
　　在充分分析凸臺各種成形方法的基礎(chǔ)上，決定采取壓凸—冷擠復(fù)合工藝成形凸臺措施。在不影響產(chǎn)品使用的情況下，對鎖扣產(chǎn)品進行工藝改進，即在成形的圓凸上端面，壓制0.3mm深、18mm直徑的淺痕，如圖 3 所示。

3 壓凸—冷擠復(fù)合模設(shè)計
3.1 模具結(jié)構(gòu)及工作過程
　　設(shè)計的壓凸—冷擠復(fù)合模，如圖 4 所示。
　　整套模具主要由上模及下模兩部分組成，工作零件主要為冷擠凸模 3、壓凸上模 4 及壓凸下模 5、冷擠凹模 6 等。其中上模部分由壓凸上模4壓入冷擠凸模3 后再與上固定板2成過盈配合，然后中間安放上墊板1與上模板聯(lián)結(jié)而成，下模部分由壓凸下模5壓入冷擠凹模6后再與下固定板7成過盈配合，然后中間安放下墊板8與下模板聯(lián)結(jié)組成。

圖3 凸臺改進圖

1上墊板  2上固定板  3冷擠凸模  4壓凸上模 
5壓凸下模  6冷擠凹模  7下固定板  8下墊板

圖4 壓凸—冷擠復(fù)合模結(jié)構(gòu)簡圖

　　工作時，模具開啟，壓機滑塊在上死點，條料置于冷擠凹模 6 合適位置，上模下行，待加工的半成品首先被模具上、下卸料板壓緊，隨著上模的逐步下移，壓凸上模4迫使其壓迫下的材料流入其對面的冷擠凹模 6 凹坑以形成凸臺，當上模下行 1.7mm時，冷擠凸模 3 開始接觸坯料，對坯料施行壓痕，與此同時凸臺仍在成形，于是壓痕處的金屬材料沿下陷的凸臺處流動，至此圓凸在壓凸上模4與壓凸下模5以及坯料上的壓痕在冷擠凸模 3 與冷擠凹模 6 的共同作用下受到雙向鐓擠作用后，整個成形過程結(jié)束。隨著滑塊的上行，上、下卸料板在各自卸料橡膠的彈力作用下分別從凹、凸模上卸出零件，完成一個工作周期，零件轉(zhuǎn)入下一個工作循環(huán)。
3.2 設(shè)計要點
　　（1） 模具的工作零件全部采用裝配、組合式結(jié)構(gòu)，從而有利于凸、凹模的加工制造，使精度調(diào)整及維修方便。當工作零件磨損需進行修刃時，只要分別對有關(guān)凸、凹模進行磨削，便可保證其使用性能不變，使模具壽命得到延長。
　　（2） 壓凸臺的主要工作部件壓凸上模4及冷擠凹模6刃口設(shè)計成小圓角R0.3，以抑制裂紋的產(chǎn)生。
　　（3） 為改變凸臺成形的沖裁性質(zhì)，增大成形中的擠壓作用，壓凸上模4及冷擠凹模6的雙向間隙取0.01~0.02mm。
　　（4） 冷擠凸模3為擠壓φ18壓痕之用，其刃口周圍倒圓角成R0.3。
3.3 壓凸—冷擠復(fù)合工藝成形機理
　　盡管壓凸—冷擠復(fù)合模與壓凸臺模的工作過程基本一致，但由于在沖壓工藝以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計上有針對性的采取了措施，從而使其成形與原沖裁的性質(zhì)完全不同。
　　在凸臺成形階段，由于壓凸臺的主要工作部件采用了小圓角刃口，從而增強了對被沖材料的徑向壓應(yīng)力，提高了金屬塑性，起到了抑制裂紋產(chǎn)生的作用，在壓凸臺過程中材料被均勻地擠入冷擠凹模 6 洞口，材料纖維被拉長，并由凹模的光滑表面壓平，形成了較光滑的斷面，同時小沖裁間隙的采用，又加強了沖裁變形區(qū)的靜水壓，使擠壓作用加大，拉伸、斷裂作用減小，工件剪切面上的剪裂帶大大減小，同時圓角對剪切面的壓平作用，使工件斷面質(zhì)量得到進一步地提高，這種壓凸臺的形式實質(zhì)上是一種沖裁—擠光復(fù)合工序的加工；在壓痕及凸臺復(fù)合成形階段，冷擠凸模 3 通過壓痕時的徑向擠壓力作用促使其下部的材料向模腔內(nèi)流動，從而達到利用模具在壓力機上對模腔內(nèi)的金屬坯料施加相當大的壓力，使其在三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生塑性變形，保證變形后的材料組織致密并冷作硬化，使纖維組織沿凸臺輪廓分布，形成連續(xù)的纖維流向，這樣材料的強度便得到較大的提高，避免了原凸臺成形中對金屬內(nèi)部纖維的破壞。

4 結(jié)束語
　　由于設(shè)計的壓凸—冷擠復(fù)合模較好地控制了因彎曲、拉伸等作用造成的剪切裂紋，避免了對坯料金屬纖維的破壞。因此，生產(chǎn)的一百余套樣品經(jīng)長達二個月的破壞性試驗，沒有再出現(xiàn)圓凸斷裂脫落現(xiàn)象，加工的凸臺全部合格。目前已轉(zhuǎn)入大批量生產(chǎn)。
　　鎖扣凸臺的制造成功表明，對原失效原因的分析是正確的，采取的壓凸—冷擠復(fù)合工藝措施是有效、合理的。壓凸—冷擠復(fù)合工藝的采用能有效地提高加工件的強度及抗疲勞性能。

參考文獻
[1] 沖模設(shè)計手冊編寫組編.沖模設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1988.
[2] 萬戰(zhàn)勝.沖壓工藝及模具設(shè)計.北京：中國鐵道出版社，1995.