数控冲床降噪模具设计
卞正文，工程师，主要从事数控冲床模具、夹钳等数控冲床相关产品及热锻模具的设计工作；目前拥有已授权的实用新型专利25项；已授权的发明专利3项。
本文介绍的是一种用于数控冲床上降噪的专用模具的设计；通过对模具上噪声产生的原因分析，对结构进行优化处理来降低噪声，减轻噪声对机床操作者身体健康的危害。
数控冲床是高效、精密的柔性薄板材冲裁设备，利用数控系统对模具更换、冲孔形状以及板料进给位置进行控制，为生产企业和加工企业的发展产生了较大的积极影响。随着经济的不断发展，社会上对不同产品元件的需求越来越大，市场也展现出了较为繁荣的状态，因此数控冲床的应用时间和效率获得了很大的提升。但在实际生产过程中存在严重的噪声问题。有关部门研究表明：当噪声达到70～90dB时，人会产生厌烦情绪；当噪声达到90～110dB时会使人感到强烈不适；长时间受噪声影响，会对人的听觉系统产生危害，引起诸多不良疾病。数控冲床上的噪声分为运动噪声和冲裁噪声，如齿轮的啮合噪声、轴承噪声、空气动力噪声、电机噪声、机械间隙产生的噪声和冲裁工艺噪声；其声压级峰值达到100～120dB。在这种环境中长期工作，会严重影响到操作人员的身心健康，同时也降低了劳动效率，甚至造成事故。
基于此种原因，多家数控机床厂家对数控冲床结构、加工、装配要求等进行改进来降低机床自身噪声，取得了一定的效果。但产生噪声的主要原因——冲裁工艺噪声却未得到解决。数控冲床降噪模具就是为降低冲裁工艺噪声而设计的。
数控冲床降噪模具设计
冲裁噪声的降低
经过大量研究我们总结出一条规律，冲裁噪声与冲裁力是成正比例关系变化，而与冲裁力有关的因素可以用下面的公式表达：F=Ltτ
L ——冲裁件承受剪切的周边长度，单位为mm；
t ——冲裁件材料厚度，单位为mm；
τ——材料抗剪强度，单位为MPa。
冲裁力F的大小取决于冲裁内外周边的总长度、材料的厚度和材料的抗剪强度；在材料与厚度确定的情况下，要降低冲裁力，在数控冲床上其方法就是减少一次冲压行程中同时冲裁的断面面积。主要的方法是改变刃口形状，使凸模在接触板料的瞬间不是同时都进入冲裁状态，而是让这一过程依次冲裁，使整个冲裁由在一瞬间完成变成在一个时间段里来完成，常用的有斜刃冲裁。斜刃模具冲裁过程如同斜刃口剪板机剪切一样，材料是逐渐剪切分离的，因此，它比平端面刃口冲裁力小。考虑到数控冲床模具的特殊性，常见斜刃形状，如图1所示。使用斜刃冲裁，冲裁力可降低25%左右，也能显著降低冲裁时的噪声问题。
图1 常用斜刃形状
撞击噪声的降低
在冲压过程中除冲裁板材会产生很大的噪声外，模具与板材的撞击、脱料过程中各零件之间的撞击和碟簧窜位摩擦等也会产生一定的噪声。通过分析模具结构（图2）对模具的整体设计的优化来降低噪声的产生。
图2 数控模具改进前结构图
1－碟簧座 2－导套 3－压料板（金属）
⑴模具与板材的撞击噪声。
模具在冲头冲裁板料之前，模具的压料板会先接触到板材，起压料的作用，在此过程中与板材会有撞击，产生一定的噪声，目前，压料板使用的是金属材料，所冲压的板材大部分也为金属材料，撞击会有较大噪声的产生。为解决此问题，本次设计，将金属压料板用具有一定强度的高分子材料代替；高分子材料具有减振、吸音的效果，可以一定程度上降低撞击所产生的噪声。
⑵各零件之间的撞击。
数控机床模具的零部件基本使用金属材料，在完成冲压后，弹簧座在碟簧的作用下回弹，会直接撞击到导套，产生较大的噪声。通过在撞击的部位安装橡胶圈的方法，可以在很大的情况下卸载撞击力，从而降低噪声的产生。
⑶碟簧摩擦。
碟簧在使用过程中会有一定的错位问题，当碟簧错位后会与弹簧座产生接触，冲压过程中会产生摩擦，产生一定的噪声。通过使用多组弹簧的方法可以解决碟簧摩擦的问题。
数控冲床降噪模具结构
数控冲床降噪模具整体结构
新设计的数控冲模具（图3）有以下几点可以进行改进：
图3 数控冲床降噪模具结构图
1－弹簧 2－弹簧座 3－上模座 4－导套 5－上模（斜刃口）6－弹簧垫圈 7－橡胶圈
⑴使用高分子材料所做的压料板代替原有的金属压料板。
⑵上模加工成斜刃口状态（根据刃口形状与尺寸确定）。
⑶在弹簧座与弹簧垫圈之间（运动接触位置）安装橡胶圈来降低回弹时撞击噪声；标准状态时，使用8根弹簧代替原有的碟簧。
数控冲床降噪模具新增功能
新设计的模具除具有降噪功能外，还具有以下新增功能：
⑴减轻由于下模、压料板不平整造成的板材压痕问题：下模经过刃磨之后，可能存在端面与外圆不垂直的问题，冲压时会造成板材上存在压痕与变形问题，尤其对表面要求较高的不锈钢板影响更大。使用高分子材料的压料板，其一定的弹性变形可以保证与板材的贴合，从而减小甚至消除板材压痕。
图4 下模端面与外圆不垂直的状态
⑵弹簧座与上模座分开，并使用螺纹连接，相对增加可刃磨长度。
⑶可以根据不同的板材合理选择弹簧的种类与数量，解决了之前使用碟簧使脱料力无法调整的难题；既可以减轻冲压薄板时板材整体变形问题，也可以增加冲压厚板时的脱料力。
结束语
数控冲床降噪模具能够明显降低冲裁噪声，以直径φ60mm，2mm厚的不锈钢板（SUS304）为例，使用老结构模具的平均噪声为103dB；使用数控冲床降噪模具冲压相同板材，平均噪声为75dB。同时，随着噪声的降低，机床的振动等问题也明显降低。目前，该结构模具已小批量生产，取得了较好的效果。
——摘自《钣金与制作》 2015年第2期