覆盖件修冲模废料屑产生原理解析及解决对策
文 / 朱油福，田卓华·北汽福田汽车股份有限公司
汽车覆盖件冲压作业过程，外板件经常受困于表面硌伤。无论清理模具还是返修产品，不仅浪费压机台时和返工时间，而且返工过程对外板表面容易造成二次伤害。本文基于分析废屑产生机理及危害，设计出浮动废料刀，彻底避免撕裂、空切，从此修冲模不再产生废料屑。
车身覆盖件冲压生产现状
无论冲压自动线还是手动冲压线，在冲压作业时，修边模废料刀附近经常出现废料屑，如图1 所示。废屑随着工件搬运气流携带、飘落、扩散在模面，导致产品表面硌伤。为实现冲压自动线较高的生产节拍，强大的气流携带废屑密集漂流、传播更远，危害极大。
图1 修边模产生的废料屑
随着现代冲压件质量标准的提升，外板件不允许硌伤，内板件也不允许硌伤。因此，为规避废料屑产生，常采用停线清理、维护，或产品离线手工打磨，造成机台工时和人工返工浪费。
废屑产生的原理
传统修冲模设计结构决定了修切时必然产生废料屑和针刺。图2为修冲模废料刀结构，废料切断刀由上刀体、下刀体构成。为实现修边分离，下刀体刀背局部低于产品型面(零面)，一般设计4～5mm，相应的，上刀背也要比零面低相应距离，即上刀局部比上型面长出4～5mm。冲压作业时，上模下降，首先接触工件表面的是上刃长出零面的刀刃，但下型相应部位虚空，初始剪切不是上下刃纯剪切，而是撕裂。随着上模下降，撕裂扩展延长，当下降至4～5mm时，废料刀上下刃开始对切。由于撕裂边线的不规则，不平齐、凸凹不一，撕裂口凸出部分剪切掉，出现废料屑、片。随作业量的增加堆积在废料刀附近。如果撕裂较齐、变形较大，则切出针刺。
图2 修边冲孔模废料切断刀结构
每冲压一个批次(500～1500 件)，修冲模废料刀附近会堆积大量铁屑。其实，第一件修冲，就会出现废屑，只是废屑小、量少，不易察觉。
模具废料刀附近是废屑集中部位，外覆盖件模具经常需要清洁保养，以降低或减弱表面硌伤。相对而言，模具冲洗喷淋效果较好。但无论怎样清洁，也难以从源头彻底杜绝。
废料屑常规解决办法
为减弱硌伤危害，通常模具设计或冲压作业采用以下几种方法。一定程度上，减轻了硌伤危害程度，但是，只能减缓，不能杜绝。
废料切断刀预留间隙
修边模下刀体距离下刀刃壁留1.5～2.0mm 的间隙，近年来在一些模具上间隙扩大到5 ～6mm。图3 所示为废料切断刀端头与修边刀之间的间隙。
图3 废料切断刀端头与修边刀之间的间隙
此间隙的优点：让修切废料屑从间隙落下，远离工件表面，致力于减弱废屑大量扩散漂移。
缺点：废料屑堆积增厚，依然有飞屑漂移到模具表面。
废料刀涂抹粘结剂
下模废料刀尖附近，或间隙下部涂抹黄油，将废屑粘住，使其不易随气流漂移。但是吸附有限。随着生产量累积，废屑积多后，表层远离油膜，依然漂移。仅为冲压生产临时解决措施。
缺点：一般用黄油粘结，每次要涂抹，同时加大了模具线下飞屑的清除难度。
废料二次切断
图4 为废料二次切断刀。发罩外板修冲模送件侧设计二切结构，一切两组废料刀设置在修边模前侧；二切远离一次修边线。第一次修边废料靠重力滑到二次废料切断刀处，等待第二次切断成三件。二切的两组废料刀属于纯剪切，没有撕裂，没有废屑产生。
图4 废料二次切断刀结构
此结构的优点：在送件侧，两组废料刀无废屑。但是，发罩外板四周正修废料刀10 组(不计侧修部位)，只规避了两组废料切断刀无废屑，其他正切废料刀依然产生废屑，废屑总量减少了20%。
可能会有人问，在模具的左右侧也可以设计二次切断废料刀啊？答案，不可以。因为第一次修切废料靠重力向左右下滑，滑道斜度终点下降较低，二切废料向前后方向下滑，滑板角度受到压抑，很难保证标准25°。
也有人讲，在保证所有下滑角度底线前提下，只需增加下模中心高度，可以解决此困境。但是，大型覆盖件模具闭合高度本身不会低于1200mm，再增加受压力机最大安装高度限制。所以，这种结构优先选在模具前后侧。实践中从未见到左右侧设计二次切断结构。
二次切断缺点：(1)模具结构增大，第二次切断刀座占用的空间大，增大了模具前后尺寸，开模成本增加。(2)一次废料下滑不受控，偶有废料上带翻身，离开需要的姿态，切断或下滑受阻。作为自动线模具，风险极大。
多工序修边
外板件安排两次纯修边，第一次修掉一部分，第二序修掉剩余的部分。图5 为多工序修边，也叫插花修，无废料切断刀，零废屑。如果产品结构复杂，工序较长，工艺设计可合理安排两序修边。这种结构比较常见，比如车身侧围、翼子板、顶盖等，基本工序在四序或以上，有充足工序，天然安排插花修边。
图5 多工序修边
遗憾的是，有充足的工序，现实中偶有集中一序修切，造成面品硌伤、效率低下，很遗憾。究其原因，可能是设计师很少知道冲压生产线的现状和痛点。
已经知悉废屑危害，尚未掌握浮动废料刀前提之下，或该方案未出台，冲压工艺设计中，即使产品结构简单，为规避废屑，依然采用多工序修边。美其名曰，没有废料屑。其不知，牺牲的是主机厂的成本。
缺点：有接刀坎，修边线不连续；若刻意加序规避废屑，多一序修冲，多一套模具，成本较高。
浮动废料刀
原理
保持常规废料刀结构不变，改造上废料刀相对的修边刀，就可实现纯切断。上废料刀刃带旁设计一块浮动刀，浮动刀刃带和废料刀等高，可以规避废料切断空切、撕裂。如没有浮动刀块，常规结构是，此部位自然比切断刀低4～4.5mm。
压机滑块下降，浮动刀和废料刀先接触板件，废料和工件分离；上模继续下降，浮动刀接触下刀背退让，废料刀切断废料、排出。
结构
如图2 中的下废料刀和上废料刀，在此基础上，加以改造。上废料刀相对的修边刀增加一小块，此块采用弹性结构，这样可实现废料纯修边、纯切断，无撕裂、零废屑，浮动废料刀结构如图6 所示。
图6 浮动废料刀构成
浮动废料刀剪切力计算
浮动废料刀是上模修边切刀的一部分，刃带和上废料刀等高，浮动切刀块接触工件板面，修离废料，上模降低，刀体浮动退让，上模继续下降，上、下废料刀实现对切。
由于修边及废料切断均是纯剪切，没有撕裂带，就没有撕裂带二次剪切，完全避免了废料屑的产生。
剪切力计算：
(1)浮动切刀刃带长40mm，所修切的工件材质DC03-06，抗拉强度27kg/mm2，剪切强度近似抗拉强度；工件材料厚度、剪切力分别为0.8mm，864kg，1.0mm，1080kg；1.2mm，1296kg；
(2)氮气缸GSCB50-15，初始承载，1530kg；
(3)浮动刀体靠氮缸压力修切，上模下降4.0～5.0mm，开始切断废料，浮动刀行程4.0 ～5.0mm，氮缸行程15mm，有充足安全余量。
优点
(1)采用浮动废料刀，无论手动冲压线、还是冲压自动线都不用停线清理废屑，生产效率高。
(2)产品表面无废料屑硌伤，无人工返修打磨工时，更无产品二次伤害。
(3)产品表面无返修打磨痕。
(4)生产结束，模具免维护或少维护。
有几处浮动刀，就多了几处维护保养点。
浮动废料刀每次冲击下废料刀背，两者之间夹有一层板料，有较强的缓冲作用。但是数十万次以后，下废料刀背可能局部变形，剪切间隙减小，可以用油石去掉下废料刀变形部分。
浮动刀块采用Cr12MoV，强度高，硬度高，十分安全。为防止下废料刀背冲击变形，可以在刀背被冲击面设计冲击垫，垫高2.0mm，边界离开修边刃带2.0～3.0mm。
浮动刀块硬度58～60HRC，其导向靠导向固定座的矩形槽，导向凸面设计油槽；固定座材质45#钢，调质处理，挂销承担浮动块自重并防止下脱。
浮动刀块和相邻上废料切刀和修边刀间隙0.03～0.05mm。
导向结构可以设计燕尾槽，根据装配结构灵活变通。
缺点
线下维护模具，浮动刀检查需列入保养表格。观察下废料刀刀背是否冲击变形，还有浮动刀所用氮气弹簧。
使用效果
浮动废料刀无撕裂，纯修切，零废屑，图7 为前围外板使用浮动废料刀效果。图7(a)为冲压完成的工件尚未拿走，废料刀附近修边线未见塌边，说明和正常修边刃口一样，是纯剪切，无撕裂，自然没有废屑和针刺。图7(b)为另外一组废料刀，工件已移除。仅有的两组浮动废料刀，任何一组刀体都是表面洁净、一尘不染。
图7 前围浮动废料刀很洁净
结束语
覆盖件修冲模，尤其是外覆盖件修冲废料刀产生大量废屑，污染模具、硌伤产品，经常导致停线清理，工件返修。本文介绍常见的几种预防废屑的设计方案和对策，详细分析对比了各种方案的优缺点，可供模具开发设计参考借鉴。值得推崇的浮动废料刀，彻底解决了废料刀废屑的产生，对于大型覆盖件外板模具，特别是冲压自动线生产提质增效具有积极意义。
作者简介
朱油福
现任福田汽车制造工程与订单交付中心总监。入职福田前曾先后担任潍坊模具厂技术工程师，奥铃汽车厂制造部部长、副厂长，奥铃事业部供应链副总裁兼制造副总裁，欧马可事业部副总裁，山东超级卡车工厂厂长等职务。
——文章选自：《锻造与冲压》2021年第14期