厚板材冲孔凸模断裂原因分析

罗 栋，马启涛

（江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥231200）

1 引言

车架是汽车中最重要的承载部件，而车架纵梁又是其中的关键零件之一。车架纵梁厚度普遍在5～10mm之间，纵梁冲孔属于厚板冲孔，且随着新材料新工艺的升级应用，纵梁强度逐渐提高，给纵梁冲孔带来难度。纵梁冲孔工艺生产中，各生产厂主要采用冲孔模具冲孔和数控冲冲孔结合的生产工艺，其中冲孔模具冲孔约占90%左右。

纵梁冲孔模具凸模作为易损件，主要失效模式为磨损、崩刃、断裂，其中凸模断裂具有很强的突发性，断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，对模具本身安全和正常生产，都有一定风险。

本文通过从凸模结构、材料、加工、热处理、日常维护等方面开展研究分析，寻找可能造成凸模断裂的原因，并提出改进建议或措施，以达到提高凸模寿命，降低凸模断裂概率的目的。

2 凸模结构及断裂情况

行业内厚板材冲孔模凸模结构主要有两种，根据安装方式分为螺纹式凸模和压入式凸模，如图1所示。

图1 两种凸模结构

根据实际生产中凸模断裂情况统计分析，螺纹式凸模主要断裂位置在尾端螺纹根部，压入式凸模主要断裂位置在头部，但螺纹式凸模发生断裂频率更大。

3 凸模断裂原因分析

凸模断裂主要是脆性断裂，考虑凸模原材质、加工、热处理缺陷、日常维护、凸模结构均有可能存在缺陷，进而诱发断裂。

（1）为确认原材料、加工、热处理是否存在缺陷，选取3只已断裂凸模做金相检测和成份验证。3只凸模包含上文所述两种凸模结构，设计技术要求均一致为SKD11材质，头部硬度要求58～62HRC，尾部硬度要求30～35HRC。通过一系列检测得出如下结论：

a.3只凸模材质属于基本符合或低于设计要求，其中一只螺纹式凸模材质不符合要求，并且三只凸模关键元素Cr、Mo含量不足，材质品性较差。

b.凸模头部硬度基本符合要求，但其中一只螺纹式凸模尾部硬度低于标准值，压入式凸模头部硬度较高，硬度较高也是导致脆性断裂的因素之一。

c.螺纹式凸模螺纹部分未精磨，尾部螺纹经一次粗加工成型，后经高温回火处理易产生变形，安装难度大，且容易存在侧向力，导致断裂风险。

d.螺纹式凸模尾部采用高温回火，高温回火导致其断裂处存在脱碳层，脱碳层导致抗疲劳度下降，多次受力后断裂。

图2 不合格金相图（左）与合格金相图（右）

（2）对现场冲孔模状态、日常维护保养情况进行确认。

a.现场检测两只凸模存在松动情况，凸模松动情况下，凸模易受到侧向力的作用，进而导致凸模存在断裂的的风险。

b.从现场评审情况看，目前的模具维保周期较长，半年一次，不能及时发现凸模松动异常。

由螺纹式凸模安装结构可知，当螺纹松动时，凸模尾部轴面未与凸模固定板凸模安装面完全贴合，导致螺纹部分受力，存在断裂风险，如图3所示。

图3 凸模松动示意

（3）凸模结构造成的凸模断裂情况分析。

现有凸模存在两种安装结构形式，分别螺纹式和压入式。由使用情况分析，螺纹式凸模更容易断裂，其尾部螺纹因加工过程易造成应力集中，导致断裂。压入式凸模断裂位置主要为头部，断裂原因多为材质、硬度等不达标造成的。

我司主要采用螺纹式，少量因空间过小原因采用压入式，现对两种结构凸模进行分析对比，如表1所示。

表1 两种凸模特点对比

a.两种结构凸模优缺点比较明显，就降低断裂风险方面来看，压入式凸模结构更优，对加工过程要求较低，断裂概率相对更低。

b.从成本角度分析，标准件凸模采购成本增加7倍左右，凸模作为易损件，后期的备件成本也会较大。

4 凸模断裂的改进措施

（1）对凸模从原材料采购至后期精加工整个过程进行严格把控，采购合格原材料、提高热处理技术和保证材料进行充分锻打等，使凸模满足设计要求。必要时可以对凸模等易损件整体打包寻找优质外协厂家制造，提高一致性。

（2）凸模结构上，一是结合理论分析，对凸模尾部结构进行优化，改善应力集中程度，如图4所示。同时可以适当调整尾部硬度参数、更换凸模材质为韧性更好的冷冲模具钢如NOGA、DC53钢等；二是全部采用压入式结构凸模，但是涉及到模具结构的重大变更，同时整体成本增加较高，所以需综合考虑。

图4 优化后螺纹式凸模结构

（3）模具维护保养方面，建议工装管理业务提升纵梁冲裁模具的维保级别，将维保周期由时间周期调整为冲次周期，建议完成1万冲次以内即进行一次全面维护保养。

凸模在冲压过程中，长期受交变应力，其失效受多方面因素的影响，出现磨损、崩刃、断裂是冲压行业的常见现象。近年来随着技术的进步，凸模的寿命和稳定性得到了很大提升，但是作为易损件，完全杜绝断裂不现实，可能要付出巨大的成本，所以模具的安全，既需要从设计、来料、加工、热处理、装配、维保等方面去优化，现场生产过程中也必须要进行有效的监控，发现异常及时采取措施，共同提高模具使用寿命，降低异常发生，保障生产需求。

5 结束语

纵梁冲孔模的凸模作为易损件，发生断裂、甭刃现象会造成严重后果，对机床设备、操作工自身安全都有重要影响。因此提高模具凸模稳定性，降低凸模断裂风险，是模具设计相关人员的首要任务。

本文从实际冲孔模使用过程中出现的凸模断裂现象，结合金属加工工艺、金属材料学、力学等理论知识对凸模断裂原因进行分析研究。同时根据模具实际维保情况，针对凸模断裂情况，提出3个方面改进措施，希望可以在厚板材冲孔模具设计、使用中提供技术参考。