沉头孔的加工方法一般为钻孔加工和沉孔加工。精冲沉孔工艺是利用成形凸模在料带表面压出与之相似的凹陷形状，从而获得沉孔的加工方法，原理与普冲类似，只不过在精冲模具上工况更加复杂。本文将结合圆锥形沉孔在精冲生产中遇到的问题进行分析，并提出解决方法。

产品介绍

Plate latch 齿板是用在乘用车电动座椅上进行前后滑动的结构件。产品上的圆锥形沉孔用于产品的定位以及安装。产品示意图如图1 所示，圆锥孔尺寸如图2 所示。

尺寸及精度分析

⑴原材料厚度2.4mm，沉孔直径尺寸φ3.55mm ≥0.6 倍的料厚，可以精冲。

⑵沉孔精度±0.05mm，接近精冲的经济能力极限(±0.03mm)，精度可以保证。

⑶根据VDI-3345 技术规程，按照料厚2.4mm 对标φ3.55mm 的精度为IT7(公差为10μm)刚好可以满足图纸要求，但是此孔处实际材料厚度为1mm，会增加制造难度。

初步工艺确定

鉴于此孔是用于安装和定位的产品基准孔，并有检验球高度的要求，沉头深度较深，因此工艺路线初定为：预冲孔→成形锥形→精切底孔，如图3 所示。

第一步的冲切方向从上往下，第二、三步冲切方向从下往上。第一步和第三步的冲切废料分别从模具下方和上方出模。精冲机是上机台固定，下机台浮动式，与普冲刚好倒过来。

模具结构

此产品的模具是浮动凹模式级进模具，开模状态下凹模组件由下模油缸及顶杆的作用浮起，模具闭合时，在上模压边力的推动下，凹模板与垫板闭合，同时成形冲头完成成形工作。在成形的整个过程里，带料始终处于上下模板的夹紧之中。同时，浮动式凹模结构可以将成形冲头在开模时隐藏到模板中，起到保护作用。模具开模状态及闭合状态如图4 和图5 所示。

成形工艺及模具结构分析

根据《简明精冲手册》以及《精冲工艺图解》，沉头深度小于40%料厚的时候才可以采用这种成形方式，然而这个产品的沉头深度已经达到了80%料厚，材料的局部流动剧烈，增加了成形的难度。另外，采用这个工艺的关键问题在于：如何确认预冲孔过程的冲头直径。

预冲孔冲头直径大了，冲切的材料过多，无法预留出足够用于成形的材料。成形高度可以满足，但是最后的精切会切不到材料，底孔直径φ3.55mm 无法保证尺寸及精度。

预冲孔冲头直径小了，会导致成形时材料积压，成形时受到更多的对抗力，无法保证成形深度。

首先通过最终的产品处沉孔形状，计算出沉孔处的体积V1，然后预留出精切时的材料体积V2，即得到第二步成形后的体积为V3，然后按照5%左右的体积损失经验，计算出第一步预冲孔后的体积V4。

即V4×95%=V3 =V1+V2

最终估算出预冲孔的直径为φ3.6mm，虽然通过以上方法可以推算出预冲孔的直径，但是在实际的精冲成形过程中，料带会往外扩展，无法得到精确的计算值，需要找到另一种更加可靠的方法进行确认和比较。

模拟仿真

目前CAE 技术在普冲、锻造和注塑生产中已经得到了广泛地应用，例如有Dynaform、Deform、Moldflow 等优秀的仿真软件。精冲是材料在三向压应力状态下发生的塑性变形过程，因此并没有专业的模拟软件进行仿真分析，所以CAE 分析软件在精冲中并未得到广泛的应用，据了解，国内的很多精冲厂家甚至还处于2D 建模状态，开模效率和试制成功率较低，生产成本和周期较长。

建立仿真3D 造型

仿真模型如图6 所示，第一步的预冲孔冲头直径采用计算所得的φ3.6mm，产品形状呈轴对称，因此采取建立1/4 模型的方式，用以减轻计算机的运算负担。料带的网格数量为20 万，并在沉孔处增加了更多的网格细分处理。

仿真环境设置

网格划分后，需要对网格材料属性进行定义，断裂值，体积补偿，还需要定义物件之间的接触，运动，压力等其他细节。根据类似产品的实际生产经验和计算，每一步都设置了合理的压力状态，这里不在赘述。有一点需要说明一下，就是第一步建立料带模型，第二、三步分别在上一步完成模拟后的料带网格基础上再进行模拟。

仿真结果

模拟的前100 步为预冲孔，这里主要观察第二步成形过程，材料流动如图7 所示。

我们可以看到，整个成形过程中，预冲孔附近的材料向外和向下不断扩展，但成形冲头接近成形完成时，才将向下扩展的材料一并向内收缩，完成成形过程。整个成形过程材料流动和压力状态均正常，预切冲头的直径合理。

第三步精切时的状态如图8 所示，圆环形的精切废料饱满，不会从废料通道中掉落在模面上，预切冲头的直径合理。

其他方面的仿真结果

为了减少产品拐角处的塌角，提高精冲切断面质量，分别对凹模刃口的倒角形式(图9)和齿圈的形式(图10)也进行了分类模拟。调整了凹模刃口处R角，齿圈的形状等，分五组进行模拟测试。仿真模拟后的对比结果如图11 所示。

经过观察，方案三的组合可以得到更小的塌角高度和更高的切断面质量，因此模具刃口设计可以参考此组数据。

最后需要再做一次模拟，将之前所做的模拟试验的最佳数据运用到模型中。模拟结果与之后实际生产的产品对比如图12 所示。

模拟的塌角高度值与实际测量报告的塌角高度值对比如图13 所示。

结论

仿真软件提高了模具设计效率，优化了设计上的细节，减少了改模次数，节约了成本，且模拟结果与实际生产出来的产品在塌角和断裂带方面较为接近，可为设计人员提供参考依据。

试生产及生产过程中遇到的质量问题

这套模具在试生产过程中，除了塌角的高度尺寸，A、B 两腔产品质量报告全部合格（塌角高度值事先得到了客户的放宽批准），试生产了50 件产品，试生产过程稳定。

但是当这套模具开始批量生产的时候，产品的沉头孔尺寸出现了问题。测量球的高度值超差，沉头孔的直径φ3.55mm 会出现直径偏大现象，且A、B 两腔随机出现，在生产时跟踪生产线用通止规进行全检，在100 产品个之中会出现2 ～5 个不良品。

质量问题的分析及解决

根据产生质量问题的现象，综合分析认为：是某种不稳定因素导致了第二步成形的沉头孔不到位，材料向内填充不饱满，导致最后第三步的精切冲头切不到材料，因此直径才会偏大。

那么不稳定因素是什么，如何去解决？

⑴怀疑精冲机台不稳定，我们微调了压力参数，并尝试换了机台进行生产，问题依然存在。

⑵我们拆开模具，进行了检查，发现有个别废料在废料通道内排出不畅，由于凹模板的浮动，废料会压在废料通道槽和引导块之间，如图14 所示。

毫无疑问，当凹模板被废料抬起时，成形冲头的伸出长度减少，这会导致成形不饱满。我们以为找到了问题点，但是在加大了废料槽之后，这个问题并没有得到解决。

⑶上模也存在小废料通道，我们同样改善了上模废料系统，避免上模废料排出不畅，从而导致废料弹回至模面使中模板与凹模不能有效夹紧，但改善后质量问题依然存在。

⑷因为始终找不到关键点，我们怀疑是否因为成形冲头在生产过程中产生疲劳，或者自身强度不足，导致在成形时压缩变形严重，从而导致成形不饱满。但是在更换了钨钢冲头后，再加上之前做过的改善，产品的孔径质量有提升，但是依然会有孔径偏大的情况发生。收集的第三步冲裁的环形废料如图15 所示，月牙形废料表示成形不饱满。

⑸我们在第二步成形冲头上面的背板上增加了一个高0.5mm 圆台形的凸起，目的是让材料更早更快速的收缩，从而使成形饱满，但是效果并不理想，孔径偏大的问题未得到根治。

⑹在开会头脑风暴分析问题的时候，经验丰富的模具部组模师傅提到了精冲油的问题，由于在正式生产的时候料带上附有精冲油，精冲油由于粘性作用，会填充到预冲孔里面，而且精冲油多了会滴落到模具表面，过多的油会流入到了成形冲头周围。当模具开始工作成形时，会形成密闭的高压油腔，导致成形冲头无法压入到料带中，如图16 所示。

在成形冲头上面的背板上开直径φ1.0mm 的通孔后，生产过程中就再也没有出现过沉头孔偏大的质量问题。因为试生产的时候，并不会引入精冲油，所以也就不会发生这种问题。

结束语

精冲技术，是在普通冲压技术的基础上发展起来的，是高精、高效的工艺技术，广泛应用于机械、汽车、电子、计算机、仪器仪表、军工等领域。精冲产品冲裁面光洁，塌角和翘曲小，质量要求颇高，精冲模具结构复杂，精度要求高。

在探索更高质量精冲产品的道路上，需要相关技术人员凭借丰富的知识积累，优秀的设计技能，高效的工作方法，本着求真务实，脚踏实地的原则，综合考虑各项影响因素，不放过任何一个影响生产的轻微变化，这样才能给企业带来更优异的服务和更具竞争力的效益。

作者简介

刘骞，模具设计工程师，主要从事冲压模具研发、设计工作。