由于熱成型過程中高達90%的生產(chǎn)成本都取決于所用的材料（視產(chǎn)品而定），因此機械預(yù)拉伸沖壓模已被廣泛用于獲得適用于該應(yīng)用的成型件壁厚分布。沖壓模的外形設(shè)計通?；诮?jīng)驗知識和設(shè)計指南，如Illig和Schwarzmann以及Throne和Beine所著的指南。

設(shè)計不理想的沖壓模通常會導(dǎo)致質(zhì)量缺陷，例如：成型件某些區(qū)域出現(xiàn)局部材料堆積以及壁厚分布不均勻。這些“冷痕”的形成主要取決于模具和半成品之間的相互作用。如果半成品與沖壓模接觸，該區(qū)域的冷卻速度會相對較快。因此，該區(qū)域的延展性較差，最終導(dǎo)致材料局部堆積。因此，作為IGF研究項目22994 N的一部分，IKV正在開發(fā)一種有針對性地將輔助空氣引入預(yù)拉伸沖壓模的新工藝。

圖1：選用的沖壓模外形（左）和輔助空氣概念（右）（來源：IKV；圖：© Hanser）

空氣導(dǎo)向沖壓模系統(tǒng)的開發(fā)

此次開發(fā)旨在沖壓模和半成品之間施加氣墊來消除冷痕并且有針對性地影響壁厚分布而不改變沖壓模外形。

為了評估空氣導(dǎo)向沖壓模系統(tǒng)的性能，首先對沖壓模的外形進行定義，其中使用傳統(tǒng)沖壓模（無輔助空氣）和選定的測試條件會導(dǎo)致冷痕的形成。圖1（左）所示為生產(chǎn)模制杯形部件的沖壓模的外形，它被用作樣品。

圖2：預(yù)拉伸沖壓模的功能區(qū)域（左）和各種組合形式的輔助通道（右）（來源：IKV；圖：© Hanser）

空氣輔助凸模在所示沖壓模的基礎(chǔ)上進行擴展，加裝了輔助空氣供給裝置并設(shè)計了氣道，出氣方向與半成品的方向一致。圖1（右）所示為輔助空氣概念，其中整個沖壓模表面都設(shè)有輔助空氣通道。為了確保最大的設(shè)計自由度，增材制造（熔融沉積成型，F(xiàn)DM）在開發(fā)過程開始時就被指定為制造方法。但是，必須考慮到最小通道直徑（>1mm）和最大可制造懸垂角（<45°）的限制。此外，如圖2（左）所示，沖壓模被分為三個幾何功能區(qū)，即壁面斜面、底邊圓角和底部，這些功能區(qū)被用于研究沖壓模輔助空氣排放位置的不同對冷痕形成及其壁厚分布的影響。將三個功能區(qū)完全重組可得到八種輔助通道組合，如圖 2（右）所示。

空氣導(dǎo)向預(yù)拉伸沖壓模設(shè)計過程中的挑戰(zhàn)之一，在于確定引入的輔助空氣管道的數(shù)量、位置和直徑。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)拉伸沖壓模三個功能區(qū)域中的等效單位面積質(zhì)量流量做出了規(guī)定。舉例來說，沖壓模（1|1|1）在所有功能區(qū)域均設(shè)有輔助空氣通道，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)以下等式定義：

不同情況下的空氣阻力決定了預(yù)拉伸沖壓模的空氣管道直徑。行程越長，方向偏轉(zhuǎn)越大，空氣流動就越困難，因此通道直徑就要做得更大。這樣才能減小阻力，從而獲得均勻的單位面積體積流量和輔助空氣分布。由于三個區(qū)域的偏轉(zhuǎn)角度不同（圖3左），氣流會受到不同程度的阻礙。為了遵循所述設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還需要對各個功能區(qū)域中輔助空氣管道的數(shù)量和直徑進行分析計算。為了簡化問題，假定沖壓模內(nèi)部為等壓壓力。

圖3：流體流動的重定向（左）以及空氣管道直徑和位置的開發(fā)步驟的可視化視圖（右）（來源：IKV；圖：© Hanser）

由于計算較為復(fù)雜，本文不對分析設(shè)計做詳細(xì)描述。繼分析設(shè)計之后，沖壓模通過捷克Prusa Research a.s.公司生產(chǎn)的FDM打印機MK4增材制造。隨后，用風(fēng)速計（型號：TA300；制造商：Trotec GmbH，德國）測量等效單位面積質(zhì)量流量，并根據(jù)實際測量結(jié)果進行調(diào)整，最大偏差為5%。圖3（右）清晰地展示了確定空氣管道直徑和位置的示例性開發(fā)步驟。

表1 熱成型工藝中半成品深加工的常量工藝參數(shù)設(shè)置。來源：IKV

通過實際熱成型測試驗證沖壓模概念

為了確定輔助氣道對最終壁厚分布和冷痕形成的影響，制成的輔助空氣沖壓模還在實驗室單站成型機上進行了測試，該成型機配有外購加熱臺，型號為KD 20/25，制造商是德國Kiefel GmbH公司。半成品材料選用了德國W. u. H. Fernholz GmbH公司生產(chǎn)的0.8mm厚的PS薄膜（TFilm=120°C）。據(jù)表1所示，每個沖壓模使用恒定的工藝條件，在有空氣輔助和沒有空氣輔助的兩種情況下各生產(chǎn)了5個，沒有空氣輔助的杯子作為參考樣品。

圖4：成型件上的測量點被用于確定帶輔助空氣嵌件和不帶輔助空氣嵌件的沖壓模生產(chǎn)的杯形成型件的壁厚分布和厚度曲線（來源：IKV；圖：© Hanser）

輔助空氣在距離半成品2mm處打開，以確保在沖壓模進入模腔之前形成輔助氣流。在初步測試期間，輔助氣壓設(shè)置得足夠高才能在沖壓模和半成品之間形成氣墊，從而有可能消除冷痕（圖4）。接下來，用德國Olympus Europa SE & Co. KG公司生產(chǎn)的Magna Mike 8600測厚儀在14個測量點上測量壁厚分布，這些測量點在杯子旋轉(zhuǎn)對稱的截面圖上線性依次排布（圖 4左上角）。

該圖展示了使用輔助空氣沖壓模時的壁厚分布示例，每個沖壓模僅在規(guī)定的一個功能區(qū)域中設(shè)有輔助空氣通道。從中可以看出，三個沖壓模在沒有添加輔助空氣（0 bar）的情況下具有相同的特征壁厚分布。預(yù)拉伸沖壓模將較大量的材料轉(zhuǎn)移到較深的模腔區(qū)域，導(dǎo)致成型件的底部區(qū)域較厚。此外，冷痕會在測量點8附近生成，必須避免這一情況發(fā)生。

從開啟輔助空氣的壁厚曲線可以看出，輔助空氣對材料分布有著顯著影響。例如，當(dāng)使用沖壓模（1|0|0）和（0|1|0）時，其壁厚分布與沒有輔助空氣的沖壓模（純壓縮空氣成型）的成型工藝類似地反轉(zhuǎn)，這可能是由于輔助空氣流量過大造成的。在沖壓模斜面上專門設(shè)有輔助空氣通道（0|0|1）的沖壓模被證明在避免冷痕和實現(xiàn)均勻壁厚分布方面特別有效。這可能是因為其所需的輔助氣壓低并且輔助氣流將半成品提前固定在杯壁上。值得注意的是，在沖壓模斜面區(qū)域施加輔助空氣而非在沖壓模底部區(qū)域施加輔助空氣才能產(chǎn)生特定的影響（無冷痕，壁厚分布均勻）。

結(jié)論與展望

目前，沖壓模拉伸是實現(xiàn)熱成型過程中與負(fù)載情況相適應(yīng)的壁厚分布的最常用方法。根據(jù)沖壓模設(shè)計和工藝點的不同，由于預(yù)拉伸沖壓模通?；诮?jīng)驗知識進行迭代設(shè)計，因此會產(chǎn)生冷痕，這是一種因材料局部堆積而導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷。塑料加工研究所（IKV）正在研究輔助空氣的適用性，這種輔助空氣可被引入沖壓模來減少沖壓模和半成品之間的相互作用并防止出現(xiàn)冷痕。

輔助空氣管道的設(shè)計是通過分析和迭代進行的，其目的是實現(xiàn)與沖壓模特征表面相關(guān)的均勻氣流。實踐研究表明，施加輔助氣流可以顯著影響壁厚分布并避免出現(xiàn)冷痕。就均勻的材料分布而論，可以證明在沖壓模斜面上施加輔助氣流是有效的。

后續(xù)研究應(yīng)表明加熱的輔助空氣對壁厚分布的影響。它可能有助于防止半成品在關(guān)鍵區(qū)域冷卻過快。

本文翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Daniel Grüber, M.Sc.，Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann，Matteo Ackermann, B.Sc.

來源：榮格-《國際塑料商情》

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