模具在工业产品生产中霸占十分主要的地位，险些所有的产品生产过程中都离不开模具。
普通冲床的冲压模具，特点是一次落料就能冲压出完全的产品胚料，缺陷是自动化程度不高，模具不能通用，一个产品一副模具，劳动强度大，噪音大，适用于小批量产品。
随着工业自动化的提高，数控冲压冲床就出身了，最大的优点便是加工产品灵巧多样，模具通用化程度高，精度高，完备实现自动化加工产品，加工效率成倍提升，缺陷是噪音大。

数控冲床噪音的产生和传播路子多样，影响成分也多样，通过对噪音源的剖析，得出噪音源分为机床运行噪音和冲裁噪音。
机床运行噪音是有机床的构造所决定的，这个在实际运行中只能通过定期保养来掩护。
冲裁噪音是冲压模具与板料之间的冲裁形成的，这个噪音可以通多变动模具构造，设计专用的低噪音模具来实现降落噪音的目的。

本文重点剖析噪音源的形成及低噪音模具的设计，在设计低噪音模具时模具材料的选择和模具间隙的设计原则。

关键词：机器设计、材料、构造、低噪音

一、模具的现状及发展趋势

随着近几年我国国民经济的发展，模具工业的发展有了很大的进步，特殊是国民经济刚起步阶段，模具设计开拓能力差，工艺装备、机器加工能力水平低，模具材料性能低下，不能知足设计寿命哀求。
随着经济的发展，巨大的市场需求反向推动着模具工业的快速发展。
在模具设计及制造、模具材料方面都取得了很大的进步，不仅能知足国民经济发展的需求，还可以对外出口，形成技能输出。

海内模具设计也向大型化，精密、繁芜、龟龄命、设计自动化方向发展。
海内模具设计和技能的发展也朝向高精度、数字智能化，模具研磨抛光自动化，模具设计加工智能一体化等高精尖方向发展。

在海内模具行业高速发展的同时，模具在运用中也暴露出了一些问题。
例如：模具在冲床冲压运用上面就暴露出了噪音大的问题，噪音的涌现不仅使事情环境变差，还加大了工人患职业病，损伤听力，使听力低落的风险。
因此，若何降落噪音就摆在模具设计者的面前，就衍生出了一种全新的模具设计分支，即：低噪音模具，本文就重点剖析低噪音模具的设计。

二、模具噪音来源及剖析

数控冲床的噪音分为空载噪音和负载噪音，空载噪音是机床的运行噪音，包含电机噪音、事情机构间隙产生的冲击噪音、离合器和齿轮撞击产生的噪音等。

1、电机噪音

电机作为机床的动力源，早事情时产生的噪音包括电机绕组电磁噪声、机器噪音及空气动力噪音等。
电动机的噪音声压等级与电动机的功率、电机转速等有直接关系。
电机动的电磁噪音，紧张是由互换电产生的交变电磁场相互浸染，引发转子和定子产生的振动产生。
电磁噪音一样平常是指高频噪声电动机的空气动力噪声，紧张是指冷却风扇的噪声，冷却风扇噪声是紧张的噪音源。
机器噪音紧张包括：运动部件的非平衡力引发产生的噪音和零部件振动时产生的噪音。

2、事情机构间隙噪音

指的是冲床曲柄连杆机构的三对摩擦：曲轴轴颈和曲轴瓦；曲柄颈和连杆大头瓦；连杆小头和滑块球头座以上三部分之间的相互运动产生的。
其间隙越大，噪音越大，因此，定期保养冲床和改换磨损的零部件能减少这部分噪音产生，但不能彻底肃清这部分噪音。

3、离合器噪音

当离合器瞬间结合时，大部分冲床都会发生"叮当"的噪音。
这是滑块、连杆在在往来来往运动时的惯性力和曲轴的回转时，质量离心力产生的碰撞发出的间断声响。
影响离合器噪音成分有：离合器瞬间策应时受到的冲量的大小，在质量一定的条件下，决定冲击速率的高低；还与打仗材料本身的刚度和阻尼特性有关。

负载噪音是冲压时产生的噪音，冲压噪音的产生：是物体相互撞击产生的。
即：刀具与工件或卸料板与板材件的冲击声，冲压过程中的冲剪噪音。
噪音的大小与物体打仗的相对运动速率、打仗面积、冲击力成正比例关系，即：速率越大，打仗面积越大，冲击力越大，所产生的噪音就会越大。

在冲裁时，会产生刺耳的噪音。
冲剪过程中，材料因剪切而断裂，由此导致冲头溘然卸荷，所形成的声音，噪音产生的过程是上模、板材、下模一起瞬间刚性打仗，切割刃口平直，打仗面历年夜，噪音分贝就会高。
这是冲床模具加工过程中无法避免的征象。
产生征象如图1所示：

如图1 常规模具

通过以上剖析，可知噪音的产生及事理，就可以针对的进行处理，以降落噪音，事情机构的噪音可以通过利用高粘度润滑油，增加阻尼，可以使空载噪音低落。
还可以增加橡胶塑料或者其他防震垫用螺栓固定。
也可以通过改进机床构造，改用斜齿或者人字齿轮传动，就能达到降落噪音的目的。

前文所述降落的是机床运行时的噪音，实际冲裁时模具与板材冲击产生的噪音须要通过变动模具构造设计来实现降落噪音的目的。
因此，本文将重点剖析如何通过变动模具设计来降落噪音的产生。

三、低噪音模具设计

在模具设计中，紧张分为凸模、凹模的构造设计。
即高下模合在一起，形成一副完全的模具，数冲模具是在常温下对金属材料进行挤压，产生塑性变形。
单位面积挤压力大，塑性变形产生的热效应能使模具温度达到200℃，反复磨损，事情条件恶劣。
因此，冷冲压模具设计应有足够的刚度、高强度、高耐磨性、高韧性和抗热疲倦等特点。

（一）低噪音模具材料的选用及热处理

1、低噪音模具材料的选用

模具材料的选择该当根据模具时的生产条件和模具事情条件时的须要，结合模具材料的基本性能和干系成分确定，选择适宜产品须要、经济上合理、技能前辈的材料。
选材模具材料的基本原则如下：首先，根据模具种类及其事情的条件，选用的模具材料要知足利用性能和工艺性能哀求。
其次，根据冲压工件材料和生产批量选用模具材料。
末了，模具材料应具有良好的加工工艺性能, 知足铸造、切削加工、热处理等哀求。

在冲压模具中，薄板冲裁模具用才具有高耐磨性、高硬度，制造模具又哀求有高硬度、高强度、高耐磨性和韧性，热处理时不宜变形及淬火时不宜开裂等性能。
因此，制造冲压模具常用的材料有硬质合金、钢材、锌基合金等。
但是，冲压模具的常用材料还是以钢材为主，再合营热处理调质处理，以得到须要的性能。

冲裁模具紧张是用于各种板料的冲切成型，刃口在事情时受到强烈的摩擦、震撼、高压、拉伸和冲击。
哀求模具要有高的耐磨性，耐疲倦断裂性能和冲击韧性。
对模具材料哀求很高，根据以上性能，制造冲裁磨具得当的材料有：碳素工具钢、高碳高铬工具钢、高速钢、低合金钢。

（1）碳素工具钢

模具中运用比较多的碳素工具钢是：T10A、T8A，

碳素工具钢中，碳的质量分数范围在0.6%-1.3%内，优点是：原才料来源方便, 加工性能良好，淬火温度低，热处理后得到较高的表面硬度和很好的耐磨性。
缺陷是：淬透性低，淬火温度范围小，淬火变形大，较大的模具淬透性能差。
而且表面淬硬层和中央部分之间的硬度值相差很大，随意马虎使模具在淬火时开裂。
紧张用于制造尺寸不大、形状大略、受负荷轻的模具零件。

（2）高碳高铬工具钢

高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV，Cr12Mo1V1，代号：D2，具有良好的耐磨性，热处理变形小，等优点。
运用于大批量生产的模具。

高碳高铬工具钢钢是一种高合金钢，特点是：具有高硬度、高强度、高耐磨性、稳定性高、易淬透、抗压强度高和淬火变形小等优点。
这类钢材部分是莱氏体钢, 淬火后会有大量共晶碳化物存在，同时存在大量的残留奥氏体，热处理后变形小，载荷力大，耐磨性高，但是，由于高碳高铬莱氏体钢中存在大量共晶碳化物不屈均的分布，因此，该类钢材韧性较差，随意马虎涌现倾圯征象，紧张用于制造在高耐磨、微变形、高负荷条件下利用的冷作模具。

（3）高速钢

高速钢是模具钢中最硬的，抗压强度，耐磨性和承载能力都很好，非常适宜制造冲压模具。

（4）低合金工具钢

低合金工具钢与碳素工具钢比较较，减少了淬火变形和开裂，提高了淬透性，而且耐磨性好。

冲压模具常用材料推举如表1所示。

表1 冲压模具常用材料分类

通过以上剖析，海内制造冲压模具的常用材料是：高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV，缘故原由是拥有良好的耐磨性，热处理变形小，等优点。
运用于大批量生产的模具。
因此，低噪音模具在材料选用上也选用高碳高铬工具钢，即：Cr12和Cr12MoV任意一种材料即可。

2、低噪音模具的热处理

模具热处理终极锻温度是在850度旁边，经末了铸造成型后再高温回火或者球化退火，以提高模具寿命。
模具热处理分为三个阶段，即：预备热处理、终极热处理、表面强化三部分。

（1）预备热处理

预备热处理是为随后的机器加工或者末了的终极热处理供应良好的机器性能，组织形态。
预备热处理有退火、正火、调质、时效。
对改进加工性能，肃清应力做准备。

（2）终极热处理

终极热处理的目的是为了提高硬度、耐磨性和强度等力学性能，终极达到提高模具寿命。
终极热处理包含淬火、回火、渗碳淬火、渗氮等热处理。

淬火、回火是为了提高模具表面硬度、耐磨性、耐疲倦强度，保持内部韧性和塑性，常用于低碳钢及低碳合金钢。

渗氮热处理是为了提高模具表面硬度、模具耐磨性及模具耐疲倦强度和抗堕落性。

（3）表面强化

表面强化热处理分为：表面热处理，表面化学热处理。

化学热处理方法很多，多为渗入不同的元素，使其形身分歧的化合物，来强化表面硬度。
例如：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗及碳（氮）化钛覆盖等。

通过以上剖析，模具的材料选用Cr12或Cr12MoV中的一种，那么，根据其材料的特性和热处理特点，选用的热处理工艺路线是：第一步，退火，让工件内部组织完备重结晶。
第二步：在180-200淬火，提高模具硬度。
第三步，在250-400度进行回火，肃清淬火是残留的应力。
第四步：渗氮，提升模具表面硬度。

（二）低噪音模具构造设计

凸模设计时根据须要加工工件的特色进行模具设计，但是，在数控冲床上，模具工位是有限定的，一样平常是18-24个工位不等，也便是一次能最多安装18-24副模具。
而工件的形状千奇百怪，一个工件就可能有几十个特色，一次上料冲裁不可能换几十种不同规格的模具。
为了能够担保一次装夹模具就能生产出产品，就须要模具的通用化。
需对工件的特色进行分解。
通过剖析，常用的模具特色有：圆形、六边性、凸包、凹包、腰孔等异型模具。
通过以上模具特色的不同组合，就可以生产出符合设计哀求的产品。
也包含通用模具，例如：圆形、矩形、正方形等。
常见的上模形状如图2：

图2 常用上模形状轮廓

凸模设计形状大多少是一个不规则的轮廓，考虑选用直通式凸模，特点是便于固定。
模具事情时，冲孔凸模冲压工件与凹模一起对工件形成剪切，凸模向下运动，带动被切割的废物向下掉落，形成一次完全的冲裁过程。
以德国通快数控冲床模具设计为例，上模的设计分为三部分：上模夹柄、上卡座、模具刀头。
之以是有这三部分组成，是由于通快数控冲床模具的19个工位是一样的，安装模具没有工位差异。
在这19个工位中随便安装。
即：模具刀刃形状不一样外，别的的都是一样的。
上凸模构造如图3所示。

1：夹柄；2：上卡座；3刀头

图3 上模

个中

模具夹柄：机床主轴内部夹头锁紧模具，并通报主轴发出的冲裁力。

上卡座：在刀库内部起到固定上模的浸染，机床在运动时能很好的固定模具，防止模具脱落。
由于模具在事情时须要知足360度的自由迁徙改变，因此上卡座须要有缺口，起到定位浸染

模具刀头：是全体刀具的核心部分，其浸染是冲裁切割工件。

1、冲裁变形过程

在间隙正常、刀口锋利的情形下，冲裁变形过程可分为三个阶段：

（1）弹性变形阶段。
变形区域内部材料应以小于屈从力。

（2）塑性变形阶段。
变形区域内部材料应力状态知足塑性条件和屈早年提。

（3）断裂分离阶段。
变形区域内部材料应力大于屈从强度极限。

首先裂纹产生在凹模刃口侧面的板料，随着冲裁的连续，在凸模的刃口侧面也会产生裂纹，高下裂纹扩展相遇聚合，沿着最大剪切应变速率方向连续发展，材料分离，全体冲裁过程完成。
如图4所示：

图4 冲裁过程

2、低噪音模具设计

模具冲裁常用的降落噪音的方法是增加润滑油，这并不能从根本上办理噪音大的问题，并且永劫光利用润滑油会在工件表面残留油污，去除油污须要增加工序、工时，增加企业生产本钱。
因此，降落噪音须要从模具构造方面入手，设计能够降落噪音的模具。
办理噪音的方法是对刀具做改进。
将瞬时平面打仗，改成逐渐切入的斜面刀，从而达到减少瞬时大范围冲击的噪音。
这样没有了瞬时冲击的平面，也就没有了原来的较大的冲裁力, 噪声的产生源也就得到了有效的掌握。

上面剖析了噪音的产生缘故原由，有速率、冲击力和面积三方面共同浸染。
为了降落噪音，从这三方面设计入手：

（1）速率

冲床在加工时，Z轴的速率是有冲压油压力决定，这个数值系统设定的，不可以随意变动，因此，这个成分打消。

（2）冲击力

冲床的冲击力大小常日表示在吨位上，即：吨位越大，冲击力越大，这是在设计冲床是就定好的数据，为的便是能更好的匹配产品，也是不能变动的。

（3）面积

即刀具与工件的打仗面积，这个通过变动刀刃设计是能够改变的。

用斜口模具来替代平口模具，利用刃口的斜面，使板料逐渐分离，从而延长了冲切韶光，也可起到一定降落噪音的效果。
降噪音与剪切角度有关，剪切角越大，冲切韶光也会随之增加，噪音等级降落量也相应增大，图5所示为剪切角与降噪量之间的关系，通过剖析最佳的剪切角以8度～ 10度为最佳。
厚板冲孔、落料冲裁模，可采取冲击限位冲裁。
可以在模具上设计限位块或者限位柱，并在其冲击打仗面设置加厚的聚氮酚之类的弹性板，就得到更好的降噪效果。

图5 剪切角与降噪量的关系

直接决定冲裁缺口通过合理的选择冲模的径向百分比间隙，冲模百分比间隙对材料断裂形式和受力特性都有较大的影响。
间隙越小，噪音等级越低。

经由以上剖析，通过变动刃口的倾斜角度，是刃口倾斜8度～ 10度，使打仗面积有面打仗变动为线打仗，可以减小瞬间打仗面积，能够降落噪音。

因此，低噪音模具设计以常用的矩形刀具556为例，来设计低噪音模具，通过变动刃口倾斜角度来减小打仗面积，降落噪音。
图6是常规556矩形刀刃示意图，图7、图8是低噪音556刀刃示意图，

如图6 常规556矩形刀

如图7 低噪音556矩形刀

图8 低噪音556矩形刀

通过以上对低噪音刀刃的设计剖析，模具实际设计便是改变刃口的倾斜角，低噪音模具如图9、图10所示：

图9 低噪音模具 图10 低噪音模具

因此，设计的低噪音模具与普通模具的紧张差异在于切削刃口的不同，普通模具的刃口是平直的刃口，低噪音模具的切削刃口是有8度的倾斜角，完全的565矩形低噪音模具如图11所示。

图11 矩形565低噪音模具

（三）低噪音模具间隙设计

模具设计中，凹凸模的间隙不仅对冲裁断面质量和工件精度产生直接影响，还对模具利用寿命产生直接影响。
因此，设计时选用合理的间隙至关主要。

1、低噪音模具间隙设计

模具间隙是指：凸凹模在垂直于工件面上的尺寸公差。

凹凸模刃口间隙的大小直接决定冲裁缺口处断面是否光滑的关键成分，如果间隙选择不当，断面就会不只滑，毛刺过大。
间隙过小，冲裁挤压力增加，冲裁力增大，摩擦力增加，模具发热大，加速模具磨损，降落模具寿命。

因此，间隙的大小影响冲裁工件质量的主要成分，间隙过大冲裁后断面产生塌陷，毛刺过大。
间隙过小会涌现二次见裂，产生第二次剪切面。
因此，选择得当的间隙，能够产生光亮、平直的断面，断面质量较好。

选择合理的间隙对模具寿命也有很大影响，小间隙使磨损增加，乃至会产生工件与模具的粘连，引起代料崩刀，凹模胀裂，凸模折断，凹凸模相互啃刃等非常征象。
图12所示是模具间隙大小对冲裁件断面质量的影响，因此，在设计时就要确定好合理的冲裁间隙。

图12 模具间隙对冲裁件断面质量的影响

当间隙过大时，凸模刃口附近的剪裂纹会比正常间隙时向内错开一段间隔，不会与凹模刃口附近的裂纹汇合，因此，冲裁件被撕开，边缘粗糙。
间隙过小时，凸模刃口附近的裂纹会比正常间隙时向外错开一段间隔，这时候，上、下两裂纹也不可能很好的重合。
只有模具间隙值掌握在一个合理的范围内，高下裂纹才能基本重合于一线，冲裁件断面质量最好。

冲裁间隙Z：Z=DA-DT

是指冲裁凹模横向尺寸DA与凸模刃口横向尺寸DT的差。
又称双面间隙，用Z表示。
Z/2表示单面间隙，用C表示：

C=（DA-DT）/2

如图13所示。

图13 模具间隙图示

模具间隙的选择根据不同的材质选择不同的间隙，材质越硬，越厚，模具间隙就该当选择的越大，对常用的冲裁模具必须担保合理的间隙，才能冲裁出合格的工件，例如常用的铝和不锈钢的间隙选择推举如下，如表2所示。

表2 推举模具间隙

2、低噪音模具间隙对利用寿命的影响

空想的间隙是指工件在断裂时刃口冲裁产生的裂纹在一条直线上，如果不在，将产生毛刺，刃口粘接板料碎屑，加快模具磨损，影响模具利用寿命。

在间隙变革过程中不同板材，不同材质。
或者相同厚度的板材、不同材质等各种成分相互浸染，影响，其磨损办法也不尽相同。
因此，一个间隙值不能同时知足多个成分共同浸染。
只能在不同质量的哀求下尽可能提高模具寿命。
模具的磨损分为：磨料磨损、粘接磨损、堕落磨损、疲倦冲击磨损。

（1）磨料磨损

磨料磨损俗称研磨磨损，有两个打仗面粗糙度引起的，并且两个打仗面中间夹杂碎屑。
碎屑起到磨料的研磨浸染，在模具表面造成机器擦伤。

（2）粘接磨损

粘接磨损也称为胶合，当间隙小，冲裁速率适中，两个相互运动的打仗面相互浸染产生位移，粘接在刃口面的眇小微粒逐渐变大，摩擦界面上伸展变形，形成鳞片，滞留在表面，将两个表面粘连在一起，由此形成的摩擦。

（4）堕落磨损

冲压过程中未了防止粘连，在润滑油中添加极压剂，极压剂中含有堕落身分，随着大量添加和韶光的增加，便会有堕落发生，形成堕落磨损。

（5）疲倦冲击磨损

疲倦冲击磨损是：间隙过大，冲裁速率高，经由重复事情和模具本身的毛病所引起的疲倦磨损。

因此，选择合理间隙是提高模具利用寿命的主要技能手段，不仅提高模具利用寿命，提升工件质量，精度，减少报废率，还可以提升企业利润，节约资源。

综合以上剖析得出，低噪音模具在1.0mm、1.5mm、2.0mm三种板厚的情形下合理的设计间隙如表3所示。

表3 低噪音模具间隙(Z)

材料厚度

建议间隙

铝

不锈钢

1.0

0.15—0.2

0.25—0.3

1.5

0.225—0.4

0.375—0.45

2.0

0.3—0.4

0.5—0.6

3.0

0.45—0.6

0.75—0.9

四、总结

低噪音模具在运用上最大的优点便是降落噪音，经由以上的剖析和设计，设计制造出的低噪音模具在实际运用中能够很好的降落车间环境噪音，提升工人的事情舒适性。

事情环境噪音测试设备是小米之家噪音分贝仪手机APP，测试方法如下：

1：为了测试的准确性，先在安静的夜晚在小米之家噪音分贝仪内选择"夜晚"模式进行校准。

2：先选用常规556矩形模具进行加工，开启小米之家噪音分贝仪测试环境噪音，测试结果均匀噪音分贝数76db。

3：先选用低噪音556矩形模具进行加工，开启小米之家噪音分贝仪测试环境噪音，测试结果均匀噪音分贝数66db。

详见图14是低噪音模具产生的噪音，图15是常规模具产生的噪音。

图14低噪音模具噪音 图15常规模具噪音

通过以上噪音测试及剖析，利用得出低噪音模具生产时，经由小米之家噪音分贝仪噪声测试，能够降落事情环境噪音10分贝。
对提升事情有明显的改进。

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