非金屬導板在沖壓模具中的應用

文/崔濤·天津一汽豐田汽車有限公司西青沖壓課

非金屬導板在沖壓模具中的應用

文/崔濤·天津一汽豐田汽車有限公司西青沖壓課

崔濤，西青沖壓課模具及新車項目主管，從事沖壓模具的相關管理工作以及新車項目的沖壓總擔當。

據中國汽車工業協會統計，2011年我國汽車產銷1841.89萬輛和1850.51萬輛，同比分別增長0.84%和2.45%，再次刷新全球歷史紀錄，中國汽車產銷連續第三年全球第一。

工業和信息化部副部長蘇波曾在上海舉辦的“2011上海國際車展高峰論壇”上表示，“十二五”期間我國汽車業主要有提高自主創新能力、加強行業整合、發展新能源汽車等六大方面的任務：

⑴大力提高汽車企業自主創新能力；⑵推動產品優化升級，實現由汽車大國向汽車強國轉變；⑶加快發展新能源汽車，掌握新材料等關鍵技術；⑷加快零部件發展；⑸著力發展汽車服務業；⑹提高對外開放的層次和水平，繼續加強與國外的合資合作，加強引進技術消化、吸收、再創新。

由此可見，行業內部對自主創新能力和新材料方面相當重視，并且也在進行著部分新工藝的實踐

活動，加之我國汽車產量的逐年攀升，勢必對沖壓模具質量及制造維護成本提出更多的要求。在考慮將模具的一些配件輕量化、低成本化的過程中，選擇了最常用的導板，但由于研發能力相對薄弱，因此本文就筆者的收獲與大家分享。

現狀

考慮利用導板進行試驗，是因為當前汽車產量急劇攀升，使得沖壓每一批次產品數量加大，作為每一次沖壓動作行程中至關重要的導板，其磨損頻次也在逐漸加大。

在最初的模具設計中，較常使用鑄鐵及鋼制導板，如圖1所示。模具本體是鑄鐵材質，導板是同材質的或較本體材質硬，這就使得在動作過程中導板與本體導滑面進行摩擦。因此，一段時間后模具本體的導滑面就出現一道一道的刮痕，嚴重時還會導致本體導滑面的滑動基準缺失，從而無法保證滑動配合的準確性和有效性。

圖1 鑄鐵及鋼制導板

隨著技術的進步，銅制導板（圖2）便開始普及使用，主要考慮銅材質較模具本體的鑄鐵材質軟，在長時間摩擦后能保證模具本體導滑面完好，通過定期點檢將磨損的銅導板更換就可確?；瑒踊鶞实姆€定性。且自2006年開始，日本豐田也陸續在模具配合部位普遍采用銅導板設計以保證滑動配合基準的有效性。但是這一變化的缺點就是造價較高，銅制導板較鑄鐵或鋼制導板制作成本昂貴很多，勢必增加模具的投入成本，不利于原價低減的初衷。

圖2 銅制導板

第一階段—認識

起初并沒有考慮成本的因素，而是從保全人員的作業性上引起重視。無論是銅制還是鐵制導板，在點檢過程中需要更換時，保全人員都會由于導板重量的原因多次搬運，在體力負荷和效率上存在消耗。而后隨著生產整車臺數的增加，模具的沖壓頻次也在不斷增長，這就導致對模具的維護成本逐漸增多，經過成本分析，發現每年在導板上花費十幾萬甚至幾十萬元來保證400多臺模具的正常生產，因此急切尋找一種低成本、低重量且高品質的新材質導板。經過資料的收集，技術人員發現在很多電器元件上都采用電木塑料，而且在一些設備的導軌上也采用這種材質的導滑元件，于是對電木進行產生了濃厚的興趣，希望能解決問題。

電木定義

電木的化學名稱叫酚醛塑料，是塑料中第一個投入工業生產的品種，具有較高的機械強度、良好的絕緣性，耐熱、耐腐蝕，主要成分是酚醛樹脂。酚類和醛類化合物在酸性或堿性催化劑作用下，經縮聚反應可制得酚醛樹脂。將酚醛樹脂和鋸木粉、滑石粉（填料）、烏洛托品（固化劑）硬脂酸(潤滑劑)、顏料等充分混合，并在混煉機中加熱混煉，即得電木粉(或稱膠木粉)。將電木粉在模具中加熱壓制成形后得到熱固性酚醛塑料制品。

重要性能

⑴耐高溫性能。酚醛樹脂最重要的特征就是耐高溫性，即使在非常高的溫度下，也能保持其結構的整體性和尺寸的穩定性。正因為這個原因，酚醛樹脂應用于一些高溫領域，例如耐火材料，摩擦材料，粘結劑和鑄造行業。

⑵機械加工性能。由于是酚類和醛類化合物縮聚而成，且生成的化合物聯結性較差，當外界作用力大于分子間作用力時就會發生脫落，這就使以酚醛樹脂作為主要成分的電木導板在機械加工時特別便捷快速，這種性能能大大縮短加工時間，提高制作效率。不過其內部的這種微觀性質也決定了其致命缺點—就是脆性較大易碎。

⑶粘結強度。酚醛樹脂一個重要的應用就是作為粘結劑。酚醛樹脂是一種多功能，與各種各樣的有機和無機填料都能相容的物質。設計正確的酚醛樹脂，潤濕速度特別快。并且在交聯后可以為磨具耐火材料，摩擦材料以及電木粉提供所需要的機械強度，耐熱性能和電性能。

水溶性酚醛樹脂或醇溶性酚醛樹脂用來浸漬紙、棉布、玻璃、石棉和其他類似的物質為基本物質提供機械強度，電性能等。典型的例子，如電絕緣和機械層壓制造，離合器片和汽車濾清器用濾紙。

⑷高殘碳率。在溫度大約為1000℃的惰性氣體條件下，酚醛樹脂會產生很高的殘碳，這有利于維持酚醛樹脂的結構穩定性。這種特性是能用于耐火材料領域的一個重要原因。

⑸低煙、低毒。與其他樹脂系統相比，酚醛樹脂系統具有低煙、低毒的優勢。在燃燒的情況下，用科學配方生產出的酚醛樹脂系統，將會緩慢分解產生氫氣、碳氫化合物、水蒸氣和碳氧化物。分解過程中所產生的煙相對少，毒性也相對低。這些特點使酚醛樹脂適用于公共運輸和安全要求非常嚴格的領域，如礦山，防護欄和建筑業等。

⑹抗化學性。交聯后的酚醛樹脂可以抵制任何化學物質的分解。例如汽油，石油，醇，乙二醇和各種碳氫化合物。

⑺熱處理。熱處理會提高固化樹脂的玻璃化溫度，可以進一步改善樹脂的各項性能。玻璃化溫度與結晶固體如聚丙烯的熔化狀態相似。酚醛樹脂最初的玻璃化溫度與在最初固化階段所用的固化溫度有關。熱處理過程可以提高交聯樹脂的流動性促使反應進一步發生，同時也可以除去殘留的揮發酚，降低收縮、增強尺寸穩定性、硬度和高溫強度。同時，樹脂也趨向于收縮和變脆。樹脂后處理升溫曲線將取決于樹脂最初的固化條件和樹脂系統。

應用選擇

在了解電木的各性質后，對其能夠使用的場合進行分析。在模具結構中，導板主要在三種位置使用（圖3）：在水平位置，導板受垂直于導滑面的作用載荷最大；在斜面位置，導板受垂直于導滑面的作用載荷較大；在豎直位置，導板受垂直于導滑面的作用載荷最小。

分析垂直載荷，是因為之前介紹電木有易碎的特性，如果承載垂直作用力太大會有碎裂的隱患，對模具安全造成危害。因此，考慮制作一種型號的電木導板在一臺模具的壓料芯上使用，并于2006年5月進行了試用。

第二階段—改善

對該套模具進行安裝試用之后，保全在每1000沖程時都會對導板進行點檢，以確保其無破碎磨損，堅持五次確認后在每2000沖程時確認一次，之后每5000沖程確認一次，直到2007年4月的對該模具進行定期點檢時，保全在合模實施裝配壓料芯的作業時，不小心碰到了電木導板（圖4）一角，然后此塊導板的角部發生破碎并成粉末狀，這種現象的確符合電木的特性，但在模具裝配過程中難免發生磕碰，技術人員要考慮改善問題。

圖4 電木導板

經與制作廠家研討，目前這種電木導板是采用粉末狀電木粉壓制成形，再實施機加工達到最終尺寸精度要求。對其制作工藝進行深入商討，決定嘗試用片狀電木層制作，于是廠家改用片狀電木層疊加壓制成形，再實施機加工達到最終尺寸精度要求再進行試用。但是進行安裝時（圖5）又發生了新的問題，就是在螺栓緊固時，由于用力過大將電木導板的沉頭位置壓裂，然后廠家在螺栓固定位置使用鐵套，以增加螺栓緊固強度，且成本上不受影響。

在此基礎上，保全依然堅持對該模具重點監控一直堅持了一年多沒有發生任何不良。

第三階段—應用拓展

在確認電木導板的豎直位置應用無任何異常后，開始在2008年最新下線的車型上進行試用，而且計劃在不同工序的豎直位置進行嘗試，試用情況如表1。

第四階段—評價

經過幾年的試用，在模具結構的豎直位置使用電木導板還是比較穩定的，而且經歷了十幾萬沖程(2006年試用的車型進行了15萬沖程；2008年試用的車型進行了11萬沖程)的實際生產，也無任何異常情況發生，效果良好。那么電木導板與傳統金屬導板相比又有什么不同呢，對比參數見表2。

電木導板具有以下優點：⑴成本低廉，如果實現批量生產，那么其制作成本將會更低；⑵機械加工性能較好，材質不堅硬致使機械加工效率較高，加工周期有效縮短；⑶材質較輕，使保全裝配作業時勞動負荷降低，為作業人員有效降低體力負擔，利于員工健康。缺點為：強度及硬度較低使其不能承擔較大的垂直作用力，否則易發生破碎。

圖5 電木導板安裝在模具上

■表1 電木導板試用情況

■表2 電木導板與傳統金屬導板對比

結束語

據不完全統計，國內沖壓行業的模具一直都采用金屬導板，來滿足各工廠沖壓工藝的滑動配合要求。因為金屬導板有其性能的優越性，如耐磨性好、抗壓抗拉強度高、硬度高、原材料資源豐富(鑄鐵、鋼、銅)等。但長時間的批量使用，也暴露出金屬導板的不少缺點，如成本較高、密度大、質量重等。

采用的非金屬導板稱為酚醛塑料導板（電木導板或是膠木導板）,屬于塑料制品,是以酚醛樹脂或其改性樹脂為粘合劑，加入木粉填料及其他添加物質所制成的熱固性模塑料。其中酚醛樹脂具有良好的耐酸耐熱性能以及良好的力學性能，能夠承擔摩擦載荷和輕微撞擊，適合應用于豎直放置的導板。由于受條件的制約，無法深入的對該材質導板進行剖析，希望相關機構讀到這篇文章能夠引起相關重視，實施進一步研究。

預測將來這種或是其他材質的產品能夠使沖壓模具制作成本更加低廉，也希望有更多更好的新材料新工藝在的民族汽車行業有更廣泛的應用。