（机械制造及其自动化专业论文）多工位精密复杂接插件级进模设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 模具是制造业的重要基础工艺装备，是国民经济各部门发展的重要基础之一。级进 模是一种精密、复杂的冲压模具。它具有高效率、高精度和高寿命等优越性，适用于冲 压行业的自动化生产。接插件级迸模设计涉及冲压成形理论、冲压工艺、排样设计、产 品展开尺寸计算、模具结构设计、产品的成形仿真以及模具材料选择等许多关键技术。 因此。对接插件级进模设计进行研究是十分有意义的。 本文针对接插件级进模关键技术问题，立足于我国模具技术现状，在接插件级进模 设计技术领域开展研究工作，结合研制一套多工位精密复杂汽车接插件级进模的具体实 例，说明接插件级迸模盼设计流程，并对研究成果进行验证。具体包括： ( 1 ) 从冲压成形理论入手，探讨了金属在塑性状态下的力学行为和特征，包括塑 性变形的力学基础、板料冲压成形的力学特点及求解方法和冲压成形极限，从中找出板 料冲压变形的基本规律。 ( 2 ) 对典型接插件级迸模中包含的冲裁、弯曲、翻边、局部成形和整形等工序变 形特性进行了分析：推导了各冲压工序的应力应变求解关系式，这些工作将为接插件级 进模设计和计算提供理论依据。 ( 3 ) 以系统的观念看待接插件级进模的设计过程，给出了设计流程图：探讨了排 样设计的一般原则；并总结出接插件级进模常用工序的展开尺寸计算公式、典型工序的 成形方法及主要零部件的设计方法。 ( 4 ) 通过对典型接插件级进模的详细设计、计算以及对产品重要部位的成形仿真， 建立了一种多工位精密复杂接插件级进模设计方法体系，也验证了本文的研究成果。设 计部分包括模具排样图设计、结构设计以及各模具零件的设计；计算部分包括带料精度 计算，产品展开尺寸计算和模具压力中心计算等；考虑到产品在仿真软件中建模的复杂 性，以及应尽量缩短模具的开发周期，且接插件产品中重要、复杂( 有尺寸、形状精度 要求) 部位的成形仿真结果即可代表整个接插件产品的成形仿真结果，故仅对产品的重 要、复杂部位进行成形仿真。 关键词：接插件级进模；应力；应变；展开尺寸：排样：结构设计；成形仿真 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 a b s t r a c t m o l l l d d i ei si m p o r t a n tf o u n d a t i o nt e c h n i c a le q u i p m e n ti ni n d n s 缸i a lp r o d u c t i o n i ti s a l s oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n t a lf o u n d a t i o n sf o ra l ld e p a r t m e n t so fc o u n t r y e c o n o m y 卫地p r o g r e s s i v ed i ei sak i n do f c o m p l e x a n d p r e c i s ef o r m i n gd i e i tp o s s e s s e sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sh i 【g he 伍c i c n c y , a c c u r a c ya n dl o n gl 施s oi ti su s e df o ra u t o m a t i o n p r o d u c t i o ni ns h e e tm e t a lf o r m i n g 1 1 ”j o i n t p i n g - p a r tp r o g r e s s i v ed i er e l a t e st om a n yk e y t e c h n o l o g i e si n c l u d i n gm e t a lf o r m i n gt h e o r y , s h e e ts t e e lf o r m i n gp r o c e s s , l a y o i l td e s i g n , p r o d u c t su n f o l dd i m e n s i o nc a l c u l a t i o n ，d i es t r u c t u r ed e s i g n , p r o d u c t sf o r m i n gs i m u l a t i o na n d s e l e c td i em a t e r i a la n ds o0 1 1 t h e r e f o r e ，i ti sv e r y s i g n i f i c a n t t o s t u d yd e s i g n t h e j o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i e f a c i n gt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so fj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ea n db a s i n go n d o m e s t i cr e s e a r c ha c t u a l i t y , t h ef i e l do fd e s i g n i n gj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ew s q r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a n das e to fm u l t i - p o s i t i p r e c i s ea n dc o m p l e xj o i n t - p l u g - p a r to f a u t o m o b i l ep r o g r e s s i v ed i ew a sd e v e l o p e di no r d e rt oe x p l a i nt h ej o i m p 1 l l g - p a r tp r o g r e s s i v e d i ed e s i g nc y c l ea n d v e r i f yt h er e s e a r c hr e s u l t s s p e c i f i cc o n t e n ti n c l u d e d ： ( 1 ) b e g i n n i n gw i t hm e t a lf o r m i n gt h e o r y , d y n a m i cb e h a v i o ra n d c h a r a c t e r i s t i c so f p l a s t i c s t a g ew a sp r e s e n t e d t of m dt h eb a s i cr u l e sf o rs h e c tm e t a lf o r m i n g ，m a n yt h e o r i e sw e t d i s c u s s e ds u c ha sd y n a m i c a le s s e n t i a l c h a r a c t e r i s t i c sa n da n a l y s i sm e t h o d so fp l a s t i c d e f o r m a t i o na n df o r m i n gl i m i t ( 2 ) 低d e f o r m a t i o ns p e c i a l t i e so fb l a n k i n g , b e n d i n g , p i e r c i n g - f l a n g i n g ，p a r t - f o r m i n g a n dt r i m m i n ge t c t y p i c a lp r o c e s s e si nj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ew e r ea n a l y z e d 1 f 1 嵋 s u e s s - s t r a l ns o l u t i o nr e l a t i o n so ff i v ef o r m i n gp r o c e s s e sw e r er e a s o n e d t h e s ew o r k sp r o v i d e t h e o r y b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f j o i n t - p l u g - p a r t p r o g r e s s i v e d i e ( 3 ) r e g 甜dj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ed e s i g np r o c e d u r e a sa s y s t e m ，s u p p l i e dd e s i g n f l o w c h a r t ；s e a r c h e dp r i n c i p l eo f d e s i g n i n gl a y o u t ；g e n e r a l i z e du n f o l dc a l c u l a t i o nf o r m u l a sf o r p r o c e s s e si nj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ew h i c hw e r ef r e q u e n ta d o p t e d ，m e t h o d so f t y p i c a l f o r m i n gp r o c e s s e sa n dd e s i g nm e t h o d so f k e yp a r t s ( 4 ) b yp a r t i c u l a rd e s i g n e da n dc a l c u l a t e dt y p i c a lj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i e ，a n d s i m u l a t e dp r o d u c t sm a j o rp o s i t i o n ，ak i n do f d e s i g nm e t h o ds y s t e mf o rm u l t i - p o s i t i o np r e c i s e a n dc o m p l e xj o i n t - p l u g - p a r tp r o g r e s s i v ed i ew a se s t a b l i s h e d a tt h em e a n t i m e ，v e r i f i e dt h e r e s e a r c hr e s u i 协o f t h i sp a p e r t h ed e s i g np a r ti n c l u d e dl a y o u td e s i g n , s t r l 】c u l r e sd e s i g na n da l l k i n d so fd i ep a r t sd e s i g n 1 1 1 ec a l c u i a t i o np a r ti n c l u d e ds t r i pp r e c i s i o nc a l c u i a t i o n , p r o d u c t u n f o l dd i m e n s i o nc a l c u l i o na n dd i ep r e s s i n gc e n t e rc a l c u l a t i o n t oc o n s i d e rp r o d u c tm o d e l b u i l d i n gi ns i m u l a t i o ns o f t w a r ew a sv e r yc o m p l e xa n dd e v e l o p m e mc y c l eo fd i em u s ta s s h o r t e r 鹬p o s s i b l ea n df o r m i n gs i m u l a t i o nr e s u l to fp r o d u c t sm a j o rp o s i t i o nc o u l dr e p r e s e n t f o r m i n gs i m u l a t i o nr e s u l to f p r o d u c t ，s os i m u l a t e do n l yp r o d u c t sm a j o rp o s i t i o n k e yw o r d s ：j o i n t - p l n g - p a r tp r o g r e s s i v ed i e ；s t r e w ；s t r a i n ；u n f o l dd i m e n s i o n ；l a y o u t ； s t r u c t u r ed e s i g n ；f o r m i n gs i m u l a t e 硕士学位论文 图1 1 图1 2 图l 。3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 插图索引 冲压加工三要素l 级进模l 刃口设计示意图3 插座产品图6 单元体坐标面上的应力分量8 微元体受力图9 柱坐标的微单元体l o 变形体的投影1 0 应变和位移关系示意图1 0 平面应力状态1 8 平面应力状态屈服轨迹2 0 厚向异性扳屈服轨迹2 3 册，仉，仉的关系图2 3 成形极限图( f l d ) 2 6 冲裁时作用在材料上的力2 8 冲裁应力状态图2 9 冲裁时板料的变形过程2 9 冲裁变形区的应变情况3 0 冲裁件剪切断面特征3 0 板料弯曲前后的网格变化3 1 板料弯曲后的断面变化3 l 外层任意微体受力图3 4 折弯线与辗压方向的关系3 5 裂纹与折弯线的关系3 7 翻边3 8 内孔翻边的变形情况3 8 内孔翻边底部应力应变状态3 8 局部成形示例3 9 局部成形应力应变状态3 9 局部成形前后材料的长度4 0 弯曲件的整形4 0 接插件级进模设计流程4 3 直角弯曲展开长度计算示意图4 3 非直角弯曲展开长度计算示意图4 4 z 形弯曲展开长度计算示意图4 5 卷圆弯曲展开长度计算示意图4 5 弯曲压平展开长度计算示意图4 6 综合弯曲展开长度计算示意图4 6 翻边展开计算示意图4 6 搭接方法4 8 载体设计示例4 9 合理间隙理论值5 1 m 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 5 图4 3 6 图4 3 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 压肋、压包成形示意图5 3 压线成形示意图5 3 压边成形示意图5 4 上压式卷圆弯曲( 整圆) 成形示意图5 4 侧推式卷圆弯曲( 整圆) 成形示意图5 5 上压式卷圆弯曲( 半圆) 成形示意图5 5 直边弯曲压平成形示意图5 6 圆孔边弯曲压平成形示意图5 6 产品成形示意图5 6 方框弯曲成形示意图5 7 冲裁、弯曲复合成形示意图5 7 打沉孔示意图5 7 翻边示意图5 8 铆接示意图5 8 小凸模及其装配形式示意图5 9 凹模拼块分割示意图6 0 导正过程示意图6 0 导正钉突出量6 l 导正钉头部形状6 l 导正钉安装形式6 2 托料装置6 2 浮顶销结构图6 2 托料导向板结构图6 3 卸料装置结构图6 3 斜楔与滑块的尺寸关系6 4 成形凸模微调机构6 4 接插件产品展开图6 6 冲裁刃口设计6 7 舌部弯曲设计6 7 方框弯曲设计6 7 尾部弯曲设计6 8 工序排样图6 8 产品重要部位展开图7 0 舌部成形仿真7 0 舌部成形仿真二维图7 l 方框成形仿真7 2 方框成形仿真二维图7 3 级进模装配图7 7 切口凸凹模子块7 8 舌部弯曲凸凹模子块7 9 方框弯曲凸凹模子块8 0 打沉孔凸凹模子块8 0 翻边凸凹模子块8 0 定距套8 1 浮顶销8 l 压平铆接复合模装配示意图8 l 硕士学位论文 表3 1 表4 1 表4 。2 表4 3 附表索引 弯曲时的应力应变状态3 3 置o 时直角弯曲的补偿量置4 4 修正系数x 值5 0 冲裁初始双面间隙5 2 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名； 叩讴寸日期：岬年。月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 日期：扣9 年 日期o ) 曲芹 l 占月5 日 二月日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 模具是制造业的重要基础工艺装备，是国民经济各部门发展的重要基础之一，在工 业生产中起着极其重要的作用。国外将模具比喻为“金钥匙”、“进入富裕社会的原动力”， 国内也将模具工业称为“永不衰亡的工业”、“无与伦比的效益放大器”等等。在现代机 械制造业中，模具工业已成为国民经济中一个非常重要的行业，许多新产品的开发和生 产，在很大程度上依赖于模具制造技术。模具作为一种高附加值和技术密集型产品，其 技术水平的高低已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之_ _ 1 9 1 。 在工业生产中，许多机械零件普遍采用模具冲压成形的工艺方法，有效地保证了产 品的质量，提高了劳动生产率，并使操作技术简单化，而且还能省料、节能，可以获得 显著的经济效益。据不完全统计，冲压件在电子产品中占8 0 8 5 ，在汽车、农业机械 产品中占7 5 8 0 ，在轻工业产品中占9 0 o 以上，航天航空工业中冲压件也占很大的比 例州。 冲裁、弯曲、拉深、成形是四种最基本的冲压加工工序，由此四种工序的组合可以 实现复杂产品的冲压加工。各种产品的结构、尺寸、材料、精度各异，所采用的冲压加 工方法也各不相同，但冲床、模具和材料是每一个冲压过 程不可缺少的。冲床、模具和材料是冲压加工的三个基本 要素( 如图1 1 所示) 。与一般机械加工不同，冲压过程对 操作者的技术水平要求低，而相关的技术含量实际上体现 在模具上，因此对模具有很高的技术要求。 冷冲模是指进行冲压加工的模具，冷冲模有多种形 式，按照冲压加工工序的 性质可分为冲裁模、弯曲 模、拉深模等；从冲压工 序的组合来看，可分为简 图1 2 级进模 圈1 1 冲压自n - r - = 要素 单模、复合模和级进模，其中后一种分类方法更为普遍。 简单模是在模具上只有一个加工工位，而且在冲床的一 次行程中只完成一类冲压加工工艺。复合模也只有一个 工位，但在冲床的一次行程中要完成两类以上的加工工 艺。级进模( 如图1 2 所示) 又称为跳步模，它是在一 副模具内，按所加工的零件，分为若干个等距离工位， 在每个工位上设置一定的冲压工序，完成冲压零件的某 部分加工。被加工材料( 一般为条料或带料) 在控制送 进距离机构的控制下，经逐个工位冲制后，便得到一个 完整的冲压零件( 或半成品) 。这样，一个比较复杂的冲压零件，用一副多工位级进模 即可冲制完成。一般地说，无论冲压零件的形状怎样复杂，冲压工序怎样多，均可用一 副多工位级进模冲制完成。特别是对于汽车电气及其它电子产品所用的接插件( 插头和 插座端子类零件的简称) 等尺寸小、形状复杂、精度要求高、产量大的零件，级进模更 为适用。据统计，在各类冷冲模具中，级进模所占比例达到2 7 l l ，j 。可见，在现代冲 压技术中，级进模己占有主导地位，世界各工业发达国家也都十分重视对多工位精密复 杂级进模技术的研究和开发。 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 1 2 国内外级进模研究现状及选题意义 1 国外现状 ( 1 ) c d c a e c 棚已成为普遍应用的技术在c a d 的应用方面，已经超越了甩掉图 板、二维绘图的初级阶段。目前3 d 设计已达到了7 0 8 9 。p r c l e 、u g 、c i m a t r o n 等软件的应用很普遍，一些国家还开发了级进模专用的3 d 设计软件。应用这些软件不 仅可完成2 d 设计，同时可获得3 d 模型，为n c 编程和c a d c a m 的集成提供了保证。应 用3 d 设计，还可以在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。此外， c a e 技术已经逐渐成熟，应用d y n a f o r m 、a u t o f o r m 等软件，模拟金属变形过程，分析应 力应变的分布，预测破裂、起皱、回弹等缺陷。 ( 2 ) 设计上采用了先进的设计理念。如为了便于模具设计与计算，各道工序均以 一个统一的基准点为中心，以坐标尺寸的方式标注尺寸。选定基准点后，产品上任何一 个点的坐标尺寸，都能准确地计算出来。各工序的模具尺寸以该基准点为中心，用坐标 尺寸标注，给模具设计与制造带来方便。此外，将各工序的加工内容、尺寸要求、加工 部位、冲压方向、压力中心及相互关系等，用一张图表示出来，称为加工要领图。有了 加工要领图，对各道工序的关系就可一目了然，不仅便于模具设计，而且对模具加工和 调整也方便。 ( 3 ) 各模具生产企业根据自身的生产能力、经验等，制定了自己的标准。它包括 设计的标准化，模具零件和模具结构的标准化。模具标准件的采用率一般均在8 0 以上。 模具企业盼主要任务是设计模具结构和零件，并加工凸、凹模等主要零件( 其制造精度 在2 口，寿命可达2 亿个冲次例) ，进行装配调试等。其他模具零件均可作为标准件在市 场上采购。有些模具企业，模具零件的粗加工、半精加工，也由相对固定的协作厂家去 完成。因此，模具设计、生产周期大大缩短。 2 国内现状 国内是进入2 0 世纪8 0 年代才开始研制级进模的，经历了近二十多年的努力，从无 到有，模具技术有了较大的发展，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 模具c a d c a e 技术得到普遍采用，许多高校在软件开发上作了大量的工作。 如华中科技大学基于人工智能技术开发出轴对称深拉深件的工艺设计专家系统和弯曲 成形工序设计专家系统，以及塑性成形模拟( c a e ) 软件f a s t a m p ：浙江大学开发了一套 智能级进模c a d c a l 系统，该系统适用于2 d 冲裁件的级进模设计；上海交通大学也进 行了级进模c a d c a m 系统的研制工作，这些国产软件适合于中国设计人员的习惯，它们 的推广应用提高了模具设计质量，缩短了模具设计时间，使级迸模结构上形成初步的规 范化、典型化、标准化。 ( 2 ) 模具的综合性能己达到较高水平，国内一些企业，如2 0 世纪8 0 年代后期的 上海星火模具厂、北京市机电研究院精密模具公司以及一些汽车配套企业等，在消化吸 收国外先进级进模技术的基础上，自行研制出一些中小型接插件级进模，在生产中获得 了较好的使用效果。此外，有代表性的集机电技术一体化的电机铁芯自动叠片硬质合金 级进模，主要零件制造精度达3 ，表面粗糙度r 0 0 1 一o 4 例。该模具在高速冲床上使 用，具有自动冲压、叠片、扭稽、分组、回转等功能，冲制出成批的铁芯组合件，替代 了单片零件。模具总寿命可达1 亿冲次以上。 ( 3 ) 模具的制造周期逐步缩短，现代模具制造技术进一步得到推广应用，标准化 程度逐步提高，大型模具的制造周期约为4 个月，中型的3 个月，小型的2 个月。我国 设计制造的接插件多工位级进模与国外同类模具相比，从模具结构、制造精度、制造周 期、使用寿命等指标来衡量，水平与国外进口模具虽有一定的差距。但价格则只有进口 2 硕士学位论文 模具的l 3 ，具有一定的市场竞争力。 3 国内级进模存在的不足 ( 1 ) 冲压工序比较单一，多数以冲裁加简单弯曲级进模为主，模具结构比较简单， 功能性不强，对一些复杂对偶件级进模的开发能力还较弱。 ( 2 ) 模具模板的幅面尺寸比较小，一般在1 2 0 0 r a m x 6 0 0 m m 内，一次冲制的产品数 量通常为一件，属中小型级进模。 ( 3 ) 模具精度不高，冲裁间隙误差在o o l m m 左右，产品易产生毛刺、外形尺寸偏 差大、插拔力达不到规定要求等缺陷。 ( 4 ) 模具使用寿命与国外先进水平相比，约低一个档次，一般一次刃磨在5 0 万次 以内。 ( 5 ) 模具在高速运行生产中的可靠性与国外模具相比，有一定差距。 ( 6 ) 模具材料主要以普通模具钢为主或采用硬质合金，在表面处理手段和标准化 程度方面，也存在着较大的差距。 由于种种历史原因，我国模具工业无论是在设计制造技术和生产能力方面，还是在 管理水平方面，均远远不能满足需求，它严重影响工业产品的品种、质量和生产周期， 削弱了在国际市场上的竞争能力。因此，必须有适用于本国国情的模具设计思想和理论， 才能在较短时间内赶超国外模具工业的先进水平。国内级进模技术面临如何在消化吸收 国外先进模具技术的基础上，结合本国的国情来设计制造自己的模具这一重大课题。随 着我国工业化进程的加速，特别是汽车制造业的蓬勃发展，以汽车接插件模具为代表的 多工位精密复杂级进模的需求将会越来越大，迫切需要有自己的理论指导和实践经验来 实现高品质模具国产化。因此，本文的选题具有一定的学术价值。 1 3 接插件级进模的关键技术 级进模与其它冷冲模相比具有以下特点： ( 1 ) 冲压生产效率高。级进模是复合工序冲模，在一副模具内可以完成复杂零件 的冲裁、翻边、弯曲、拉深、立体成形以及装配等工艺，减少了中间传动和重复定位等 工作，显著提高了生产效率。而且工位数量的增加不影响生产率，可以冲制很小的精密 产品零件。 ( 2 ) 操作安全简单。级进模冲压时操作者不必将手伸入模具的危险区域。对大量 生产，还采用自动送料机构，模具内装有安全检测装置，冲压加工发生误送进或意外时， 压力机自动停机，因而表现出操作安全和自动化程度高 等特点，便于实现冲压过程的机械化和自动化。 ( 3 ) 模具寿命长。复杂内形或外形可分解为简单的 凸模和凹模外形，分段逐次冲切，工序可以分散在若干 个工位，不必集中在一个工位( 如图1 3 所示) ，在工序 集中的区域还可以设置空位，从而避免了凸、凹模壁厚 过小的问题，改变了凸、凹模受力状态，提高了模具强 度，延长了模具寿命。此外，多工位级进模采用卸料板 兼作凸模导向板，对提高模具寿命也非常有利。 钮一陶 图i 3 刃口设计示意图 ( 4 ) 产品质量高。多工位级进模在一副模具内完成零件的全部成形工序，克服了 用简单模时多次定位带来的操作不便和累积误差。其还可以将产品的复杂外形分解，从 而使凸模和凹模形状比较简单，再配合高精度的导向、定距系统，能够保证产品的加工 精度。 ( 5 ) 生产成本较低。级进模由于结构比较复杂，所以制造费用比较高，但由于使 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 用级进模时生产效率高、压力机占有数少、需要的操作工人数和车间面积少，减少了半 成品的储存和运输，因而产品零件的综合生产成本并不高。 ( 6 ) 设计和制造难度大，对经验的依赖性强。级进模结构复杂，技术含量高，设 计灵活性大、难度大；设计和制造中的经验、推断和目测工作量多，不同设计者之间的 差别大，同一产品零件可有多种不同的设计方案。模具设计与制造中有诸多不确定因素， 要在修模、调整、试冲时解决，因此设计和制造的周期较长，费用较高，故适用于大批 量生产。 接插件是插头和插座端子类零件的简称，经常被用于各种开关、塑胶件和各种电器 设备( 尤其是汽车电器) 的连接上，并且要求在不用工具的情况下，插头能迅速的插入 和拔出。由于接插件形状复杂、尺寸小、精度高，且有插入、拔出力的要求，结合上述 级进模的特点，概括起来接插件级进模设计主要涉及以下几项关键技术： ( 1 ) 接插件级进模的设计计算中，对各种冲压工序的排列顺序及各工位上工序尺 寸的确定十分关键，它不仅关系到被加工材料的利用率，而且进一步影响到产品的精度 及能否顺利地冲压生产。接插件的形状千变万化，欲确定合理的排样和正确的工序尺寸， 就需要根据冲压成形理论和排样优化原则，对各冲压工序的变形特性进行分析以及应力 应变的详细计算。 ( 2 ) 接插件级进模在结构上较复杂。模具中包含几种冲压工序，而每种工序又由 数个工位组成，因此一副模具的工位数可达几十个之多。同时，产品带料要在模具中连 续送进，模具往复上、下合模，这就要设计有送料、卸料、托料、导向、定位以及安全 装置、保护装置和限位装置，一副多工位级进模各类零件多达数百种。由此可见，在设 计接插件级进模时保证模具结构的合理性以及各零件间正确的运动关系是十分重要的。 ( 3 ) 由于汽车的更新换代导致配套的接插件也需频繁更改尺寸，而级进模成本高， 价格昂贵，制造周期长，因而需要在模具设计时就考虑其便于根据需要更换模具零件及 扩展模具功能。此外还需要考虑模具零件结构简单、便于加工等，这就更进一步增加了 级进模设计的复杂度。 ( 4 ) 接插件的展开尺寸计算结果及各成形工序的初步设计均需通过成形仿真软件 来检验。因此，在仿真软件中正确建立接插件的模型，通过模拟其成形过程得出各工序 最优参数必将是关键的一步。 ( 5 ) 接插件级进模必须确保送料准确。从冲压过程来看，级进模是采取工序分散， 分步冲压的方式进行工作，因此必须保证每次送料的位置正确，达到所要求的步距精度， 而带料的送进是靠自动送料装置来完成的，送料误差往往是影响制件的质量和造成模具 损坏的主要原因，因此如何消除送料误差也是模具设计中需要考虑的一个非常重要的问 题。 ( 6 ) 接插件级进模往往应用于自动化程度较高的大批量产品的生产，冲床的工作 频率一般都在2 0 0 次分以上，模具总体使用寿命也要求在上百万冲次以上，这就要求 模具材质具有良好的抗磨损性能。而模具中许多小冲头则要求有较好的刚度和强度。此 外，有时为保护凹模有意将其硬度设计的高于凸模。因而，设计时根据不同零部件的工 作要求确定不同的材料及热处理方法也是需要注意的问题。 1 4 本文的研究目标与应用前景 在概述了国内、外级进模研究现状以及接插件级进模的关键技术之后，可以得出这 样的结论：加强接插件级进模设计技术的研究，是一条提高我国模具技术总体水平的有 效途径。本文针对接插件级进模关键技术问题，立足于我国模具技术现状，通过对国内 外相关企业设计经验的总结，结合研制一套多工位精密复杂汽车接插件级进模具体实 4 硕士学位论文 例，在接插件级进模设计技术领域开展研究工作。本文的研究目标就是从模具在实际生 产中的应用出发，探索多工位精密复杂接插件级进模设计理论，探讨排样方案的一般原 则，总结出合理的展开尺寸计算公式、典型工序的成形方法以及模具零件的设计方法， 通过运用计算机仿真成形技术，使理论设计与产品实际生产情况尽量吻合，以提高模具 的设计质量，缩短开发周期，从而促进我国级进模设计技术水平的提高。 图1 4 所示是较为典型的接插件产品图，用于汽车电器的连接，材料为锡磷青铜， 厚度0 4 r a m 。其将在尾部铆接导线后装配进塑料护套，并保证与护套间上下0 2 r a m 左右 的窜动量，以防止簧片通电发热后胀裂护套。同时，其两个舌部成形后形成的间距就是 与配套插头接触的部位，并保证插头簧片的首次插入力不大于2 0 n ，插入1 0 次后拔出 力不小于4 n 。本文将在充分探讨接插件级进模设计方法后，给出冲制该产品级进模的 详细设计过程。 从上面的论述可以看出，本课题所研究的模具技术具有一定的代表性，同时有一定 的实用价值。目前，从国外进口类似冲制图1 4 所示接插件产品的级进模一副约为5 万 美元左右，而且不接受单独的设计任务，将本课题的研究成果应用于指导模具设计，将 有利于提高国内接插件级进模的设计质量，降低成本，缩短模具的开发周期。此外，模 具技术与模具材料、冲压板料的质量密切相关，模具技术水平的提高，将带动相关工业 技术水平的提高。 随着我国国民经济健康稳步地发展，特别是汽车零部件国产化比例的提高，本课题 所涉及的这种多工位精密复杂接插件级进模设计研究，将会带来一定的社会效益和经济 效益，对促进我国模具工业及相关工业的发展起到积极的推动作用，它的应用前景较为 广阔。 一 1 5 本文的主要工作 p r o e n g i n e e r 是由美国参数技术公司推出的三维c a d c a m 参数化软件系统，它的内 容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、 工程图的输出、到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、模 具设计与分析等实用模块。本论文针对接插件级进模关键技术以及国内级进模的研究现 状与不足，借助p r o e n g i n e e r 软件中钣金设计模块的强大功能，以金属塑性成形力学 分析的结果为基础，结合国内外相关企业的设计资料以及本人设计和制造模具的经验， 并通过研制一副典型的接插件级进模实例来开展本文的研究工作。具体如下： ( 1 ) 对冲压成形理论进行探讨。冲压成形是金属塑性加工的一种形式，对其基础 理论的探讨主要是研究金属在塑性状态下的力学行为和特征，包括塑性变形的力学基 础、板料冲压成形的力学特点、板料冲压成形的力学分析方法和冲压成形极限，从中找 出板料冲压变形中的基本规律。该部分内容将作为分析模具中各冲压工序变形特性的理 论基础。 ( 2 ) 对模具各冲压工序变形特性进行分析。典型的汽车接插件级进模冲压工序有 冲裁、局部成形、切口( 舌) 、翻边、弯曲等。对这几种塑性成形工序进行力学分析和 推导出各工序应力应变的求解关系式。这些工作将为接插件级进模设计和计算提供了理 论依据。 ( 3 ) 在上述两步工作的基础上，以系统的观念看待接插件级进模的设计过程，探 讨排样设计的一般原则，并总结接插件级进模常用工序的展开尺寸计算公式，典型工序 的成形方法及主要零部件的设计方法。 ( 4 ) 对图1 4 所示的接插件产品进行模具详细的设计、计算以及对产品重要部位 迸行成形仿真。设计部分包括模具排样图设计、结构设计以及各模具零件的设计；计算 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 - _ _ l - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ i - l _ _ i _ _ _ _ _ 一i _ _ _ - _ _ _ _ _ i _ l _ _ _ _ l l _ _ - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i c 割面b _ b 剖面 岿轻 h 期面 ( 材料：锡磷青铜q s n 6 5 一o 1 y 2 科厚0 4 m m ) 图1 4 插座产品图 6 硕士学位论文 部分包括带料精度计算，产品展开尺寸计算和模具压力中心计算等：考虑到产品在仿真 软件中建模的复杂性，以及应尽量缩短模具的开发周期，且接插件产品中重要、复杂( 有 尺寸、形状精度要求) 部位的成形仿真结果即可代表整个接插件产品的成形仿真结果， 故仅对产品的重要、复杂部位进行成形仿真 7 多工位精密复杂接插件级进模设计研究 第2 章冲压成形理论的探讨 冲压成形是金属塑性加工的一个重要分支金属塑性加工就是利用金属的塑性使金 属在外力作用下进行塑性成形的一种金属加工技术。本章将从塑性变形力学基础的分析 入手，探讨板料冲压成形平面应力、应