（机械工程专业论文）精密自动级进模具设计与制造研究.pdf

摘要 模具是现代工业生产的重要装备。如何缩短模具设计和制造周期、提高模具 制造精度、降低模具制造成本、开发模具成形新技术和新型结构，是模具行业未 来的发展方向。本文通过对多工位精密自动级进模设计和制造的研究，在模具的 设计理论、设计手段、制造方法和装配试模及误差调整等方面做出了积极的探索 和大胆的实践，并取得了一定的成功。主要工作如下： 分析冲压零件的结构工艺性能，绘制零件展开图和料带图，安排制件冲压加 工工序，并进行条料尺寸、材料利用率、步距精度等的相关计算，为后续的模具 设计与计算提供依据。 完成了指定制件的级进模具设计，在模具工作零件的设计中，借鉴了国外先 进的设计生产经验，成功地突破了工作零件设计中的难点，顺利实现了切断、弯 曲和装配工序的复合，且达到了国内先进水平。 分析模具成形零件的制造及模具装配、试模过程中的技术要求。在生产条件 下进行合模试冲，并分析产品存在的误差及误差产生原因，提出调整方案直至成 功冲制出合格制件。 本课题设计制造的整副模具连同模具成形零件的备件目前已经交付客户使 用，加工出的制件符合客户要求并质量稳定，获得了客户的好评。 关键词：级进模工序排样工序复合试模误差调整 a b s t r a c t t h ed i e sa g ev e r yi m p o r t a n tf a c i l i t i e si nm o d e mi n d u s t r y h o wt od e c r e a s et h e c y c l et i m eo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，t oi n c r e a s et h ep r e c i s i o na n dr e d u c et h ec o s t , a n dt od e v e l o pn e wf o r m a t i o nt e c h n i q u e sa n dn e ws t r u c t u r ea r et h et r e n do fd i e s i n d u s t r y t h r o u g ht h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fm u l t i - p o s i t i o np r o g r e s s i v ed i e t e c h n i q u e ，as e r i e so fa c h i e v e m e n t sa r eo b t a i n e ds u c ha st h ep r a c t i c ee x p e r i e n c e so f t h et h e o r y , t h ed e s i g nt o o l ，t h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，t h ed e b u g g i n gt e s ta n dt h e a u t o m a t i ce r r o ra d j u s t m e n t d e t a i l e dw o r k sa g ea sf o l l o w s ： t h es t r u c t u r a ls t a m p i n ga b i l i t yo fc o m p o n e n t si sa n a l y z e d t h el a y o u td r a w i n g a n ds t r i pc h a r ta r em a d e t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs t a m p i n gi ss p e c i f i e d t h e r e l a t i v ec a l c u l a t i o n ss u c ha st h es t r i ps i z e ，t h em a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o ，t h es t e p p r e c i s i o n ，e t c ，a r ep e r f o r m e d a l lo f t h e s ea r ep r e p a r e dw h i c ha r en e c e s s a r yf o rt h e s u b s e q u e n tc a l c u l a t i o na n dd e s i g no ft h ed i e s t h ep r o g r e s s i v ed i ed e s i g no ft h ed e s i g n a t e dp a r t si sc o m p l e t e d d u r i n gp a r t so f t h ei o bi nt h em o l dd e s i g n ，r e f e rt ot h ed e s i g no ff o r e i g na d v a n c e dp r o d u c t i o n e x p e r i e n e e ，t h ec o m b i n a t i o no fp r o c e s s e so fc u t , b e n d i n ga n da s s e m b l y a r er e a l i z e d s u c c e s s f u l l y t h ep r o c e s st e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ff o r m i n gp a r t sm o l d ，d i em a n u f a c t u r i n g a s s e m b l ya n dd i et e s ta r ea n a l y z e d u n d e r t h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ，t h em o l dt e s ti s c a r r i e do u t a n a l y z i n go fp r o d u c t se r r o ra n de r r o rc a u s e s ，t h ea d j u s t m e n tp r o g r a m i s p r o v i d e du n t i laq u a l i f i e ds u c c e s sp u n c h i n gp a r t si sp r o d u c e d t h ed i eh a sb e e nu s e db yc u s t o m e r t h es t a m p i n gp a r t sh a v eb e e nq u a l i f i e d ，a n d q u a l i t yo f t h ep a r ti ss t a b l e ，w o nt h ep r a i s eo fc u s t o m e r s k e y w o r d s ：p r o g r e s s i v ed i e ，p r o c e s ss t r i p ，c o m b i n e dp r o c e s s ，t e s t i n g ，d e b u g g i n g e n - o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢译勃签字吼_ 年，月仉 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 辩醐：可年 即繇歹拗韦 签字日期：2 呷年，月7 8 日 觊 日 亚 府剐m 第一章绪论 1 1 课题的来源与意义 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 模具是现代工业生产的重要装备。利用模具将金属材料用压力加工的方法制 成各种零件，或利用模具将塑料及其他非金属材料通过加热加压方法制成各种成 形零件，称为模具成形技术。模具成形技术是产品制造业中应用非常广泛的成形 方法，利用模具成形技术可以把金属、非金属材料制造成任意几何形状和具有一 定尺寸精度的、用途各异的零件及工艺品，而且生产效率极高。 模具成形加工方法与其他加工方法比较具有以下特点【l 】： ( 1 ) 模具成形的方法是少、无切屑的先进成形方法，其中的冷冲压不需要加 热，因此它具有节约能源、降低材料消耗的优点，零件成本较低； ( 2 ) 模具可成形形状复杂的零件，且加工过程中材料表面质量不受破坏，所 以利用模具成形技术制造的零件精度高、表面质量好、质量稳定； ( 3 ) 利用模具成形技术制造的零件是在压力作用下成形的，产品的金相组织 致密、强度刚度较高，其中有些工艺如模锻、压铸制造的零件金属纤维组织连续， 具有优良的力学性能； ( 4 ) 模具成形加工是在压力机或注塑机等成形机械驱动下进行的，操作简便， 生产效率高，适用于大批量生产，易于实现机械化和自动化。如冲压加工中的五 金冲压每分钟可加工三十到一百六十个零件，高速冲压每分钟可加工三百到一千 六百个零件，模锻每分钟可制造几十个零件，塑压加工、压铸加工每小时可加工 几十甚至上百个零件。 由于模具成形技术的优越性，在批量生产中得到了广泛的应用，并占据了越 来越重要的地位，各行各业生产的各种产品都离不开模具。例如以零件总数的百 分比来计算：汽车拖拉机零件的6 0 7 0 ，无线电通讯、机电产品中的6 0 7 5 ，家电、器皿和装饰品中的9 5 以上都是通过模具生产出来的1 3 】。 随着我国经济与国际接轨的脚步不断加快，进出口业务量的激增，市场竞争 的日益加剧，人们越来越认识到产品质量、产品成本及新产品开发能力的重要性。 而模具制造是整个制造业生产链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为 衡量一个国家企业国际竞争力的标准，而模具制造技术的水平高低也反映了一个 第一章绪论 国家制造业的能力和工业发达程度。 现代工业发达的国家，对模具制造业都十分重视，我国也不例外，这给模具 工业带来了广阔的前景，同时也带来了新的挑战。根据现代工业发展的趋势，工 业产品的特征表现为：大型产品和小型化多功能性产品的结构越来越复杂；表面 质量和加工精度的要求越来越高；高温、高速、高摩擦及腐蚀性工作环境的产品 对高性能材料的需求越来越多，尤其是高性能工程材料的使用越来越广泛。因此， 工业品的这些制造特点对模具提出了需求数量更大、种类更多、性能和精度更高、 结构和工作条件更复杂、寿命更长等一系列的要求。 1 1 2 课题的意义 随着模具技术的广泛应用，反过来也促进了模具成形技术向深度和广度进一 步发展。目前在模具工程中，使用的模具成形方法通常有冲压成形( 冲压成形又 可以细分为冷冲压和热冲压) 、塑料成形、模锻成形、压铸成形、橡胶成形、玻 璃和陶瓷成形等，与之相应的模具类型有冲压模具、塑料模具、压铸模具、锻造 模具、粉末冶金模具、橡胶模具、玻璃模具、陶瓷模具和其他各类模具【l 】。 精密冲裁是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密板料加工工艺，在压 力机上的一次或连续的几次冲压行程中，由原材料直接获得比普通冲压零件精度 高、光洁度好、平面度高、垂直度好的高质量冲压零件。精冲可以代替普通冲压 及事后进行的各种切削加工等繁杂的工艺，并能够以较低的成本改善产品质量。 精冲工艺不仅能冲裁小于料厚的孔、细长的窄槽、外轮廓上的窄悬臂、较小的壁 间距等普通冲裁工艺达不到的、工艺难度较大的零件，而且还可以与其他冲压工 序复合，进行如沉孔、压印、压凸、压扁、弯曲、半冲孔、内孔翻边等精密冲压， 从而突破了普通冲裁基本上是板料平面成形的范剧1 3 j 。 级进模又称连续模、跳步模，有多个等距离工位。在模具一次冲压过程中， 能在各个工位同时完成两个或两个以上不同的加工内容，而且无论制件形状怎样 复杂、工序怎样多，都能在一副级进模中至少完成一个零件的冲制。 多工位精密自动级进模是上述两者的有机结合而形成的多工序集成模具，是 当代先进冲压模具的代表，被指定为“十一五”规划中重点发展的模具之一【2 l 。 由于多工位精密自动级进冲裁的加工特点，使其技术发展很快，不仅在钟表、仪 器仪表、打字机、计算机、照相机等精密机械工业中获得了广泛的应用，而且在 其他工业部门中的应用也正在日益扩大。 我国的模具工业起步较晚。近2 0 年来，在国家经济政策和产业政策的支持 和引导下，经过引进、消化、吸收国外先进模具技术，我国模具工业有了较快的 发展。“八五 和“九五期间，我国模具工业发展速度年均增速约为1 3 2 第一章绪论 1 5 ，至2 0 0 0 年我国模具总产值在2 6 0 - 2 7 0 亿之间【l 】。尤其在“九五期间， 我国模具行业的产业结构有了较大改善，模具技术不断提高，中高档模具总量的 比例有了明显提高。虽然高精度、长寿命的精密冲裁模、多工位级进模的开发和 应用，能使制件的精度和成本都有极大的改善，使模具的寿命和档次有明显提高， 但是我国目前相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具仍然依赖进口。模具经 过设计最终制造完成依靠的是机械加工技术，提高模具制造水平是获得高质量模 具的保证，为此，多工位精密自动级进模设计和制造的研究，对于提高我国模具 制造水平，更好地满足市场和用户的需求，减少我国模具进口，增加模具出口， 都有着积极的重要意义。 1 2 模具成形技术国内外发展动态 1 2 1 模具成形技术国外发展状况 模具成形技术的起源很难追溯了，但现代模具成形技术发展的领军人物是日 本和台湾。 二战后日本的模具工业几乎不能称其为工业，随着贸易自由化和进口量的增 大，日本的模具工业更是陷入了困境。日本政府开始意识到模具工业是决定企业 国际竞争力的重要产业，因此开始予以政策扶植，由此日本模具企业生产设备和 技术水平显著上升，模具工业获得了飞速发展。据统计，近几年日本的模具工业 年产值已经超过机床工业年产值的6 , - - - , 1 2 。 模具的制造是典型的单件小批量生产方式。在日本的模具制造业中，几乎已 普遍采用c n c 机床、加工中心( m c ) 或c n c 电火花加工设备。在大阪最新模 具加工技术研讨会上，据日本大阪加工技术开发中心主管技师若冈俊介博士介绍 日本模具加工正从四个方向发展：无人手修磨、无放电加工、加工时间缩短及五 轴加工。据名古屋金型公司工作人员介绍，由于采用c n c 机床、加工中心等先 进设备，大大缩短了模具的交货期限，降低了生产成本。 台湾模具产业的技术能力与弹性加工制程一直在推动台湾整体产业的竞争 力。随着工业发展兴盛，冲压模具与塑料模具己成为模具工业两大主流，粉末冶 金模具、压铸用模具的运用，也随着各种工业、民生产品的发展而渐趋普及。汽 车、电子、机械、家电等产品，不论是金属或塑料制品都需要模具产业的支持。 目前台湾模具业界已形成整体性加工环境，不论是模具制作、模具用机械、模具 用配件等，都有完整的供应及支持体系，每年共同创造出模具工业及相关产业辉 煌的产值。 第一章绪论 1 2 2 模具成形技术国内的分布和发展状况 我国于2 0 世纪6 0 年代开始致力于模具工业的发展。到2 0 世纪9 0 年代，随 着改革开放，沿海工业园区的快速发展，港资、台资企业的入驻，带动了我国的 模具工业有了进了步豹发展。目前我国大约有2 5 0 0 0 多个模具生产厂点，职工约 8 0 万人，2 0 0 4 年生产模具总产值5 3 0 多亿元，2 0 0 5 年度进口模具1 8 1 3 万美元， 出口4 9 万美元，进出口相抵我国目前是世界上最大的模具净进口国。根据统计 资料显示“十五”期间前四年模具工业平均每年都以1 5 以上增长速度发展，高 于国民经济增长速度1 3 j 。 随着我国模具工业的发展，模具设计与制造水平有了较大提高，大型、精密、 复杂、高效和长寿命模具又上了新台阶。许多模具企业加大了用于技术进步的投 资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维 c a d ，并陆续开始使用u g 、p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、e u c l i d i s 等国际通用软件， 个别厂家还引进了m o l d f l o w 、c f l o w 、d y n a f o r m 、m a g m a s o f t 和o p t r i s 等c a e 软件，并成功应用于冲压模具的设计中。以汽车覆盖件模具为代表的大 型冲压模具的制造技术已取得很大进步，东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等 模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。此外，许多研究机构和大专院校也积极 开展模具技术的研究和开发。经过多年的努力，在模具c a d c a e c a m 技术方 面取得了显著进步，在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了很大 贡献。例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分 析k m a s 软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆 盖件模具和级进模c a d c a e c a m 软件，上海交通大学模具c a d 国家工程研究 中心开发的冷冲模和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模c a d 软件等在国内模 具行业拥有不少的用户1 2 酬。 1 3 本文的主要工作及论文安排 一个好的多工位精密自动级进冲压模具的设计制造不但要以传统的机械设 计制造为基础，以大量的机械设计理论为依据，同时还要考虑到模具成形技术中 诸多实践因素的影响，依靠丰富的实践经验，而且还离不开先进的设计软件、配 套的加工设备和装配试模及调整环节。本课题的主要研究工作包括以下几个方 面： l 、选择具有设计制造多工位精密自动级进冲压模具国内先进水平的企业深 入学习，运用冲压模具设计的理论和制造技术，结合国内外多工位精密自动级进 4 第一章绪论 模具设计制造的经验，对比常规冷冲模具设计制造理论，分析多工位精密自动级 进模设计要点，结合具体实例分析多工位精密自动级进模设计制造中的工艺设 计、相关理论计算、模具结构设计、模具制造技术和装配试模调整等主要内容。 2 、在制件展开图、排样设计料带图和模具零件图、装配图的绘制方面，引 入二维c a d 、p r o e n g i n e e r 等工具软件，提高设计的准确性和绘图的速度，缩短 模具的设计周期。 3 、在模具成形零件的加工过程中采用慢走丝电火花线切割和s o d i c k 专用 u t y 软件( a q 系慢走丝) ，在模座的加工过程中采用数控加工中心和c n c 技术， 保证模具成形零部件的精加工质量。 4 、分析模具装配和试模过程中的技术要求，并分析影响制件加工质量的因 素、产生加工误差的原因、提出并选择调整方案，进行模具的整修，直至冲出符 合客户要求的合格制件。 论文安排如下： 第一章 绪论在分析模具成形技术国内外发展动态的基础上，阐述课题 来源及意义，明确本课题的主要研究内容。 第二章多工位精密自动级进模设计要点针对多工位精密自动级进模 的特点，结合国内外多工位精密自动级进模具设计制造的经验，对比常规冷冲模 具设计制造理论，总结归纳多工位精密自动级进模设计要点。 第三章制件工艺设计以常规冷冲模具的工艺设计为基础，确定多工位 精密自动级进模的工艺设计，着重解决制件的工序排样。 第四章模具设计理论计算运用多工位级进模的冲压力计算原理，解决 制件冲制过程中工作压力的计算方法，为选用压力机提高理论依据；在分析计算 合理间隙与模具与制造公差的基础上计算剪切和弯曲的凹、凸模尺寸，为模具的 结构设计、制造提供理论依据。 第五章模具结构设计结合工序排样，确定模座、上下模板、模具成形 零件( 凹、凸模) 及导正、检测、浮料、卸料、限位等装置的设计要点和结构， 运用a u t oc a d 软件绘制模具零件和装配的c a d 图形。 第六章模具制造与装配分析模具成形零件的制造及模具装配、试模过 程中的技术要求。在生产条件下进行合模试冲，并分析产品存在的误差及误差产 生原因，提出调整方案直至成功。 第七章结论与展望对本课题的研究工作进行总结，并对模具行业的未 来发展趋势做出展望。 第二章多工位精密自动级迸模具设计 第二章多工位精密自动级进模具设计 多工位精密自动级进模具的设计要点，是在冷冲模具设计原理的基础上，根 据多工位精密自动级进模的特点，解决“多工位 的合理安排、“精密 冲压加 工质量的保证、“自动级进”送料出件和“自动 检测等关键问题。 2 1 多工位精密自动级进模的特点 多工位精密自动级进模属于精密、高效、长寿命的集成模具。它适用于冲压 小尺寸、薄料、形状复杂和大批量生产的冲压零件，具有精度高、工位多的特点， 其工位最多可高达几十个，并配有高精度的导向系统、准确的定距系统及自动送 料、自动出件与自动检测装置，结构上要求卸料板工作平稳，对凸模具有导向和 保护作用。多工位级进模具与普通冲模比较要复杂的多，它有如下特点1 7 j ： 1 、冲压生产效率高在一副模具中可以同时完成复杂零件的冲裁、弯曲、 拉深及装配等工艺，减少了制件使用多副模具的周转，避免了重复定位过程，显 著提高了劳动生产率和设备利用率。 2 、操作安全多工位精密自动级进模具常采用高速冲床生产，自动送料， 自动出件，避免了操作者手动送料的危险，操作安全，且易于实现机械化和自动 化生产。 3 、模具寿命长多工位精密自动级进模具的加工内容分散在多个工序上， 工序集中的区域还可以适当设计空步，从而保证了模具的强度和装配空间，延长 了模具寿命。此外，多工位级进模具采用的弹压卸料装置兼做凸模导向板和小凸 模的保护装置，对提高模具寿命也很有利。 4 、产品质量高、成本低多工位级进模在一副模具中完成产品的全部成形 工序，克服了普通模具多次定位带来的操作不便和累积误差，且配合高精度的内、 外导向及准确的定位系统，保证了产品的加工精度。由于生产效率高，压力机占 用数量少，生产面积小，减少了半成品的储存和运输，所以产品的综合成本低。 5 、设计和制造难度大多工位级进模具的结构复杂，镶块较多，制造精度 要求高，冲制异形孔的工作零件形状复杂，加工困难，同时要求模具工作零件具 有互换性，且更换迅速方便可靠，使得模具的设计制造难度较大。 6 第二章多工位精密自动级进模具设计 2 2 冲压模具设计制造流程 冷冲压模具设计制造虽然属于机械制造的范畴，但与传统的机械设计制造有 很大差别。根据模具设计制造的特点，其设计制造的一般工作程序如图2 1 流程 图所示。 图2 - 1 模具设计流程图 2 3 多工位精密自动级进模的设计要点 多工位精密自动级进模是单工序冲压模具和精密冲裁模的基础发展起来的 多工序集成模具，其设计流程与传统的冷冲压模具设计工作程序基本相同( 参件 图2 1 流程图) ，而具体工作内容却差别很大。通过对某精密模具厂多副多工位 精密自动级进模的分析研究，其设计要点，是在冷冲压模具设计原理的基础上， 根据多工位精密自动级进模的特点，解决“多工位 的合理安排、“精密”冲压 第二章多工位精密自动级进模具设计 加工质量的保证、“自动级进”送料出件和“自动”检测等关键问题。 l 、确定工艺方案 常规冲压模具设计的工艺方案确定主要完成制件工艺性分析、毛坯排样和工 序顺序安排，而多工位精密自动级进模的工艺方案确定，需要在此基础上，完成 如下工作； ( 1 ) 综合考虑产品质量要求、模具结构、制造条件等因素，合理复合工序， 进行工序排样，绘制料带图。工序排样既要满足精简工序的要求，又要符合工序 安排原则； ( 2 ) 根据制件加工精度和多工位自动级进的要求，确定条料自动送进时的定 位方式和导正方式，确保条料在冲制过程中平稳精准送进。 2 、模具设计理论计算 常规冲压模具设计的理论计算主要包括冲裁力、冲裁压力中心、凹凸模刃口 尺寸等方面的计算，而多工位精密自动级进模的理论计算，由于工序繁多，根据 不同制件又会进行各式各样的工序复合，所以需要解决如下两个方面的问题，为 压力机的选用提供理论依据： ( 1 ) 依据平行力系合成的原理，计算各工序冲压力的合力； ( 2 ) 依据力矩平衡原理，计算条料冲裁压力中心的位置。 3 、模具结构设计 多工位精密自动级进模的结构设计，除根据各工位加工内容和特点进行模具 的正倒装、卸料、导向定位、自动检测、自动出件和限位装置的设计外，利用模 具结构实现工序复合是结构设计的关键。 4 、模具制造和装配 ( 1 ) 与常规冲压模具比较，多工位精密自动级进模多采用电火花线切割完成 模具工作零件的加工，以保证异形模具工作零件( 即凹、凸模) 的成形和加工精 度； ( 2 ) 模具装配中试模环节，必须在生产条件下试模，且要根据多工位、精密、 自动级进的冲裁特点，确定试冲时间或无误差制件数量。 5 、误差分析及调整 常规冲压模具的制件冲压缺陷主要是压伤、划痕、麻点、毛刺等等，而多工 位精密自动级进模由于工位繁多、级进送料、各工步加工内容之间协调性等因素 的影响，会产生形状和位置两大类偏差，需要依据丰富的生产经验，对模具反复 修整试模，直至冲出合格制件。 第三章制件工艺设计 第三章制件工艺设计 多工位精密自动级进模的制件工艺设计，是在分析制件结构及冲压工艺性能 的基础上，绘制零件展开图，明确加工内容和冲压工艺方案；合理复合工序并按 照多工位精密自动级进模冲压工序安排原则确定制件冲压加工工序；确定条料送 进时的定位和导正方式。这是多工位精密自动级进模设计的首要任务。 3 1 冲压工艺性分析 分析制件冲压工艺性主要从三个方面入手： 1 、制件尺寸精度依据制件零件图的尺寸精度，判断是否符合多工位精密 级进模的经济精度要求，并遵循模具精度高于制件精度2 - 4 个精度等级的原则 1 1 4 ，选取模具精度； 2 、制件结构按着常规冷冲压成形零件冲裁和弯曲合理结构的要求【1 ，分 析制件结构，判断其制件结构的冲压工艺性； 3 、制件材质分析制件材质的力学性能、工艺性能及弹性回弹量的大小， 判断材料冲压加工工艺性。 例如精密模具厂日本客户订单制件( 零件名称b 0 5 5 a ) ，客户要求根据给 定的零件图，设计加工多工位精密自动级进模具。材料为z e 3 8 电镀锌薄钢板( 东 洋钢板出品) ，厚度为0 6 m m ，模具工作零件材料要求为日本j i s 公司出品的牌 号为s k d ll 的合金工具钢( 相当于国产牌号为c r l 2 m o v 的冷作模具钢【1 9 】) 。 b 0 5 5 a 制件技术要求如下： 1 、毛刺方向在弯曲内侧，毛刺高度0 0 5 以下 2 、没有指定的边角部及弯曲内侧r 0 2 以下 3 、表面及倒角面上不可有显著的划伤及生锈变形等 4 、材料为z e 3 8 东洋钢板，冲床用油为速干型 5 、m 部( 4 处) 强度在3 k g 以上，不可松动 6 、刻印的文字高度为1 6 m m ，宽度为1 6 m m ，字样为a 根据给定的b 0 5 5 a 制件零件图，利用p r e e 软件将制件零件图转换为三维立 体图，如图3 1 和图3 2 所示。 9 第三章制件工艺设计 图31b 0 5 5 a 制件三维图 图3 - 2b 0 5 5 a 制件三维图 依据零件圈和三维立体图分析制件的冲压工艺性 第三章制件工艺设计 1 、b 0 5 5 a 制件未注公差的尺寸公差为：l 主3 0 m m ，容差4 - 0 1 m m ；3 0 m m l 1 4 7 ，属于低碳含量的优质钢材。该材料具有良好的冲压和弯曲加 工工艺性能，成形稳定 2 5 】。 综上所述，b 0 5 5 a 制件属于中小尺寸零件，料厚0 6 m m ，外形复杂程度中 等( 加工内容为冲孔、压筋、凸包和直角折弯及装配，表面未见3 d 曲面) ，尺 寸精度要求中等( i t l 0 级) ，主要冲压工序的工艺性良好，多工位精密自动级进 模能胜任其冲孔、折弯、切断及装配工作，并能够保证b 0 5 5 a 制件的加工精度， 结合客户要求，其冲压工艺方案选择为多工位精密自动级进模冲制，完全能够保 证加工质量和生产效率。 3 2 工序排样 工序排样以制件展开、载体设计和毛坯排样为基础，遵循工序排样原则合理 安排加工内容的顺序，合理复合工序。 3 2 1 毛坯排样方式和载体设计 1 、制件展开 根据毛坯料与弯曲制件变形前后体积不变的条件【9 】将制件弯曲部分展开，绘 制其展开图，计算制件的毛坯尺寸，并调整制件展开图。上例中调整后的b 0 5 5 a 制件展开图如图3 3 所示。据此计算： 坯料长度为：8 5 6 m m坯料宽度为：5 4 2m m 2 、载体设计 b 0 5 5 a 制件多工位精密自动级进模多采用“双边载体”k j ，并在载体上冲制 工艺导正销孔，以保证载体具备足够的强度，在带料的动态传递中，使坯件保持 送进稳定、定位精准。毛坯排样方式为直排，经计算，一个步距内材料用率r 为 6 2 2 4 。 第三章制件工艺设计 3 2 2 工序排样 图3 - 3b 0 5 5 a 制件展开图( 尺寸调整后) l 、排样设计 多工位精密自动级进模的工序排样原则【1 4 】彳艮多，b 0 5 5 a 制件的工序排样很 好地体现了工序排样的相关原则。 如根据多工位精密自动级进模排样设计顺序一般为冲孔、切废料，然后依次 向另一端弯曲成形，最后安排制件和载体分类的排样原则，安排制件工序顺序； 第一工位安排冲孔、压筋和冲工艺导正孔，便于在紧跟其后的第二工位设置导正 销对带料导正和后续工位安装检测装置；制件上孔的数量较多且形状复杂，将其 安排在第二工位至第九工位分别冲制；由于图3 3 所示巾9 18 的两个孔相对位置 精度要求较高，安排在同一工位冲制；为保证模具强度、加工精度和使用寿命， 在工艺过程中将第十工位安排为空步( 第十工位) ；制件的折弯较多，遵循折弯“对 称切”的原则，安排在第十一工位到十六工位分别完成；遵循精简工序的原则， 对工序进行合理复合( 如第一、第十六工位) 。 2 、工序安排 根据以上几方面的分析，经过综合比较【3 ，确定b 0 5 5 a 制件的冲制采用16 1 2 第三章制件工艺设计 工位级进模具。其冲压工序安排如下： 第一工位：冲孔、压加固筋、冲工艺导正孔。 第二工位第九工位：冲孔、切废料； 第十工位：空步； 第十一、第十二工位：压凸( 包) 、弯曲； 第十三工位：弯曲； 第十四工位：冲孔、弯曲； 第十五工位：弯曲； 第十六工位：切断、弯曲并装配。 3 、料带的定位和导正 多工位精密自动级进模要求制件冲制过程中，条料自动送进，这在常规模具 设计中是没有的。条料自动送进的精度主要依靠送进过程中的定位和导正来保 障。条料能否平稳精准送进将直接影响制件的正常冲制和加工精度。 b 0 5 5 a 制件的定位和导正方式如下： x 向定位：b 0 5 5 a 制件精度要求较高，级进方向( x 向) 采用送料机和每个工 步的导正销定位； z 向定位：b 0 5 5 a 制件在加工过程中有弯曲工序，而且弯曲工序在条料的中 部，所以本制件冲压过程中采用双侧带槽浮升销，既保证条料有足够的浮升高度， 使条料送进顺畅，又兼做z 向定位。 y 向定位：b 0 5 5 a 制件涉及的弯曲工步比较多，采用的浮升机构工作必须可 靠协调，所以直接采用槽式浮升销，兼做宽度方向的定位和导料。 导正方式：为了保证b 0 5 5 a 制件的尺寸和形位精度，采用每个工步都进行 导正的间接导正方式，导正孔布置在条料两侧的载体上，孔径为巾5 0 3 m m 。 3 3 小结 与常规冷冲模具比较，多工位精密自动级进模的工艺设计阶段，着重解决如 下问题： ( 1 ) 依据多工位精密自动级进模的工序安排原则，结合模具生产实践中的排 样设计经验，确定制件冲压工序安排顺序、冲裁和弯曲成形的合理工艺位置及制 件关键尺寸的形成等； ( 2 ) 确定条料自动级进的定位和导正方式，保障条料动态送进时的平稳和精 准，以确保制件正常冲制和加工精度。 第四章模具设计理论计算 第四章模具设计理论计算 模具设计的理论计算是模具结构设计和试模设备选用的理论依据。以工序安 排和料带图中各工步加工内容为基础，运用多工位级进模的冲压力计算原理，计 算制件冲制的工作压力并选用压力机；在分析计算合理间隙与模具制造公差的基 础上计算模具工作零件的相关尺寸，是模具设计理论计算阶段的主要工作。 4 1 工作压力的计算 多工位精密自动级进模的工作压力分散在每个工位上。虽然每个工位的加工 内容各不相同，但是无论是冲裁剪切，还是弯曲或压筋成形，其工作压力的方向 均铅直向下，各工位冲压力构成平行力系。因此，根据平行力系的合成原理可知， 多工位精密自动级进模的工作总压力由各工步工作压力组成【甜。 多工位精密自动级进各工步冲裁剪切力、弯曲冲压力、压筋冲压力的计算方 法与常规冷冲模具冲压力的计算方法相同，其计算方法如下： l 、冲裁作用力计算 冲裁作用力由冲裁剪切力、卸料力和推件力组成。 冲裁剪切力计算公式为f 2 3 】： f = k l t r ( 4 - 1 ) 式中，冲裁剪切力，n ； k 系数，查表取k = i 2 5 ； 三冲裁件剪切线长度，m m ； f 材料厚度，m m ； f 材料的抗剪强度，m p a 。 冲裁时卸料力和推件力按下面的经验公式【2 3 】计算： 卸料力： f i r = k f z 式中，卸卸料力，n k 卸料力系数，查表取k = 0 0 7 5 推件力： ，推= n k f z 式中f 推推件力，n k 推件力系数，查表取k = 0 1 珂卡在凹模洞口内的工件( 或废料) 数目 1 4 第四章模具设计理论计算 2 、弯曲总压力计算 弯曲总压力由弯曲冲压力和弯曲时顶件力压料力组成。 弯曲冲压力的计算公式为1 7 】： ，自：0 7 k b t 2 t r b( 4 2 ) ，+ t 式中凡冲压行程结束时的自由弯曲力，n k 安全系数，一般取k = i 3 曰弯曲件的宽度，m m f 弯曲材料的厚度，m m 仍弯曲材料的强度极限，m p a ，弯曲件的内弯曲半径，m m 弯曲时顶件力和压料力按实践经验可以取弯曲冲压力的3 0 , - - - , 8 0 。 3 、成形时冲压力的计算 压制加固筋所需冲压力按下式估算【飞 ，= k l s f 2 式中k l 系数，对于钢件为2 0 0 - - - 3 0 0 m p a s 起伏成形面积，m m 2 f 板料厚度，m m 由b 0 5 5 a 制件工艺设计可知，第l 9 、1 4 工步为冲裁剪切力、第1 1 1 6 工步为弯曲冲压力、第1 工步为成形( 压筋) 冲压力，将其分别计算，汇总相加 即为b 0 5 5 a 制件总的工作压力。 4 2 压力机的选用 4 2 1 冲裁压力中心的计算 多工位精密自动级进模冲裁压力中心确定的原理是力矩平衡原理，即各分力 对某坐标轴力矩之和等于合力对该坐标轴的力矩，因此压力中心可计算为【1 8 】： 经计算，b 0 5 5 a 制件料带的冲裁压力中心为第五工位偏后，与压力机滑块 的位置有所偏离。 h 胁瓦跏瓦 第四章模具设计理论计算 4 2 2 压力机的选用 根据计算汇总的工作总压力，选取适当的安全系数即可确定压力机的公称压 力。通过对b 0 5 5 a 制件冲压力的计算，目前企业现有开式固定台高性能压力机 j h 2 1 2 0 0 b 完全能满足制件冲压加工的要求，确定为模具交付使用前的试模设 备。 其主要技术参数如下： 公称压力：2 0 0 0 k n 公称力行程：6 m m 滑块固定行程：1 6 0 m m 标准行程次数：5 0 次m i n ， 可调次数：3 5 - 5 5 次m i n 最大闭合高度：4 5 0 m m 闭合高度调节量：1 10 m m 滑块中心到机身距离( 喉深) ：2 2 0 m m 工作台尺寸：左右：1 4 0 0m m 前后：7 8 0m m 工作台孔尺寸：左右：5 3 0m m 前后：3 0 0 m m 直径：4 0 0m m 立间柱距离不小于：8 2 0m m 模柄孔尺寸：6 5 9 0m m 工作台板厚度：1 7 0 l l l n l 滑块底面尺寸：左右：8 0 0m m 前后：5 8 0m m 主电机：1 8 5 k w 滑块电机：o 7 5 k w 本课题为冲压薄料制件，不需要验算冲裁功。 4 3 凹、凸模尺寸设计 多工位精密自动级进模的凹、凸模刃口尺寸计算与常规冷冲模具的刃口尺寸 计算基本相同，需要计算的相关内容如下： 1 6 第四章模具设计理论计算 4 3 1 冲裁凹、凸模设计 1 、合理间隙 合理间隙的大小与板料厚度和材料的塑性有关，实践中常采用下面的经验公 式计算合理间隙值【2 7 】：c ：鼢 ( 4 4 ) 式中c 单边间隙，m m k 系数，查表取k = 0 0 2 5 f 板料厚度，m i l l 2 、凹、凸模刃口尺寸计算 设计冲孔模刃口尺寸时，以凸模作为设计基准，间隙取在凹模上，凹模按凸 模实际尺寸配制，保证双面间隙z m i n 。 其计算公式为口1 ：d r = ( dm a x 一) ( 4 - 5 ) 式中由冲孔凸模刃口尺寸，m m dm a x 制件孔径最大极限尺寸，m m 工件公差，m m 4 3 2 弯曲凹、凸模设计 l 、合理间隙 弯曲时凹、凸模的单面间隙值一般按下面公式计算2 7 】： z=t+kt(46) 式中f 板料厚度，r e a l 板料厚度的正偏差值，m m k 系数，查表得k = 0 0 5 2 、刃口圆角半径 凸模的圆角半径：当f 较小时，r 凸= 厂( ，为制件弯曲圆角) ； 凹模的圆角半径：当f 2 m m 时，憎= l ( m m ) ； 3 、凹模工作部分深度 根据弯曲件直边长度，查表【2 1 选取。 经查表，b 0 0 5 5 a 制件的凹模工作部分深度为8 m m 。 4 、凹凸模宽度尺寸计算 弯曲的尺寸标注为内形尺寸，双向偏差，以凸模为基准件，间隙取在凹模上。 凸模尺寸的计算公式为【2 l ： 三凸= ( 三+ 0 2 5 ) ：占。( 4 7 ) 1 7 第四章模具设计理论计算 式中厶：凸模宽度尺寸，m m 三：制件横向基本尺寸，m m a ：制件横向尺寸公差，m m 却：凸模的制造公差，n l m 4 4 小结 模具设计理论计算阶段，主要完成了冲压工作总压力和模具工作零件尺寸的 设计计算，为后续的模具结构设计和试模提供了可靠的理论依据。对于多工位精 密自动级进模而言，其设计理论计算以常规冷冲模具设计理论计算为基础，针对 于多工位级进模冲压力的特点，综合考虑每个工位的加工内容，利用平行力系的 合成原理和力矩平衡原理，确定了多工位级进模冲压工作总压力和冲裁压力中心 的计算方法，突破了设计中的计算难点。经试模验证，这样的计算方法是科学 合理的，完全能确保制件的顺利冲制。 第五章模具结构设计 第五章模具结构设计 模具结构设计阶段的主要工作，是根据多工位精密自动级进模的冲压成形特 点和要求、分离工序和成形工序的差别、模具主要零部件的装配和制造要求来确 定模具形状和结构尺寸，着重解决模具工作零件的结构和安装方法、平稳精准送 料、安全可靠卸料及模具装配结构等关键问题，在此基础上，绘制模具的零件图 和装配图。 5 1 结构概要设计 区别于常规冷冲模具的结构设计，多工位精密自动级进模的结构概要设计主 要包括基本结构、导向和定位方式及基本尺寸的确定，以b 0 5 5 a 制件为例，主 要工作如下： 5 1 1 基本形式 l 、基本结构根据工序排样设计可知，b 0 5 5 a 制件的压筋、压凸方向和弯曲方向相反，因此，选 用正倒装混合结构，以满足冲压加工的需要。 2 、导向方式为保证成形后的突起和弯曲部位 不影响料带送进，选用带槽浮升销的浮动导料装置， 兼具导料和顶料的作用。 3 、卸料方式选用弹压卸料装置，保证可靠压 紧带料、安全卸料，并能够对细小凸模精准导向和 安全保护。 模具结构概要如图5 1 所示。 5 1 2 基本尺寸 图5 1 模具结构概要 1 、模板尺寸据b 0 5 5 a 制件的料带图可知，模具工作区的尺寸为1 0 8 8 m m x i1 0m m 左右，经计算并圆整后，取模板尺寸为1 1 0 6m m x 2 4 0m m 。由于制 件的工步比较多，并综合考虑线切割机床工作台的尺寸和模具工作零件易损快换 的要求，将模板按加工内容分割为三块，其尺寸、代号、材质及热处理后硬度2 0 】 霎 第五章模具结构设计 要求详见附表1 。 2 、工作行程b 0 5 5 a 制件冲压的最大行程是第十六工位：切断、弯曲并装 配。考虑到装配的位置，选取该工位行程为9 7 9m m 。模具开启状态下，凹、凸 模上下表面的最大距离为1 4m m ，最小距离为1 0 4m m 。 3 、模具工作区高度模具工作区开启最大高度为1 3 0 6m m ，工作区闭合高 度为1 l1 6 m m ，凸模总高度为6 0 m m 。 4 、模座的尺寸依据模板尺寸，考虑导柱导套、定位销、限位柱及紧固螺 钉等的尺寸影响，选取模座尺寸为l1 6 0 m m x 4 0 0 m m 。模具的开启高度为 2 8 1 6 m m ，闭合高度为2 1 6 6 m m 。 模座尺寸、代号、材质及热处理后硬度【2 0 】要求详见附表1 。 5 2 详细结构设计 通过整体结构设计、各类装置设计和工作零件结构设计，主要解决条料的平 稳送进、精准定位和工序复合等具体问题。这些问题在常规冷冲模具中涉及不到， 但却是多工位精密自动级进模具详细结构设计工作中的重点和难点。冲制b 0 5 5 a 制件的多工位精密自动级进模详细结构设计在模具总体结构和各类装置的选用