多工位級(jí)進(jìn)模工藝及排樣設(shè)計(jì)

黎枝劍

摘 要：模具制造分注塑模具和沖壓模具兩大類，而沖壓模具工藝是塑性加工的基本加工方法之一。它主要用于加工板料零件，冷沖壓加工時(shí)，板料在模具的作用下，板料毛坯或毛坯的某個(gè)部位便會(huì)產(chǎn)生與內(nèi)力的作用性質(zhì)相對(duì)應(yīng)的變形，從而獲得一定的形狀、尺寸和性能的零件。好的沖壓制造工藝頗有講究，本文筆者著重圍繞沖壓模具多工位級(jí)進(jìn)模排樣和工藝設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：工藝；設(shè)計(jì)；排樣；進(jìn)模

1 工藝分析

級(jí)進(jìn)沖壓是指壓力機(jī)的一次行程中，在模具的不同工位同時(shí)完成多種工序的沖壓。多工位精密級(jí)進(jìn)模是在普通級(jí)進(jìn)模的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密、高效、長(zhǎng)壽命的模具，復(fù)雜的工位數(shù)可多達(dá)幾十個(gè)。下面以設(shè)計(jì)“一種防護(hù)罩沖壓級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)”為例，一般要經(jīng)過九個(gè)步驟方可完成：①零件原始尺寸及工藝分析；②加工工藝路線及排樣設(shè)計(jì)；③有關(guān)拉深的計(jì)算；④有關(guān)沖裁的計(jì)算；⑤模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；⑥定位元件的選用或設(shè)計(jì)；⑦卸料裝置及彈頂裝置的設(shè)計(jì)；⑧模架、模柄、壓力機(jī)等的選擇；⑨模具總裝圖及模具工作分析。本文著重談?wù)劸艂€(gè)步驟中的前兩個(gè)步驟。

1.2 零件的工藝分析

產(chǎn)品如圖1工件圖，已知：零件材料是08F；生產(chǎn)批量為大批生產(chǎn)；需要沖壓模具生產(chǎn)；沖制厚度較?。ㄒ话悴怀^2mm）的小型零件。我們對(duì)零件的工藝進(jìn)行分析 ：

圖1 工件圖

1.3 拉深工藝分析

本產(chǎn)品拉深部分實(shí)際上屬于帶凸緣的圓筒件拉深其尺寸精度及各處圓角半徑均符合拉深工藝的要求。該零件形狀比較簡(jiǎn)單，可以根據(jù)隨后的計(jì)算判定是否可以一次拉深成形。

1.4 沖裁工藝分析：

該沖裁件的形狀為中心對(duì)稱圖形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度一般；該沖裁件各直線及曲線連接處均為圓弧過渡，圓角半徑R均為2mm因此有R〉0.5t=0.5mm。其中t為板料厚度。由相關(guān)設(shè)計(jì)資料查得零件符合該項(xiàng)要求；沖裁件的孔與孔之間的距離a不能過小，一般的孔邊緣與零件外形邊緣不平行時(shí)要求a≧t，平行時(shí)要求a≧1.5t。按零件尺寸核對(duì)，顯然各部分均符合要求；沖孔的最小尺寸為3mm，08F鋼為軟鋼，查相關(guān)設(shè)計(jì)資料可知沖孔凸模強(qiáng)度可以達(dá)到要求； 沖裁件突出的懸臂寬度均為10mm，遠(yuǎn)大于最小要求的（1.0～1.2）t，因此符合該項(xiàng)要求；深件上沖孔，孔邊與零件邊緣的距離也大于零件的圓角半徑與板料半厚之和，即r+0.5=2.5mm。

1.5 選擇模具類型

按零件的精度要求復(fù)合模與級(jí)進(jìn)模均可；按零件的大小及板料厚度，選用級(jí)進(jìn)模比較好；零件的平面度要求不高，選級(jí)進(jìn)?？梢裕灰?yàn)榧?jí)進(jìn)模自動(dòng)送料時(shí)可以自動(dòng)排除沖件，生產(chǎn)效率高，選用級(jí)進(jìn)模比較合適；級(jí)進(jìn)?？梢栽谛谐檀螖?shù)更高的壓力機(jī)上工作；級(jí)進(jìn)模安全可靠，模具制造成本較低。

綜合以上各方面，擬選用多工位級(jí)進(jìn)模加工零件。

2 加工工藝路線及排樣設(shè)計(jì)

2.1 切邊余量的確定

板料厚度為1mm，按中線尺寸計(jì)算。按零件尺寸查相關(guān)設(shè)計(jì)資料得切邊余量ΔR=3.5mm，故實(shí)際凸緣直徑dt=（98+2×3.5）=105mm。

2.2 預(yù)算坯料直徑

該拉深件屬于帶凸緣的圓筒件拉深所以按以下公式計(jì)算：

其中d1=56mm，d2=51mm，d3=66mm，d4=105mm，h=1mm，R=r=2.5mm，將這些數(shù)據(jù)代入公式坯料直徑108mm。

2.3 判斷拉深次數(shù)，總的拉伸系數(shù)為

根據(jù)相關(guān)沖壓模具設(shè)計(jì)資料可知該零件可以一次拉深成型。

2.4 零件加工工藝路線確定

本產(chǎn)品加工工藝有沖孔、拉深和落料。然而在拉深前為了獲得合適的毛坯， 需要在拉深之前進(jìn)行切口。一般的拉深件沖孔要放在拉深之后進(jìn)行，以防止孔的尺寸精度受拉深影響。但是在圓筒件底部上的孔直徑相對(duì)于圓筒直徑均很小，孔的尺寸精度要求不高，此時(shí)可以先沖底部孔，也可以方便隨后工位的準(zhǔn)確定位。所以零件加工工藝路線為沖底孔→切口→拉深→沖邊孔→落料。

2.5 排樣設(shè)計(jì)

（確定級(jí)進(jìn)模模具中各工位所要進(jìn)行的加工工序內(nèi)容，并在條料上進(jìn)行各工序的布置，這一設(shè)計(jì)過程就是條料排樣。）

2.5.1 沖裁部分搭邊值的確定

搭邊的作用是補(bǔ)償定位誤差，保證沖件合格，以及保證條料有一定的剛度，以便于送料，搭邊過大材料利用率低，達(dá)標(biāo)過小，送料時(shí)的強(qiáng)度，剛度都不夠，甚至造成沖裁力不均勻，損壞模具刃口，本設(shè)計(jì)中材料為低碳鋼，查相關(guān)設(shè)計(jì)資料知，工件間距離為a1=0.8mm，沿邊尺寸為a=1.0mm。坯料直徑為108mm，故條料寬度至少為110mm，由于后面將用側(cè)刃定位，所以條料寬度適當(dāng)加寬取113mm。

2.5.2 排樣圖設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，排樣如下圖所示：

圖2 排樣圖

2.6 材料利用率的計(jì)算

分5個(gè)工步完成一個(gè)零件的加工，板料總的利用率為：

η=NA/BL×100%

（ 其中N、A、B和L分別表示一張板料上的沖件數(shù)、一個(gè)零件的面積、板料寬度和板料長(zhǎng)度）

η=1-η廢

η廢=﹛5×[110×108.8-3.14×542+3.14×（492-382）-4×10×+3.14×102]+2×113×0.2 ﹜/113×（108×5+2×1+4×0.8﹚=11.7%

則材料的利用率η=1-11.7%=88.3%。

3 結(jié)語

我們知道，多工位進(jìn)級(jí)模的特點(diǎn)是可以完成多道沖壓工序，局部分離與連續(xù)成形結(jié)合；具有高精度的導(dǎo)向和準(zhǔn)確的定距系統(tǒng)；配備有自動(dòng)送料、自動(dòng)出件、安全檢測(cè)等裝置；模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑲塊較多，模具制造精度要求很高，制造和裝調(diào)難度大。條料排樣的主要內(nèi)容包括：將各工序內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化組合形成一系列工序組，并對(duì)工序組排序；確定工位數(shù)和每一工位的加工工序內(nèi)容；確定載體類型；毛坯定位方式；設(shè)計(jì)導(dǎo)正孔直徑和導(dǎo)正銷的數(shù)量；繪制工序排樣圖。由此可見，排樣設(shè)計(jì)是多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。它影響到材料利用率、沖件質(zhì)量、模具結(jié)構(gòu)、成本和壽命。

3.1 排樣設(shè)計(jì)原則

（1） 展開制件，確定形狀、尺寸；（2） 工序安排； （3） 沖孔問題；（4） 空工位問題；（5） 成形方向；（6）斜滑塊機(jī)構(gòu)； （7）壓回條料技術(shù)；（8）分?jǐn)嗲谐拇罱臃?。此外還應(yīng)遵循，級(jí)進(jìn)沖裁工序排樣的基本原則；級(jí)進(jìn)彎曲工序排樣的基本原則；級(jí)進(jìn)拉深工序排樣的基本原則；含局部成形工序排樣的基本原則。

3.2 工位設(shè)計(jì)原則

（1）簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)；（2）保證沖件質(zhì)量；（3）減少空位。另外， 增設(shè)空位工位的目的：保證凹模、卸料板、凸模固定板有足夠的強(qiáng)度；確保模具的使用壽命；為了便于在模具中設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)；作必要的儲(chǔ)備工位、便于試模時(shí)調(diào)整工序用。

3.3 排樣設(shè)計(jì)中各工位的順序安排

（1）純沖裁多工位級(jí)進(jìn)模排樣，先沖內(nèi)形再?zèng)_外形，先沖孔再落料。（2）沖裁、彎曲多工位級(jí)進(jìn)模排樣，先沖孔再切除彎曲部位周邊廢料，然后彎曲、落料。

3.4 形狀分段沖切的設(shè)計(jì)

分段沖切的目的是使模具刃口分解和重組，把復(fù)雜的內(nèi)、外形輪廓分解為若干簡(jiǎn)單的幾何單元，以簡(jiǎn)化凸模和凹模形狀。分段切除時(shí)連接方法可分為搭接（交接）、平接、切接三種方式。

3.5 確定條料載體的形式

載體是指級(jí)進(jìn)模沖壓時(shí)，條料內(nèi)連接工序件并運(yùn)載其穩(wěn)定前進(jìn)的這部分材料。載體設(shè)計(jì)不僅決定了材料的利用率，而且關(guān)系到制件的精度和沖制效果，更是直接影響模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和制造的難易成度。 載體與一般沖裁時(shí)條料的搭邊不盡相同，搭邊的作用主要是補(bǔ)償定位誤差，滿足沖壓工藝的基本要求，使條料有一定的剛度，便于送進(jìn)，保證沖出合格的制件。而條料的載體除了滿足以上的要求外，必須有足夠的強(qiáng)度，要能夠運(yùn)載條料上沖出的零件，并且能夠平穩(wěn)地送進(jìn)到后續(xù)沖壓工位。載體的基本形式主要有雙側(cè)載體、單側(cè)載體和中間載體這三種。

3.6 確定導(dǎo)正孔位置

（1）第一工位就要沖制出導(dǎo)正銷孔，緊接第二工位要有導(dǎo)正銷； （2）導(dǎo)正孔位置應(yīng)處于條料的基準(zhǔn)平面； （3）重要的加工工位前要有導(dǎo)正銷； （4）圓筒形件在連續(xù)拉深時(shí)，可不必設(shè)置導(dǎo)正銷孔直接利用拉深凸模導(dǎo)正。 （5）必須要設(shè)置導(dǎo)正銷而又與其它工序干涉時(shí)，可設(shè)置空位工位。

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