多工位級進模工藝及排樣設計

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，板料在模具的作用下，板料毛坯或毛坯的某個部位便會產生與內力的作用性質相對應的變形，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進模排樣和工藝設計的幾點問題進行分析。

關鍵詞：工藝；設計；排樣；進模

1 工藝分析

級進沖壓是指壓力機的一次行程中，在模具的不同工位同時完成多種工序的沖壓。多工位精密級進模是在普通級進模的基礎上發展起來的一種精密、高效、長壽命的模具，復雜的工位數可多達幾十個。下面以設計“一種防護罩沖壓級進模設計”為例，一般要經過九個步驟方可完成：①零件原始尺寸及工藝分析；②加工工藝路線及排樣設計；③有關拉深的計算；④有關沖裁的計算；⑤模具結構的設計；⑥定位元件的選用或設計；⑦卸料裝置及彈頂裝置的設計；⑧模架、模柄、壓力機等的選擇；⑨模具總裝圖及模具工作分析。本文著重談談九個步驟中的前兩個步驟。

1.2 零件的工藝分析

產品如圖1工件圖，已知：零件材料是08F；生產批量為大批生產；需要沖壓模具生產；沖制厚度較薄（一般不超過2mm）的小型零件。我們對零件的工藝進行分析 ：

圖1 工件圖

1.3 拉深工藝分析

本產品拉深部分實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。該零件形狀比較簡單，可以根據隨后的計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稱圖形，結構復雜程度一般；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。由相關設計資料查得零件符合該項要求；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要求a≧t，平行時要求a≧1.5t。按零件尺寸核對，顯然各部分均符合要求；沖孔的最小尺寸為3mm，08F鋼為軟鋼，查相關設計資料可知沖孔凸模強度可以達到要求； 沖裁件突出的懸臂寬度均為10mm，遠大于最小要求的（1.0～1.2）t，因此符合該項要求；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合模與級進模均可；按零件的大小及板料厚度，選用級進模比較好；零件的平面度要求不高，選級進模可以；因為級進模自動送料時可以自動排除沖件，生產效率高，選用級進模比較合適；級進模可以在行程次數更高的壓力機上工作；級進模安全可靠，模具制造成本較低。

綜合以上各方面，擬選用多工位級進模加工零件。

2 加工工藝路線及排樣設計

2.1 切邊余量的確定

板料厚度為1mm，按中線尺寸計算。按零件尺寸查相關設計資料得切邊余量ΔR=3.5mm，故實際凸緣直徑dt=（98+2×3.5）=105mm。

2.2 預算坯料直徑

該拉深件屬于帶凸緣的圓筒件拉深所以按以下公式計算：

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

2.3 判斷拉深次數，總的拉伸系數為

根據相關沖壓模具設計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， 需要在拉深之前進行切口。一般的拉深件沖孔要放在拉深之后進行，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于圓筒直徑均很小，孔的尺寸精度要求不高，此時可以先沖底部孔，也可以方便隨后工位的準確定位。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 排樣設計

（確定級進模模具中各工位所要進行的加工工序內容，并在條料上進行各工序的布置，這一設計過程就是條料排樣。）

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，達標過小，送料時的強度，剛度都不夠，甚至造成沖裁力不均勻，損壞模具刃口，本設計中材料為低碳鋼，查相關設計資料知，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，由于后面將用側刃定位，所以條料寬度適當加寬取113mm。

2.5.2 排樣圖設計

根據以上分析，排樣如下圖所示：

圖2 排樣圖

2.6 材料利用率的計算

分5個工步完成一個零件的加工，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、一個零件的面積、板料寬度和板料長度）

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 結語

我們知道，多工位進級模的特點是可以完成多道沖壓工序，局部分離與連續成形結合；具有高精度的導向和準確的定距系統；配備有自動送料、自動出件、安全檢測等裝置；模具結構復雜，鑲塊較多，模具制造精度要求很高，制造和裝調難度大。條料排樣的主要內容包括：將各工序內容進行優化組合形成一系列工序組，并對工序組排序；確定工位數和每一工位的加工工序內容；確定載體類型；毛坯定位方式；設計導正孔直徑和導正銷的數量；繪制工序排樣圖。由此可見，排樣設計是多工位級進模設計的重要內容，是模具結構設計的依據之一。它影響到材料利用率、沖件質量、模具結構、成本和壽命。

3.1 排樣設計原則

（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）斜滑塊機構； （7）壓回條料技術；（8）分斷切除的搭接法。此外還應遵循，級進沖裁工序排樣的基本原則；級進彎曲工序排樣的基本原則；級進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 工位設計原則

（1）簡化模具結構；（2）保證沖件質量；（3）減少空位。另外， 增設空位工位的目的：保證凹模、卸料板、凸模固定板有足夠的強度；確保模具的使用壽命；為了便于在模具中設置特殊結構；作必要的儲備工位、便于試模時調整工序用。

3.3 排樣設計中各工位的順序安排

（1）純沖裁多工位級進模排樣，先沖內形再沖外形，先沖孔再落料。（2）沖裁、彎曲多工位級進模排樣，先沖孔再切除彎曲部位周邊廢料，然后彎曲、落料。

3.4 形狀分段沖切的設計

分段沖切的目的是使模具刃口分解和重組，把復雜的內、外形輪廓分解為若干簡單的幾何單元，以簡化凸模和凹模形狀。分段切除時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

載體是指級進模沖壓時，條料內連接工序件并運載其穩定前進的這部分材料。載體設計不僅決定了材料的利用率，而且關系到制件的精度和沖制效果，更是直接影響模具結構的復雜程度和制造的難易成度。 載體與一般沖裁時條料的搭邊不盡相同，搭邊的作用主要是補償定位誤差，滿足沖壓工藝的基本要求，使條料有一定的剛度，便于送進，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，必須有足夠的強度，要能夠運載條料上沖出的零件，并且能夠平穩地送進到后續沖壓工位。載體的基本形式主要有雙側載體、單側載體和中間載體這三種。

3.6 確定導正孔位置

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

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