高速精密級進模具在手表機芯零件中的應用

王 稱

（天津輕工職業技術學院，天津 300350）

現今我國的模具制造產業已經進入相對成熟的階段，在國際上也處于前列。但是，全國各地的模具制造水平參差不齊，其中南方地區的模具制作水平普遍高于北方地區，尤其是在精密模具的制作上。另外，模具的需求程度并沒有隨著制造水平的提高而增加。

1 現狀分析

手表行業快速發展，出現了大量功能強大且造型時尚的智能手表和智能手環等。機械手表尤其是機械腕表，由以前的功能手表轉向了輕奢飾品。可以看出，手表行業尤其是機械手表行業并沒有因為其功能簡單而退出市場，其中手表機芯作為一塊手表的核心部件仍具有龐大的市場。保證機芯的質量和生產效率是手表行業需要升級的方向。我國制造業在進行智造轉型，其中自動化無人工廠已越來越普及。一條高柔性的自動生產線是企業提升效率減少成本的關鍵。手表機芯零件的特點是體積小、精度高、易變形和難組裝，所以手表行業一直存在大量人工環節。零件加工業多采用單工序模進行，所以手表零件的自動化生產步伐緩慢。只有解決零件的自動化生產問題，才能解決機芯零件加工中存在的問題。現以機芯零件中棘爪撥片為例設計高速精密級進模具。

目前，機芯類結構部件分為體積較大的零件和體積較小的零件兩大類。其中，體積較大的零件國產化生產已經成熟；體積較小的零件相對復雜，需依賴進口且模具以單工序模具為主，從而導致產品精度差、廢品率高。小體積的精密模具目前只有瑞士和日本等國家生產，但這些國家禁止出口此類模具。為提升國產品牌的市場競爭力，打破國外技術壁壘，需要進行儀表類精密零件的高速精密模具技術研發工作。因此，以棘爪撥片高速精密級進模具為切入點，設計高速精密級進模具對整個機械手表市場的發展至關重要。

在進行棘爪撥片高速精密級進模具研發前的資料搜集工作時發現，現有的精密級進模具多依靠進口，還有一部分模具來自南方。國內生產廠家少，主要是因為此類零件的市場較小且技術要求高，而零件自身體積小、精度高，對加工模具的設備投入較大但效益低。另外，多數生產企業沒有建立有效的數據庫和工藝體系，一旦設計出現問題，將造成較大的經濟損失。從制造難度來看，機芯零件體積小、特征復雜、制造工藝多以及沖頭加工難度大，需要用到精密磨床、光學曲線磨和高精度的線切割設備配合完成。如果模具的定位精度較低，操作中很容易損壞沖頭。

2 工藝分析及方案制訂

通過調研發現，棘爪撥片的原有加工方案為單序加工，共分為5道工序。每道工序完成后需要進行檢測，最后一道沖壓工序需要逐件安裝。單序加工產品合格率僅有10%～20%，加工效率極低且人工參與較多。因為是單序加工完成，所以很難保證光亮帶，僅能達到50%且不穩定。由于最后一道工序加工前需進行熱處理，后續不合格產品費用統計中還包括后處理費用，增加了產品單價成本。因為每道工序都需要檢驗，單序加工需要更多的人工，導致整個機芯的造價偏高。此外，整個加工過程極易受外界環境因素影響，且整個過程存在較大的安全隱患，不利于車間管理。

通過分析現有工藝，針對級進模具的特點，將手表零件的單工序模具升級為高速級進模具，通過高定位精度和小沖壓間隙進行加工。棘爪撥片高速精密級進模具設計之初以模具智能化作為設計基礎，可連接高速沖床送料機構實現自動化生產，且生產節拍可以達到每分鐘500次。沖裁殘料和產品采用分流設計，以方便整理和搜集產品，并配合收料機可實現全自動化生產。加入紅外線檢測設備，可在提升合格率的同時消除各類隱患。模具易損件采用雙腔設計，可以實現快速修模。根據零件特征和對料帶的要求，采用可調式壓膜結構方便快速地調整模具。

模具配套紅外線實時防誤打裝置，可以實時檢測沖壓過程中料帶的情況，保證模具不受損傷，同時杜絕人為原因造成的經濟損失。除此之外，模具還配備了零件在線監測功能，通過對比圖片的方式進行實時檢測，確保零件的主要特征及尺寸達標，進而保證產品的合格率。

3 模具的主要性能、技術參數和特點

與國外同類模具進行對比，棘爪撥片高速精密級進模具料帶厚度為0.17mm。根據料帶特點，采用進口鎢鋼制作。其余部分則采用SKD11冷作模具鋼制作。為減輕模具重量，上下模座采用合金鋁制作。導柱采用2組SRP滾珠，以保證定位精度和高頻沖壓過程中的穩定性。由于零件的幾何特征較復雜，為保證產品質量要求，沖裁間隙要求小于0.015mm。

通過對比棘爪撥片高速精密級進模具與國外同等級同功能模具發現，棘爪撥片高速精密級進模具在生產效率、生產精度以及產品質量上均優于國外進口模具。加工節拍同等（每分鐘300次）的情況下，國產棘爪撥片高速精密級進模具零件的光亮帶高于進口模具15%，且模具生產過程中的良品率波動小于5%。同等狀態下，它的日常維護費用較進口模具低10%。當出現人為或非人為故障問題時，國產模具的響應時間高于進口模具85%，維修費用低于進口模具70%。

設計棘爪撥片高速精密級進模具，解決了普通生產過程中由于寬厚比過小造成的翹曲和反向變形問題。通過精密的制作工藝達到了較高的定位精度，實現了壓料分切，保證了零件平整度。

利用光學曲面磨和小直徑精密線切割機床，配合完成零件的凸凹模制作。通過調整工藝參數，保證較高的加工精度和較低的表面粗糙度。去除拋光和打磨等鉗工工序以減小誤差，累計達到了0間隙沖裁水平。整套模具采用雙定位機構提升生產中的穩定性，保證了模具的重復定位精度為0.005mm。模座材料為航空鋁材，減輕模具重量的同時提升了加工效率。

4 工藝效果

棘爪撥片零件采用級進模設計，并進行多工序整合管理，節約工時500%。此外，模具配備了紅外線實時防誤打裝置和在線監測功能，可以實時監測零件情況，保證零件的合格率，每50萬件合格率達到99.9%。由人工操作轉為自動生產，可節約人工95%。合理的模具設計配合高精度的零件加工，可保證零件的整體質量，同時實現了產品光亮帶93%以上。通過對棘爪撥片零件的高速精密級進模具設計發現，高速精密級進模具適用于手表機芯零件的加工。不僅可以提升零件質量和縮短加工時長，而且可以優化車間環境方便管理。高速精密級進模具具有以下優點。第一，費用相對單工序模具較高，但可以節約大量人工。第二，方便管理。利用單工序模具制作一種零件需要3或4套模具，存儲維護較復雜，且模具之間易混淆。高速級進模具則可與零件一一對應，管理和維護方便。第三，適用范圍廣。現有單工序模具偏小，配合現有的高速沖床無法發揮沖壓設備的性能，使設備長期處于高耗能低產出的狀態，既浪費資源又損傷設備。高速精密級進模具則適用于現有的大多數高速沖壓設備，具有普適性，且配合自動送料機和產品分揀機可實現自動加工，為創建無人工廠奠定了堅實基礎。第四，智能化管理確保每一個零件的質量。高速精密級進模具可以配置各類模具和零件檢測裝置，能連接現有的大多數檢測設備，還可以根據廠家需求兼顧高速精密級進模具的特點個性化定制特殊功能。

5 結語

高速精密級進模具在手表中的應用十分廣泛，能夠幫助企業優化產品，方便車間管理，因此手表機芯級進模具的市場前景巨大。現階段受設備和技術的限制，能夠完成高速精密級進模具制造的廠商較少。在中國制造2025的要求下，加快推進智慧智造是所有企業追求的目標。未來市場將以精密制造為主，發展有特色有技術的模具企業將是未來的發展要點。