基于一體化教學模式的變頻器信號端子多工位級進模產品排樣設計

王裕棟

（廣州市公用事業技師學院，廣東 廣州 510030）

一、概述

廣州市裕隆精密設備公司是與我校校企合作單位，公司承接生產一批變頻器信號端子業務，產品圖紙如圖1 所示，為切實增強校校合作深度與廣度，公司將產品排樣設計交由我方完成，為真正達到工學結合的目的，排樣設計過程經過合理的一體化教學設計，通過模具分析任務，制定產品工藝分析，制定排樣方案，修改方案，設計驗證再到產品沖壓成型，同學全程參與。

信號端子被應用于各位電氣設備的電路之中，它是電路內部連接的橋梁。隨著變頻器產品的不斷向小型化、高密度、高傳輸速度、高頻方向發展，端子制件及其多工位級進模具的制造難度也在不斷增加，排樣難度也隨之增加。該信號端子的產品特點是尺寸小、精密高，批量大，所以對模具排樣的要求十分的嚴苛，科學合理的產品排樣是關系到本產品模具各工位加工的協調與穩定，更關系到產品的最終的沖壓質量與生產效率。

二、工藝分析

通過情境創設，按學情分析結果將同學分成三個設計小組，每個小組組織同學進行產品工藝分析，用卡紙將產品重要信息提取出來，變頻器信號端子產品圖紙和尺寸如圖1 所示，三個小組同學通過對產品圖紙的分析，總結該型號變頻器信號端子具有下列特點：1）產品尺寸小，其總的長為3.85mm、寬為0.86mm、高為1.52mm；2）產品厚度薄，厚度為0.06mm；3）尺寸精度高,大部分尺寸公差在0.03mm 左右，端子配合部位的精度要求在0.025mm 以下；4）產品外形復雜，沖壓工步多，包含沖裁、折彎，裁切等工序，個別尺寸僅為0.08mm，與材料厚度相仿；5）產品批量大，該型號變頻器單個產品就需要135 個信號端子，要求排樣設計時要充分考慮模具壽命。

按產品圖紙要求，信號端子選用的材料為具有良好導電性和延展性黃銅材料，型號為H65 黃銅合金，該材料具有優良機械性能，切削加工性，在冷熱狀態下有良好的壓力加工性，除此之外還有良好的電性能和導熱性能、可焊性以及較小的應力松弛，材料硬度低，抗拉強度極限為δb=390-540Mpa；延伸率δ>40%。

通過教師引導啟發和同學小組討論，各組同學利用彩色卡紙，總結提煉出以下工藝問題：

（一）通過分析產品尺寸可知，最小凸模刃口尺寸為0.08mm,和料帶厚度一致，在排樣設計中要充分考慮凸模刃口的強度和壽命，初步方案是合理拆分沖壓工序，減少單工步沖裁力;選擇合理的凸模材料及熱處理工藝來解決。

（二）由于產品尺寸精度要求高，批量大，選擇模具配件時盡可能選用高精度的配件，如氣動送料裝置，滾珠導柱等。

（三）端子沖壓排樣時合理安排工步數，彎曲角度較大時，可采用兩次彎曲或增加整形工位，當刃口間距太小時，可考慮設置空步。

（四）在滿足精度及模具壽命的情況下，盡可能使用料帶的利用率，材料的步距及材料的寬度盡量取整。

三、制定排樣方案

排樣設計是多工位級進模具設計中最重要的環節之一，每個設計小組獨立制定出本產品的排樣方案，并推舉代表展示本組的設計方案，主要展示設計數據及設計理由，其他小組成員進行學習并提出疑問，教師負責相關知識引導及過程評價。

（一）零件展開

本設計將此信號端子分成十三段進行展開計算,每一段進行獨立計，板料彎曲過程中，應變中性層的長度不變，因此可以根據這一原理來確定毛坯展開尺寸。彎曲件展開長度包括直邊部分和彎曲部分。直邊部分在彎曲前后不變，而彎曲部分可根據不同的情況計算。

L=L1+L2+(πα/180)×(r+xt)，x 為中性層位移系數。

在折彎半徑與厚度之比即R/T＝3.1與折彎系數K＝0.35的位置展開，各設計小組同學利用機械設計軟件，繪制零件展開圖，再利用標注功能得出每段的長度,最終得到信號端子的展開形狀和主要尺寸。

（二）沖裁力計算

通過產品分段長度，選擇普通平刃口模具沖裁時，按沖裁力計算公式F=KLtTb，K 為沖裁力修正系數，一般取K=1.3。各設計小組計算出端子沖裁力。沖裁力的計算不但是多工位級進模具工位劃分起重要作用，同時也是選用壓力機和設計模具的重要依據。在變頻器信號端子的沖壓過程中，主要包括了多個沖裁和彎曲工序，各種力的計算也都是在建立在展開圖的基礎上計算的，對同學位掌握級進模具設計計算有很大的實踐意義。

（三）搭邊設計

搭邊在多工位級進模中有著特殊的作用，它是將坯件傳遞到各工位進行沖裁和成型加，并且使坯件在動態送料過程中保持穩定的定位，為了滿足自動送料的需求，在載體的導正孔之間沖出與鉤式自動送料裝置匹配的矩形孔，因此，在本設計中每個工步中都設計有搭口，具體尺寸為0.4mmX0.2mm。經過各小組方案展示與討論，三個設計小組一致同意將沖壓工序分割為15 個工序，具體如圖2 所示。

（四）確定排樣

在教師的引導下，每個設計小組根據后續裝配要求，將每個工序合理安排到產品料帶上，通過AUTO CAD、UG 等機械設計軟件，繪制出產品端子排樣圖，由于方案由于加工出來的端子不能是相互分離的單個端子，而是由部分邊料連接的端子帶，在料帶主體上插上端子之后才將邊料去除，同時考慮到能提高材料利用率，所以該工序排樣采用了對排形式，料寬為19mm，步距為1mm，包括15個工序（7個沖裁工序、6個彎曲、2個整形工序），具體料工序排樣圖如圖3 所示；為保證模具強度和方便模具安裝，在各工序間增設了若干個空位，這樣可以為后續設計變更留有余地，另外也可以消除前一個工步產生的垂直毛刺。

四、排樣設計檢查

各設計小組完成排樣設計后，還有一項重要的工作就是檢查設計的合理性和可實施性，主要驗證材料的利用率、模具結構的適應性、有無不必要的空位、工件尺寸精度能否保證、存在彎曲拉深等形成工序成形時，孔和外形的加工是否安排在成型工序之后。每個設計小組將排樣檢查評價表中的各項參數進行組內評價，最終本變頻器信號端子排樣設計的材料利用率為22.3%，符合設計要求。

五、結論

完成教學層面的排樣設計后，為了增強一體化教學真實性和嚴謹性，學校與公司專門組織一次變頻器信號端子技術驗證會，工程師和教師同學面對面交流，在排樣設計方案得到公司工程師們的認可后，極大地增加了同學們的信心和驗證了同學們的設計能力。經過兩個多月的模具后續設計和加工生產，模具實現了每秒450 次的沖壓，產品質量十分穩定，生產效率在同類產品中領先，同時也給工廠帶來了很高的經濟效益，圖4 是信號端子料帶沖壓圖。

實踐表明，以真實的產品設計任務融入到一體化教學設計中，可以將傳統枯燥的理論教學被一個個學習活動所代替，以學生為主體，教師為主導，激發同學的積極性和主動性，化被動接收為主動學習;以企業真實生產任務為學習任務，使同學們提前熟悉企業的設計流程，能將學業和就業無縫對接，增強了同學們的就業競爭力。本設計是產教融合，工學一體的成功范例，是深入挖掘校企合作平臺優勢，真正將教學理論探究與企業制造生產相結合的又一次創新，是教研成果轉化成科技成果的一次積極探索。