第7章 多工位精密级进模的设计

第7章多工位精密级进模的设计7.1概述级进冲压是指压力机的一次行程中，在模具的不同工位同时完成多种工序的冲压。所使用的模具又称为连续模、跳步模。在级进冲压中，不同的冲压工序分别按一定次序排列，坯料按步距间歇移动，在等距离的不同工位上完成不同的冲压工序，经逐个工位冲制后，便得到一个完整的零件(或半成品)。无论冲压零件的形状怎样复杂，冲压工序怎样多，均可用一副多工位级进模冲制完成。对于批量非常大面厚度较薄的中、小型冲压件，宜采用精密多工位级进模。多工位精密级进模是在普通级进模的基础上发展起来的一种精密、高效、长寿命的模具，其工位数可多达几十个，多工位精密级进模必须配备高精度且送料进距易于调整的自动送料装置才能实现精密自动冲压。多工位精密级进模还应在模具中设计误差检测装置、模内工件或废料去除等机构。因此与普通冲压模具相比多工位级进模的结构比较复杂，模具设计和制造技术要求较高，同时对冲压设备、原材料也有相应的要求，模具的成本相对也高。因此，在模具设计前必须对制件进行全面分析，然后结合模具的结构特点和冲压件的成形工艺性来确定该制件的冲压成形工艺过程，以获得最佳的技术经济效益。多工位精密级进模要求具有高精度、长寿命，模具的主要工作零件常采用高强度的高合金工具钢、高速钢或硬质合金等材料。模具的精加工常采用慢走丝线切割加工和成形磨削。在多工位级进模中，常有很精细的小凸模，必须对这些小凸模以精确导向和保护。因此要求卸料板能对小凸模提供导向和保护功能。卸料板上相应的孔必须采用高精度加工，其尺寸及相互位置必须准确无误。在冲压过程中，随模具的冲程和条料的进给，卸料板的运动必须高度平稳，则卸料板要有导向保护措施。多工位级进冲压有以下特点：（1）生产率高。级进冲压模具属于多工序、多工位模具，在一副模具中包括冲裁、弯曲、拉深、成形等多道冲压工序，因而具有高的劳动生产率。（2）操作安全。因为自动送料，自动检测，自动出件等自动化装置，手不必进入危险区域。模具内还装有安全检测装置，可防止加工时发生误送或意外。（3）模具寿命长。由于在级进模中工序可以分散在不同的工位上，避免了凹模壁的“最小壁厚”问题，且改变了凸、凹模的受力情况，因而模具强度高、寿命较长。（4）易于自动化。大量生产时，可采用自动送料，便于实现冲压过程的机械化和自动化。（5）可实现高速冲压。配合高速冲床及各种辅助设备，级进模可进行高速冲压。目前世界上高速冲床已达4000次/min。（6）减少厂房面积，半成品运输及仓库面积。免去用简单模具生产制件的周转和储备。（7）多工位级进模通常具有高精度的导向和定距系统，能够保证产品零件的加工精度（8）多工位级进模结构复杂，镶块较多，模具制造精度要求很高，给模具的制造，调试及维修带来一定的难度；模具的造价高，制造周期长，模具设计与制造难度较大。同时要求模具零件具有互换性，在模具零件磨损或损坏后要求更换迅速，方便，可靠。（9）多工位级进模主要用于中，小型复杂冲压件的大批量生产，对较大的制件可选择多工位传递式冲压模具加工。（10）材料的利用率较其它模具低。特别是某些形状复杂的零件，产生的废料较多。（11）较难保持内、外形相对位置的一致性。因为内、外形是逐次冲出的，每次冲压都有定位误差，且连续地进行各种冲压，必然会引起条料载体和工序件的变形。由于级进模的这些特点，当零件的形状异常复杂，经过冲制后不便于再单独重新定位零件，采用多工位级进模在一副模具内连续完成最为理想，如椭圆形的零件、小型和超小型零件。对于某些形状特殊的零件，在使用简单冲模或复合模无法设计模具或制造模具的情况下,采用多工位级进模却能解决问题。此外，一些由于使用或装配的需要，零件需规则排列时，也可采用级进模冲制，零件先不切除下来，而被卷成盘料，在自动装配过程中才予以分离。在同一产品上的两个冲压零件，其某些尺寸间有相互关系，甚至有一定的配合关系，在材质、料厚完全相同的情况下，如果用两套模具分别冲制,，不仅浪费原材料，而且还不能保证配合精度，若将两个零件合并在一副多工位级进模上同时冲裁，可大大提高材料利用率，并能很好地保证零件的配合精度。由于以上这些特点，使用时需要被加工的零件的产量和批量足够大，以便能够比较稳定而持久地生产，实现高速连续作业。同时，制件太大，工位数较多时，模具必然比较大，这时必须考虑到模具与压力机工作台面的匹配性。7.2多工位精密级进模的排样设计在多工位精密级进模设计中，要确定从毛坯板料到产品零件的转化过程，即要确定级进模模具中各工位所要进行的加工工序内容，并在条料上进行各工序的布置，这一设计过程就是条料排样。条料排样的主要内容是在冲压刃口外形设计的基础上，将各工序内容进行优化组合形成一系列工序组，并对工序组排序，确定工位数和每一工位的加工工序内容，确定载体类型、毛坯定位方式；设计导正孔直径和导正销的数量；绘制工序排样图，这是多工位级进模设计的关键，图7.2.1为排样过程示意图。a)b)c)d)图7.2.1工序排样过程a)产品图；b)工序分解；c)工序二次分解；d)工序排样图7.2.1多工位级进模条料排样的设计原则条料排样图的设计是多工位级进模设计的重要依据，是决定级进模优劣的主要因素之一。条料排祥图设计的好坏，直接影响模具设计的质量。当条料排祥图确定了，则零件的冲制顺序、模具的工位数及各工位内容、材料的利用率、模具步距的基本尺寸、定距方式、条料载体形式、条料宽度、模具结构、导料方式等都得到了确定。排样图设计错误，会导致制造出来的模具无法冲压零件。因此，在设计条料排样图时，必须认真分析，综合考虑，进行合理组合和排序。拟定出多种排样方案，加以比较最终确定最佳方案。在排样设计分析时要考虑以下原则：（1）要保证产品零件的精度和使用要求及后续工序冲压的需要。（2）工序应尽量分散,以提高模具寿命，简化模具结构。（3）要考虑生产能力和生产批量的匹配，当生产能力较生产批量低时，则力求采用双排或多排，使之在模具上提高效率，同时要尽量使模具制造简单，模具寿命长。（4）高速冲压的级进模用自动送料机构送料时，用导正销精确定距，手工送料时则多用侧刃粗定位，用导正销精确定距。为保证条料送进的步距精度，第一工位安排冲导正孔，第二工位设置导正销，在其后的各工位上优先在易窜动的工位设置导正销。（5）要抓住冲压零件的主要特点，认真分析冲压零件形状，考虑好各工位之间的关系,确保顺利冲压，对形状复杂、精度要求特殊的零件，要采取必要的措施保证。（6）尽量提高材料利用率，使废料达到最小限度。对同一零件利用多行排列或双行穿插排列可提高材料利用率。另外，在条件允许的情况下，可把不同形状的零件整合在一幅模具上冲压，更有利于提高材料利用率。（7）适当设置空位工位，以保证模具具有足够的强度，并避免凸模安装时相互干涉，同时也便于试模调整工序时利用（图7.2.2）。图7.2.2空位示意图（8）必须注意各种产生条料送进障碍的可能，确保条料在送进过程中通畅无阻。（9）冲压件的毛刺方向：当零件提出毛刺方向要求时，应保证冲出的零件毛刺方向一致；对于带有弯曲加工的冲压零件，应使毛刺面留在弯曲件内侧；在分段切除余料时，不能一部分向下冲，有些位置向上冲，造成冲压件的周边毛刺方向不一致。（10）要注意冲压力的平衡。合理安排各工序以保证整个冲压加工的压力中心与模具中心一致，其最大偏移量不能超过L/6或B/6（其中L、B分别为模具的长度和宽度），对冲压过程出现侧向力，要采取措施加以平衡。（11）级进模最适宜以成卷的带料供料，以保证能进行连续、自动、高速冲压，被加工材料的力学性能要充分满足冲压工艺的要求。（12）工件和废料应保证能顺利排出，连续的废料需要增加切断工序。（13）排祥方案要考虑模具加工的设备的条件，考虑模具和冲床工作台的匹配性。7.2.2工序的确定与排序在条料排样设计中,首先是要考虑被加工的零件在全部冲压过程中共分为几个加工工序，各工序的加工内容及如何进行工序的优化组合，并对工序组排序。在确定工序数目和顺序时，要针对各冲压工序的特点考虑各有关原则。1.级进冲裁工序排样的基本原则（1）各工序的先后应按复杂程度而定，一般以有利于下道工序的进行为准，以保证制件的精度要求和零件几何形状的正确。冲孔落料件，应先冲孔，再逐步完成外形的冲裁。尺寸和形状要求高的轮廓应布置在较后的工位上冲切（图7.2.3）。图7.2.3排样示例(一)图7.2.4排样示例(二)a)原排样；b)修改后的排样（2）当孔到边缘的距离较小，而孔的精度又较高时，冲外轮廓时孔可能会变形，可将孔旁外缘先于内孔冲出（图7.2.4）。（3）应尽量避免采用复杂形状的凸模，并避免形孔有尖的凸角、窄槽、细腰等薄弱环节。复杂的形孔应分解为若干个简单的孔形，并分成几步进行冲裁，使模具型孔容易制造。（4）有严袼要求的局部内、外形及位置精度要求高的部位，应尽量集中在同一工位上冲出，以避免步距误差影响精度。如果确实在一个工位完成这一部分冲压有困难，需分解成两个工位，最好放在两个相邻工位连续冲制为好。如在一个零件上有一组孔，其孔距位置尺寸要求严格，这一组应该力求设计在一个工位，使误差只受模具制造的误差影响,而不受步距误差的影响。（5）对于一些在普通低速冲床上冲压的多工位级进模，为了使模具简单、实用、缩小模具体积或由于条件所限，甚至只能采用侧刃做定距，为了减少步距的累积误差，凡是能合并的工位，只要模具能保证零件的精度，模具本身具有足够的强度，就不要轻易分解、增加工位。尤其对于那些形状不宜分解的零件，更不要轻率地增加工位(图7.2.5)。图7.2.5排样示例(三)（6）分段型切除余料排样中的条料，因冲切加工其强度逐渐变弱，在安排各工位的加工内容时要考虑条料宽度方向的导向。（7）应保证条料载体与零件连接处有足够的强度与刚度。当冲压件上有大小孔或窄肋时应先冲小孔（短边），后冲大孔（长边）。（8）凹模上冲切轮廓之间的距离不应小于凹模的最小允许壁厚，一般取为2.5t（t为工件材料厚度)，但最小要大于2mm。（9）轮廓周界较大的冲切，尽量安排在中间工位，以使压力中心与模具几何中心重合。2.级进弯曲工序排样的基本原则（1）对于冲压弯曲类零件，先冲孔再分离弯曲部位周边的废料后进行弯曲，最后再切除其余废料。（2）靠近弯边的孔有精度要求时，应弯曲后再冲，以防止孔变形。（3）为避免弯曲时载体变形和侧向滑动，对小件可两件组合成对称件弯曲，然后再剖分开如图7.2.2。（4）凡属于复杂的弯曲零件，为了便于模具制造并保证弯曲角度合格，应分解为简单弯曲工序的组合，经逐次弯曲而成，切不可强行一次弯曲成形。力求用简单的模具结构来满足弯曲件的形状（图7.2.6）。对精度要求较高的弯曲件，应以整形工序保证零件质量。图7.2.6弯曲件的分解（5）平板毛坯弯曲后变为空间立体形状，毛坯平面应离开凹模面一定高度，以使工序件能在进一步向前送进时不被凹模挡住，这一高度称为送进线高度。a)b)图7.2.7复杂形状零件弯曲（6）对于一个零件的两个弯曲部分有尺寸精度要求时，则弯曲部分应当在同一工位一次成形。这样不仅保证了尺寸精度，而且能够准确地保持成批零件加工后的一致性。（7）应保证零件弯曲线与材料碾压纹向垂直，当零件在互相垂直的方向或几个方向都要进行弯曲时，弯曲线必须与条料纹向成30°～60°的角度。（8）尽可能以冲床行程方向作为弯曲方向，若要作不同于行程方向的弯曲加工，可采用斜楔滑块机构，对闭口型弯曲件，也可采用斜口凸摸弯曲，图7.2.7为复杂形状零件弯曲。3.级进拉深工序排样的基本原则（1）对于有拉深又有弯曲和其它工序的制件,应当先进行拉深，再安排其它工序。这是由于拉深过程中必然有材料的流动，若先安排其它工序，拉深时将造成已定型的部位产生变形。（2）凡属于多次拉深的多工位级进模，由于连续冲压的原因，其拉深工序的安排，拉深系数的选取应以安全稳定为原则。具体地说，如果经过计算在三次拉深与四次拉深之间,应用四次拉深，以保证连续冲压的合格率。必要时还应当有整形工序，以保证冲压件的质量。（3）为了便于级进拉深模在试模过程中调整拉深次数和各次拉深系数的分配，应适当安排几个空位工位