多工位级进模的发展与应用

2013-04-17北京京东方科技集团公司100102陈炎嗣

金属加工(冷加工) 2013年2期

北京京东方科技集团公司（100102）陈炎嗣

多工位级进模的发展与作用

多工位级进模是冲压模具中的一种，它是在单工序冲压模具基础上发展起来的多工序集成模具，该模具在一副模具中可以完成冲裁、弯曲、拉深、成形、叠铆、翻孔及攻螺纹等多种冲压工序，其工序集成度之高、功能之广是其他模具无法与之相比的。这种模具能采用自动化送料，可在高速（2500次/min以下）压力机上工作，设有安全监测保护装置，可实现高速无人冲压生产。模具的工作部分由于可将复杂形状分解成简单形状，采用合理结构、高强度超硬材料、先进的CNC加工方法，能满足高精密、长寿命的需要，所以，多工位级进模已成为实现大生产、高效率、低成本的最佳选择，被称为现代高精密、高效率、长寿命的“三高”模具。

在过去级进模因技术水平的限制（主要是制造高精度困难），工位数相对较少，3～5个属常见，10个工位的就算多了，10个工位以上的就更少见了，所以多工位这个词过去很少听到。近年来，由于对冲压自动化、高效率、高精度、长寿命提出了更高要求，随着模具设计与制造高新技术的应用与进步，工位数已不再是限制模具设计与制造的关键。目前在多工位级进模技术领域，工位间步距精度可控制在±3μm之内，工位数已达几十个，多的已有240多个。冲压次数因新的精密高速压力机不断推向市场也大大提高，由原来的每分钟冲几十次，提高到每分钟冲几百次，目前已有2500次/min以上，实际应用纯冲裁高达2000次/min（带弯曲的加工500～800次/min）。级进模的重量亦由过去的几十公斤增加到几百公斤，直至上吨（如汽车刮雨器底盘级进模，重量达20t）。冲压方式由早期的手工送料、手工低速操作，发展到如今的自动、高速、安全生产。调整好后的模具在有自动检测的情况下实现无人操作。模具的总寿命由于新材料的应用和加工精度的提高，也不是早先的几十万冲次，而是几千万、上亿冲次（如空调翅片级进模工作零件可互换，模具使用寿命达3亿冲次）。还据有关资料介绍，目前大型级进模的长度已超过6m，单套模具重100t，为电子工业配套的精密高速多工位级进模精度2μm，寿命2亿次以上。当然，级进模的价格和其他模具相比要高一些，但在冲件总成本中，模具费所占的比例还是很少的。

由此可见，多工位级进模具是当代冲压模具中生产效率最高、最适合大量生产应用，已越来越多地被广大用户认识并优先考虑使用的一种精密、高效、高速、高质量和长寿命的实用模具。

当今，国际市场产品竞争十分激烈，主要在制件的质量方面和制件的成本方面，采用先进的多工位级进模能有效地解决这两方面的关键技术问题。

模具工业发展的关键是模具技术的进步，模具技术又涉及到多学科的交叉。模具作为一种高附加值和技术密集型产品，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。世界上许多国家，特别是一些工业发达国家，都十分重视模具技术的开发，大力发展模具工业，积极采用先进设备，提高模具制造水平，已经取得了显著的经济效益。

模具是基础工艺装备，属于高新技术产品，作为基础工业，模具的质量、精度、寿命对其他工业的发展起着十分重要的作用。作为当代先进模具的典型代表，多工位级进模具是冲压模具的重点发展方向，在国民经济发展过程中将发挥越来越重要的作用。

多工位级进模的冲压特点与功能

就其冲压而言，多工位级进模和其他冲模相比，其主要特点如下。

（1）冲压用材料所使用的材料主要是黑色或有色金属，材料的形状多为具有一定宽度的长条料、带料或卷料。因为它是在连续几乎不间断的情况下进行冲压工作，所以要求使用的条料应越长越好，对于薄料长达几百米以上、中间不允许有接头、料厚为0.1～6mm，多数使用0.15～1.5mm的材料，而且有色金属居多。料宽的尺寸要求必须一致，应在规定的公差（通常小于0.2mm）范围内，且不能有明显毛刺，不允许有扭曲、波浪和锈斑等影响连续送料，并避免冲压精度方面的缺陷存在。

为了能保证制件在尺寸和形位误差方面有较好的一致性，要求材料有较高的厚度精度和较为均匀的力学性能。尤其对于有压弯和成形的制件，如果材料厚度误差大，材料的软硬状态从料头至料尾、边缘和中间都不均匀，相对轧制方向的各向异性较大，则弯曲后角度误差、弯曲边长度误差等都会很大。

料宽根据制件的排样决定，太宽了，影响送料通畅；宽度太小，影响定位。

（2）冲压设备所用的压力机台面较大，功率、刚性要足够，精度好，而且滑块要能长期承受较大的侧向力。一旦发生故障，压力机有可靠的急停功能。

压力机的行程相对较小（因冲压过程中模具的导柱导套一般不能脱开），最适宜使用可调行程的压力机，在模具工位数较少、冲压力较小和冲压次数较低的情况下，开式压力机用得较多；而在模具工位数较多、冲压力较大和冲次较高的情况下，使用闭式压力机比较合适。

一般都配有自动送料装置。对于一般的卷带料，还要有相应的开卷、样平机。

（3）送料方式送料方式以间歇、按“步距”直线连续送进。不同的级进模“步距”的大小是不相等的，具体数值在设计排样时确定，但送料过程中“步距”精度必须严格控制，才能保证冲件的精度与质量。多工位级进模“步距”精度是由压力机上的送料装置和模具上用于定位的导正装置等共同精确定位保证的。模具的“步距”精度可以控制在±5μm之内。“步距”等于前后两工位间距，在同一副模具中，要求这个距离加工要绝对一致。

（4）工序件的携带方式和制件的获取冲压的全过程在未完成成品件前的工序始终不离开（区别于多工位传递模）条料和载体。在级进模中，所有工位上的冲裁，那些被冲掉下的部分都是无用的工艺或设计废料，而留下的部分被送到模具的下一工位上继续被冲压，完成后面的工序。各工位上的冲压工序虽独立进行，但制件与条料始终连接在一起，直到最后那个工位需要落料时，合格制件才被分离成条料冲落下来（一般由凹模落料孔中下落，也有冲落后的制件又被顶入到条料的原位，在后面的工位再顶出）。如果有些制件因后步工序的需要，冲制成的制件仍需留在载体上，则不设落料工序，此时被冲成的制件连在载体上被成卷包装起来，作为后工序的带料，如电器产品的中小电流端子、橡胶密封条滑架等。也有的制件要求每冲10个或20个制件为一个单元并需留在载体上时，则在模具上须设置设备特殊的切断装置，此时每当冲压10次或20次，切断装置便工作一次将料切断，落下来的长条上便是每一条具有10个或20个独立制件的冲件，如集成电路引线框、晶体管引线框等。空调器散热片（翅片）更多地采用宽的薄带料，在特殊的级进模上经多个工位冲压后通过纵向剖切、横向切断后实现其大量生产。

（5）用途适合大批量在小型定型产品零件的生产，冲压精度高，可达IT10级。冲件尺寸一致性好，具有很好的互换性。

（6）生产率生产率高。由于排样采用多排，一次冲压可以出多件。采用高速冲压（常用800～1200次/min），纯冲裁1200～2000次/min，带弯曲冲压400～800次/min，连续拉深≤100次/min），每分钟冲次比普通冲压高出10倍以上，生产率很高。

（7）冲压工序性质在一副模具的不同工位上，可以完成多种性质的冲压工序。例如冲孔、冲窄槽、落料、压弯、压包、压筋、翻边、翻孔、镦压、拉深、切边、叠压、压铆、攻螺纹及锁紧等。对一些看来较复杂难以冲压加工的零件，采取“化繁为简”的方法冲制出来。经冲压生产出来的不再只是大批量的单个零件，也可以是成批的组件，如触头与支座的组件、各种微型电动机、电器及仪表的铁芯叠片组件。所以多工位级进模是集各种冲压工序于一体，功能最多的高效模具，它只需用一台压力机，而单工序模则需用多副模具、多台压力机完成同类的加工。

工位数决定于冲压工序的需要，原则上多少不受限制，一般情况下，只要是中小型件，不论其复杂程度怎样，都可以采用一副级进模冲压完成。

（8）模具综合技术模具综合技术含量高。模具结构比较复杂，加工精度和制造技术要求高，常以微米（μm）提出精度要求。没有较先进的结构设计、精加工设备和熟练而有经验的模具钳工，加工、装配、调试和维修精密多工位级进模，其综合经济与技术效果均难以获得完满。

（9）自动化可以实现自动化生产。当模具调整好后，带料或卷料经开卷机、矫平机、驰长式控制器、送料器、压力机和模具、制件收集器将废料切断或收卷等，可以不用人在设备旁长期守着，一旦冲压过程异常，由于模具上装有安全保护装置，设备会自动停机，故能实现冲压自动化生产。

（10）模具制造模具制造周期较长、成本高。多工位级进模随着工位数的增加，相应要加工的模具零件数也多了，其中工作零件除采用常规方法加工外，精加工都要采用高精度的精密设备（例如坐标磨床、光学曲线磨床、慢走丝切割机床等），不仅加工周期长，而且工时费比普通加工高许多，所以成本比普通冲模高。

（11）模具材料工作零件采用超硬材料制造，模具寿命长。由于多工位级进模可以将复杂的内外型分解成由若干个工位冲成，每个工位的冲压复杂性相对比较简单。工作零件（凸模和凹模）采用硬质合金或钢结硬质合金，不但制造比较容易，也便于维修更换，使模具的使用寿命大大延长，寿命最长的达亿次以上。

（12）模具维护模具的刃磨和维护比其他模具较麻烦。例如在刃磨冲裁部分的凸、凹模刃口时，需要满足如弯曲、拉深等其他工位的凸、凹模高度。如果该级进模还有其他复杂的冲压机构，如斜楔、侧冲等，其维护将更为困难。对于一些复杂的级进模，有的刃口可能不处于同一平面，甚至还有不处于同一方向，在刃磨时须拆卸才可进行。

使用多工位级进模的必要条件

（1）必须有一副合格的多工位级进模所谓合格模具，是指具有一定精度、一定功能并能实现稳定、连续、正常生产。现在有许多模具都是委托专业模具厂制造的。用户在接受该模具时，必须严格检查该模具是否达到正常使用要求。模具结构、冲压工艺方案设计、试冲样件方面等有无缺陷和不足；在履行合同的有关技术条款中，有无未尽事宜，或属于用户事先未提及的事，到了事后才提出而引起不必要的纠纷或麻烦等。模具交付使用时，必须经过试冲合格验收通过。

（2）必须有会调整、维修、保养、刃磨修理的技术能力多工位级进模在使用过程中，刃口磨损或局部可能出现故障，这是常见的事。例如小凸模的折断，冲压过程中发现毛刺过大，刃口变钝，凸、凹模镶件要更换或进行修理等。

多工位级进模的刃磨与一般模具不同，它不是简单地将某个凸模或凹模磨去多少就完事的。对于那些引起弯曲、拉深成形的多工位级进模，在刃磨冲裁凸、凹模之间仍保持原设计应有的原始差量。对于这种刃磨和修理，必须要求修理人员具有较高的专业理论和实践技能（维修人员在拆卸模具前要了解模具的结构原理和凸、凹模相互间尺寸关系等）；用户也应为之配置供刃磨、维修使用的精密磨削加工和检测用的必备设备。

（3）必须拥有能满足多工位级进模连续冲压生产要求的冲压设备这种冲压设备与普通压力机相比，要求精度、刚度更好一些，功率（一般在压力机公称压力的60%～80%下进行工作）、冲次、台面尺寸更大一些，制动系统可靠稳定；还应具备行程可调（一般都使用行程可调的偏心压力机）等功能，便于级进模的调试。

用多工位级进模进行冲压生产时，选取压力机的行程是不大的，一般以保证冲压能顺利进行和送料能正常为原则。因此，不同的级进模，由于制件的不同，所取行程大小虽不完全相同，但总的来说都是一个较小的范围。多工位级进模取小行程冲压，可以保持模架的导柱、导套工作过程始终不脱开，这样有利于保证冲压精度。而采用较小行程，对实现高速冲压也是十分合理的。

冲压设备还应附有高精度的自动送料装置和安全保护装置，且在自动冲压无人看管的情况下，保持连续安全工作十分重要。

（4）必须有稳定的高质量和适合多工位级进模生产的冲压用料用多工位级进模冲压生产，属于高效率大生产，所以对冲压用料是比较严的。冲压过程中，不能因为料有质量问题而影响生产。

所谓提供的料要稳定、高质量，主要指材料的牌号、力学性能，每批料都应一致，符合该材料所规定的技术条件，软硬符合使用要求，料的厚薄和宽度尺寸应在规定公差范围内，表面状态良好。

多工位级进模冲压用材料，大多是长的带料，常用分条机裁切成一定宽度，要求料宽的直线性好，不允许有太大“镰刀”弯之类缺陷存在，否则将直接影响送料。正常生产条件下，带料的长度必须有保证。

即使是在试模，也要严格地按正常生产用料用于试模。哪怕是试模用的料冲下的件不一定都用得上，而被当作废品处理掉，这一点投入是很有必要的。在实际工作中，往往不太重视试模用合格材料而临时凑合，随意捡一块料用来试模，当试不出合格制件时，就只在模具上找原因，当然试模的主要目的是找模具还存在哪些问题需要改进，以求达到圆满。但试模用料不合适，模具再好，照样冲不出合格的制件，这对于拉深或弯曲成形等工序最为突出。许多例子告诉我们，在带有弯曲、成形和拉深的级进模中，同一副模具，由于使用的材料质量不同，冲出的制件质量就截然不同，这就证明冲压用料的重要性。使用多工位级进模，冲压用料必须达到使用要求，千万不能用不合格的料。

（5）制件应具备适合多工位级进模冲制的条件 ①制件产量比较大，一般不少于5万件。②制件的精度适中，一般为大于IT10级，近几年随着模具加工技术的进步，多工位级进模的制造精度明显有了提高，从而使制件精度也提高，有的达IT8级以上。③用单工序模不经济，用复全模又难以冲压加工的情况下，只能用多工位级进模。④用单工序模不便定位和冲压加工，只能用多工位进模生产的某些小而复杂的微型或超小型件。