多工位级进模工艺及排样设计

黎枝剑

摘 要：模具制造分注塑模具和冲压模具两大类，而冲压模具工艺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，冷冲压加工时，板料在模具的作用下，板料毛坯或毛坯的某个部位便会产生与内力的作用性质相对应的变形，从而获得一定的形状、尺寸和性能的零件。好的冲压制造工艺颇有讲究，本文笔者着重围绕冲压模具多工位级进模排样和工艺设计的几点问题进行分析。

关键词：工艺；设计；排样；进模

1 工艺分析

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。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，复杂的工位数可多达几十个。下面以设计“一种防护罩冲压级进模设计”为例，一般要经过九个步骤方可完成：①零件原始尺寸及工艺分析；②加工工艺路线及排样设计；③有关拉深的计算；④有关冲裁的计算；⑤模具结构的设计；⑥定位元件的选用或设计；⑦卸料装置及弹顶装置的设计；⑧模架、模柄、压力机等的选择；⑨模具总装图及模具工作分析。本文着重谈谈九个步骤中的前两个步骤。

1.2 零件的工艺分析

产品如图1工件图，已知：零件材料是08F；生产批量为大批生产；需要冲压模具生产；冲制厚度较薄（一般不超过2mm）的小型零件。我们对零件的工艺进行分析 ：

图1 工件图

1.3 拉深工艺分析

本产品拉深部分实际上属于带凸缘的圆筒件拉深其尺寸精度及各处圆角半径均符合拉深工藝的要求。该零件形状比较简单，可以根据随后的计算判定是否可以一次拉深成形。

1.4 冲裁工艺分析：

该冲裁件的形状为中心对称图形，结构复杂程度一般；该冲裁件各直线及曲线连接处均为圆弧过渡，圆角半径R均为2mm因此有R〉0.5t=0.5mm。其中t为板料厚度。由相关设计资料查得零件符合该项要求；冲裁件的孔与孔之间的距离a不能过小，一般的孔边缘与零件外形边缘不平行时要求a≧t，平行时要求a≧1.5t。按零件尺寸核对，显然各部分均符合要求；冲孔的最小尺寸为3mm，08F钢为软钢，查相关设计资料可知冲孔凸模强度可以达到要求； 冲裁件突出的悬臂宽度均为10mm，远大于最小要求的（1.0～1.2）t，因此符合该项要求；深件上冲孔，孔边与零件边缘的距离也大于零件的圆角半径与板料半厚之和，即r+0.5=2.5mm。

1.5 选择模具类型

按零件的精度要求复合模与级进模均可；按零件的大小及板料厚度，选用级进模比较好；零件的平面度要求不高，选级进模可以；因为级进模自动送料时可以自动排除冲件，生产效率高，选用级进模比较合适；级进模可以在行程次数更高的压力机上工作；级进模安全可靠，模具制造成本较低。

综合以上各方面，拟选用多工位级进模加工零件。

2 加工工艺路线及排样设计

2.1 切边余量的确定

板料厚度为1mm，按中线尺寸计算。按零件尺寸查相关设计资料得切边余量ΔR=3.5mm，故实际凸缘直径dt=（98+2×3.5）=105mm。

2.2 预算坯料直径

该拉深件属于带凸缘的圆筒件拉深所以按以下公式计算：

其中d1=56mm，d2=51mm，d3=66mm，d4=105mm，h=1mm，R=r=2.5mm，将这些数据代入公式坯料直径108mm。

2.3 判断拉深次数，总的拉伸系数为

根据相关冲压模具设计资料可知该零件可以一次拉深成型。

2.4 零件加工工艺路线确定

本产品加工工艺有冲孔、拉深和落料。然而在拉深前为了获得合适的毛坯， 需要在拉深之前进行切口。一般的拉深件冲孔要放在拉深之后进行，以防止孔的尺寸精度受拉深影响。但是在圆筒件底部上的孔直径相对于圆筒直径均很小，孔的尺寸精度要求不高，此时可以先冲底部孔，也可以方便随后工位的准确定位。所以零件加工工艺路线为冲底孔→切口→拉深→冲边孔→落料。

2.5 排样设计

（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。）

2.5.1 冲裁部分搭边值的确定

搭边的作用是补偿定位误差，保证冲件合格，以及保证条料有一定的刚度，以便于送料，搭边过大材料利用率低，达标过小，送料时的强度，刚度都不够，甚至造成冲裁力不均匀，损坏模具刃口，本设计中材料为低碳钢，查相关设计资料知，工件间距离为a1=0.8mm，沿边尺寸为a=1.0mm。坯料直径为108mm，故条料宽度至少为110mm，由于后面将用侧刃定位，所以条料宽度适当加宽取113mm。

2.5.2 排样图设计

根据以上分析，排样如下图所示：

图2 排样图

2.6 材料利用率的计算

分5个工步完成一个零件的加工，板料总的利用率为：

η=NA/BL×100%

（ 其中N、A、B和L分别表示一张板料上的冲件数、一个零件的面积、板料宽度和板料长度）

η=1-η废

η废=﹛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%

则材料的利用率η=1-11.7%=88.3%。

3 结语

我们知道，多工位进级模的特点是可以完成多道冲压工序，局部分离与连续成形结合；具有高精度的导向和准确的定距系统；配备有自动送料、自动出件、安全检测等装置；模具结构复杂，镶块较多，模具制造精度要求很高，制造和装调难度大。条料排样的主要内容包括：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。由此可见，排样设计是多工位级进模设计的重要内容，是模具结构设计的依据之一。它影响到材料利用率、冲件质量、模具结构、成本和寿命。

3.1 排样设计原则

（1） 展开制件，确定形状、尺寸；（2） 工序安排； （3） 冲孔问题；（4） 空工位问题；（5） 成形方向；（6）斜滑块机构； （7）压回条料技术；（8）分断切除的搭接法。此外还应遵循，级进冲裁工序排样的基本原则；级进弯曲工序排样的基本原则；级进拉深工序排样的基本原则；含局部成形工序排样的基本原则。

3.2 工位设计原则

（1）简化模具结构；（2）保证冲件质量；（3）减少空位。另外， 增设空位工位的目的：保证凹模、卸料板、凸模固定板有足够的强度；确保模具的使用寿命；为了便于在模具中设置特殊结构；作必要的储备工位、便于试模时调整工序用。

3.3 排样设计中各工位的顺序安排

（1）纯冲裁多工位级进模排样，先冲内形再冲外形，先冲孔再落料。（2）冲裁、弯曲多工位级进模排样，先冲孔再切除弯曲部位周边废料，然后弯曲、落料。

3.4 形状分段冲切的设计

分段冲切的目的是使模具刃口分解和重组，把复杂的内、外形轮廓分解为若干简单的几何单元，以简化凸模和凹模形状。分段切除时连接方法可分为搭接（交接）、平接、切接三种方式。

3.5 确定条料载体的形式

载体是指级进模冲压时，条料内连接工序件并运载其稳定前进的这部分材料。载体设计不仅决定了材料的利用率，而且关系到制件的精度和冲制效果，更是直接影响模具结构的复杂程度和制造的难易成度。 载体與一般冲裁时条料的搭边不尽相同，搭边的作用主要是补偿定位误差，满足冲压工艺的基本要求，使条料有一定的刚度，便于送进，保证冲出合格的制件。而条料的载体除了满足以上的要求外，必须有足够的强度，要能够运载条料上冲出的零件，并且能够平稳地送进到后续冲压工位。载体的基本形式主要有双侧载体、单侧载体和中间载体这三种。

3.6 确定导正孔位置

（1）第一工位就要冲制出导正销孔，紧接第二工位要有导正销； （2）导正孔位置应处于条料的基准平面； （3）重要的加工工位前要有导正销； （4）圆筒形件在连续拉深时，可不必设置导正销孔直接利用拉深凸模导正。 （5）必须要设置导正销而又与其它工序干涉时，可设置空位工位。

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