高速精密级进模具在手表机芯零件中的应用

王 称

（天津轻工职业技术学院，天津 300350）

现今我国的模具制造产业已经进入相对成熟的阶段，在国际上也处于前列。但是，全国各地的模具制造水平参差不齐，其中南方地区的模具制作水平普遍高于北方地区，尤其是在精密模具的制作上。另外，模具的需求程度并没有随着制造水平的提高而增加。

1 现状分析

手表行业快速发展，出现了大量功能强大且造型时尚的智能手表和智能手环等。机械手表尤其是机械腕表，由以前的功能手表转向了轻奢饰品。可以看出，手表行业尤其是机械手表行业并没有因为其功能简单而退出市场，其中手表机芯作为一块手表的核心部件仍具有庞大的市场。保证机芯的质量和生产效率是手表行业需要升级的方向。我国制造业在进行智造转型，其中自动化无人工厂已越来越普及。一条高柔性的自动生产线是企业提升效率减少成本的关键。手表机芯零件的特点是体积小、精度高、易变形和难组装，所以手表行业一直存在大量人工环节。零件加工业多采用单工序模进行，所以手表零件的自动化生产步伐缓慢。只有解决零件的自动化生产问题，才能解决机芯零件加工中存在的问题。现以机芯零件中棘爪拨片为例设计高速精密级进模具。

目前，机芯类结构部件分为体积较大的零件和体积较小的零件两大类。其中，体积较大的零件国产化生产已经成熟；体积较小的零件相对复杂，需依赖进口且模具以单工序模具为主，从而导致产品精度差、废品率高。小体积的精密模具目前只有瑞士和日本等国家生产，但这些国家禁止出口此类模具。为提升国产品牌的市场竞争力，打破国外技术壁垒，需要进行仪表类精密零件的高速精密模具技术研发工作。因此，以棘爪拨片高速精密级进模具为切入点，设计高速精密级进模具对整个机械手表市场的发展至关重要。

在进行棘爪拨片高速精密级进模具研发前的资料搜集工作时发现，现有的精密级进模具多依靠进口，还有一部分模具来自南方。国内生产厂家少，主要是因为此类零件的市场较小且技术要求高，而零件自身体积小、精度高，对加工模具的设备投入较大但效益低。另外，多数生产企业没有建立有效的数据库和工艺体系，一旦设计出现问题，将造成较大的经济损失。从制造难度来看，机芯零件体积小、特征复杂、制造工艺多以及冲头加工难度大，需要用到精密磨床、光学曲线磨和高精度的线切割设备配合完成。如果模具的定位精度较低，操作中很容易损坏冲头。

2 工艺分析及方案制订

通过调研发现，棘爪拨片的原有加工方案为单序加工，共分为5道工序。每道工序完成后需要进行检测，最后一道冲压工序需要逐件安装。单序加工产品合格率仅有10%～20%，加工效率极低且人工参与较多。因为是单序加工完成，所以很难保证光亮带，仅能达到50%且不稳定。由于最后一道工序加工前需进行热处理，后续不合格产品费用统计中还包括后处理费用，增加了产品单价成本。因为每道工序都需要检验，单序加工需要更多的人工，导致整个机芯的造价偏高。此外，整个加工过程极易受外界环境因素影响，且整个过程存在较大的安全隐患，不利于车间管理。

通过分析现有工艺，针对级进模具的特点，将手表零件的单工序模具升级为高速级进模具，通过高定位精度和小冲压间隙进行加工。棘爪拨片高速精密级进模具设计之初以模具智能化作为设计基础，可连接高速冲床送料机构实现自动化生产，且生产节拍可以达到每分钟500次。冲裁残料和产品采用分流设计，以方便整理和搜集产品，并配合收料机可实现全自动化生产。加入红外线检测设备，可在提升合格率的同时消除各类隐患。模具易损件采用双腔设计，可以实现快速修模。根据零件特征和对料带的要求，采用可调式压膜结构方便快速地调整模具。

模具配套红外线实时防误打装置，可以实时检测冲压过程中料带的情况，保证模具不受损伤，同时杜绝人为原因造成的经济损失。除此之外，模具还配备了零件在线监测功能，通过对比图片的方式进行实时检测，确保零件的主要特征及尺寸达标，进而保证产品的合格率。

3 模具的主要性能、技术参数和特点

与国外同类模具进行对比，棘爪拨片高速精密级进模具料带厚度为0.17mm。根据料带特点，采用进口钨钢制作。其余部分则采用SKD11冷作模具钢制作。为减轻模具重量，上下模座采用合金铝制作。导柱采用2组SRP滚珠，以保证定位精度和高频冲压过程中的稳定性。由于零件的几何特征较复杂，为保证产品质量要求，冲裁间隙要求小于0.015mm。

通过对比棘爪拨片高速精密级进模具与国外同等级同功能模具发现，棘爪拨片高速精密级进模具在生产效率、生产精度以及产品质量上均优于国外进口模具。加工节拍同等（每分钟300次）的情况下，国产棘爪拨片高速精密级进模具零件的光亮带高于进口模具15%，且模具生产过程中的良品率波动小于5%。同等状态下，它的日常维护费用较进口模具低10%。当出现人为或非人为故障问题时，国产模具的响应时间高于进口模具85%，维修费用低于进口模具70%。

设计棘爪拨片高速精密级进模具，解决了普通生产过程中由于宽厚比过小造成的翘曲和反向变形问题。通过精密的制作工艺达到了较高的定位精度，实现了压料分切，保证了零件平整度。

利用光学曲面磨和小直径精密线切割机床，配合完成零件的凸凹模制作。通过调整工艺参数，保证较高的加工精度和较低的表面粗糙度。去除抛光和打磨等钳工工序以减小误差，累计达到了0间隙冲裁水平。整套模具采用双定位机构提升生产中的稳定性，保证了模具的重复定位精度为0.005mm。模座材料为航空铝材，减轻模具重量的同时提升了加工效率。

4 工艺效果

棘爪拨片零件采用级进模设计，并进行多工序整合管理，节约工时500%。此外，模具配备了红外线实时防误打装置和在线监测功能，可以实时监测零件情况，保证零件的合格率，每50万件合格率达到99.9%。由人工操作转为自动生产，可节约人工95%。合理的模具设计配合高精度的零件加工，可保证零件的整体质量，同时实现了产品光亮带93%以上。通过对棘爪拨片零件的高速精密级进模具设计发现，高速精密级进模具适用于手表机芯零件的加工。不仅可以提升零件质量和缩短加工时长，而且可以优化车间环境方便管理。高速精密级进模具具有以下优点。第一，费用相对单工序模具较高，但可以节约大量人工。第二，方便管理。利用单工序模具制作一种零件需要3或4套模具，存储维护较复杂，且模具之间易混淆。高速级进模具则可与零件一一对应，管理和维护方便。第三，适用范围广。现有单工序模具偏小，配合现有的高速冲床无法发挥冲压设备的性能，使设备长期处于高耗能低产出的状态，既浪费资源又损伤设备。高速精密级进模具则适用于现有的大多数高速冲压设备，具有普适性，且配合自动送料机和产品分拣机可实现自动加工，为创建无人工厂奠定了坚实基础。第四，智能化管理确保每一个零件的质量。高速精密级进模具可以配置各类模具和零件检测装置，能连接现有的大多数检测设备，还可以根据厂家需求兼顾高速精密级进模具的特点个性化定制特殊功能。

5 结语

高速精密级进模具在手表中的应用十分广泛，能够帮助企业优化产品，方便车间管理，因此手表机芯级进模具的市场前景巨大。现阶段受设备和技术的限制，能够完成高速精密级进模具制造的厂商较少。在中国制造2025的要求下，加快推进智慧智造是所有企业追求的目标。未来市场将以精密制造为主，发展有特色有技术的模具企业将是未来的发展要点。