基于一体化教学模式的变频器信号端子多工位级进模产品排样设计

王裕栋

（广州市公用事业技师学院，广东 广州 510030）

一、概述

广州市裕隆精密设备公司是与我校校企合作单位，公司承接生产一批变频器信号端子业务，产品图纸如图1 所示，为切实增强校校合作深度与广度，公司将产品排样设计交由我方完成，为真正达到工学结合的目的，排样设计过程经过合理的一体化教学设计，通过模具分析任务，制定产品工艺分析，制定排样方案，修改方案，设计验证再到产品冲压成型，同学全程参与。

信号端子被应用于各位电气设备的电路之中，它是电路内部连接的桥梁。随着变频器产品的不断向小型化、高密度、高传输速度、高频方向发展，端子制件及其多工位级进模具的制造难度也在不断增加，排样难度也随之增加。该信号端子的产品特点是尺寸小、精密高，批量大，所以对模具排样的要求十分的严苛，科学合理的产品排样是关系到本产品模具各工位加工的协调与稳定，更关系到产品的最终的冲压质量与生产效率。

二、工艺分析

通过情境创设，按学情分析结果将同学分成三个设计小组，每个小组组织同学进行产品工艺分析，用卡纸将产品重要信息提取出来，变频器信号端子产品图纸和尺寸如图1 所示，三个小组同学通过对产品图纸的分析，总结该型号变频器信号端子具有下列特点：1）产品尺寸小，其总的长为3.85mm、宽为0.86mm、高为1.52mm；2）产品厚度薄，厚度为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）产品外形复杂，冲压工步多，包含冲裁、折弯，裁切等工序，个别尺寸仅为0.08mm，与材料厚度相仿；5）产品批量大，该型号变频器单个产品就需要135 个信号端子，要求排样设计时要充分考虑模具寿命。

按产品图纸要求，信号端子选用的材料为具有良好导电性和延展性黄铜材料，型号为H65 黄铜合金，该材料具有优良机械性能，切削加工性，在冷热状态下有良好的压力加工性，除此之外还有良好的电性能和导热性能、可焊性以及较小的应力松弛，材料硬度低，抗拉强度极限为δb=390-540Mpa；延伸率δ>40%。

通过教师引导启发和同学小组讨论，各组同学利用彩色卡纸，总结提炼出以下工艺问题：

（一）通过分析产品尺寸可知，最小凸模刃口尺寸为0.08mm,和料带厚度一致，在排样设计中要充分考虑凸模刃口的强度和寿命，初步方案是合理拆分冲压工序，减少单工步冲裁力;选择合理的凸模材料及热处理工艺来解决。

（二）由于产品尺寸精度要求高，批量大，选择模具配件时尽可能选用高精度的配件，如气动送料装置，滚珠导柱等。

（三）端子冲压排样时合理安排工步数，弯曲角度较大时，可采用两次弯曲或增加整形工位，当刃口间距太小时，可考虑设置空步。

（四）在满足精度及模具寿命的情况下，尽可能使用料带的利用率，材料的步距及材料的宽度尽量取整。

三、制定排样方案

排样设计是多工位级进模具设计中最重要的环节之一，每个设计小组独立制定出本产品的排样方案，并推举代表展示本组的设计方案，主要展示设计数据及设计理由，其他小组成员进行学习并提出疑问，教师负责相关知识引导及过程评价。

（一）零件展开

本设计将此信号端子分成十三段进行展开计算,每一段进行独立计，板料弯曲过程中，应变中性层的长度不变，因此可以根据这一原理来确定毛坯展开尺寸。弯曲件展开长度包括直边部分和弯曲部分。直边部分在弯曲前后不变，而弯曲部分可根据不同的情况计算。

L=L1+L2+(πα/180)×(r+xt)，x 为中性层位移系数。

在折弯半径与厚度之比即R/T＝3.1与折弯系数K＝0.35的位置展开，各设计小组同学利用机械设计软件，绘制零件展开图，再利用标注功能得出每段的长度,最终得到信号端子的展开形状和主要尺寸。

（二）冲裁力计算

通过产品分段长度，选择普通平刃口模具冲裁时，按冲裁力计算公式F=KLtTb，K 为冲裁力修正系数，一般取K=1.3。各设计小组计算出端子冲裁力。冲裁力的计算不但是多工位级进模具工位划分起重要作用，同时也是选用压力机和设计模具的重要依据。在变频器信号端子的冲压过程中，主要包括了多个冲裁和弯曲工序，各种力的计算也都是在建立在展开图的基础上计算的，对同学位掌握级进模具设计计算有很大的实践意义。

（三）搭边设计

搭边在多工位级进模中有着特殊的作用，它是将坯件传递到各工位进行冲裁和成型加，并且使坯件在动态送料过程中保持稳定的定位，为了满足自动送料的需求，在载体的导正孔之间冲出与钩式自动送料装置匹配的矩形孔，因此，在本设计中每个工步中都设计有搭口，具体尺寸为0.4mmX0.2mm。经过各小组方案展示与讨论，三个设计小组一致同意将冲压工序分割为15 个工序，具体如图2 所示。

（四）确定排样

在教师的引导下，每个设计小组根据后续装配要求，将每个工序合理安排到产品料带上，通过AUTO CAD、UG 等机械设计软件，绘制出产品端子排样图，由于方案由于加工出来的端子不能是相互分离的单个端子，而是由部分边料连接的端子带，在料带主体上插上端子之后才将边料去除，同时考虑到能提高材料利用率，所以该工序排样采用了对排形式，料宽为19mm，步距为1mm，包括15个工序（7个冲裁工序、6个弯曲、2个整形工序），具体料工序排样图如图3 所示；为保证模具强度和方便模具安装，在各工序间增设了若干个空位，这样可以为后续设计变更留有余地，另外也可以消除前一个工步产生的垂直毛刺。

四、排样设计检查

各设计小组完成排样设计后，还有一项重要的工作就是检查设计的合理性和可实施性，主要验证材料的利用率、模具结构的适应性、有无不必要的空位、工件尺寸精度能否保证、存在弯曲拉深等形成工序成形时，孔和外形的加工是否安排在成型工序之后。每个设计小组将排样检查评价表中的各项参数进行组内评价，最终本变频器信号端子排样设计的材料利用率为22.3%，符合设计要求。

五、结论

完成教学层面的排样设计后，为了增强一体化教学真实性和严谨性，学校与公司专门组织一次变频器信号端子技术验证会，工程师和教师同学面对面交流，在排样设计方案得到公司工程师们的认可后，极大地增加了同学们的信心和验证了同学们的设计能力。经过两个多月的模具后续设计和加工生产，模具实现了每秒450 次的冲压，产品质量十分稳定，生产效率在同类产品中领先，同时也给工厂带来了很高的经济效益，图4 是信号端子料带冲压图。

实践表明，以真实的产品设计任务融入到一体化教学设计中，可以将传统枯燥的理论教学被一个个学习活动所代替，以学生为主体，教师为主导，激发同学的积极性和主动性，化被动接收为主动学习;以企业真实生产任务为学习任务，使同学们提前熟悉企业的设计流程，能将学业和就业无缝对接，增强了同学们的就业竞争力。本设计是产教融合，工学一体的成功范例，是深入挖掘校企合作平台优势，真正将教学理论探究与企业制造生产相结合的又一次创新，是教研成果转化成科技成果的一次积极探索。