航空内环缺口垫片多工位级进模设计

郑 晖，古 栋，张岩松，史泽明

(沈阳航空航天大学 航空宇航学院，沈阳 110136)

需三道以上的工序才能完成零件的冲压时，将这些工序按一定的步距排列在条料上，将条料按步距做间歇移动，在一台压力机内，用一套模具完成这些工序的冲模称为多工位级进模[1]。级进模能完成冲裁(包括复杂零件的冲裁)、弯曲、成形等各种冲压工序，亦可根据需要完成攻丝、装配(如电机冲片的叠装)等工序。使用多工位级进模冲制零件时冲压材料利用率不高，模具制造、维护复杂，加工周期长，成本高，需有精密加工设备和相当水平的设计、工艺、制造工人，所使用的冲床和冲压材料也需要有较好的质量。但级进模在模具的一次冲压的过程中，可完成多个工位的冲压[1-3],故其效率较高，适合于零件的大批量生产。被加工的零件产量和批量如果足够大，采用级进模可以以较低的单件成本维持稳定而持久的生产。当零件形状复杂、凸模或凹模型腔难以加工或其结构难以满足强度要求而需要该工序分解时，也常采用多工位级进模。相比于单工序模、复合模，级进模具有效率高、精度高、模具寿命长、制件成本低等优点，可以减少人工的使用，使企业便于实现自动化生产[1,4],是目前大批量零件生产的首选工装。

近两年来，国内外的模具技术得到了突飞猛进的发展，主要表现为：模具集成制造单元与技术的普及、商业互联网向模具及其产业链延伸、3D打印在模具制造中的广泛应用、模具的智能化、轻量化新材料与大型塑料模具的出现与优化、大型级进冲模技术的成熟及模具标准件精细化等。多工位级进模技术的发展主要为了适应模具产品交货期短、精度高、质量好、价格低的要求。在设计方面，近年来许多模具企业加大用于技术进步的投资力度，广泛使用CATIA、UG、PROE等国际通用软件进行计算机辅助设计，个别企业引入MOLDFLOW等CAE软件，并成功应用于多工位级进模设计中[5-6]。本文采用CATIA软件对航空内环缺口垫片进行工艺分析与模具设计。

1 零件的工艺分析与工艺方案的确定

1.1 工艺性分析

该制件采用2 mm厚08F的钢材冲压成形，制件的二维图和三维图如图1、图2所示，批量为500万件。由图1可知,该零件为圆形落料件上布置异性孔，外形简单对称，整个外形光滑、圆整、无尖角;孔与孔之间、孔与零件边缘之间最小距离c满足c>1.5t要求(其中料厚t为2.0 mm,可得出c=57-(40+5)=12 mm>1.5t=3 mm)。制件上尺寸最小的槽宽为b=5 mm，由冲压手册[7]可知，对于低碳钢、黄铜等材料，应使狭槽宽度b≥1.5t=3 mm，满足要求，故而工艺性好。对于冲压件材料一般要求的力学性能是强度低，塑性高，表面质量和厚度公差符合国家标准[5]。本设计的产品材料是08号钢，其强度、硬度和塑性指标适中，用冲裁的加工方法是完全可以实现的。另外产品对于表面质量等没有严格要求，所以尽量采用国家标准板材,其冲裁出的产品的表面质量就可以保证。经上述分析，零件的工艺性良好，符合冷冲压加工要求。

图1 航空内环缺口垫片零件图

图2 三维航空内环缺口垫片图

由于零件数量为500万件，属于大批量生产，级进模具结构复杂，但制件精度高、效率高，单件产品的成本较低，适合大批量生产，因此从制件精度、成本、效率等方面综合考虑，采用级进模进行生产。

1.2 制件材料分析

制件材料08F的特性包括：强度低、塑性好、韧性好，易于深冲、拉延、弯曲和焊接。08F的力学性能见表1所示。

表1 08F力学性能

2 排样设计

由制件的工艺分析可知，该制件选择级进模的方式冲压成形，在设计排样图时应该考虑载体、搭边、导正销的位置，材料利用率等问题[6]，根据本制件的成形工艺，设计级进模排样方案如图3所示。

图3 排样图

采用直排有废料排样，刚性和稳定性相对较好，冲裁件质量完全由冲模保证，精度高且搭边保护模具。载体位于条料的两侧，以保证条料有足够的强度与刚性能平稳地运送零件，提高加工精度。级进模共有5个工位，第一工位冲导正钉孔和侧刃，侧刃用于条料沿送料方向的粗定位。第二工位冲4个腰圆孔，导正钉在第二工位开始进入导正钉孔进行精定位。第三工位冲圆孔，得到航空内环缺口垫片的内部异性孔。第四工位通过落料得到制件的外形尺寸，导正钉在第四工位进入导正钉孔进行精定位保证内孔与外形的相对位置精度；在排样中巧妙将异形孔转化为简单的腰圆孔和圆孔的冲切，既提高了工艺性，又能保护凸模，提高凸模寿命。第五工位切断双侧载体，以免载体过长卷入模具而损伤模具。

3 模具总体结构设计

级进模的总体设计包括6部分零件的设计，即工作零件、定位零件、压料卸料零件、导向零件、固定零件以及紧固件。工作零件指凸模组与凹模，其完成冲压加工的主要工作，得到制件。定位零件保证条料在送进与冲切过程中的定位精度，从而保证制件精度，多工位级进模中，定位零件通常由导料板、侧刃与导正销组成。压料卸料零件通常由卸料板、卸料螺钉与卸料弹簧组成，在冲切前压料，冲切完成后卸料。导向零件由导柱、导套构成，提高导向精度，从而提高制件质量。固定零件主要是板类零件的设计，包括模柄、上模座、垫板、凸模固定板以及下模座。紧固件常用螺钉和销钉。在构成模具装配体的众多零件中，工作零件、定位零件与压料卸料较重要，其直接与板料接触，直接影响冲压精度和冲压件的质量；其他相关装置起到保证模具顺利工作的作用。

上模部分见图4、图5和图6，图4中可以看到固定零件如模柄、上模座、垫板以及凸模固定板。导正销设置两个，分别在第二工位和第四工位，用于精定位。压入式模柄垂直度好，精度较高。上模部分采用垫板分散冲压力。图5为凸模组，属于工作零件。其中圆形凸模采用台阶式固定，异形凸模设计成直通式穿销固定。图6为压料卸料系统，包括弹性卸料板、卸料弹簧与卸料螺钉。卸料板用于压料卸料，同时躲避导料板，设计成T形，考虑卸料板尺寸以及卸料力大小，选用4根卸料螺钉与卸料弹簧。

图4 上模固定部分

图5 凸模组

图6 压料卸料系统

工作零件部分：凸模组采用凸模固定板固定，异形凸模采用穿销式，圆形凸模采用台阶式。凹模采用整体式凹模，冲裁废料采用漏料孔漏下，工件落料后入集料盒。凹模板见图7所示。由于本套模具中均为冲孔落料工序，因此冲压力相对较大，为了减少冲压力，采用阶梯凸模形式，即凸模之间存在一定的高度差，差距为1.5t(t为料厚)，为避免多孔冲裁时小直径凸模受材料流动挤压力的作用而倾斜或折断，小直径凸模通常做短，在本套模具的设计中，冲孔凸模1与切废料凸模长度小于其他凸模，凸模组如图5所示。

导向系统：如图8所示。上模座与下模座之间设置4对导柱、导套。下模部分见图7所示，选择标准四导柱模架，四角导柱对称分布，受力平衡，滑动平稳，能承受级进模高速冲压次数。四角导柱模架具备导向平稳、导向准确可靠、刚性好等优点。

图7 下模部分

图8 导向系统

定位系统：级进模由于工位数量多，条料送进过程中，定位显得尤为重要。本设计采用导料板控制条料送进过程的左右位置，导料板见图7所示，采用侧刃和挡块进行前进方向的粗定位，侧刃与挡块见图7所示，采用导正销进行精定位，导正销见图4所示，三者相互配合定位精度达到±0.02 mm。

模具总装配体如图9所示，工程图如图10所示。

图9 三维装配体

1.上模座；2.钢球保持圈；3.滚动导向导柱；4.滚动导向导套；5.内六角圆柱头螺钉；6.矩形垫板；7.矩形凸模固定板；8.圆柱销9.凸模(异)；10.B型导正销；11.圆柱头直杆圆凸模；12.圆柱头直杆圆凸模；13.压入式模柄；14.圆柱销；15.侧刃；16.圆柱销；17.圆柱头直杆圆凸模；18.圆柱销;19.圆柱头卸料螺钉；20.矩形圆柱弹簧；21.卸料板；22.圆柱螺旋压缩弹簧；23.下模座；24.凹模板；25.导料板；26.圆柱销;27.开槽圆柱头螺钉;28.A型侧刃挡块;29.A型侧刃挡块;30.圆柱销;31.导料板

4 结论

本文对航空内环缺口垫片进行了工艺性分析，对制件进行了排样设计，确定了合理的工艺方案，并对级进模设计过程中的六大类零件的设计进行了阐述，为模具设计与制造提供了科学的分析。本文以传统经验设计为基础，结合了计算机辅助设计软件CATIA的应用，设计了航空内环缺口垫片的多工位级进模。从工作零件的设计、定位系统的设计、压料卸料零件的设计、导向系统设计以及浮顶系统的设计等几个方面凸显多工位级进模的设计要点。

本模具拟采用100 t高速冲床，高速冲床每分钟冲程数为300次，采用高速冲床需要3个月即可完成。采用级进模单工序模具、复合模与生产情况对比如表2所示。由于零件形状不规则，采用单工序模具和复合模时凸模、凹模的结构工艺性差，冲压过程中形状突变会出现应力集中甚至裂纹，导致修模难度大、时间长。单工序模具需要2套模具，生产效率减半。综合分析可知，采用级进模适合进行批量生产，生产效率高、工期短、一致性高，凸模结构简化，模具维修量小。该模具结构合理，符合生产要求。采用计算机辅助设计模具大大提高了设计的可靠性，缩短了开发周期，提高了经济效益。

表2 级进模与单工序模、复合模生产情况对比