案例教学法在多工位级进模排样教学中的应用

谢利 王江涛 程亮 百志好 杨林

摘 要：以结构连接件排样图的设计过程为例，分析了多工位级进模设计过程中的工艺设计和排样设计过程，并对包含冲孔、落料、拉深和弯曲四种冲压工序排样图设计过程中的工序组合及顺序、定位方式、搭边值、步距、条料宽度和材料利用率进行了探讨。

关键词：级进模；工艺设计；排样图

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.215

0 引言

多工位级进模具有自动化程度高、生产效率高、技术含量高、模具使用寿命长等优点，适用于大批量生产，在冲压领域有着十分重要的地位，已经广泛被用于机械、电子、电器、汽车及仪表零件的生产[1-3]。本文以一结构连接件多工位级进模排样方案的设计过程为例，对包含冲孔、落料、拉深和弯曲等多工序排样图设计过程中的相关问题进行了详细的分析。

1 工艺设计

冲压工艺设计主要包括冲压件的工艺分析和工艺方案的确定两部分内容[4]。良好的工艺性和合理的工艺方案，不仅可以减少材料的消耗，提高利用率，而且能够减少工序数和工时，并能够使模具结构简单、寿命长，同时降低加工成本，减少劳动量，提高生产率[4-6]。

1.1 冲压件的工艺性分析

工件为一结构连接件，大批量生产，材料为10钢，厚度为0.5 mm，零件图中所有未标注公差的尺寸，均属于自由尺寸，零件图如图1所示。

冲压件的工艺性是指其对冲压工艺的适应性[4]。冲裁件的工艺性是否合理，对冲裁件的质量、模具寿命和生产率有很大影响，在一般情况下，对冲压件工艺性影响最大的几何形状尺寸和精度要求。良好的冲压工艺性应能满足材料较省、工序较少、模具加工较容易、寿命较高、操作方便及产品质量稳定等要求。

首先，10钢具有较高的强度、塑性和韧性均较好，易冷热加工成形，冲压加工性能良好；其次，零件形状简单对称，壁厚均匀，无形状复杂的曲线，外形和内控均无尖角，且孔径尺寸、孔边距、尺寸精度和表面粗糙度均满足冲压工艺性要求。

1.2 冲压工艺方案确定

工艺方案的内容是确定冲压件的工艺路线，主要包括确定工序数量、工序的组合以及工序顺序等[4]。图1和图2所示零件的成形基本工序由冲孔（包括零件上部的环形孔和底部圆孔）﹑拉深﹑弯曲和落料组成，经过计算得知需要两次拉深，根据模具结构的不同，可以采用以下三种工艺方案：

方案一：采用单工序模生产，按落料→一次拉深→二次拉深→冲孔（零件底部圆孔）→冲孔（零件上部的环形孔）→弯曲依次分别在不同的模具上进行。该方案所需模具结构简单，制造方便，但至少需要六六套模具，模具制造成本高，生产率较低，且在各道工序之间不断的更换模具必然会增大误差，使零件精度、质量降低，劳动强度大。

方案二：采用复合模生产，可将二次拉深和冲孔（零件底部圆孔）两道工序，弯曲和冲孔（零件上部的环形孔）两道工序分别结合在一起，再加上一次拉深和落料两道工序，共需四套复合模。该方案同样存在生产成本高、生产率低，且在各道工序之间不断的更换模具必然会增大误差，使产品质量降低，劳动强度大等缺点。

方案三：采用级进模生产，按一次拉深→二次拉深→冲孔（零件上部的环形孔和底部圆孔）→弯曲→落料依次分别在不同的工位上进行。该方案只需一套模具，制造相对简单，生产成本较低，可实现自动送料，产品质量高，生产效率高，劳动强度低，且生产过程无需更换模具。

综合以上三种方案的特点，显然应采用方案三进行生产更为合理。对于多工序、多工位级进模设计成败的关键在于对排样图的合理设计，包括对工序数量、工序的组合、工序顺序及定位问题等的合理设计。

1.3 零件展开尺寸的计算

零件的成形工序有冲孔（包括零件上部的环形孔和底部圆孔）、两次拉深、弯曲和落料工序。其中弯曲为U形弯曲，拉深为带凸缘圆筒形件的拉深。零件中带凸緣圆筒形拉深部分如图3所示，在计算展开毛坯直径时可将其再分解成五部分进行求解，分别为环形（Ⅰ）、1/4凹形球环（Ⅱ）、圆筒形（Ⅲ）、凸形球环（Ⅳ）和圆形（Ⅴ），如图2所示。经过计算可得零件坯料展开长度Lz= 24.96 mm。

2 排样的设计

根据材料的利用情况，排样的方法可分为三种：有废料排样、少废料排样、无废料排样[4]。根据零件的形状和各个工序的特点，采用有废料直排方式。

2.1 工序数量、组合和顺序设计

所给零件的成形由冲孔、两次拉深、弯曲和落料工序组成。根据各工艺特点要求，冲孔工序必须在拉深之后、冲零件上部的环形孔须在弯曲之前、落料须在最后。因此，工序顺序可按一次拉深→二次拉深→冲孔（零件上部的环形孔和底部圆孔）→弯曲→落料依次或者相邻工序组合进行。

2.2 排样图设计

能否实现有效、合理和精确的定位是多工位级进模排样图设计成败的关键，包括初始定位、中间定位和末尾定位。定位装置一般有导料板（或者导料销）、挡料销、导正销和侧刃几种形式，为使板料或带料能够稳定的向前送进，一般情况下导料板（或者导料销）都应采用。若采用导料板和挡料销定位，为能够实现初始定位和末尾定位，需要在级进模的每一个工位上都设计挡料销进行定位，加大凹模的制造难度、增加生产成本，且难以实现精确的定位，产品质量难以有效保证。因此，本案例应采用导料板和侧刃定距进行排样。

（1）确定搭边值。根据文献[4]可得：工件间搭边取最小搭边值a=1.5 mm，采用侧刃定距时的侧面搭边a=0.75×a1=0.75×1.8 mm=1.35 mm。

（2）确定步距：如前述计算过程相同，故步距h=11.02 mm。

（3）确定条料宽度。如前设计过程，在确定条料宽度前，应考虑零件外形轮廓的成形，避免凸、凹模刃口出现锋锐的尖角，因此同样应将成形外轮廓圆角的凸模设计成悬臂形式，根据前述计算过程，取悬臂的最小宽度B悬=1mm。

根据文献[4]可知，采用侧刃定距的方式时条料宽度的计算公式如下：

b=（Lz+2 a+nb1+2B悬） （2-1）

式中：b——条料宽度，mm；

Lz——工件垂直于送料的方向最大的距离，由前述计算得Lz=24.96 mm；

a——采用侧刃定距时的侧面搭边，a=1.35 mm；

?——条料宽度的单向偏差，根据文献[4]可知：?=0.4 mm；

n——侧刃数，取n=2；

b1——侧刃切去的条料的宽度，根据文献[4]可知：b1=1.5 mm；

代入公式（2-1）计算得到b=32.66mm。

（4）画排样图。排样中采用侧刃来定位，成形工序顺序为：一次拉深（第一工位）→二次拉深（第二工位）→冲零件上部的环形孔和底部圆孔（第三工位）→冲零件外形轮廓（第四工位、第五工位）→弯曲（第六工位）→落料（第七、八工位），排样图如图3所示。

（5）材料利用率。如前述计算过程，=×100%=29.56%。

由上述分析计算过程可得：采用导料板（或者导料销）和导正销定位时，需要在条料侧边增加导正销孔位置，孔的尺寸为Φ1.5mm，在冲孔该小孔时，凸模易折断，且后续导正销也难以准确定位。采用导料板和侧刃定距时，能限定条料的步距距离，实现有效、合理和精确的定位，因此有较高的送料精度；在材料利用率方面，虽增加了侧刃切边的宽度，但却省去了导正销孔位置，因此材料的利用率并不会显著降低，经过计算发现反而有所提高。

由以上分析计算结果可知：在设计成型该零件级进模机构和排样图时，条料的定位机构应选用导料板和侧刃是合理的。

3 结论

通过对包含冲孔、落料、拉深和弯曲工序在内的多工位多工序级进模设计过程中的工艺设计和排样设计过程进行分析，能够得出如下结论：

（1）在确定排样图的步距时，不能简单的以零件的轮廓尺寸加上搭边值来确定，应将拉深部分坯料的展开尺寸考虑在内；

（2）在排样图设计过程中可将凸模设计成悬臂形式以避免凸、凹模刃口出现锋锐的尖角；

（3）在计算一个进距内材料的利用率时，对于拉深部分应以其对应的坯料展开表面积进行计算。

参考文献：

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