基于PDW电器插座级进模设计

代洪庆

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319）

1 引言

采用传统方法设计冲压模具时，通常先分析制件的结构工艺性，再进行工艺计算，最后利用绘制二维装配图和零件图。这种设计方法在设计简单冲压模具时，具有方便、灵活、快捷的特点。但在设计较复杂的多工位级进模时，模具结构不直观，易出错，且工艺计算量大，严重影响了设计效率[1]。PDW（Progressive Die Wizard 级进模设计向导）是Siemens 公司基于NX三维软件开发的、针对多工位级进模设计的专业模块。软件具有钣金零件设计、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、排样设计、冲压力计算、模具结构设计、添加模具标准件等功能。相比于传统二维模具设计方法，采用PDW模块能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量[2]。本文以PDW模块为设计平台，介绍了某电器插座多工位级进模的设计过程。

2 设计准备

在多工位级进模设计前，应先建立钣金件模型，计算钣金件毛坯的展开尺寸，确定中间各工步的形状和尺寸，为后续设计做准备。

2.1 创建电器插座钣金模型

在NX 软件中创建钣金模型有两种方法：第一种方法是在建模模块中建立工件模型，然后利用钣金识别命令，识别模型中钣金特征，并确定冲压的基准面；第二种方法是利用NX软件中的钣金模块创建电器插座的模型。本文采用第二种方法创建的钣金模型如图1 所示。此电器插座材料为QSn6.5-0.1，板料厚度1.5mm，年产量为100万件。制件中间为Z字形折弯，顶部有一个φ6.2mm的圆孔，两侧为90°的直角弯曲。

图1 电器插座零件图

2.2 钣金件展开

当冲压工序中有弯曲、拉深和胀形等成形工序时，先要把钣金件展开，得到钣金件的毛坯尺寸[3]。与传统的毛坯展开计算不同，PDW模块可以定义折弯系数和材料力学性能，自动计算出毛坯尺寸。展开后得到的钣金件毛坯长度为58.404mm，宽度为43.404mm，如图2所示。

图2 毛坯尺寸

2.3 定义各中间工步

定义中间工步是在软件中创建各个中间工步的钣金件模型，其目的是为创建各中间工步的凸模、凹模做准备。定义中间工步命令可以创建一个装配结构，该装配结构利用了NX 的Wave 技术，各中间工步之间具有关联性，即其中一个工步发生更改，其后续工步也会随之发生改变[4]。此例中电器插座的弯曲成形是在2 个工步完成的，由于弯曲工步前要设置2个冲切废料的工步，所以，设置中间工步数量为3，起始工步为3，步距为60mm。创建的各中间工步如图3所示。

图3 各中间工步

3 工艺设计

3.1 初始化项目

前期的准备工作做好后，即可将设计好的钣金模型导入到PDW 模块，然后用初始化项目命令创建一个工程项目，在这个工程项目中可以设置工程的基本信息，如项目的名称、项目文件存储的位置、钣金件的材料和板料厚度等。

3.2 毛坯布局及废料设计

利用毛坯布局命令导入展开好的毛坯模型，通过调整毛坯的位置、间距、角度和排列方式，设计出毛坯的布局。为了提高材料的利用率，本例毛坯布局采用双侧对排，步距为60mm，条料宽105mm，材料的利用率为31.94%。如图4所示。

图4 毛坯布局

为了得到毛坯的外形，必须将毛坯间的多余废料冲裁掉。在废料设计时应将废料分解成多个简单形状，以便提高冲废料凸模的强度，且要注意各废料之间由于不恰当的分解产生的毛刺、尖角、不圆滑等质量缺陷[5]。如废料1 和废料2 之间应有少量重叠部分（0.5mm过切），板料共设计了15块废料如图5所示。

图5 废料设计

3.3 排样的设计与仿真

条料排样可以设置冲压的工步数，并将中间工步安排到条料的具体位置，通过仿真冲裁产生3D条料。本例中电器插座有4处弯曲，中间的Z字形弯曲和两侧的90°弯曲。中间的Z字形弯曲可以采用一次弯曲成形，但考虑弯曲后回弹较大，且尺寸精度不易保证，所以采用先向向下弯曲，再向上弯曲的方法来成形。为使冲压件不偏移，两侧的弯曲应同时进行。排样图如图6所示，第1工步：冲定位孔，双成形侧刃冲切周边余料，冲切中间废料，为以后的成形工艺做准备；第2工步：冲切余料；第3工步：冲φ6.2mm孔；第4工步：一次弯曲；第5工步：弯曲成形；第6工步：切断。

图6 排样图

3.4 计算冲压力及确定压力中心

计算冲压力是为了选择合适的冲压设备，同时也为校核工作零件的强度做准备。冲压力不仅包括冲裁力，由于冲压件需要两次弯曲，所以包括弯曲力。冲压力一般是根据经验公式计算，压力中心即为冲压力合力的作用点，由于冲压力分布不均匀，为了防止模具发生偏磨，计算的压力中心应与模具的中心相重合。确定压力中心可采用解析法和悬挂法，制件越复杂，计算量越大。采用PDW 模块的冲压力的计算命令可自动计算出冲压力和压力中心。经计算冲压力为361628.430N，压力中心坐标为（-124.440,0,0）。图7中的圆点即为压力中心，此点应与模板的中心重合。

图7 压力中心

4 模具结构设计

结构设计包括选择模架，设计冲裁弯曲工序的凸模、凹模，选择适合的螺钉、销钉、卸料螺钉、导柱、导套等标准零件。

4.1 加载模架

模架是模具的主体结构，它用于连接级进模的所有零件，并承受冲压过程中的全部载荷。所以，模架应具有足够的强度和刚度，保证级进模在冲压过程中不变形，不被破坏。PDW提供标准模架库和模架的编辑和修改工具，具体参数：模架选择DB_UNIVERSAL1目录下的9plate 模架。规格为600×200mm，即从上到下依次为上模座、上模垫板、凸模固定板、卸料板背板、卸料板、凹模板、凹模垫板、下模座和模脚。由于模具较为复杂，为了便于修磨模具，卸料板和凹模板的结构采用并列组合式，由两个部分组成，一部分为弯曲成形区域，另一部分为冲裁区域。

4.2 冲裁模设计

PDW 模块为用户提供了标准圆形冲裁凸模和凹模，图8 所示为第1 工步的冲定位孔的凸模。同时对于异形凸模也提供了用户自定义的设计方法，如第2工步的冲废料凸模，如图9所示。本例中模具结构紧凑，模具件的空间较小，凹模采用整体式凹模，采用线切割和坐标磨床加工，即加工方便又容易保证加工的尺寸精度。

图8 标准圆形凸模

图9 异形凸模

4.3 弯曲模设计

第4工步向下折弯，采用的标准折弯凸模镶件，利用螺钉固定在凸模固定板上。同时为了防止凸模弯曲，增加了固定在下模反侧压块，凹模直接在凹模板上加工。第5工步的弯曲模具与此类似，这里不一一赘述。其整体弯曲模具如图10所示。

图10 弯曲模

4.4 其它辅助零部件

其它辅助零部件如导向装置、定位零件和卸料零件，多数都可以选择标准零件如图11所示，PDW的零件库中提供了大量的标准件。

图11 辅助标准零件

定位装置是第3 工步和第5 工步前，采用φ5.94mm 的导正销导正。为了保证模具的精确导向，采用了4 个可拆卸式外导柱导套，板内采用10个小导套。卸料板采用卸料螺钉吊装在上模。本例的卸料螺钉采用组合式，由内六角螺钉、垫片、套管和弹簧组成，卸料螺钉对称分布，工作长度保持一致。

4.5 模具整体结构

模具整体结构如图12所示。

图12 模具整体结构

5 结束语

PDW 模块为多工位级进模设计提供了全流程的解决方案，钣金设计、毛坯展开、排样设计、计算冲压力、模架设计、加载标准零件，这些功能极大地提高设计者的工作效率，缩短了所需的设计时间。