轴承坯料机械手轴盖3D多工位级进模设计

摘 "要：针对轴承坯料机械手轴盖制件一套三件的成套冲压成型生产要求，运用3D设计软件UG设计了一副11工位连续级进模用于轴盖成套制件的生产。模具中所设计的11工位包括冲孔、落料、拉深、翻边、侧切、侧冲孔等工艺成型手段，模具达到的效果是材料利用率达到64.23%，制件生产效率可达45套/min，模具制造成本降低5%。相比于传统多工序多套单冲模成型工艺，生产效率提高10倍以上。模具中，使用1次拉深成型、3次精修，对多级拉深成型件进行加工能有效降低制件加工难度；使用步进电机送料，氮气弹簧压料和顶料，使模具设计难度大为降低；使用了两种楔紧块驱动型侧滑块机构对制件进行工艺面切除加工和精整形，及燕尾槽压块驱动上模侧冲孔滑块机构使制件的侧面加工得到了可靠保证。使用UG设计软件设计了模具的3D结构，较之于2D排位设计方法，更能有效避免设计缺陷，模具设计效率和可靠性更高。

关键词：UG；冲压成型；级进模设计；3D模具结构；滑块机构；拉深；冲孔；翻边成型

中图分类号： TQ320.66+2 """""""文献标志码：B

Design of 3D multi station progressive die for bearing blank robot shaft cover

WANG Zhimin1，XIAO Guohua1*，WANG Donggang1，LIYafeng1，

XU Sheng1，LI Wenbing1，SHAO Zhong1， YU Jian2

（1. Zhejiang Business and Technology Institute， Ning Bo 315000， Zhejiang， China；

2.School of Mechanical and Electrical and Transportation of Jiaxing Nanyang

Polytechnic Institute， Jiaxing 314031， Zhejiang， China 314031）

Abstract： "A set of 11 station continuous progressive die was designed using 3D design software UG to meet the production requirements of a complete set of three parts stamping for electric vehicle axle cover parts. The 11 workstations designed in the mold include punching， blanking， deep drawing， flanging， side cutting， side punching and other process forming methods. The mold achieved a material utilization rate of 64.23%， a production efficiency of 45 set/min， and a 5% reduction in mold manufacturing costs. Compared to the traditional multi process and multi set single die forming process， the production efficiency was increased by more than 10 times. In the mold， using one deep drawing process and three precision repairs to process multistage deep drawing parts can effectively reduce the difficulty of workpiece processing; The use of a stepper motor for feeding， nitrogen spring for pressing and top feeding greatly reduces the difficulty of mold design; Two types of wedge block driven side slider mechanisms were used to cut and refine the process surface of the workpiece， and the dovetail groove pressure block driven upper mold side punching slider mechanism ensured reliable side processing of the workpiece. The 3D structure of the mold was designed using UG design software， which can more intuitively avoid potential design defects compared to the 2D placement design method. The mold design efficiency and reliability are higher.

Key words： UG; stamping forming; progressive die design; 3D mold structure; slider mechanism; deep drawing; punching; flanging forming

0 "引 "言

级进模生产制造中，依靠传统的二维排位图来设计和制造多工步级进模已逐渐成为一种比较落后的模具生产制造方式。模具设计的关键在于如何更好地设计和控制模面间隙，因而高效、高精度级进模的设计关键在于模面的设计，而非模具结构设计本身［1-5］。模面间隙的准确控制，即模具高精度的实现，关键因素在于关键零件的装配间隙控制和零件本身的成型尺寸精度［6-9］。这些目标的实现，依靠传统的二维排位设计方式很难做到，当下能实现这些目标的较为先进的方式是采用3D排位设计来进行面向制造的级进模结构设计。轴承坯料机械手轴盖制件是轴承坯料机械手中控制动力输出轴转动的一个重要零件，该制件的大批量生产制造要求中，成型精度要控制在IT7～IT8级，本文结合该制件的生产，运用UG软件相关三维设计模块，设计了一种11工位级进模用于该制件的批量生产，模具一模出三件，以下是该模具的具体3D设计过程。

1 "轴盖制件

轴承坯料机械手轴盖制件共有3件，分别为轴盖上半壳、轴盖下半壳和中间过渡件。轴盖上半壳和轴盖下半壳结构相同，轴盖上半壳的形状如图1（a），1（b）所示，中间过渡件的形状如图1（c），1（d）所示。轴盖上半壳制件为扇形蝶状件，分为两层，在其上部的第一层半圆台的台面上，设置有半圆弧孔C1，半圆弧孔C1的弧线上，设置有2个半圆弧孔C2、C3，该台面上还设置有2个小圆孔H1、H2。第一层半圆台的台面的支撑为扇形圆柱壁B1。第一层半圆台的台面边缘设置有翻边F1、F2。第二层半圆台的台面的支撑为扇形圆柱壁B2，B2上设置有2个壁孔H3、H4。圆柱壁B3与圆柱壁B2下端通过圆弧过渡连接。圆柱壁B2上端中间部位还有移除压平斜平面T1。制件内壁形状如图1（b）所示。中间过渡件形状如图1（c）和图1（d）所示，其主体片上开设2个孔H6、2个孔H7和2个桥拱形孔D1，其两端为凸包筋J1和J3，位于凸包筋J1的一段，设置有1个卡座，卡座上设置了1个孔H5、2给翻边壁B4和1处凸包筋J2。制件材料使用ST14，料厚T=0.8mm。

制件基本尺寸如图2所示。图中未注公差±0.06；未注角度公差±0.5°。从图2可以看出，该零件形状较为复杂，制件的高度差比较大，存在多处局部成型特征，成型轴盖半壳制件时，板料的变形不仅包括有拉延成型，而且还存在冲孔、切边、侧切、翻边等成型方式，中间过渡

2 "成型工艺方案

制件冲压成型工艺路线的确定，必须分析和预测成型过程中板料变形可能会产生的缺陷，工艺的制定就是要针对这些潜在的缺陷，采取一定的措施和办法，以消除和防止冲压缺陷，同时考虑制造能力、冲压设备、投资成本等因素的影响，并进行优化组合［10-14］。

2.1 "零件工艺分析

3个制件要求同模生产，其成型工艺特点分析如下。针对两个轴盖半壳制件，如图1（a）和图2（a）所示，图1（a）中，压平斜面T1处，由于拉延过程中，其材料的成型流动与第二层圆台和圆柱壁B2制件的连接圆角的流动不一致，且形成反成型形状，这一特征的成型不能依靠外部材料的流动来进行补充，只能以减薄胀形成型方式来实现，且转角部R较小，此处在拉延成型中容易出现开裂［15-17］。 轴盖半壳制件中，圆柱壁B1和圆柱壁B2形成两个台阶，圆柱壁B1台阶高8.7mm，圆柱壁B2台阶高25.4mm；此两台阶若采用一次拉延直接成型，第二层圆台面需要有一定压边力，否则在径向拉应力和切向压应力的作用下，该圆台面容易产生皱褶。同样，对于圆柱壁B3，由于其须通过翻边成型，在成型圆柱壁B2面时，圆柱壁B3原材料为圆柱壁B2的压边平面，若压边力不够，圆柱壁B3原材料压边平面容易起褶皱。圆柱壁B3成型后，需要进行修边，以保证制件的整体成型高度62.7mm的控制公差。

轴盖半壳制件中，有三处翻边存在潜在成型缺陷问题。缺陷问题主要体现为两个方面，一是翻边变形，另一个是翻边回弹［18-20］。一是圆柱壁B3由平面扇形带翻边成圆柱壁形状，此翻边有两个方向都存在伸长问题；在翻边的冲压方向，成型后圆柱壁的周向都存在伸长问题，需要做一定量的切除；圆柱壁B3翻边也存在一定回弹变形，需要修正；翻边F1、F2的翻边成型属于伸长翻边变形，也需要做一定量的修正加工。

针对中间过渡件的加工，主要是2个B4壁的翻边成型中，翻边回弹需要进行修正，另一个是桥拱形孔D1与孔H7之间的搭边料比较少，单步冲裁时搭边易变形，破坏孔D1和孔H7的成型形状和尺寸。

制件的生产中，实际上精确地确定圆柱壁B3、翻边F1、F2的翻边间隙是相当复杂的，影响翻边间隙的因素相当多，有些因素不可控，从工序件本身的形状、翻边展开的精确程度，到板料厚度公差、模具制造精度以及压力机的导轨间隙，都对其产生影响，因此，翻边间隙需要在模具调试时最后确定［21-24］。由上面的工艺分析可知，本次三件合一的组合件成型难度比较大，成型工艺较为复杂。

2.2 "工艺方案的制定

根据本零件的工艺性和本身的结构特点，结合实际生产情况，三件合一的组合件的工艺过程设计如下。

1） 材料厚度为0.8mm，优化材料的利用率之后，模具冲一次出三个制件，坯料设计为如图2所示双蝶形布置。坯料P1、P2各用于1个制件的成型，坯料P3用于级进连续成型中间连接件。经计算，材料利用率64.23%。料带所选用材料ST14，材料成型参数如下：弹性模量E=2.07×105MPa；各向异性指数r-0=1.87， r-45=1.27， r-90=2.17；泊松比ξ=0.28，硬化指数n=0.2，摩擦系数u=0.125，经计算，压边力初设为T=80t。ST4是一种冷连轧低碳钢板，出厂状态为FB（较高级的精整表面）；屈服强度σs≤280MPa;抗拉强度σb=165MPa，断后伸长率≥28%（L0=80mm， b=20mm）。

2） 本制件的生产模具采用连续级进模结构，具体工序设计如下。成型由11道工步组成，分别为P1～P11，如图4所示。

F0—料带前进方向；P1～P11—成型工步编号；B1～B4—成型壁；C1～C3—成型半圆弧孔；D1—成型桥拱形孔；F1、F2—成型翻边；H1～H7—成型孔；J1～J3—成型凸包筋；T1—成型压平斜平面；B1′～B4′—半成型壁；F1′、F2′—半成型翻边；H6′—半成型空；J1′～J3′—半成型凸包筋；T1′—半成型压平斜平面；

各工步成型特征分别如下：

第一工步P1：冲裁成型轴盖上半壳、下半壳坯料第一部分外形轮廓；冲裁中间过渡件的孔H5和粗冲2个孔H7′。

第二工步P2：冲裁成型轴盖上半壳、下半壳坯料剩余的第二部分外形轮廓；粗翻边中间过渡件的2个壁B4′、粗拉深凸包筋J1′、J2′、J3′，冲裁2个桥拱形孔D1，预压2个粗加工孔H7′。

第三工步P3：粗拉深轴盖上半壳、下半壳的第一层、第二层圆台台面，扇形圆柱壁B1′、圆柱壁B2′，半成型压平斜平面T1’；精整成型中间过渡件的凸包筋J1、J2、J3到位，精整2个壁粗翻边B4′至壁B4到位；精整2个粗加工孔H7′至成型孔H7。

第四工步P4：轴盖上半壳、下半壳不加工；粗冲中间过渡件的2个孔H6′。

第五工步P5：精整轴盖上半壳、下半壳的粗加工壁B1′、B2′、平面T1′至成型壁B1、B2、平面T1到位，冲裁切除两端侧壁工艺补充面（切边）；精冲中间过渡件的2个粗孔H6′至成型孔H6到位。

第六工步P6：粗翻边成型轴盖上半壳、下半壳的翻边F1′、F2′ 。

第七工步P7：精整翻边成型轴盖上半壳、下半壳的翻边F1′、F2′至成型翻边F1、F2到位；粗成型圆柱壁B3′翻边。

第八工步P8：精整翻边粗成形圆柱壁B3′至成型圆柱壁B3；并切除壁B3下端的翻边侧壁工艺补充面。

第九工步P9：空工位。

第十工步P10：再次精整轴盖上半壳、下半壳圆柱壁B3翻边，冲孔H1、H2，侧冲成型2个孔H3、H4。

第十一工步P11：轴盖上半壳、下半壳与中间过渡件落料，成型半圆弧孔C1～C3，获得一模三件；中间过渡件与料带落料分离。

3 "级进连续成型模具结构设计

传统的二维技术不能满足企业对模具开发周期和质量的要求，三维模具设计能直观反映设计的真实状态，使加工者准确地理解设计者的意图，方便员工识图及加工。三维实体设计通过运动模拟和干涉检查等分析手段，可提前发现问题，指导生产，使模具设计更快捷、方便、合理、科学。本零件各工序模具结构设计采用UG软件进行三维建模，以下是11工步的连续级进模具结构设计。

3.1 "模具整体结构

级进模具整体结构如图5所示，级进模具中，针对各工位的结构和布置各有所不同，分别

如下：针对工位P1按冲孔模结构进行设计；工位P2按冲孔+翻边复合模结构进行设计；工位P3按拉深模进行设计；工位P4按冲孔模进行设计；工位P5按冲裁+拉深复合模进行设计；工位P6按翻边模进行设计；工位P7按翻边模进行设计；工位P8按侧冲复合模进行设计。工位P9按空位设计。工位P10按侧冲孔+精修+冲孔模进行设计；工位P11按落料模进行设计。

模具整体结构中，模架模板由下模座板33、上模座板73构成，为便于在冲床上安装、降低模具自重和节省模具材料，下模座板33、上模座板73上分别设置了多块下模高度垫块34、上模高度垫块81。模具的开闭运动导向和定位使用了4套导柱39/导套80组成的滚珠导柱机构进行导向和定位，同时，由于工位P10设置有4个角度的侧冲加工滑块机构，设置了2组方由方导柱65/方导套25组成的导向机构，用于增强模具在进料方向的定位稳定性。不同于传统弹簧压料、卸料和顶料机构设计，模具中所有压料、卸料和顶料动作都使用氮气弹簧37、82等完成下模、上模中的压料、卸料和顶料动作。料带在模具中的步进动作由步进电机推动料带经进料台1而进入模具中，并在工位P1设置由导向块41构成的导向槽进行导向，料带上工位P1冲出的孔H5作为后续工位的料带定位孔，上模一侧每个工位配套设置一个定位销52，在冲压时插入孔H5和下模对应的孔中以保证料带的定位准确性。为防止冲压时局部区域压力过大，模具上均衡设置了多个平衡圆柱27、28和平衡方块67等用于平衡各处冲压力，防止成型零件损坏。由于模具由各工位不同用途的冲压模具复合而成，各工位模具中，对上模一侧的压

1—进料台；2—H5孔凹模；3—坯料外形凹模；4—H7′凹模；5—B4′凸模；6—坯料外形边角凹模；7—拱形孔D1凹模；8—B4凸模；9—B1′/B2′拉深凸模;10—H7孔凹模；11—孔H6′凹模；12—坯料切边凸模；13—孔H6凹模；14—F1′/F2′粗翻边凸模；15—成型F1/F2粗翻边凸模；16—B3翻边成型凸模；17—侧切滑块；18—空位板；19—燕尾槽压块；20—侧压精整滑块；21—孔H1/H2凹模；22—切断凹模；23—分离凹模；24—料带位置测量器；25—方导套；26—中间导向条；27、28、72—平衡圆柱；29、31—挡块；30—滑块体；32—平衡块；33—下模座板；34—下模高度垫块；35—高度微调气缸；36—板料传感器；37、76、82—氮气弹簧；38—吊钩块；39、79—压板脚块；40—圆导柱；41—导向块； 42—镶块；43—H5孔凸模；44—坯料外形凸模；45—H7′凸模；46—J1′/J2′/J3′凹模；47— 外形边角凸模；48—料带定位销；49—B4′凹模；50—H7凸模；51—B4凹模；52—拱形孔D1凸模；53—B1′/B2′拉深凹模；54—孔H6′凸模；55—坯料切边凹模；56—孔H6凸模；57—F1′/F2′粗翻边挤压块；58—F1/F2精整翻边挤压块；59—B3′粗翻边凹模；60—B3精翻边凹模；61—孔H3/H4侧冲滑块机构；62—切断凸模；63—分离凸模； 64、69、74、84—压料板；65—方导柱；66—弹簧；67—平衡方块；68—楔紧块；70、81—上模垫高块；73—上模座板；75—传感器；77—垫块；78—等高杆；80—圆导套；83—压板导柱；P1～P11—工位编号料板的使用要求不同，模具不能采用统一的压料板进行压料。因而，如图5（b）所示，模具压料板的设计依据各工位的使用要求而拆分为压料板64、69、74、77、84。

模具中，对应于各工位的成型需要，成型件通过螺丝紧固分别安装在下模座板33、上模座板73上，压料板64、69、74、77、84使用多个压板导柱83安装在上模座板73上，其安装情况为：压板导柱83安装在上模座板73上，其配套导套安装在这些压板上。

3.2 "分工位模具结构设计

模具的11个工位的结构设计中，各分工位的结构设计分以下情况：第一种情况为工位P1、P2、P4、P6、P9、P11都采用同类型冲孔裁边结构；第二种情况为工位P3、P5、P7采用同类型拉深+冲孔结构；第三种情况为工位P8、P10采用同类型冲孔+侧冲孔结构，工位P10不同于工位P8的地方在于，工位P10增加了4个挤压块驱动型滑块侧冲孔机构。以下是模具各分工位的具体结构设计。

针对第一种情况，工位P1、P2、P4、P6、P9、P11都采用单次冲裁模结构形式，以工位P1的为例，模具结构设计如图6（a）所示，坯料外形凸模44、H5′孔凸模43 安装在上模板73上，坯料外形凹模3、H5′孔凹模2安装在下模板33上，压料板84由氮气弹簧82等进行驱动，并由导柱83进行导向，压力机下行时，压料板先接触料带而将其压住，直到坯料外形凸模44、H5′孔凸模43插入坯料外形凹模3、H5′孔凹模2中而在料带上完成第一工位P1的成型任务。坯料外形凸模44、H5′孔凸模43与对应的坯料外形凸模44、H5′孔凸模43冲裁间隙为单边0.02mm。

针对第二种情况，工位P3、P5、P7都采用单次冲裁+单次拉深模结构形式，以工位P3的为例，模具结构设计如图6（b）所示，拱形孔D1凸模52、B1′/B2′拉深凹模53等固定在垫块77上，B1′/B2′拉深凸模9、H7孔凹模10安装在下模板33上，料带中心有定位销子85定位，上模下行时，B1′/B2′拉深凹模53将坯料压在B1′/B2′拉深凸模9上而完成粗拉深成型。拉深完成后，PL免打开时，则由氮气弹簧顶出。该工位的冲孔加工动作同工位相同。

针对第三种情况，工位P8、P10都采用带侧冲型冲裁模结构形式，工位P8、工位P10的模具结构设计如图7所示。如图7（a）所示，工位P8PL—开模面 ；图中其余编号同图5；86—侧冲孔型芯；87—侧冲滑块；88—导轨式楔紧块的作用是由B3精翻边凹模60精修壁B3′后，再由楔紧块68驱动滑块体30推动侧切滑块17切除B3工艺面翻边余料，由于成型后的B3壁还有一定的回弹，因而，如图7（b）所示，在工位P10处再使用一次侧滑块驱动的侧压精整滑块20进行精修。工位P10处精修采用回弹处理办法中的负角回弹修正法进行修正［18-19］。工位P10处的滑块机构与工位P8处的相同，只是滑块形状和作用不同。工位P10处也有冲孔加工（H1、H2孔），其成型件的结构设置同工位P1相似。工位P10处还设计了4个位于上模一侧的侧冲孔滑块机构，如图7（b）所示，机构在模具闭合时，由于燕尾槽压块19的限位顶住，导轨式楔紧块88将通过斜面压迫侧冲滑块87在燕尾槽压块19移动，从而驱动侧冲孔型芯86完成孔H3、H4的侧加工。

多工位模具结构设计中，由于在成型过程中都不是全周修边，因而局部工位会产生较大的侧向力，在上下模之间利用中间导向条26、方导柱65进行抵消。模具中的各冲裁成型件材料都使用ICD5 （空冷钢），口部分火焰处理HRC56～60。翻边凸模、凹模材料均为MoCr铸铁，需对整形圆角进行火焰处理。压料板材料为HT300，模板73、33材料使用45钢。

4 "结 "论

结合轴承坯料机械手轴盖制件一套三件同模冲压成型的要求，设计了一副11工位连续级进模用于盖套制件的生产，料带材料利用率64.23%，制件生产效率可达45套/min。

模具中，针对制件的加工使用了冲孔、拉深、翻边、翻边整形、侧冲孔、侧切等设计办法，通过11个工位连续递进可靠地实现了制件的按标生产。工位中的楔紧块驱动型滑块切边和整形机构、燕尾槽压块驱动上模侧冲孔滑块机构工作可靠性高，生产效率高。

不同于传统的纯机械式级进模设计，本模具中使用步进电机驱动送料机构进行送料，使用氮气弹簧、机械弹簧等共同进行压料、顶料，在保证模具动作高效可控的同时，降低了模具制造难度，使模具制造成本降低5%左右。

运用三维设计软件设计三维连续级进模具，相比于二维设计，通过软件中干涉检查等工具，更容易直观地发现复杂级进模设计中存在的潜在缺陷，使得模具设计效率更高，更为可靠。

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基金项目：浙江工商职业技术学院科研项目：轴承坯料三自由度搬运机械手设计（编号：KYND202202）；宁波市重点研发计划资助（编号：2022Z049）；宁波市公益性研究计划（编号：2022S129）。

作者简介：汪志敏，讲师，主要从事机电一体化应用方面的研究。

*通信作者：肖国华，副教授/高级工程师/高级技师，主要从事塑料模具设计与制造及机械制造教育等方面的研究。

（1.浙江工商职业技术学院 "机电工程学院，浙江 "宁波 "315000；

2.嘉兴南洋职业技术学院 "机电与交通分院，浙江 "嘉兴 "314031）