中心轴托架模具及其弯曲工艺设计.docx

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中心轴托架模具及其弯曲工艺设计

第一章工艺分析

一、工件分析

二、确定工艺方案

三、工艺方案的比较

四、毛坯展开尺寸计算

五、弯外角的计算

六、弯内角的计算

七、凸凹模宽度尺寸的计算

八、排样方案及其计算

九、各工序冲压力的计算和设备的选取

十、制定工艺卡片

第二章弯外角模具结构件的选择

一、模架设计

二、冲模闭合高度计算

三、模柄

四、压力中心的计算

五、凸凹模的结构设计

六、卸料装置

七、卸料弹簧的选择和安装

八、定位装置

九、模具的总装图及爆炸图

第三章弯内角模具结构设计

一、模架

二、模柄

三、凸凹模结构设计

四、推件装置

五、定位装置

六、凹模固定板

七、螺钉和螺销

八、模具总装图及爆炸图

第一章工艺分析

加工工艺的确定需要考虑多种因素，最重要的是要兼顾质量及效率。

下面将对托架的加工工艺选择做详细阐述。

1、工件分析

此模具用于加工下图所示的机床中心轴托架，材料为08钢。

图3-1工件二维图

该工件是中心轴托架工件，φ10mm孔内装有心轴，托架通过4个φ5孔及机身连接，为保证良好的装配工件，5个孔的公差等级均为IT9级，表面不允许有严重的划伤，该零件选用08钢，其弯曲半径均大于该种材料的最小弯曲半径，且工件精度要求不高，不需要校形，所有的孔可用高精度冲模冲出。

因此，该零件还可以用冷冲压加工成形。

本设计只考虑工件的弯曲。

弯曲件的工艺性主要考虑以下几个方面。

（1）弯曲半径

弯曲件的弯曲半径不宜过大和过小。

过大因受回弹的影响，弯曲件的精度不宜保证；过小时会产生拉裂。

弯曲半径应大于材料的许可最小半径，否则应采用多次弯曲并增加中间退火的的工艺，或者是先在弯曲角内侧压槽后再进行弯曲。

（2）直边高度

保证弯曲件直边平直的直边高度H不应小于2t（t为弯曲件厚度），否则需先压槽或加高直边（弯曲后再切掉），如图3-3所示。

（3）孔边距

如果弯曲毛坯上有预先冲制的孔，为使孔不发生变化，必需使孔置于变形区之外，即孔边距L（图3-4）应符合以下关系。

当弯曲件厚度t<2mm时，L≥t；t≥2mm时，L≥2t。

图3-3弯曲直边高度要求图3-4孔边距

图中工件两边的孔边距为11mm（>1.5mm）,中心孔φ10mm孔边距为7.5mm（>1.5mm）,均满足要求。

（4）形状及尺寸的对成性

弯曲件的形状及尺寸应尽可能对称，高度也不应相差太大。

当冲压不对称弯曲件时，因受力不均匀，毛坯容易偏移，尺寸不易保证。

为防止毛坯的偏移，在设计模具时应考虑增设压料板、定位销等定位零件。

如图3-1所示，本次设计的工件形状完全对称。

（5）部分边缘弯曲

当局部弯曲某一段边缘时，为了防止在交界处由于应力集中而产生断裂，可预先冲裁卸荷孔或切槽，也可以将弯曲线移动一段距离，以远离尺寸突变处。

二、确定工艺方案

根据给出的工件结构进行详细分析得出：

冲压该零件所需的基本孔为冲孔、落料及弯曲，其弯曲工艺方案有三种，因此，冲压工艺方案可以有以下几种。

方案一：

首先为冲孔（φ10mm）和落料的复合，然后为弯曲外部两角并使中间预弯45°，然后弯曲中间两角，最后冲4个孔（φ5mm），弯曲部分如图3-5所示。

方案二：

首先为冲孔（φ10mm）和落料的复合（同方案一），然后弯外部两角，然后压弯中间两角，最后冲4个孔（φ5mm，同方案一），如图3-6所示。

图3-5方案一工件变形路线图图3-6方案二工件变形路线图

方案三：

首先冲孔（φ10mm）和落料的复合（同方案一）直接压弯四角，最后冲4个孔（φ5mm，同方案一）如下图

图3-7方案三工件变形路线图

方案四：

冲孔（φ10mm），切断，弯外角，再弯内角，最后冲4个φ5mm孔（同方案一）。

方案五：

冲孔（φ10mm），切断，弯四角，冲4个φ5mm孔（同方案一）

方案六：

全部工序合并，采用带料级进冲压成形。

三、工艺方案的比较

综合运用弯曲模成型原理和模具设计技术对上述六个方案进行比较，可以得出如下结论。

①方案一的优点是：

模具结构简单，寿命长，模具的制造周期短；工件的回弹容易控制，尺寸和形状准确，表面质量高；除工序一外，各工序都能用φ10mm孔和一个侧面定位，定位基准一致且及设计基准重合，操作也比较方便。

缺点是：

工序分散，所用模具、压力机和操作人员较多，工作量较大。

②方案二和方案一相比，零件的回弹难以控制，尺寸和形状不明确，且同样存在工序分散、劳动量大、占用设备的缺点。

③方案三的工序比较集中，占用设备和人员少，但是模具寿命低，工件表面有划伤，厚度变薄，回弹不易控制，尺寸的控制不够精确。

④方案四的成形过程本质及方案三相似。

⑤方案五本质上业也及方案三相同，只是采用了结构比较复杂的级进复合模。

⑥方案六的特点是采用高度集中的连续模完成方案一中分散的各工序。

其生产率很高，但模具结构复杂，安装、调试、维修比较困难，制造周期长。

通过比较可以得出，当进行小批量生产时宜选择方案一。

但是进行大量生产时应采用方案六，即级进模生产的方式。

本次设计针对单件、小批量生产，故综合各种因素，采用方案一。

四、毛坯展开尺寸计算

首先根据工件结构图进行毛坯展开尺寸的计算，工件尺寸如图3-8所示

由《冲压工艺及模具设计》式（3-12）可得

式中：

Li--------直边长度；

ri----------弯曲半径；

x0----------应变中性层位移系数。

图3-8工件尺寸

考虑到弯曲时板料纤维的伸长，实际毛坯取L=107mm。

五、弯外角的计算

按照工艺方案一，首先应弯两45°外角，故对其进行工艺计算。

凸模圆角半径：

R/t=1.5/1.5=1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。

由《冲压工艺及模具设计》圆角半径选用原则可知，t=1.5mm<2mm时，

r凹=（3～6）t,故取

弯曲件凹模深度L0的计算如图5-9所示

凹模深度L0要适当。

若L0过小，则弯曲件两端的自由部分长，回弹大且不平直；如果L0过大，则凹模用料过多，且需要较大行程的冲床。

因此，L0的大小要根据弯曲件的要求确定。

如弯曲件直边的平直度要求高且冲床行程足够大时，可采用较大的凹模深度。

弯曲时，弯曲件全部被压入凹模中。

图3-9首次弯曲尺寸

通过粗略的几何计算可得

考虑到下一次弯曲会是工件变薄伸长，故L0取15mm。

此时由于内角的弯曲角度不大，故凸凹模的圆角半径粗略设为r凸=10mm，

r凹=20mm。

如果弯曲零件的角度不等于90°时，凸凹模的尺寸差值x及角度α有一正切关系，其尺寸为

式中A----正切差值，

。

此处，x=0.621mm。

此x对以后的凸凹模建模有用。

由于V形零件弯曲时，凸模及凹模之间的间隙是靠调整压力机的闭合高

度来控制的，因此不需要在设计制造

模具时确定间隙。

图3-10弯外角计算示意图

六、弯内角的计算

及弯角的工艺分析计算相同，弯内角的工艺计算如下：

R/t=1.5/1.5=1,大于其最小圆角半径，则r凸=1.5mm。

由《冲压工艺及模具设计》凸凹模的圆角半径选取规则，t=1.5mm<2mm时，r凹=（3～6）t,故取

由《冲压工艺及模具设计》弯曲凹模工作部分的几何尺寸表可知，L0=20mm。

由《实用冲压技术手册》关于V形和U形弯曲凸凹模间隙论述知：

对于V形件弯曲，间隙过大则制件精度低，间隙过小则弯曲力增大，制件直边薄且模具寿命降低。

合理的U形件弯曲凸凹模单边间隙可按下式计算：

C=t+Δ+kt

式中C———弯曲凸凹模单边间隙；

t———材料厚度

Δ———材料厚度正偏差

k———根据弯曲件高度h和弯曲线长度b确定的系数，可查《实用冲压技术手册》系数k值表。

t=1.5mm，设材料厚度无偏差，则Δ=0mm，k-0.05，可知

七、凸凹模宽度尺寸的计算

因为工件标注内形尺寸

式中B-----弯曲件基本尺寸；

Δ-----弯曲件制造公差；

δp、δd-----凸凹模制造公差，按IT6～IT8级公差选取。

查《机械设计课程设计》制造公差表，GB/T1804,Δ=0.21mm。

查《机械设计课程设计》标准公差IT值表，选取凸凹模的制造偏差IT8，则δp=δd=0.033mm，有

在制造过程中，其尺寸需按生产实践的经验进行修正，所以取：

。

八、排样方案及其计算

为了保证零件的精确、条料的强度和刚度，便于手工送料，采用单排有废料排样，据《冲压工艺及模具设计》搭边a和α1数值表查得：

a=1.0mm，α1=1.2mm。

由《冲压工艺及模具设计》表2-14查得：

Δ=0.5mm,计算出条料标称宽度

式中B——条料标称宽度，mm；

D——工件垂直送料方向的最大尺寸，mm；

α1——侧边宽，mm；

Δ——条料宽度公差，mm。

进距

A=B+a=30+1.0=31.0（mm）

选择板料规格为：

900mm

1800mm

先将板料剪切成17张900mm

105.88mm的条料，再利用此条料进行冲裁，通过公式

可计算出此条料可冲裁的工件数n1=28.82个，即可冲裁28个工件。

则在整个板料上可冲裁的工件为

n=n1

17=28

17=476（个）

材料的利用率为

可见此种排法的材料利用率很高，方案可行。

九、各工序冲压力的计算和设备的选取

由于本设计着重弯曲的设计计算，故对落料和冲孔工序以及冲4个φ5mm孔的工序不作讨论，只讨论两个弯曲工序。

（1）弯45°角

最大自由弯曲力为

式中C——及弯曲形式有关的系数，对于V形件C取0.6，对于U形件C取0.7；

B——料宽，mm；

k——安装系数，一般取1.3；

t——料厚，mm；

σb——材料强度极限，Mpa。

其中，08钢，σb=300Mpa，C取0.6，k=1.3，B=30mm，t=1.5mm，R=1.5mm，则F自=5265N。

校正力计算公式为

F校=pA

其中，A=1683mm2，取p=90Mpa，则F校=pA=151470（N）

顶件力的计算公式为

Fq=（0.3~0.8）F自

系数取为0.5，则Fq=0.5F自=2632.5（N）

根据F机≥F校和F机≥F自+Fq得F机≥151470N。

查《冲压模具简明手册》开式可倾工作台压力机主要参数表，选用压力机型号为J23-25，其公称压力250kN

（2）弯内角

最大自由弯曲力计算公式为

其中，C=0.7,k=1.3,B=30mm,t=1.5mm,R=1.5mm,σb=300Mpa则

=6142.5（N）

校正力的公式为

F校=pA

其中，A=750mm2取p=90Mpa，则F校=pA=67500（N）

顶件力的计算公式为

Fq=（0.3~0.8）

系数取为0.5，则Fq=0.5

=3071.25（N）

根据F机≥F校和F机≥F自+Fq得F机≥67500N。

查《冲压模具简明手册》开式可倾工作台压力机主要参数表，选用压力机型号为J23-16，其公称压力160kN。

第二章弯外角模具结构件的选择

按照加工工艺的的流程，首先弯外角，因此需要设计相应的弯外角模具。

本节将对弯外角模具的结构设计进行详细阐述。

一、模架设计

模架包括上模座、下模座、导柱和导套。

因为凸凹模及其固定板和垫板，是通过螺钉、销钉等及上模座、下模座连接在一起的，模架是模具和压力机的连接件，所以，模架具有重要的作用。

因此，对于精度要求较高、生产量大的冲压件，必须使用带有模架的模具。

重要的模具，如复合模、连续模、冲裁模等都必须使用模架。

成型模则要根据制件精度、模具间隙大小、压力机导向精度等情况考虑是否需要模架。

选择模架尺寸时要根据凹模的轮廓尺寸考虑，在长度、宽度上都应该比凹模大30～40mm，模板厚度一般等于凹模厚度的1～1.5倍。

选择模架时还要注意到模架及压力机的安装关系。

冲压模具的闭合高度应大于压力机的最小装模高度，小于压力机的最大装模高度。

通常小型冲模常采用后侧式、对角式或对称式的导柱型模架。

四角导柱式模架主要用于精度要求较高的冲压件和大型冲压件。

根据以上原则，选用后侧式导柱模架，如图4-1所示。

图4-1模架示意图

1-上模座；2-下模座；3-导柱；4-导套

凹模尺寸：

L=160mm，B=100mm，高度H=190～225mm。

Ⅰ级精度的后侧导柱模架型号为模架160

100

（19～0225）GB/T2581.3

后侧导柱上模座型号为：

160

100

40

后侧导柱下模座型号为：

160

100

50

导套型号：

A25H6

90

38GB/T2581.6

导柱型号：

A25h5

180GB/T2581.1

二、冲模闭合高度计算

冲模的闭合高度，是指冲模处于闭合状态（工作行程最低点）时，上模板的上平面至下模板的下平面的高度。

冲模设计时，必需使冲模的闭合高度和压力机的闭合高度相适应，通常应满足

Hmax-5≥H≥Hmin+10

式中Hmax——压力机的最大闭合高度，mm；

Hmin——压力机的最小闭合高度，mm；

H——冲模的闭合高度，mm。

在冲模结构中，计算冲模的闭合高度时，要区分两类不同的冲模：

对于冲裁累冲模—不需要考虑冲裁料厚（及料厚无关），但要考虑刃口进入量Δ。

对于变形类冲模——则应考虑制件的料厚t，如图4-2所示

H=h1+h2+h3+h4+t

式中H——冲模的闭合厚度；

t——制件的料厚；

h1——下模板的厚度；

h2——上模板的厚度；

h3——凸模的高度；

h4——凹模的高度。

由前面所选的弯外角压力机的规格为J23-25，公称压力250kN。

由《冲压模具简明手册》开式可倾工作台压力机主要参数表可知，压力机的最大闭

图4-2冲模闭合高度合高度Hmax=220mm最小闭合高度Hmin=160mm

所选冲模闭合高度H=210mm，在190~225范围之内，满足条件Hmax-5≥H≥Hmin+10

三、模柄

模柄对中小型模具用于固定上模，冲模的上模则通过模柄安装在冲床滑块上。

常用的有：

压入式模柄、旋入式模柄、螺钉固定式模柄等。

模柄一般采用Q235-A或45钢制成。

其直径大小必须根据选定压力机孔直径大小确定。

本设计采用标准的“压入式模柄”，模柄规格为：

A32*95TB/T7646.1。

四、压力中心的计算

冲压力的合力的作用点称为冲模的压力中心。

冲模的压力中心应及压力机滑块中心重合，否则冲压时会产生偏斜，导致模具和压力机急剧磨损。

对于简单形状冲裁及形状简单而对称的工件，如圆形、正多边形、矩形等，其冲裁时的压力中心即工件的几何中心。

由于这里研究的工件为对称形式，压力中心就在φ10mm孔上。

故不需考虑不规则形状冲裁的压力中心的求法。

确定了压力中心之后，在进行模具的装配时必须使模柄和压力中心在一条竖直线上，这样才不会产生弯矩，使模具磨损。

五、凸凹模的结构设计

凸模的结构设计涉及两大部分内容：

凸模工作部分和安装部分。

对于这两部分，直接完成冲压加工的是凸模工作部分，其形状、尺寸应根据冲压件的形状尺寸以及冲压工序和特点进行设计。

另一部分，即凸模的安装部分，大多数情况下是及固定板结合后安装在模座上。

凸模的安装形式有很多种，主要是由凸模冲压时受力状态、在模具中的安装位置、模具对凸模的要求，以及凸模自身形状及其工艺特性等因素所决定的。

其主要安装方式有以下几种：

①背台式固定法此种方法是采用较多的一种安装形式，多用于冲压力比较大，要求稳定性好的凸模安装。

②铆接式固定法凸模装入固定板后，将凸模上端铆出（1.5～2.5）mm

45°的斜面，以防止凸模脱落。

③螺钉及销钉紧固法对于一些中型或大型凸模，其自身的安装基面较大，一般可采用螺钉及销钉将凸模直接固定在凸模固定板上。

本设计采用背台式固定法。

凸模的三维设计如图4-3所示，上端为安装部分，下部是凸模工作部分。

固定凸模的固定板采用矩形固定板：

125mm

80mm

20mm（GB/T7643.2）。

六、卸料装置

（1）卸料板

卸料板的主要作用是把材料从凸模上卸下，有时也可作压料板用防止变形，并能帮助送料导向和保护凸模等。

设计时应注意以下几个方面。

①卸料力一般取5%～20%冲裁力。

②卸料板应有足够刚度，其厚度H可按下式计算，即

H=（0.8～1.0）Hd

式中H——卸料板厚度，mm；Hd——凹版厚度，mm。

③卸料板要求耐磨，材料一般选45钢，淬火，磨削，表面粗造度Ra

为0.4～0.8µm。

卸料板安装尺寸，计算中要考虑凸模有4～6mm的刃磨量。

卸料板可根据工件形状制作成圆形或矩形，型孔及凸模的配合为H6/h7或H8/f7。

在本设计中，所用到的卸料板和上面提到的有所不同，凸模压入凹模以后工件可能留在凹模内，为了保证操作人员的人身安全，利用卸料板把工件推出，卸料板套在凹模上面。

（2）卸料装置的尺寸计算

卸料板的形状一般及凹模形状相同，同时卸料板的成形孔形状基本及凹模孔相同（细小凹模孔及特殊型孔除外），因此在加工时一般及凹模配合加工。

卸料板分为固定卸料板和弹性卸料板。

其中，固定卸料板又称刚性卸料板，用于厚料或硬料。

特点是卸料力大，使用安全，但送料操作受约束，常用于料厚大于0.5mm、平面度要求不高的工件，特别适用于卸料力较大的简单冲模；弹性卸料板具有卸料和压料的双重作用，多用于冲制薄料，使工件的平面度提高。

借助弹簧、橡胶或气垫等弹性装置卸料，常兼做压边。

压料装置或凸模导向。

本设计的工件厚度为1.5mm，为薄料弯曲加工，故采用弹性卸料板。

弹性卸

料板如图4-4所示

图4-4弹性卸料板

1-卸料螺钉；2-凸模；3-卸料板；4-弹簧

卸料板孔和凹模的单边间隙Z'/2=（0.1～0.2）t，取0.1t，将t=1.5mm代入得单边间隙Z'/2=0.15mm。

由《冲压模具简明手册》表15.28可知h’0=14mm。

卸料板导向孔的高度h=3～5mm，取h=5mm。

卸料板底面高出凸模底面的尺寸k=0.20.8mm取k=0.5mm。

弹性卸料板凸台高度h1=a-t+（0.1～0.3）t，a为导板厚度，t为料厚，则a=5mm，h1=3.53mm。

七、卸料弹簧的选择和安装

卸料用弹性元件有弹簧、橡胶及气垫，他们的压力特性不相同，要根据需要选用。

弹簧压力随行程增加而增加，呈一定线性增长。

橡胶的压力和行程呈曲线式增长，气垫的压力在行程中基本不变，所以采用气垫最为理想。

但目前国内小型压力机中安装气垫的较少，常采用的弹性元件仍是弹簧和橡胶。

及弹簧相比，橡胶的刚度要大些，因此对要求卸料力较大、行程较小的模具，选择橡胶较好；反之则选择弹簧。

通过分析对比，本设计中选择弹簧作为弹性元件。

对于卸料行程不大的模具，弹簧或橡胶装在模具中，弹簧及座孔的间隙值C应根据弹簧外径选定，弹簧外径为φ10mm时，C=1mm；外径每增加5mm，C值增大0.5mm；大于30mm的外径，C=3.5mm。

（1）弹簧的选择

①计算弹簧的顶压力Py

Py=Pz/n

式中Py——弹簧的顶压力，N；

Pz——弹簧承担的工艺力，如卸料力或推件力等，N；

n——弹簧个数，一般选26个。

②卸料力

Pz=K卸F=0.05

6142.5=307.12（N）

K卸由《冲压工艺及模具设计》查得，n=2，则Py=153.5N

③弹簧选择确定弹簧的最大工作极限负荷平P2，可可根据有关手册选择弹簧，使P2Py，并记录弹簧的参数，根据弹簧极限压缩量作弹簧的特性曲线。

由《冲模设计及制造实用计算手册》表2-15选P2=Pmax=196.8N>Py=153.5N

弹簧的参数为：

弹簧直径d=2mm；

弹簧中径D=14mm；

弹簧内径D1=D-d=12mm

弹簧外径D2=D+d=16mm

有效圈数n、支承圈数n2和总圈数n1

n1=n2+n

由《机械工程师手册》表4-42及《冲模设计及制造实用计算手册》表2-11选n=6，n2=2，则n1=8。

由《冲模设计及制造实用计算手册》表2-11可知：

取t=7mm，则

H0=nt+（n2-0.5）d=6

7+3=45（mm）

④计算弹簧总压缩量

Hc=Hy+Hg+Hx

式中Hy——弹簧预压缩量，Hy=H2Py/P2，mm

Hg——弹簧的工作行程，冲裁中Hg=t+1（t为料厚），mm

Hx——凸模总修模量，一般取4～10mm。

弹簧变形量

式中G——剪切弹性模量。

因Hg=2.5mm，Hx=4mm，则

Hc=23.579+6.5=30.07（mm）

⑤校核总压缩量若HcH2，则该弹簧需重新选择。

由以上的计算可知Hc

⑥卸料弹簧窝座的深度计算

弹簧窝座的深浅，将影响弹簧的卸料力的大小。

冲模设计时，卸料力是按弹簧压缩到最大容许压缩量时的压力计算的。

因此，弹簧窝座的深度，应使冲模在闭合状态时，弹簧压缩到最大容许压缩量。

图4-5为弹簧卸料的冲裁模。

图4-5弹簧卸料冲裁模

故弹簧窝座的深度为

式中L———弹簧的自由状态长度，mm；

F———弹簧的最大容许压缩量，mm；

h1———卸料板厚度，mm；

h2———凸模高度，mm；

t———冲裁模厚度，mm；

———上、下模刃口进入量，

=1mm；

h3———刃口修模量，h3=5～6mm。

（2）弹簧的安装

虽然本次研究的是弯曲模而非冲裁模，但从图4-5中可以知道和本次弯曲模的卸料装置结构大致相同，且计算分析过程也相似。

故可以参考以上的冲裁模来计算弯曲模的卸料弹簧窝座如右图所示。

假设弹簧为原长时，卸料板比凹模直边高出5mm，而直边高度为35mm，且卸料板和凹模之间的距离为26mm，那么窝座深度为9.5mm。

图4-6卸料装置结构示意图

八、定位装置

为了限定被冲材料的进给步距，并准确地将工件安装在冲模上设定位置，保证下一步工序的顺利进行，必须采用各种形式的定位装置。

冲模适用的定位零件有导料销、导料板（导料尺）、挡料销、定位板（钉）、导向销、定距侧刃和测压装置等。

综合各种因素，设计弯外角的模具结构时，采用挡料销和导料销进行粗定位。

（1）挡料销的设计

挡料销（又称定位销）主要用于定位，保证条料有准确送料距。

挡料销有多种形式，分别用于不同的场合，如圆柱头式挡料销、钩形挡料销、回缩式挡料销、活动挡料销、初始挡料销等。

本次模具设计选择圆柱头式挡料销。

此种挡料销一般装在凹模上，其特点是销的固定部分和工作部分的直径相差较大，因此不会削弱凹模的强度。

另外，这类挡料销结构简单，常用于带固定及弹压卸料板的模具中。

由《冲压模具简明手册》选基本尺寸：

d=6mm，d1=3mm，h=3mm；L=8mm。

考虑到凹模的特殊结构，将挡料板直接固定在卸料板上。

使用条料或卷料冲裁时，一般用导料板或挡料销来导正材料的送进。

其主要作用是对条料的送进进行定向，防止偏斜。

其安装位置一般是下模凹模口的上平面。

本次设计选用导料板。

就制造方式而言，导料板及卸料板可以分开制作，也可以制造成一体的。

本次弯外角模具设计采用分开导料板及卸料板分开制造的方式