多工位精密级进模主要零部件的设计.doc
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多工位精密级进模主要零部件的设计
多工位精密级进模主要零部件的设计除应满足一般冲压模具的设计要求外，还应根据精密级进模冲压特点，模具主要零部件装配和制造要求来考虑其结构形状和尺寸。
9.3.1 凸模
一般的粗短凸模可以按标准选用或按常规设计。
而在多工位级进模中有许多冲小孔凸模、冲窄长槽凸模、分解冲裁凸模。
这些凸模应根据具体的冲裁要求、被冲材料的厚度、冲压的速度、冲裁间隙和凸模的加工方法等因素来考虑凸模的结构及其凸模的固定方法。
对于冲小孔凸模通常采用加大固定部分直径，缩小刃口部分长度的措施来保证小凸模的强度和刚度。
当工作部分和固定部分直径差太大时，可设计多台阶结构。
各台阶过渡部分必须用圆弧光滑连接，不允许有刀痕。
特小的凸模可以采用保护套结构（图2—45）。
0.2mm左右的小凸模，其顶端露出保护套约30～40mm。
卸料板还应起到对凸模的导向作用，以消除侧压力对凸模的作用而影响其强度。
图9.3.1为常见的小凸模及其装配形式。
1-垫板；2-凸模固定板；3-弹压卸料板；4-镶套；5-压柱；6-垫板；7-定位套；8-镶套；9-小凸模
图9.3.1小凸模及其装配形式
冲孔后的废料若贴在凸模端面上，会使模具损坏，故对20mm以上的凸模应采用能排除废料的凸模。
图9.3.1所示为带顶出销的结构，利用弹性顶销使废料脱离凸模端面。
也可在凸模中心加通气孔，减小冲孔废料与冲孔凸模端面上的“真空区压力”，使废料易脱落。
9.3.2能排除废料的凸模
除了冲孔凸模外，级进模中有许多分解冲裁的冲裁凸模。
这些凸模的形状比较复杂，为了加工出精密零件，大都采用线切割结合成形磨削制造。
完成磨削加工是依靠专用的自动磨床和平面磨床，并通过金刚石对砂轮进行修正，达到磨削凸模所要求的形状和尺寸。
图9.3.3为6种磨削凸模的形式。
a）为直通式凸模，常用固定方法是铆接在固定板上，但铆接后难保证凸模与固定板的较高垂直度，且修正凸模时铆合固定将失去作用。
此种结构在多工位精密模具中应避免使用。
b）、c）是同样断面的冲裁凸模，其考虑的因素是切削加工定在单面还是双面，及凸模受力后的稳定性。
d）图是两侧有异形凸出部分，凸出部分窄小易产生磨损和损坏，则结构上宜采用镶拼。
e）为一般使用的整体成形磨削带凸起的凸模。
f）用于快换的凸模结构。
图9.3.3成形磨削凸模的典型结构
图9.3.4为上述凸模常用的固定方法，固定部分应有能加工螺钉孔的位置。
对于较薄的凸模，可以采用销钉吊装（图9.3.5）或图9.3.6所示侧面开槽，用压板固定小凸模。
图9.3.4 螺钉固定凸模
1-凸模；2-销钉；3-凸模固定板
图9.3.5 销钉吊装凸模
图9.3.6 压板固定的小凸模
9.3.2 凹模
多工位精密进模凹模的设计与制造较凸模更为复杂和困难。
凹模的结构常用的类型有整体式、拼块式和嵌块式。
整体式凹模由于受到模具的制造精度和制造方法的限制已不适用于多工位精密级进模。
（一）嵌块式凹模
图9.3.7所示是嵌块式凹模。
嵌块式凹模的特点是：
嵌块套做成圆形，且可选用标准的零件。
嵌块损坏后可迅速更换备件。
模板安装孔的加工可使用座示镗床和座标磨床。
嵌块在排样图设计时，就应考虑布置的位置及嵌块的大小，如图9.3.8所示。
图9.3.7 嵌块式凹模
图9.3.8 嵌块在排样图中的布置
图9.3.9为常用的嵌块。
b）为有异形孔时，因不能磨削型孔和漏料孔而将它分成二块，其分割方向取决于形状，要考虑到其合缝对冲裁有利和便于磨削加工，镶入固定板后用键使其定位。
这种方法也适用异形孔的导套。
图9.3.9 凹模嵌块
２．拼块式凹模
拼块式凹模的组合形式因采用的加工方法不同，分为二种组合形式。
采用放电加工的拼块拼装的凹模，凹模多采用并列组合式结构；若采用将型孔口轮廓分割后进行成形磨削加工，然后将拼块装在所需的垫板上，再镶入凹模框并以螺栓固定，此结构为成形磨削拼装组合凹模。
图9.3.10所示为一弯曲件的排样图。
图9.3.11为该零件采用并列组合凹模结构示意图，图中省略了其它零部件。
拼块的型孔制造由电加工完成，加工好的拼块安装在垫板上并与下模座固定。
这种组合方式当要更换个别拼块时，必需对全工位的步距进行调整。
图9.3.12为全部磨削拼装的凹模结构，拼块用螺钉、销钉固定在垫板上，镶入模框并装在凹模座上。
圆形或简单形状孔的成形可采用圆凹模嵌套。
当某拼块因磨损需要修正时，只需要更换磨损部分就能继续使用。
图9.3.10 排样图
图9.3.11 并列组合凹模
图9.3.12 磨削拼装凹模
磨削拼装组合的凹模，由于拼块全部经过磨削和研磨，拼块有很高的精度。
在组装时，为确保相互有关连尺寸，可对需配合面增加研磨工序。
对易损件可制作备件。
（三）拼块的设计
1.拼块分割时，分割点应尽可能选在转角或直线和曲线交点上；避免选在有使用要求的功能面上；尖角处为便于加工和材料的改性处理，应进行分割，如图9.3.13、9.3.14。
图9.3.13 沿直线分割 图9.3.14尖角处分割
2.拼块应有利于加工、装配、测量和维修。
特别是有凹进或凸起易磨损部位，应单独分块，以便加工和更换，如图9.3.14所示。
3.拼块在保证有利加工和热处理要求下，数量尽量少且便于装配，圆弧槽的分割见图9.3.15。
复杂的对称型孔，应沿对称线分割成简单几何线段，如图9.3.16。
图9.3.15圆弧窄槽分割 图9.3.16沿对称线分割
4.拼块间应尽量以凸凹槽相嵌，或用键相嵌，以防冲压时发生相对移动，如图9.3.13、9.3.14。
5.如果孔心距精度要求较高，或型孔中心距加工出现误差要求可以进行调整时，可采用图9.3.17所示的可调拼合结构。
图9.3.17 可调拼合凹模
6.拼块要避免出现太大的凸凹轮廓和轮廓急剧变化，图7—26a）为不好的拼接，b）为合理的拼接。
图9.3.18 轮廓变化的拼块
（四）拼块凹模的固定形式
1.平面固定式
平面固定是将凹模各拼块分别用定位销（或定位键）和螺钉固定在垫板或下模座上，如图9.3.19所示。
适用于拼块凹模或较大拼块分段的固定方法。
图9.3.19 平面固定式拼块凹模
2.直槽固定式
直槽固定是将拼块凹模直接嵌入固定板的通槽中，各拼块不用定位销，而在直槽两端用键或楔及螺钉固定，如图9.3.20
图9.3.20 直槽固定式拼块凹模
3.框孔固定式
框孔固定式有整体和组合框孔两种，如图9.3.21所示。
整体框孔固定凹模拼块时，拼块和框孔配合应根据胀形力的大小来选用配合的过盈量。
组合框孔固定凹模拼块时，模具的维护、装折方便，当拼块承受的胀形力较大时，应考虑组合框连接的刚度和强度。
图9.3.21 框孔固定式拼块凹模
9.3.3 带料的导正定位
在精密级进模中，不采用定位钉定位。
一般采用导正销与侧刃配合使用，侧刃作定距和初定位，导正销作为精定位。
此时侧刃长度应大于步距0.05～0.1mm，以便导正销导入孔时，条料略向后退。
在自动冲压时，可不用侧刃，条料的定位与送进是靠导料板、导正销和送料机构来实现。
在设计模具时，作为精定位的导正孔，应安排在排样图中的第一工位冲出，导正销设置在紧随冲导正孔的第二工位，第三工位可设置检测条料送进步距的误送检测凸模，如图9.3.22所示。
图9.3.22条料的导正与检测
图9.3.23是导正过程示意图。
虽然多工位级进冲压采用了自动送料装置，但送料装置可出现±0.02mm左右的送进误差，由于送料的连续动作将造成自动调整失准，形成误差积累。
a）图为出现了＋误差（多送了c），b）图示导正销导入材料使材料向F′方向退回。
导正销的设计要考虑如下因素：
图9.3.23 导正过程
（一）导正销与导正孔的关系
导正销导入材料时，即要保证材料的定位精度，又要保证导正销能顺利地插入导正孔，导正销的使用条件如图9.3.24a）所示。
表9.3.1为导正间隙推荐值，也可按a）图曲线选择。
表9.3.1导正间隙推荐值
（二）导正销的突出量
导正销的先端部分应突出卸料板的下平面，如图7—32b）所示。
x的取值范围：
0.6t＜x＜1.5t。
薄料取较大的系数，厚料取较小的系数，当t＝2mm以上时，x＝0.6t。
图9.3.24 导正销的使用条件
（三）导正销头部形状
导正销头部形状从工作要求来分分为两个部分，引导部分和导正部分；根据几何形状来分，可分为圆弧和圆锥头部。
图9.3.25（a）为常见的圆弧头部，b）为圆锥头部。
图9.3.25 导正销头部形状
（四）导正销的固定方式
图9.3.26所示为导正销的固定方式，a）图为导正销固定在固定板或卸料板下，b）图导正销固定在凸模上。
图9.3.26导正销固定方式
9.3.4 带料的导向和托料装置
多工位级进模是依靠送料装置的机械动作，把带料按一定的尺寸送进来现自动冲压。
由于带料经过冲裁、弯曲、拉深等变形后，在条料厚度方向上会有不同高度的弯曲和凸起，为了顺利送进带料，必须将带料托起，使凸起和弯曲的部位离开凹模工作面。
这种使带料托起的特殊机构叫托料装置。
托抖装置往往和带料的导向零件共同使用。
（一）托料装置
常用的单一托料装置有托料钉、托料管和托料块三种。
如图7—35所示。
托起高度一般应使坯件最低部位高出凹模面1.5～２mm，同时应使被托起的条料上平面低于刚性导料板上平面（２～３）t左右，这样才能使条料送进顺利。
托料钉的优点是可以根据情况随意分布，托料效果好，凡是托料力不大的情况都可采用压缩弹簧作托料力源。
托料钉通常用圆柱形，但也可用方形（在送料方向带有斜度）。
托料钉经常是成偶数使用，正确位置应设置在条料上没有较大的孔和成形部位的下方。
对于刚性差的条料，应采用托料块托料，以免条料变形。
托料管是设在有导正孔的位置进行托料，它与导正销配合（H7／h6），管孔起导正孔作用，适用于薄料，如图b）所示。
这些形式的托料方式常与导料板组成托料导向装置。
图9.3.27 托料装置
（二）托料导向装置
托料导向装置具有托料和导料的双重作用模具部件，在级进模中应用广泛。
它分为托料导向钉和托料导向板两种。
1.托料导向钉
托料导向钉如图9.3..28所示，在设计中最重要的是导向钉的设计和卸料板凹坑深度的确定。
图a）是条料送进的工作位置，当送料结束、上模下行时，卸料板凹坑底面首先压缩导向钉使条料与凹模面平齐开始冲压，当上模回升时，弹簧将托料导向钉推至最高位置，进行下一步的送料导向。
图b）、c）是常见的设计错误。
前者卸料板凹坑过深，造成带料被压入凹坑内；后者是卸料板凹坑过浅，使带料被向下挤入与托料钉配合的孔内。
因此,设计时，必须注意各尺寸的协调，其协调尺寸推荐值为：
槽宽：
h２＝（1.5～2.0）tmm；头高：
h１＝（1.5～３）mm；
坑深：
T＝h1＋（0.3～0.5）mm；槽深（Ｄ－d）/２＝（3－５）tmm。
浮动高度：
h＝材料向下成形的最大高度＋（15～２）mm
图9.3.28 托料导向装置及故障
尺寸D和d可根据条料宽度、厚度和模具结构尺寸确定。
托料钉常选用合金工具钢，淬硬到HRC58～６２，并与凹模孔成H7/h6配合。
托料钉的下端台阶可作成装拆式结构，在装拆面上加垫片即可调整材料托起位置的高度，以保证送料平面与凹模平面平行。
2.托料导向板
图9.3.29为托料导向板结构图，它是由四根浮动导销与两条导轨式导板所组成，它适用于薄料和要求较大托料范围的材料托起。
设计托料导向板时，应将导轨式导板分两件组合，当冲压时出现故障，拆下盖板即可取出条料。
图9.3.29 托料导向板
9.3.5 卸料装置
卸料装置是多工位精密级进模结构中的重要部件。
它的作用除冲压开始前压紧带料，以防止各凸模冲压时由于先后次序的不同或受力不均匀而引起带料窜动和冲压结束后及时平稳的卸料外，更重要的是对各工位上的凸模，特别是细小凸模在受侧向作用力时，起到精确导向和有效的保护作用。
卸料装置主要由卸料板、弹性元件、卸料螺钉和辅助导向零件所组成。
（一）卸料板的结构
多工位精密级进模的弹压卸料板，由于型孔多、形状复杂，为保证型孔尺寸精度、位置精度和配合间隙，多采用分段拼装结构固定在一块刚度较大的基体上。
图9.3.30是由5个拼块组合而成的卸料板。
基体按基孔制配合关系开出通槽，两端的两块按位置精度的要求压入基体通槽后，分别用螺钉、销钉定位固定；中间三块经磨削加工后直接压入通槽内，仅用螺钉与基体连接。
安装位置尺寸采用对各分段的结合面研磨加工来调整，从而控制各型孔的尺寸精度和位置精度。
图9.3.30 拼块式弹压卸料板
（二）卸料板的导向形式
由于卸料板有保护小凸模的作用，要求卸料板有很高的运动精度，为此要在卸料板与上模座之间采用增设辅助导向零件——小导柱和小导套，如图9.3.31所示。
当冲压的材料比较薄，且模具的精度要求较高，工位数又较多时，应选用滚珠式导柱导套。
图9.3.31 小导柱、导套结构
（三）卸料板的安装形式
卸料板是采用卸料螺钉吊装在上模。
卸料螺钉应对称分布，工作长度要严格一致。
图9.3.32是多工位级精密进模使用的卸料螺钉。
外螺纹式轴长（L）精度±0.1mm，常用于少工位普通级进模中；内螺纹式轴长精度为±0.02mm，通过磨削轴端面可使一组卸料螺钉工作长度保持一致；组合式是由套管、螺栓和垫圈组合而成，它的轴长精度可控制在±001mm。
内螺纹和组合式还有一个很重要的特点，当冲裁凸模经过一定次数的刃磨后，再进行刃磨时，对卸料螺钉工作段的长度必须磨去同样的量值才能保证卸料板的压料面与冲裁凸模端面的相对位置，而外螺纹式卸料螺钉工作段长度刃磨困难。
图9.3.32卸料螺钉的种类
1-上模座；2-螺钉；3-垫块；4-管套；5-卸料板；6-卸料板拼块；
7-螺塞；8-弹簧；9-固定板；10-卸料板
图9.3.33卸料板的安装形式
图9.3.33a所示的卸料板的安装形式是多工位精密级进模中常用的结构。
卸料板的压料力、卸料力都是由卸料板上面安装的均匀分布的弹簧提供（矩形截面弹簧为好）。
由于卸料板与各凸模配合间隙仅有0.005mm，所以安装卸料板比较麻烦，在不十分必要时，尽可能不把卸料板从凸模上卸下。
考虑到刃磨时既不需把卸料板从凸模上取下，又要使卸料板低凸模刃口端面，所以把弹簧固定在上模内，并用螺塞限位。
刃磨时，只要旋出螺塞，弹簧即可取出，不受弹簧作用的卸料板随之可以移动，露出凸模刃口端面，即可重磨刃口。
同时，更换弹簧也十分方便。
卸料螺钉若采用套管组合式，修磨套管尺寸，可调整卸料板相对凸模的位置，修磨垫片可调整卸料板达到理想的动态平行度（相对于上下模）要求。
图b）是采用内螺纹式卸料螺钉，弹簧压力是通过卸料螺钉传至卸料板。
在冲压料头和料尾时,为使卸料板运动平稳，压料力平衡，应在卸料板的适当位置安装平衡钉，使卸料板运动时平衡。
9.3.6 限位装置
级进模结构复杂，凸模较多，在存放、搬运、试模过程中，若凸模过多地进入凹模，容易损伤模具，为此在级进模设计时，应考虑安装限位装置。
如图9.3.34所示，限位装置由限位柱与限位垫块、限位套组成。
在冲床上安装模具时把限位垫装上，此时模具处于闭合状态。
在冲床上固定好模具，取下限位垫块，模具就可工作，对安装模具十分方便。
从冲床上拆下模具前，将限位套放在限位柱上，模具处于开启状态，便于搬运和存放。
图9.3.34 限位装置
9.3.7 加工方向的转换装置
在级进弯曲或其它成形工序冲压时，往往需要从不同方向进行，因此，需要将压力机滑块的垂直向下的运动，转化成凸模（或凹模）向上或水平等不同方向的加工。
完成这种加工方向转换的装置，通常采用斜楔滑块机构或杠杆机构，如图9.3.35所示。
图（a）是通过上模压柱5打击斜楔1，由件1推动滑块2和凸模固定板3，转化成凸模4向上运动，从而使坯件在凸模4和凹模之间局部成形（凸包）。
这种结构由于成形方向向上，凹模板面不需设让位孔让已成形部位，动作平稳，应用广泛。
图（b）是利用杠杆摆动转化成凸模向上的直线运动，进行冲切或弯曲。
图（c）是用摆块机构向上成形。
图中（d）,（e）是采用斜滑块机构进行加工方向的转换，将模具的上下运动转换为镶件的水平运动，对制件的侧面进行加工。
图9.3.35 加工方向转换装置（Ⅰ）
在级进模中滑块的水平运动，多数是靠斜楔将压力机滑块的垂直运动转换而来的。
在斜楔设计时，必须根据楔块的受力状态和运动要求，进行正确的设计，合理的选择设计参数。
当滑块需要水平运动时，一般斜角取α＝40°～50°，特殊情况可取至α＝55°～６０°。
斜楔尺寸关系如图9.3.36所示。
斜楔下止点高度a≥5mm，与滑块接触初始长度b≥滑块斜面长度／5，斜楔行程Ｓ１与滑块行程S的关系为tgα＝Ｓ／Ｓ１。
1-斜楔；2-滑块；3-底座；4-后挡支撑面耐磨板；
图9.3.36斜楔与滑块尺寸关系
9.3.8成形凸模的微量调节机构
模具在成形时，需要对成形高度进行调整，特别是在校正和整形时，微量地调节成形凸模的位置是十分重要的。
调节量太小达不到成形件质量要求，调节量太大易使凸模被拆断。
图9.3.37是常用的调节机构。
a）图通过旋转调节螺钉1推动斜楔2即可调整凸模3伸出的长度。
b）图可方便地调整压弯凸模的位置，特别是由于板厚误差变化造成制件误差可通过调整凸模位置来保证成形件的尺寸。
图9.3.37调节机构
9.3.9 级进模模架
级进模模架要求刚性好精度高，因此通常将上模座加厚5～１０mm，下模座加厚10～１５mm（与标准模架——GB2851～2852—90相比）。
同时，为了满足刚性和精度的要求，级进模多采用四导柱模架。
小型模具或子模架也可用双导柱模架。
精密级进模的模架导向，一般采用滚珠导柱（GB28618—90）导向，其过盈量为0.01～0.02mm（导柱直径20～７６mm）。
导柱导套的圆柱度均为0.003mm，其轴心线与模板的垂直度，导柱为0.01∶100。
目前国内外使用的一种新型导向结构是滚柱导向结构，其剖面图如图9.3.38所示。
滚柱表面由三段圆弧组成，靠近两端的两段凸弧4与导套内径相配（曲率相同），中间凹弧5与导柱外径相配，通过滚柱达到导套在导柱上的相对运动。
这种滚柱导向以线接触代替了滚珠导向的点接触，在上下运动时构成一个面接触，因此能承受比滚珠导向大的偏心载荷，也提高了导向精度和寿命，增加了刚性，其过盈量为0.003～0.006mm。
为了方便刃磨和装拆，常将导柱作成可卸式，即锥度固定式（其锥度为1∶10）或用压板固定式（配合部分长度4～５mm，按T7／h6或P７／h6配合，让位部分比固定部分小004mm左右，如图9.3.39所示）。
导柱材料常用GCr15淬硬HRC60～６２，粗糙度最好能达到Rα0.1μm，此时磨损最小，润滑作用最佳。
为了更换方便，导套也采用压板固定式，如图d）、e）所示。
图9.3.38滚柱导向
a）三块压板压紧导柱；b）螺钉压板压紧导柱；c）压板压紧导柱；d），e）三块压板压紧导套
图9.3.39压板可卸式导柱导套
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