接触片级进模设计及其制造实用工艺

第1章绪论

1.1模具工业在国民经济中的作用

模具是现代化工业生产的重要工艺装备，它以特殊的形状通过一定的方式使原材料成型。例如，冲压件和锻件是通过冲压和锻造方式使金属材料在模具内发生塑性形变而获得的；金属压铸件、粉末冶金件以及塑料、陶瓷、橡胶、玻璃等非金属制品，绝大多数也是用模具成型的。由于模具具有优质、高产、省料和低成本等特点，现已经在国民经济各个部门，特别是汽车、拖拉机、机械制造、家电等行业得到及其广泛的利用。据统计，利用模具制造的零件，在飞机、汽车、拖拉机、电机、电器等产品中占60%~80%；在电视机、计算机等行业占到了80%以上；在自行车、手表、洗衣机、电冰箱、电风扇等轻工产品中占到了85%以上。据国际生产技术协会统计，到2000年止，机械零件粗加工的75%和精加工的50%都是由模具来完成的。

随着社会经济的发展，人们对工业产品数量、品种、质量及款式都有越来越高的要求。为了满足人类的需要，世界上各工业发达的国家都十分重视模具技术的发展，大力发展模具工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造水平，并取得了显著的经济效益。美国是世界上超级的经济大国，也是世界模具工业的领先国家。据1989年统计，美国模具行业有12554个企业，从业人员17。28万人，模具总产值达64.47亿美元。日本模具工业是从1957年开始发展起来的，当年模具中产值仅有106亿日元，到了1991年总产值已超过了17900亿日元，在34年中增长了169倍，这也是日本经济能飞速发展，并在国际市场上占有一定优势的重要原因之一。现在，日本的模具工业已经发展到了高度的专业化、标准化和商品化。

现在，大家都意识到，研究和发展模具技术，对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义。模具技术已经成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。模具工业能促进工业产品生产的发展和质量的提高，并能获得极大的经济效益，因而引起了各国家的高度重视和赞赏。模具也被誉为“进入富裕社会的原动力”、“金属加工业中的帝王”等。因此可以断言，随着工业生产的迅速发展，模具工业在国民经济中的地位将日益提高，模具技术也会不段的发展，并在国民经济发展过程中发挥越来越重要的作用。

1.2全球模具发展概况

全球主要模具生产国包括亚洲地区的日本、韩国与中国，以及美洲地区的美国、欧洲地区的德国。

1.2.1各国产业形貌

在全球主要模具产销国家当中，中国模具企业及从业人数最多，近七成属于国有企业，外资企业亦占多数，大型模具厂员工约600～700人，更有规模达上千人的公司，台商投资的富士康集团(Foxconn)员工人数将近6,000人最具代表性，中型模具厂则150～300人之间，小型模具厂也至少有50人左右，其他国家的模具业则多以中小型企业型态经营。

在产品类別上，2002年日本与中国偏重生产冲压模及塑料模，两者产值合计比重高达八成，南韩则以其他模具产值比重最大，占总产值四成七。

在应用市场方面，日本、韩国、美国与德国以汽車模具为最大宗产品，而我国则以电子通讯产品用模具为主。

依照2002年各国出入差状況来看，日本、南韩及德国的模具属与出口大国，中国与美国的模具则因国内需求市场大，本国厂商无法完整供应，須借进口模具以满足下游市场的产品制造。由2002年各国主要进出口国別分析，与地域分布有极大的关联性，进出口地区多属邻近国家，而日本较特別的是出口地区以美国为主，但随着中国近年各下由游产业快速的发展，已有渐渐转向拓展中国市场的趋势。

在各国工资方面，根据美国国贸局2002年所作模具产业白皮书的调查结果，以德国时薪最高，技术人员时薪水平为$12.13～$19.28，设计人员则为$16.91～$25.26，日本与美国则介于中中间，中国工资最低，技术人员年薪仅$732～$5,853，设计人员仅为$2,927～$5,853，若以最高年薪为基准与德国比较，则仅能僱用德国技术人员约38天左右，由此可看出先进国家与中国低廉的工资成本差距如此之大。各国模具产业概況详如表1—1所示。

表1—1 全球主要模具生产国家产业概況

资料来源：海关进出口月报、美国国贸局模具产业白皮书/金属中心IT IS计划整理

1.2.2各国优劣势分析

技术先进国家如日本、美国、德国等，对于高精度与复合性模具开发，不论在设计能力或制造技术上，均有领先的地位，同時也拥有训练精良的技术研发人才。其中，日本模具厂商在技术上较重视拋光与研磨加工制程，德国模具厂商则由提高机械加工与放电加工的精度与效率着手，以降低手工加工的时间。

在市场规模上，不论产值或国内需求以日本衰退最为明显。在运营成本上，常面临高工资、高福利的问题，因此下游产业或模具厂商逐渐将生产据点移往邻近的新兴工业国或技术后进国家，以降低劳工成本，增强价格竞争力，但是这样的趋势往往会造成技术无形中外流的疑虑，使得本身更须投入大笔研发费用，以加速提升加工技术与高速机械性能，拉大彼此间的差异。

以韩国及中国来看，我国在技术上落后于日、美、德，但仍优于南韩，同时在生产速度上也遥遥领先。韩国与中国最近几年的市场生产与需求规模呈现成长走势，尤其中国模具业正在快速发展中，各国知名大厂进驻生产设备，无形中提升模具开发实力与设计能力。成本方面，中国特别是大陆与韩国因拥有相对低的人力成本优势，故对于模具售价上，往往采取低价行销打入市场，也因此在全球景气欠佳的局势中，成功拓取市场买家的青睐，最明显的例子就是出口值的涨势。综合上述全球主要模具生产国家的相对优劣势分析，整合如表1—2所示。

表1—2 全球主要模具生产国家优劣势分析

资料来源：美国国贸局模具产业白皮书/金属中心IT IS计划整理

整体而言，由于各国模具业者，多以中小企业型态经营，因此，在营运资金筹措上常遭遇困难，若无政府政策支持与税务的优惠措施，模具业者将形成单打独斗与孤军奋战的状况，更不论与国际市场的竞争。除了中国与韩国外，各国均面临劳工成本高的压力，因此唯有提高产品附加价值才能摆脱低成本的竞争压力。

1.3中国模具发展状况

目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。

鉴于模具作为包括机床工具、汽车制造、食品包装等在内的机械行业中机械基础件产业，以及电工电器、电子及信息行业的支持产业，在发展先进生产力当中，处于非常关键并服务全行业的地位，其发展对产业配套能力的提升和促进产业聚集优势的形成将起到重要作用。改革开放以来，中国模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化。除了国有专业模具厂外，其他所有制形式的模具厂家，包括集体企业、合资企业、独资企业和私营企业，都得到了快速发展，集体和私营的模具企业在广东和浙江等省发展得最为迅速。目前，国内已能生产精度达2微米的精密多工位级进模，工位数最多已达160个，寿命1～2亿次。在大型塑料模具方面，现在已能生产48英寸电视的塑壳模具、6.5Kｇ大容量洗衣机的塑料模具，以及汽车保险杠、整体仪表板等模具。在精密塑料模具方面，国内已能生产照相机塑料模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具等。在大型精密复杂压铸模方面，国内已能生产自动扶梯整体踏板压铸模及汽车后桥齿轮箱压铸模。在汽车模具方面，现已能制造新轿车的部分覆盖件模具。其他类型的模具，例如子午线轮胎活络模具、铝合金和塑料门窗异型材挤出模等，也都达到了较高的水平，并可替代进口模具。

在中国，人们已经越来越认识到模具在制造中的重要基础地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。此外，许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。目前，从事模具技术研究的机构和院校已达30余家，从事模具技术教育的培训的院校已超过50余家。其中，获得国家重点资助建设的有华中理工大学模具技术国家重点实验室，上海交通大学CAD国家工程研究中心、北京机电研究所精冲技术国家工程研究中心和郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心等。经过多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技术、模具的电加工和数控加工技术、快速成型与快速制模技术、新型模具材料等方面取得了显著进步；在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。根据“十一五”模具行业发展的任务与目标，我国模具行业要努力解决发展中存在的诸如总量供不应求、产品结构不够合理、工艺装备水平低、配套性不好、利用率低、技术人才严重不足、专业化程度低、高档产品市场缺席。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口等问题，使我国模具行业向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展，在良好的市场环境中稳步前进。

第2章零件工艺性分析及工艺方案的确定

2.1冲压工艺分析：

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件的结构形状、尺寸大小、精度等级等是否符合冲裁加工的工艺要求。良好的结构工艺性应保证材料消耗少，工序数目少，模具结构简单而寿命高，产品质量稳定，操作简单，等等。通常对冲裁件的工艺性影响最大的是几何形状尺寸和精度要求。

2.1.1冲裁件的形状和尺寸要求

①冲裁件的形状应尽可能简单、对称，最好采用圆形、矩形等规则的几何形状或由这些形状所组成，使排样时废料最少。

②冲裁件的凸出悬臂和凹槽的宽度不宜太小，以免凸模折断，其合理间隙如表：

表2—1冲裁件的凸出悬臂和凹槽的最小宽度B

③冲裁件的外形或内形的转角处，要避免夹角出现，应以圆弧过渡，以便于模具加工，减少热处理或冲压时在尖角处开裂的现象；同时可以防止尖角部位的刃口磨损过快而使模具寿命降低。其圆角半径的最小值见表1—2：

表2—2 冲裁件圆角半径r的最小值

④冲孔时，由于受到冲孔凸模强度的限制，孔的尺寸不宜过小。冲孔的孔径尺寸与孔的形状、材料的机械性能、材料厚度等有关，见表1—3：

表2—3 冲孔的最小尺寸

⑤冲裁件的孔与孔之间、孔与边缘之间的距离不应过小，否则模具的强度和冲裁件的质所量不能保证，其许可值如图2—1所示

。

图2—1 孔边距

⑥在弯曲件或拉延件上冲孔时，为了避免冲孔时凸模受水平推力而折断，孔边与零件直边间应保持一定距离。一般取C≧R+0.5t.

2.1.2 冲裁件的精度与断面粗糙度

①冲裁件的经济精度一般不高一IT11级，最高精度可达IT8～9级。冲孔比落料的精度要高一级。

②冲裁件的断面粗糙度一般为R

ａ=12.5～50nm，最高可达R

ａ

=6.3 nm。

2.1.3冲裁的经济性

所谓经济性，就是以最小的耗费取得最大的经济效果，即生产中的“最小最大”原则。

1.冲裁件的结构形状和尺寸

冲裁件的结构形状和尺寸，应该有良好的工艺性，以便于冲裁，便于模具的

制造，降低成本。

①在设计冲裁件时，在不改变使用性能的前提下，可以直线代曲线，以圆形代矩形，使凸、凹模制造与维修方便，减少钳工工作量，降低成本。

②尽量采用通用尺寸和标准直径，充分利用现成的工艺装备。

③尺寸标注要灵活，以扩大冲裁工艺的灵活性。

2.合理利用材料

①在满足零件强度和使用要求的情况下，减少材料厚度。

②冲裁件的结构形状符合少、无废料排样时，能提高材料的利用率，从而减少材料消耗，降低成本。

③采用套料排样冲裁，充分利用结构废料，既省料又省工序，经济效果显著，如图所示。

图2—2 套料连续冲裁的排样

④合理选用冲裁件材料。在保证使用和工艺性能的同时，尽量采用“廉价代贵重，薄料代厚料，黑色代有色”和统一及减少品种规格等一系列降低成本的措施。

综上所述，如图2—3为零件图，此零件为接触片，满足冲裁工艺性各方面的要求，也可以保证足够的刚度和强度。由资料2—表4—1查出其精度等级为IT12级。

图2—3 零件图

此零件经过几何形状的分析可以看出，它是由两个半圆和中间的矩形部分组成。圆形部位的成型是拉深。中间矩形部位的成型很象是弯曲，但实际上它是侧壁的材料在凸模的压力作用下沿凹模的圆角流进去的，属于拉深。底部的三个孔是由冲孔工序完成。两翼的U形部分既可以由反拉深完成，也可以由翻边完成，但此零件的尺寸较小，如果采用反拉深凸模的制造精度和强度要求都比较高，凸、凹模的安装空间狭小，难以实现，所以选择翻边完成。

2.2冲压工艺方案设计：

制定冲裁工艺方案就是要确定冲裁件的工艺路线。工艺路线不但影响产品的质量和效率，而且影响生产成本、劳动强度、设备投资等。因此制定工艺路线时，需要提出几个方案，进行分析对比，寻求最经济合理的方案。

2.2.1工艺方案的分析：

零件的形状表明，在拉深前该零件展开毛坯面积计算，将其分为直线和弯曲部分进行展开计算。由参考文献3上表2—7用插值法取的该零件的中性层系数为x0=0.345;则由参考文献1公式（3—12）可以得出该零件的展开长度为：

0()180i i

i i L l r x t πα=++∑∑ （2—1） =（16.5＋0.675×2＋1.275×2）＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14＋（0.45

÷2＋0.345×0.3）×3.14×2

=23.35㎜

同理，零件的展开宽度为：

L 宽 =3.3＋（0.45÷2＋0.345×0.3）×1800/1800×3.14×2

＋（0.5＋0.345×0.3）×3.14

=10.16㎜

工件的形状是翻边以后的形状,在翻边以前应该按翻边工序计算展开.其展开图为:

图中示的?？为零件在翻边时落料凸模的直径d 凸

[ 3.30.7240.50.3450.3] 4.60.522d L π=--?-??+?++?凸宽（） =[10.16-3.3-1.4-3.79]㎜＋4.6㎜＋1㎜

=7.28㎜

该零件的主要工序拉深工序按下列顺序进行计算：

2.2.1.1计算毛坯直径

单工序拉深模的毛坯是单个的，级进模的坯料则是条料。计算毛坯直径是根据拉深成型以后，工件的表面积与毛坯面积相等的原理，进行毛坯直径的计算。按参考文献3表4—7中序号4的公式计算。既：

D = (2—2)

将图1——5与表中图相对应，d 凸=7.27㎜；d=4.3㎜；H=1.7㎜；r=0.5㎜,代入

上式，则：

D i

=8.94mm

上述计算的D i 是“计算毛坯直径”，还要加上修边余量δ而得出实际毛坯直径D 。修边余量由参考文献2表7—1查出，其值δ=1.0mm 故实际毛坯直径D=D i +δ=8.94+1.0=9.94mm

2.4.1.2计算能否一次拉成

由宽凸缘件第一次拉深最大相对高度h 1/d 确定能否一次拉深成形。判断的原则是：宽凸缘件的拉深系数大于该零件的第一次拉深系数极限值，或者零件的

相对高度小于其第一次拉深的最大相对高度值，则该零件可以一次拉成。如图2—3所示，拉深高度h 1=2mm,拉深筒直径d 1=4.3mm,则h 1/d 1=24.3=0.465

①．计算d 凸/d ，其中对应值7.27d =凸㎜，d 1=4.3㎜,则：

17.27 1.694.3d mm d mm

==凸 ②．计算毛坯相对厚度。

0.3100%100 3.02%9.94t mm D mm ?=?= 根据以上参数，按资料2表4—8中查出ｈ1/ｄ的最大值为0。70～0.58。前

面算出的本工件的最大相对高度值为0.465，故的出结论，该工件可以一次拉深完成。

2.2.2搭边值的确定

排样中相邻两工件间的余料或条料与工件边缘间的余料为搭边。其作用是补偿定位误差，防止由于条料的宽度误差、送料步距误差、送料歪斜误差等原因而冲裁出残缺的废品。搭边值要合理，过大材料的利用率低。值过小，就不能发挥搭边的作用，在冲裁的过程中会被拉断，造成送料困难，使工件产生毛刺，有时还会被拉入凸模和凹模间隙，损坏模具刃口，降低模具的寿命。搭边值过小，会使作用在凸模侧表面上的法向应力沿着落料毛坯周长的均匀分布不均匀，引起模具刃口的磨损。为了避免这一现象，搭边的最小宽度大约取为毛坯的厚度，使之大于塑变区的宽度。

本工件的材料塑性较好，工件本身的外形比较复杂，圆角半径比较小，所以起搭边值要取的大一点。

2.2.4料宽的计算

条料宽度的确定原则是：最小条料宽度要保证冲裁时工件周边有足够的搭边值，最大条料的宽度要能在冲裁时顺利地在导料板之间进送，并与导料板之间有一定的间隙。因此，在确定条料宽度时必需考虑到模具的结构中是否采用侧压装置和侧刃，根据不同的结构分别进行计算。

图2—7 有侧刃时的条料宽度

当模具有侧刃的时候，条料宽度按下式进行计算：

00

1(2)B D a nC --=++ (2—3)

式中 B ——条料的标称宽度;

D ——工件垂直于送料方向的最大尺寸(㎜);

ａ1——侧搭边(㎜);

△——条料宽度公差(㎜),见表2—5;

ｎ——侧刃数;

C ——侧刃冲切的料边宽度(㎜),见表2—6;

表2—5剪切条料宽度公差 (㎜)

表2—6 ｂ1和C 的值 （㎜）

则根据上述要求，本零件条料的宽度为:

00

1(2)B D a nC --=++

0.4(22.94222 1.5)mm -=+?+?

00.4

29.94mm -= 经圆整尺寸后，条料宽度取为30㎜

2.2.5步距的计算

步距是指条料在模具上每次送进的距离，步距的计算与排样的方式有关，每个步距可以冲出一个零件，也可以冲出几个零件。