代洪慶

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶 163319）

1 引言

采用傳統(tǒng)方法設(shè)計沖壓模具時，通常先分析制件的結(jié)構(gòu)工藝性，再進(jìn)行工藝計算，最后利用繪制二維裝配圖和零件圖。這種設(shè)計方法在設(shè)計簡單沖壓模具時，具有方便、靈活、快捷的特點。但在設(shè)計較復(fù)雜的多工位級進(jìn)模時，模具結(jié)構(gòu)不直觀，易出錯，且工藝計算量大，嚴(yán)重影響了設(shè)計效率[1]。PDW（Progressive Die Wizard 級進(jìn)模設(shè)計向?qū)В┦荢iemens 公司基于NX三維軟件開發(fā)的、針對多工位級進(jìn)模設(shè)計的專業(yè)模塊。軟件具有鈑金零件設(shè)計、毛坯展開、毛坯排樣、廢料設(shè)計、排樣設(shè)計、沖壓力計算、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、添加模具標(biāo)準(zhǔn)件等功能。相比于傳統(tǒng)二維模具設(shè)計方法，采用PDW模塊能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量[2]。本文以PDW模塊為設(shè)計平臺，介紹了某電器插座多工位級進(jìn)模的設(shè)計過程。

2 設(shè)計準(zhǔn)備

在多工位級進(jìn)模設(shè)計前，應(yīng)先建立鈑金件模型，計算鈑金件毛坯的展開尺寸，確定中間各工步的形狀和尺寸，為后續(xù)設(shè)計做準(zhǔn)備。

2.1 創(chuàng)建電器插座鈑金模型

在NX 軟件中創(chuàng)建鈑金模型有兩種方法：第一種方法是在建模模塊中建立工件模型，然后利用鈑金識別命令，識別模型中鈑金特征，并確定沖壓的基準(zhǔn)面；第二種方法是利用NX軟件中的鈑金模塊創(chuàng)建電器插座的模型。本文采用第二種方法創(chuàng)建的鈑金模型如圖1 所示。此電器插座材料為QSn6.5-0.1，板料厚度1.5mm，年產(chǎn)量為100萬件。制件中間為Z字形折彎，頂部有一個φ6.2mm的圓孔，兩側(cè)為90°的直角彎曲。

圖1 電器插座零件圖

2.2 鈑金件展開

當(dāng)沖壓工序中有彎曲、拉深和脹形等成形工序時，先要把鈑金件展開，得到鈑金件的毛坯尺寸[3]。與傳統(tǒng)的毛坯展開計算不同，PDW模塊可以定義折彎系數(shù)和材料力學(xué)性能，自動計算出毛坯尺寸。展開后得到的鈑金件毛坯長度為58.404mm，寬度為43.404mm，如圖2所示。

圖2 毛坯尺寸

2.3 定義各中間工步

定義中間工步是在軟件中創(chuàng)建各個中間工步的鈑金件模型，其目的是為創(chuàng)建各中間工步的凸模、凹模做準(zhǔn)備。定義中間工步命令可以創(chuàng)建一個裝配結(jié)構(gòu)，該裝配結(jié)構(gòu)利用了NX 的Wave 技術(shù)，各中間工步之間具有關(guān)聯(lián)性，即其中一個工步發(fā)生更改，其后續(xù)工步也會隨之發(fā)生改變[4]。此例中電器插座的彎曲成形是在2 個工步完成的，由于彎曲工步前要設(shè)置2個沖切廢料的工步，所以，設(shè)置中間工步數(shù)量為3，起始工步為3，步距為60mm。創(chuàng)建的各中間工步如圖3所示。

圖3 各中間工步

3 工藝設(shè)計

3.1 初始化項目

前期的準(zhǔn)備工作做好后，即可將設(shè)計好的鈑金模型導(dǎo)入到PDW 模塊，然后用初始化項目命令創(chuàng)建一個工程項目，在這個工程項目中可以設(shè)置工程的基本信息，如項目的名稱、項目文件存儲的位置、鈑金件的材料和板料厚度等。

3.2 毛坯布局及廢料設(shè)計

利用毛坯布局命令導(dǎo)入展開好的毛坯模型，通過調(diào)整毛坯的位置、間距、角度和排列方式，設(shè)計出毛坯的布局。為了提高材料的利用率，本例毛坯布局采用雙側(cè)對排，步距為60mm，條料寬105mm，材料的利用率為31.94%。如圖4所示。

圖4 毛坯布局

為了得到毛坯的外形，必須將毛坯間的多余廢料沖裁掉。在廢料設(shè)計時應(yīng)將廢料分解成多個簡單形狀，以便提高沖廢料凸模的強(qiáng)度，且要注意各廢料之間由于不恰當(dāng)?shù)姆纸猱a(chǎn)生的毛刺、尖角、不圓滑等質(zhì)量缺陷[5]。如廢料1 和廢料2 之間應(yīng)有少量重疊部分（0.5mm過切），板料共設(shè)計了15塊廢料如圖5所示。

圖5 廢料設(shè)計

3.3 排樣的設(shè)計與仿真

條料排樣可以設(shè)置沖壓的工步數(shù)，并將中間工步安排到條料的具體位置，通過仿真沖裁產(chǎn)生3D條料。本例中電器插座有4處彎曲，中間的Z字形彎曲和兩側(cè)的90°彎曲。中間的Z字形彎曲可以采用一次彎曲成形，但考慮彎曲后回彈較大，且尺寸精度不易保證，所以采用先向向下彎曲，再向上彎曲的方法來成形。為使沖壓件不偏移，兩側(cè)的彎曲應(yīng)同時進(jìn)行。排樣圖如圖6所示，第1工步：沖定位孔，雙成形側(cè)刃沖切周邊余料，沖切中間廢料，為以后的成形工藝做準(zhǔn)備；第2工步：沖切余料；第3工步：沖φ6.2mm孔；第4工步：一次彎曲；第5工步：彎曲成形；第6工步：切斷。

圖6 排樣圖

3.4 計算沖壓力及確定壓力中心

計算沖壓力是為了選擇合適的沖壓設(shè)備，同時也為校核工作零件的強(qiáng)度做準(zhǔn)備。沖壓力不僅包括沖裁力，由于沖壓件需要兩次彎曲，所以包括彎曲力。沖壓力一般是根據(jù)經(jīng)驗公式計算，壓力中心即為沖壓力合力的作用點，由于沖壓力分布不均勻，為了防止模具發(fā)生偏磨，計算的壓力中心應(yīng)與模具的中心相重合。確定壓力中心可采用解析法和懸掛法，制件越復(fù)雜，計算量越大。采用PDW 模塊的沖壓力的計算命令可自動計算出沖壓力和壓力中心。經(jīng)計算沖壓力為361628.430N，壓力中心坐標(biāo)為（-124.440,0,0）。圖7中的圓點即為壓力中心，此點應(yīng)與模板的中心重合。

圖7 壓力中心

4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包括選擇模架，設(shè)計沖裁彎曲工序的凸模、凹模，選擇適合的螺釘、銷釘、卸料螺釘、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等標(biāo)準(zhǔn)零件。

4.1 加載模架

模架是模具的主體結(jié)構(gòu)，它用于連接級進(jìn)模的所有零件，并承受沖壓過程中的全部載荷。所以，模架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證級進(jìn)模在沖壓過程中不變形，不被破壞。PDW提供標(biāo)準(zhǔn)模架庫和模架的編輯和修改工具，具體參數(shù)：模架選擇DB_UNIVERSAL1目錄下的9plate 模架。規(guī)格為600×200mm，即從上到下依次為上模座、上模墊板、凸模固定板、卸料板背板、卸料板、凹模板、凹模墊板、下模座和模腳。由于模具較為復(fù)雜，為了便于修磨模具，卸料板和凹模板的結(jié)構(gòu)采用并列組合式，由兩個部分組成，一部分為彎曲成形區(qū)域，另一部分為沖裁區(qū)域。

4.2 沖裁模設(shè)計

PDW 模塊為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)圓形沖裁凸模和凹模，圖8 所示為第1 工步的沖定位孔的凸模。同時對于異形凸模也提供了用戶自定義的設(shè)計方法，如第2工步的沖廢料凸模，如圖9所示。本例中模具結(jié)構(gòu)緊湊，模具件的空間較小，凹模采用整體式凹模，采用線切割和坐標(biāo)磨床加工，即加工方便又容易保證加工的尺寸精度。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)圓形凸模

圖9 異形凸模

4.3 彎曲模設(shè)計

第4工步向下折彎，采用的標(biāo)準(zhǔn)折彎凸模鑲件，利用螺釘固定在凸模固定板上。同時為了防止凸模彎曲，增加了固定在下模反側(cè)壓塊，凹模直接在凹模板上加工。第5工步的彎曲模具與此類似，這里不一一贅述。其整體彎曲模具如圖10所示。

圖10 彎曲模

4.4 其它輔助零部件

其它輔助零部件如導(dǎo)向裝置、定位零件和卸料零件，多數(shù)都可以選擇標(biāo)準(zhǔn)零件如圖11所示，PDW的零件庫中提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)件。

圖11 輔助標(biāo)準(zhǔn)零件

定位裝置是第3 工步和第5 工步前，采用φ5.94mm 的導(dǎo)正銷導(dǎo)正。為了保證模具的精確導(dǎo)向，采用了4 個可拆卸式外導(dǎo)柱導(dǎo)套，板內(nèi)采用10個小導(dǎo)套。卸料板采用卸料螺釘?shù)跹b在上模。本例的卸料螺釘采用組合式，由內(nèi)六角螺釘、墊片、套管和彈簧組成，卸料螺釘對稱分布，工作長度保持一致。

4.5 模具整體結(jié)構(gòu)

模具整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 模具整體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

PDW 模塊為多工位級進(jìn)模設(shè)計提供了全流程的解決方案，鈑金設(shè)計、毛坯展開、排樣設(shè)計、計算沖壓力、模架設(shè)計、加載標(biāo)準(zhǔn)零件，這些功能極大地提高設(shè)計者的工作效率，縮短了所需的設(shè)計時間。