級進模數(shù)字化設(shè)計技術(shù)研究

高征兵，陳世棟

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 引言

級進模（連續(xù)模）是一種在沖床的一次行程中完成一系列沖壓加工、由多個順序關(guān)聯(lián)的工位組成的模具，具有精密、高效、壽命長等特點。因此，如何設(shè)計出確保沖壓件質(zhì)量及尺寸精度的級進模是每一個相關(guān)工程師應(yīng)考慮的問題。

隨著機械設(shè)計制造技術(shù)與計算機技術(shù)領(lǐng)域的不斷融合，出現(xiàn)了如Pro/E、SolidWorks、UG 等多種CAD/CAM 軟件，它們都是基于特征、全相關(guān)數(shù)據(jù)庫的參數(shù)化軟件，具有三維設(shè)計、裝配、分析、模擬仿真等功能，這些各具特色的軟件使得模具數(shù)字化設(shè)計技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其中PDX（Progressive Die Extension）是Pro/E 軟件的專用模塊，是一種專業(yè)的沖壓模具3D 設(shè)計軟件模塊，它具有從鈑金零件創(chuàng)建條帶布局、根據(jù)條帶布局加載模具板材、創(chuàng)建沖壓元件以及其他模具元件等一系列的功能[1]。因此，利用Pro/E 和PDX 進行級進模數(shù)字化設(shè)計應(yīng)是模具企業(yè)優(yōu)先采用的設(shè)計模式。

2 設(shè)計的基本流程

2.1 工件的準備

2.1.1 零件的三維建模

利用Pro/E 系統(tǒng)的“零件”模塊，創(chuàng)建出制品零件的三維模型，如圖1 所示。

圖1 防護扣零件圖Fig.1 Part Drawing of Protective Buckle

2.1.2 工件的參照和準備

選用PDX 中“通過繼承、通過合并或通過族表”的某個選項加載零件模型，并自動將模型轉(zhuǎn)換為鈑金件形式；再對轉(zhuǎn)換的鈑金件設(shè)置材料屬性、展平并填補鈑金件內(nèi)的凸、凹、孔等區(qū)域，得到展平并填充的鈑金件，從而為條帶設(shè)計準備好所需的工件。任一視圖為某零件加載、展平并填充后的鈑金，如圖2 所示。

圖2 工件條帶排樣Fig.2 Strip Layout of Workpiece

2.2 條帶設(shè)計

2.2.1 工件的導入和位置調(diào)整

在PDX 的“條帶向?qū)А睂υ捒蛑性O(shè)置條帶組件名稱、條帶零件名稱、工位數(shù)等參數(shù)并導入工件模型后，在條帶預覽區(qū)域中可以看到導入工件的排樣結(jié)果，根據(jù)需要可以對工件移動、旋轉(zhuǎn)以及條帶尺寸的調(diào)整，程序自動創(chuàng)建出條帶。

2.2.2 設(shè)置沖壓參照區(qū)域并加載工位

執(zhí)行“條帶向?qū)А睂υ捒蛑小安迦?沖壓參照零件”命令，在第一個工位上添加沖壓參照區(qū)域并調(diào)整位置和參數(shù)，從而在條帶上創(chuàng)建出切邊工位；繼續(xù)執(zhí)行PDX 中的相關(guān)命令，在條帶上加載成形、沖孔、折彎等條帶上的所有工位，使設(shè)計意圖更明確，含有工位的條帶三維模型轉(zhuǎn)換生成的排樣圖，如圖3 所示。

圖3 排樣圖Fig.3 Drawing of Layout

2.3 模架和沖壓元件設(shè)計

條帶布局設(shè)計完成后，執(zhí)行PDX 目中“創(chuàng)建項”按鈕，為級進模加載模板創(chuàng)建一個新項目。成形側(cè)刃和凸模尺寸，如圖4 所示。

圖4 成形側(cè)刃和凸模尺寸Fig.4 Forming Side Blade and Punch Size

2.3.1 加載模具板材

通過PDX 中的“定義板”命令，在“板向?qū)А睂υ捒蛑性O(shè)置工具高度、條帶進給高度；然后在“板”選項卡中選擇“上模座板”，在彈出的對話框中設(shè)置該模板基本體的尺寸和材料參數(shù)，并精確定位上模座板在模架中的位置；用類似的方法設(shè)置上模墊板、下模座板、支承塊等元件；最后添加條帶并調(diào)整其位置，至此生成含有條帶的模板，加載含有條帶的模板，如圖5 所示。

圖5 加載的模板Fig.5 Loading Template

2.3.2 設(shè)計沖壓成形元件

根據(jù)不同的工位，選用“PDX/沖孔沖壓”、“在組件模式下創(chuàng)建元件”以及“基準特征/拉伸”等命令創(chuàng)建出成形孔沖壓、沖壓成形、折彎、落料等元件，部分成形元件，如圖6 所示。

圖6 凹模板和部分凸模Fig.6 Die Plate and Some Punches

2.4 其他機構(gòu)設(shè)計

當所有的模板、模具成形零件都定義完成后，運用Pro/E 中“草繪的基準點”工具在模板相應(yīng)位置創(chuàng)建基準點，再使用PDX工具欄上“在現(xiàn)有基準點上創(chuàng)建螺釘”、“在現(xiàn)有基準點上創(chuàng)建銷”等命令創(chuàng)建出標準件及其他設(shè)備，如緊固元件、定位銷、卸料機構(gòu)、導向機構(gòu)，以及根據(jù)沖壓設(shè)備創(chuàng)建的模柄。至此，生成的模具總裝圖，如圖7 所示。

圖7 級進模總裝圖Fig.7 Assembly Drawing of Progressive Die

3 應(yīng)用舉例

3.1 設(shè)計任務(wù)與分析

某設(shè)備上的防護扣零件，材料是T45，料厚1mm，其成形包括外形沖裁、沖孔、壓筋、彎曲等工序[2]。零件精度要求較高、屬于大批量生產(chǎn)，如果采用單工序模制造加工，由于重復定位難以保證產(chǎn)品的公差要求；若采用復合模具生產(chǎn)加工，模具結(jié)構(gòu)較復雜且成本高，故采用多工位級進模進行沖壓，它能夠避免單工序模具加工的定位誤差較大的問題，又能夠簡化模具結(jié)構(gòu)，降低模具制造成本，優(yōu)點突出。

3.2 零件工藝計算

3.2.1 設(shè)計毛坯尺寸

在確定工件的排樣方案前，首先要確定零件毛坯尺寸，它是制定工藝方案的前提和基礎(chǔ)，毛坯的外形尺寸參數(shù)是沖壓成形的一個重要指標。利用上述1 中的“工件的參照和準備”方法將工件展平、填充；再運用“Pro/E”中的分析測量工具，可得出零件的面積為4554.87mm2以及尺寸等參數(shù)。防護扣零件展平并填充的鈑金件如圖2 中任一視圖。

3.2.2 確定排樣方案

級進模條帶排樣方案的確定，需要綜合考慮多個方面的因素，對各種可行方案進行對比分析從而在多種可行方案中選出一種相對合理的設(shè)計方案。本題主要考慮了兩種排樣方案，方案一，如圖2 橫排（a），采用兩側(cè)載體，導正孔設(shè)計在一側(cè)搭邊上，這種方案的材料利用率較高，但是在最后兩工位條料送進時，由于條料彎曲高度較高，導料和頂料裝置設(shè)計較復雜，彎曲邊會和凹模板產(chǎn)生干涉現(xiàn)象而影響送進；方案二，如圖2 豎排（b），采用單側(cè)載體，一側(cè)為成形側(cè)刃，另一側(cè)為加工導正孔，由于單側(cè)載體的存在，材料利用率較低，但送進時較橫排方便，干涉區(qū)域較小，通過凹模板上加工讓位槽，不會出現(xiàn)方案一的問題，結(jié)構(gòu)上也更加緊湊，綜合考慮采用方案二，該方案的材料利用率為：η=A/S=4554.87/（124×86）=42.71%。接下來確定工序的安排，工序安排應(yīng)遵循工序設(shè)計原則，結(jié)合防護扣沖壓工序的設(shè)計，從防止彎曲干涉及簡化模具結(jié)構(gòu)的角度考慮工位安排：工位①：沖裁外形和導正孔；工位②：壓筋成形；工位③：沖裁圓孔和方孔；工位④：彎曲成形；工位⑤：落料得到工件，工序的排樣，如圖3 所示。

3.3 沖壓力數(shù)值計算

3.3.1 沖壓力計算

沖壓力是級進模設(shè)計的一個重要部分，其大小關(guān)系到壓力中心的計算和壓力機的選擇。對于防護扣級進模，沖壓力主要由沖裁力、壓筋力、彎曲力三部分構(gòu)成[3]，其中沖裁力包括沖裁成形側(cè)刃、成形沖裁、沖導正孔、沖圓孔、沖方孔、落料等工位的沖裁力和卸料力，計算依據(jù)是經(jīng)驗公式?？倹_壓力是所有工序沖壓力之和，求得F總=913.43kN。

3.3.2 確定等效壓力中心

確定等效壓力中心有觀察法、模擬實驗法、計算法和作圖法等方法。本題較復雜，采用計算法求等效壓力中心，求得壓力中心為（151.92，74.52），該偏移條帶中心的距離Δx 為63.08mm，Δy 為7.92mm，后續(xù)求出凹模板尺寸再對偏移值進行校核。

3.4 確定沖模刃口尺寸

凸凹模的刃口尺寸和公差是模具設(shè)計的一個重要參數(shù)，刃口尺寸、沖裁間隙直接關(guān)系到零件尺寸精度。對于該防護扣級進模，計算沖裁和彎曲的刃口尺寸和公差是關(guān)鍵，如圖4 所示。為以成形側(cè)刃沖裁為例計算刃口尺寸，采用配合加工，以凸模為基準，凸模制造精度取IT8 級，凹模按凸模配合加工，其他刃口尺寸的確定不再敘述。

3.5 模具主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.5.1 凹模板、固定板、墊板尺寸設(shè)計

凹模板采用整體式凹模結(jié)構(gòu)，根據(jù)凹模最大刃口尺寸為86mm，材料厚度為1mm，根據(jù)資料[4]，由經(jīng)驗公式及查表求得凹模厚度H=25mm，凹模壁厚c=36mm 和凹模刃口之間距離b=6mm。

根據(jù)制件材料為T45 鋼，屬于高碳鋼，凹模材料查表得，選用CrWMn 較合適；根據(jù)條帶長寬尺寸，凹模長度L>5×86+36×2-3=499mm，凹模寬度B>124+2×36=196mm。所以取凹模板長寬尺寸為：L=500mm，B=200mm。如果條帶的中心和模具中心重合，由2.3 知壓力中心偏移量為Δx=63.08mm，而凹模板長度為500mm，500/6>63.08，即長度偏移量不超過凹模板長度的1/6，Δy 偏移值較小，壓力中心滿足條件。凸模固定板的外形尺寸與凹模板相同，根據(jù)JB/T7643.1-1994 標準，凸模固定板厚度尺寸取H=28mm，材料為45 鋼。凸凹模墊板外形尺寸與凹模板相同，墊板厚度尺寸取H=20mm。至此，應(yīng)用上述1 中在PDX 加載模具板材相關(guān)知識生成含有條帶的模板，如圖5 所示。

3.5.2 凸模設(shè)計

在設(shè)計凸模時首先要確定一個基準凸模高度，其他凸模根據(jù)沖壓要求按基準高度計算差值，一般凸模的高度并不相等。在本級進模中，最長凸模為彎曲模，取其長度為基準高度其值為：

L基=28+12+20+1+20=81mm，其他凸模長度設(shè)計類似。在圖5的基礎(chǔ)上繼續(xù)使用上述1 中在PDX 中設(shè)計沖壓成形元件等知識，設(shè)計出成形、折彎、落料等凸模元件經(jīng)及自動生成凸模墊板、凹模板等模板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，凹模板和部分凸模，如圖6 所示。

3.5.3 模具結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計

通過資料[1，4-5]，設(shè)計計算選用出導正銷、卸料機構(gòu)、導料機構(gòu)、限位機構(gòu)、浮頂裝置、模架、模柄等構(gòu)件的型號參數(shù)，有了這些參數(shù)后在圖5、圖6 的基礎(chǔ)上使用1.4 中的知識創(chuàng)建出這些構(gòu)件后，生成的級進?？傃b圖，如圖7 所示。

3.6 壓力機的選定

3.6.1 壓力機型號的選用

根據(jù)沖壓總壓力初步選用公稱壓力為1250kN 的JE21-125D開式壓力機。

3.6.2 壓力機校核

（1）壓力校核

模具沖壓過程總壓力為：F總=913.43kN；壓力機的標準壓力為：F標=1250kN。壓力關(guān)系為1.3F總=1.3×913.43=1187.46

（2）模具閉合高度的校核

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，該模具的閉合高度為：H=H上模座板+H上模墊板+H凸模固定板+H凸模固定板到卸料板距離+H卸料板+H條料厚度+H凹模板+H下模墊板+H下模座板=50+20+28+20+20+1+25+20+63=247mm。由所選壓力機知，該模具最大閉合高度Hmax為320mn，最小閉合高度Hmin為320-100=220mm，而模具的閉合高度必須介于壓力機最大閉合高度和最小閉合高度之間，其高度關(guān)系[6]為：Hmax-5mm≥H≥Hmin+10mm，即320-5=315mm≥H=247≥220+10=230mm，滿足閉合高度條件。

（3）工作臺尺寸校核

模座的外形尺寸L×B=（500×400）mm，工作臺左右尺寸為1270mm，前后尺寸為720mm，因此工作臺尺寸滿足要求。

3.7 模具裝配工程圖

經(jīng)過校核，設(shè)計的級進模具與所選的壓力機已配套。雖然三維圖形直觀性好，但在工程上仍采用二維圖形作為工程圖樣，三維圖形只起輔助作用。利用Pro/E 中的繪圖模塊將模具裝配體生成相應(yīng)的視圖并進行標注以及標題欄、明細欄的修改、技術(shù)要求的書寫[7]。如果生成的工程圖與國標要求有出入，可將工程圖轉(zhuǎn)入到AutoCAD 中進一步細化得到符合國標的工程圖文件。防護扣級進模工程圖（主視圖），如圖8 所示。

圖8 防護扣級進模（主視圖）Fig.8 Progressive Die for Protective Buckle（Front View）

3.8 模具元件的數(shù)控加工

Pro/E 雖具有強大的設(shè)計功能，但其加工功能因參數(shù)設(shè)置較為繁瑣而不利于推廣，而MasterCAM 具有卓越的加工功能，被廣泛應(yīng)用于機械、模具、造船等領(lǐng)域。因此，將兩者相結(jié)合既能提高模具的設(shè)計質(zhì)量和效率，又能提高模具的精度。應(yīng)用時先將零件從Pro/E 中以Iges 的類型保存；再從MasterCAM 中讀入該文件進行刀具路徑設(shè)置并通過模擬仿真檢查加工軌跡是否合理；最后利用后處理功能生成NC 代碼，再將NC 代碼傳輸?shù)綌?shù)控加工設(shè)備的控制器從而驅(qū)動設(shè)備進行元件加工[8]。

4 結(jié)論

以防護扣零件為例簡述了基于Pro/E 和PDX 的級進模數(shù)字化設(shè)計，從沖壓件的建模、轉(zhuǎn)換、排樣、條帶設(shè)計再到元件設(shè)計、加工等這一流程，是級進模具設(shè)計、開發(fā)行之有效的方法，該方法不僅提高了沖壓件的尺寸精度和生產(chǎn)效率，還有效地縮短了模具研發(fā)周期，提高市場的響應(yīng)速度，增強企業(yè)的競爭力。