連接器端子超高速級進模設(shè)計

譚 鋒，羅 亮

(1. 常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000;2. 東莞銘普光磁股份有限公司，廣東 東莞 523343)

0 引 言

隨著電子通信、電機電器、汽車和家電等產(chǎn)品技術(shù)的迅速發(fā)展，對于連接器端子的需求也越來越多，在這種大量與超大量的生產(chǎn)需求中，需要進一步提高生產(chǎn)速度來應(yīng)對客戶的需求，采用超高速全自動化的級進模具進行生產(chǎn)是提高生產(chǎn)效率的有效途徑。本文以某連接器端子為例，詳細闡明了超高速級進模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其設(shè)計注意事項。

1 產(chǎn)品要求及工藝分析

1.1 產(chǎn)品要求

某連接器端子材料為H65黃銅，厚度為(0.15±0.01)mm。超大批量生產(chǎn)，零件表面不允許有刻痕、毛刺和臺階，尺寸精度以及結(jié)構(gòu)如圖1所示，后續(xù)需對端子進行電鍍鎳處理，鍍層總厚度為50～100 μm。為了提高生產(chǎn)效率，要求采用高精密級進模模具進行生產(chǎn)，且沖壓速度在每分鐘1 500次以上。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸

1.2 工藝分析

尺寸精度與結(jié)構(gòu)分析：1.20 mm與1.16 mm兩個尺寸公差要求控制在0.02 mm以內(nèi)，X向與Y向的位置度要求在0.04 mm以內(nèi)，0.50 mm與0.60 mm兩個尺寸公差要求控制在0.03 mm以內(nèi)，直角折彎垂直度公差要求控制在0.05以內(nèi)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對簡單，只有一個90°的直角折彎，但沖壓速度要求在每分鐘1 500次以上。為了提高效率，要求設(shè)計精密、高速的級進模模具來完成生產(chǎn)。

2 排樣設(shè)計

2.1 料帶設(shè)計

經(jīng)過計算，產(chǎn)品折彎展開后的形狀如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品展開示意圖

考慮到本產(chǎn)品采用高速精密級進模進行生產(chǎn)，有以下3點需要考慮：第一、模具需要精準(zhǔn)定位；第二、需要使用自動送料與收料結(jié)構(gòu)；第三、端子生產(chǎn)完后需要進行電鍍鎳層。因此在排樣時需要增加相關(guān)的工藝機構(gòu)，考慮到相關(guān)結(jié)構(gòu)的強度，料帶初步排樣如圖3所示。步距為3 mm，料寬為6.5 mm，導(dǎo)正銷孔徑為1.3 mm。收料如圖4所示，層與層之間采用紙張隔開進行收料。

圖3 單排料帶圖

圖4 收料圖

但本產(chǎn)品生產(chǎn)為超大批量，如果設(shè)計成一排一列，在級進模中料帶隨著沖裁與折彎等工步的進行，在后續(xù)工步中料寬的左右兩邊存在受力不平衡的現(xiàn)象，模具的送料速度會受到影響。為了提高生產(chǎn)效率，以及提高料帶的利用率，將模具設(shè)計成兩排兩列的方式，并結(jié)合電鍍時的夾具要求，最終的料帶排樣設(shè)計如圖5所示。料寬為11 mm，步距為6.4 mm，為了提高定位精度，側(cè)刃定位安排兩個側(cè)切口進行粗定位，以及1個孔徑為1.3 mm導(dǎo)正銷孔進行精細定位，收料還是按照圖4方式進行[1]。

圖5 雙排料帶圖

2.2 工位設(shè)計

基于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、精度要求，以及沖裁刃口的設(shè)計原則，加上沖壓速度的要求，在不影響產(chǎn)品精度以及模具強度的前提下，為了盡可能地減少工位，縮短模具長度，提高沖壓速度，最終做出如圖6所示排樣工位設(shè)計。

1) 工位1與2為預(yù)切斷，為便于在裝配時折斷，也可以消除料帶上的內(nèi)應(yīng)力，改善后續(xù)工位的加工性能；

2) 工位3與4為側(cè)切與沖導(dǎo)正銷孔，把粗定位與精細定位的側(cè)切與導(dǎo)正銷孔放在一個工位中，可以提高模具的定位精度；

3) 工位5～8為沖裁產(chǎn)品折彎處的外形工位，主要把折彎處的材料外形給沖裁出來，并且僅僅把折彎處外形沖裁出，不沖裁其他的廢料，料帶材料盡可能保持多一些，讓料帶在最后才分開為兩排，這樣保證了料帶在模具中的送料順暢，提高沖壓速度，也為后續(xù)的折彎提供更多的壓料空間；

4) 工位9與10為90°折彎工位，后續(xù)的工位上脫料板與凹模板時要注意讓位；

5) 工位11與12位沖裁外形工位，此時把料帶分開；

6) 工位13與14為扇形調(diào)整，可以根據(jù)扇形的弧形情況，在料帶上采取內(nèi)外側(cè)壓印的方式來進行調(diào)整，便于后面的收料[2-3]。

圖6 排樣工位圖

3 模具設(shè)計

3.1 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)如圖7所示。模具工作過程為:合模時，內(nèi)外導(dǎo)柱、導(dǎo)套進行導(dǎo)向，導(dǎo)正銷插入帶料上的導(dǎo)正孔導(dǎo)正料帶，卸料板與浮料塊接觸壓料。上模部分繼續(xù)向下，當(dāng)卸料板與凹模板完全壓緊料帶時，沖裁凸模、成型凸模開始工作，然后上模部分繼續(xù)下行至閉合狀態(tài)，完成沖裁、成型過程。開模時，動作剛好與合模時相反，各個零部件回復(fù)到原始狀態(tài)，料帶在自動送料機的作用下，自動向前推送一個步距，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)[4]。

1—上模座；2—螺釘；3—內(nèi)導(dǎo)套；4—內(nèi)導(dǎo)柱；5—沖裁凸模；6—限位柱；7—限位套；8—凸模鑲塊；9—螺釘；10—墊圈；11—螺釘；12—套管；13—折彎凸模；14—螺塞；15—彈簧；16—墊片；17—推桿；18—螺釘；19—外導(dǎo)套；20—外導(dǎo)柱；21—固定塊；22—調(diào)整桿；23—螺釘；24—凸模墊板；25—凸模固定板；26—脫料墊板；27—導(dǎo)料板；28—脫料板；29—螺釘；30—脫料板；31—凹模固定板；32—凹模墊板；33—下模座；34—固定螺釘；35—折彎凹模；36—浮料塊；37—頂桿；38—彈簧；39—螺塞；40—沖裁凹模鑲塊；41—脫料板鑲塊；42—止高塊；43—壓料板；44—螺釘；45—壓印凹模鑲塊；46—調(diào)整扇形凹模鑲塊；47—壓片圖7 模具結(jié)構(gòu)

3.2 提高沖壓速度的模具設(shè)計要點

1) 產(chǎn)品材料為 H65黃銅，這種材料比較耐磨，但是在沖裁過程中容易掉粉，粉屑殘留在模具中，會在產(chǎn)品上產(chǎn)生壓痕，高速度沖壓會加速這一現(xiàn)象。因此在設(shè)計時，需要在料帶進入模具前，在外部增加滴沖壓油的裝置，將沖壓油均勻地滴在料帶上表面，沖壓油在沖裁時會起到潤滑以及清潔沖頭的作用，在沖裁以及折彎的時候可以避免粉屑的產(chǎn)生。

2) 沖壓模具進行沖裁時，經(jīng)常有跳屑，即是沖裁后的廢料切屑被凸模帶回到凹模板上表面的現(xiàn)象；切屑會在產(chǎn)品上形成壓痕，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，有時候也會造成送料不順暢進而造成停機維修，影響生產(chǎn)效率；并且跳屑現(xiàn)象隨著沖壓速度的提高會變得更加嚴(yán)重，在“模具設(shè)計要點一”中，為了減少沖裁粉屑產(chǎn)生，要求在料帶上滴上沖壓油，因為沖壓油除了有潤滑及清潔作用外，也會增加廢料的黏性。因為有沖壓油的存在，廢料也很容易粘在沖模的表面，隨著沖模回升，會加劇跳屑的產(chǎn)生，因此為了能夠滿足本套模具沖裁速度每分鐘1 500次以上的要求，采用以下設(shè)計方法來解決。

第一種是對于廢料尺寸小于凹模刃口尺寸的沖裁，比如工位2和3的側(cè)切定位沖裁?？紤]到第二個側(cè)切工藝口對于定位只是起到輔助作用，且對后續(xù)的電鍍沒有作用，將其改變成一個凹形圓弧形狀，如圖8所示，讓廢料與刃口之間的接觸面積更大一些，能有效避免其跳屑。

圖8 廢料形狀

第二種是對于后面的沖裁工位，為了防止其跳屑，沖模頭部的形狀從設(shè)計上做一點改變，如圖9所示，在凸模頭部一個方向上設(shè)計一個V字形狀，沖裁廢料以后，廢料在另一個方向的變形會比較嚴(yán)重，從而卡在凹模刃口中，增加與刃口間的摩擦力，以避免跳屑現(xiàn)象。

圖9 沖裁凸模與凹模結(jié)構(gòu)圖

3) 高速沖壓時，沖壓速度越快，料帶在模具當(dāng)中的流動速度也越快，加之料帶本身只有0.15 mm厚，因此要設(shè)計合理的導(dǎo)料板與浮料塊，才能保證料帶快速順利流出，對于導(dǎo)料板的設(shè)計，首先提高其定位精度，每塊導(dǎo)料板都采用高精度定位銷來定位；對于導(dǎo)料槽，在加工時提高表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，且在裝配之前要對導(dǎo)料板進行倒角拋光等處理，使其表面粗糙度達到Ra0.05左右，減少料帶與導(dǎo)料的摩擦力，以利于料帶在模具內(nèi)的流動；對于浮料塊的設(shè)計，在不影響凹模板強度的前提下，盡可能多地設(shè)計浮料塊，這樣可使模具中的料帶保持高度一致，有利于料帶在模具中的流動。

4) 超高速度沖壓會帶來尺寸的不穩(wěn)定，特別是折彎的Z方向0.05 mm的垂直度尺寸的不穩(wěn)定，加上折彎時材料的一個反彈，也會造成尺寸的不穩(wěn)定，因此為了保證該尺寸的精度，對于工位9和10的折彎工位做如圖10所示的設(shè)計。在凹模的折彎受力區(qū)域設(shè)計一個加強凸臺，這樣在折彎時，折彎內(nèi)部區(qū)域的材料變形會加劇，減少其回彈效果，從而使Z向的尺寸比較穩(wěn)定[5]。

圖10 折彎工位圖

5) 本套模具要求速度在每分鐘1 500次以上，如此高的沖壓速度，對于模具中的凸模與凹模而言，其磨損也會加劇，因此為了解決磨損嚴(yán)重的問題，選擇鎢鋼中CD650作為所有的凸模與凹模的材料，因為CD650良好的綜合性能，不僅能提高耐磨性，而且作為刀口切削材料很鋒利，也能降低粉屑的產(chǎn)生。

6) 為了不影響沖壓速度，必須要使廢料能快速地落入廢料箱，對凹模的結(jié)構(gòu)進行如圖8所示的設(shè)計，縮短刃口高度，其高度僅為1 mm(因為CD650材料耐磨性很好，并不會因為縮短了刃口高度而影響其使用壽命)，以及下方做成喇叭口形狀，都有利于廢料的落下，并且在模具落料處下方加裝吸塵器，由于吸塵器的作用，屑料下方產(chǎn)生一個負(fù)壓，從而對廢料增加一個向下的作用力，使廢料易于從凹模脫落[6]，掉入廢料箱中。

7) 為了提高沖壓速度，在不影響模具整體強度的情況下，對整個模具進行減重處理。(1)使用A7075鋁板代替45#鋼作為模具上下模座的材料。A7075鋁板是一種冷處理鍛壓合金，強度、硬度高，且具有良好的加工性能，其密度為2.82 g·cm-3遠遠小于45#鋼的7.85 g·cm-3，所以同樣尺寸的上下模座用A7075鋁比原先輕了一半質(zhì)量；(2)將模具所有模板尺寸在不影響其強度的情況下進行了精減，模板的長與寬分別為300 mm與160 mm，如圖7所示。這不僅減少了模具的質(zhì)量，也因為模板長度的縮短，減少了料帶在模具中流動的距離，這為提高模具的沖壓速度提供了很好的條件。

8) 沖裁間隙的選擇，考慮到本套模具的超高速生產(chǎn)，產(chǎn)品材料選用BRASS，在沖裁時本身易產(chǎn)生粉屑，其間隙值如果太小，會增加粉屑的產(chǎn)生，但間隙太大，又會影響尺寸精度。綜合以上因素，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)表法，最終選擇沖裁單邊間隙為0.05 mm。

9) 由于產(chǎn)品厚度只有0.15 mm，脫模行程只需比導(dǎo)正銷高出脫料板的厚度即可，本模具選擇脫模行程為3 mm，開模行程5 mm，這樣可以縮短模具的行程，能有效提高模具的沖壓速度[7]。

4 結(jié) 語

根據(jù)產(chǎn)品的特點，采用合理的排樣方式，結(jié)合筆者設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了一套適用于高速沖壓的模具，經(jīng)實際生產(chǎn)檢驗，模具沖壓速度最高可達2 000 min-1，穩(wěn)定生產(chǎn)速度在1 600～1 800 min-1之間，滿足了客戶的需求，也為其他的高速沖壓模具設(shè)計提供了參考。