級進模數字化設計技術分析

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1引言

級進模（連續模）是一種在沖床的一次行程中完成一系列沖壓加工、由多個順序關聯的工位組成的模具，具有精密、高效、壽命長等特點。因此，如何設計出確保沖壓件質量及尺寸精度的級進模是每一個相關工程師應考慮的問題。隨著機械設計制造技術與計算機技術領域的不斷融合，出現了如Pro/E、SolidWorks、UG等多種CAD/CAM軟件，它們都是基于特征、全相關數據庫的參數化軟件，具有三維設計、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字化設計技術得到了迅速的發展，其中PDX（ProgressiveDieExtension）是Pro/E軟件的專用模塊，是一種專業的沖壓模具3D設計軟件模塊，它具有從鈑金零件創建條帶布局、根據條帶布局加載模具板材、創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進行級進模數字化設計應是模具企業優先采用的設計模式。

2設計的基本流程

2.1工件的準備。2.1.1零件的三維建模。利用Pro/E系統的“零件”模塊，創建出制品零件的三維模型，如圖1所示。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，并自動將模型轉換為鈑金件形式；再對轉換的鈑金件設置材料屬性、展平并填補鈑金件內的凸、凹、孔等區域，得到展平并填充的鈑金件，從而為條帶設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。2.2條帶設計。2.2.1工件的導入和位置調整。在PDX的“條帶向導”對話框中設置條帶組件名稱、條帶零件名稱、工位數等參數并導入工件模型后，在條帶預覽區域中可以看到導入工件的排樣結果，根據需要可以對工件移動、旋轉以及條帶尺寸的調整，程序自動創建出條帶。2.2.2設置沖壓參照區域并加載工位。執行“條帶向導”對話框中“插入/沖壓參照零件”命令，在第一個工位上添加沖壓參照區域并調整位置和參數，從而在條帶上創建出切邊工位；繼續執行PDX中的相關命令，在條帶上加載成形、沖孔、折彎等條帶上的所有工位，使設計意圖更明確，含有工位的條帶三維模型轉換生成的排樣圖，如圖3所示。2.3模架和沖壓元件設計。條帶布局設計完成后，執行PDX目中“創建項”按鈕，為級進模加載模板創建一個新項目。成形側刃和凸模尺寸，如圖4所示。2.3.1加載模具板材。通過PDX中的“定義板”命令，在“板向導”對話框中設置工具高度、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置該模板基本體的尺寸和材料參數，并精確定位上模座板在模架中的位置；用類似的方法設置上模墊板、下模座板、支承塊等元件；最后添加條帶并調整其位置，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。2.3.2設計沖壓成形元件。根據不同的工位，選用“PDX/沖孔沖壓”、“在組件模式下創建元件”以及“基準特征/拉伸”等命令創建出成形孔沖壓、沖壓成形、折彎、落料等元件，部分成形元件，如圖6所示。2.4其他機構設計。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”工具在模板相應位置創建基準點，再使用PDX工具欄上“在現有基準點上創建螺釘”、“在現有基準點上創建銷”等命令創建出標準件及其他設備，如緊固元件、定位銷、卸料機構、導向機構，以及根據沖壓設備創建的模柄。至此，生成的模具總裝圖，如圖7所示。

3應用舉例

3.1設計任務與分析。某設備上的防護扣零件，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，如果采用單工序模制造加工，由于重復定位難以保證產品的公差要求；若采用復合模具生產加工，模具結構較復雜且成本高，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，又能夠簡化模具結構，降低模具制造成本，優點突出。3.2零件工藝計算。3.2.1設計毛坯尺寸。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，毛坯的外形尺寸參數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。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），采用兩側載體，導正孔設計在一側搭邊上，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，導料和頂料裝置設計較復雜，彎曲邊會和凹模板產生干涉現象而影響送進；方案二，如圖2豎排（b），采用單側載體，一側為成形側刃，另一側為加工導正孔，由于單側載體的存在，材料利用率較低，但送進時較橫排方便，干涉區域較小，通過凹模板上加工讓位槽，不會出現方案一的問題，結構上也更加緊湊，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，工序安排應遵循工序設計原則，結合防護扣沖壓工序的設計，從防止彎曲干涉及簡化模具結構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沖壓力數值計算。3.3.1沖壓力計算。沖壓力是級進模設計的一個重要部分，其大小關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、彎曲力三部分構成[3]，其中沖裁力包括沖裁成形側刃、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，計算依據是經驗公式。總沖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△x為63.08mm，△y為7.92mm，后續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計的一個重要參數，刃口尺寸、沖裁間隙直接關系到零件尺寸精度。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鍵，如圖4所示。為以成形側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模具主要結構設計。3.5.1凹模板、固定板、墊板尺寸設計。凹模板采用整體式凹模結構，根據凹模最大刃口尺寸為86mm，材料厚度為1mm，根據資料[4]，由經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△x=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，△y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，應用上述1中在PDX加載模具板材相關知識生成含有條帶的模板，如圖5所示。3.5.2凸模設計。在設計凸模時首先要確定一個基準凸模高度，其他凸模根據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，其他凸模長度設計類似。在圖5的基礎上繼續使用上述1中在PDX中設計沖壓成形元件等知識，設計出成形、折彎、落料等凸模元件經及自動生成凸模墊板、凹模板等模板的內部結構形狀，凹模板和部分凸模，如圖6所示。3.5.3模具結構零件的設計。通過資料[1，4-5]，設計計算選用出導正銷、卸料機構、導料機構、限位機構、浮頂裝置、模架、模柄等構件的型號參數，有了這些參數后在圖5、圖6的基礎上使用1.4中的知識創建出這些構件后，生成的級進模總裝圖，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。壓力關系為1.3F總=1.3×913.43=1187.46<F標=1250，符合壓力機公稱壓力條件，式中1.3為安全系數值。（2）模具閉合高度的校核根據模具結構，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。經過校核，設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的視圖并進行標注以及標題欄、明細欄的修改、技術要求的書寫[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。123準8H7/g674H7/m6準6H7/m680H7/m686H7準6m6H7m6準5H7m665H7m6準6H7m6C-CB-B45A-A67981011121324714151617181920212223242526271.上模座板2.A型導柱3.成形側刃4.壓筋上模5.沖孔凸模6.螺釘7.模柄8.方孔凸模9.彎曲上模10.落料凸模11.銷12.螺釘13.墊板14.卸料板15.螺釘16.銷17.彎曲下模18.壓筋下模19.銷20.彈簧21.螺釘22.下模座板23.托料桿24.托料板25.導料板26.螺釘27.凸模固定板圖8防護扣級進模（主視圖）Fig.8ProgressiveDieforProtectiveBuckle（FrontView）3.8模具元件的數控加工。Pro/E雖具有強大的設計功能，但其加工功能因參數設置較為繁瑣而不利于推廣，而MasterCAM具有卓越的加工功能，被廣泛應用于機械、模具、造船等領域。因此，將兩者相結合既能提高模具的設計質量和效率，又能提高模具的精度。應用時先將零件從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代碼傳輸到數控加工設備的控制器從而驅動設備進行元件加工[8]。

4結論

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

作者:高征兵 陳世棟 單位:揚州大學機械工程學院