级进模数字化设计技术分析

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1引言

级进模（连续模）是一种在冲床的一次行程中完成一系列冲压加工、由多个顺序关联的工位组成的模具，具有精密、高效、寿命长等特点。因此，如何设计出确保冲压件质量及尺寸精度的级进模是每一个相关工程师应考虑的问题。随着机械设计制造技术与计算机技术领域的不断融合，出现了如Pro/E、SolidWorks、UG等多种CAD/CAM软件，它们都是基于特征、全相关数据库的参数化软件，具有三维设计、装配、分析、模拟仿真等功能，这些各具特色的软件使得模具数字化设计技术得到了迅速的发展，其中PDX（ProgressiveDieExtension）是Pro/E软件的专用模块，是一种专业的冲压模具3D设计软件模块，它具有从钣金零件创建条带布局、根据条带布局加载模具板材、创建冲压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进行级进模数字化设计应是模具企业优先采用的设计模式。

2设计的基本流程

2.1工件的准备。2.1.1零件的三维建模。利用Pro/E系统的“零件”模块，创建出制品零件的三维模型，如图1所示。2.1.2工件的参照和准备选用PDX中“通过继承、通过合并或通过族表”的某个选项加载零件模型，并自动将模型转换为钣金件形式；再对转换的钣金件设置材料属性、展平并填补钣金件内的凸、凹、孔等区域，得到展平并填充的钣金件，从而为条带设计准备好所需的工件。任一视图为某零件加载、展平并填充后的钣金，如图2所示。2.2条带设计。2.2.1工件的导入和位置调整。在PDX的“条带向导”对话框中设置条带组件名称、条带零件名称、工位数等参数并导入工件模型后，在条带预览区域中可以看到导入工件的排样结果，根据需要可以对工件移动、旋转以及条带尺寸的调整，程序自动创建出条带。2.2.2设置冲压参照区域并加载工位。执行“条带向导”对话框中“插入/冲压参照零件”命令，在第一个工位上添加冲压参照区域并调整位置和参数，从而在条带上创建出切边工位；继续执行PDX中的相关命令，在条带上加载成形、冲孔、折弯等条带上的所有工位，使设计意图更明确，含有工位的条带三维模型转换生成的排样图，如图3所示。2.3模架和冲压元件设计。条带布局设计完成后，执行PDX目中“创建项”按钮，为级进模加载模板创建一个新项目。成形侧刃和凸模尺寸，如图4所示。2.3.1加载模具板材。通过PDX中的“定义板”命令，在“板向导”对话框中设置工具高度、条带进给高度；然后在“板”选项卡中选择“上模座板”，在弹出的对话框中设置该模板基本体的尺寸和材料参数，并精确定位上模座板在模架中的位置；用类似的方法设置上模垫板、下模座板、支承块等元件；最后添加条带并调整其位置，至此生成含有条带的模板，加载含有条带的模板，如图5所示。2.3.2设计冲压成形元件。根据不同的工位，选用“PDX/冲孔冲压”、“在组件模式下创建元件”以及“基准特征/拉伸”等命令创建出成形孔冲压、冲压成形、折弯、落料等元件，部分成形元件，如图6所示。2.4其他机构设计。当所有的模板、模具成形零件都定义完成后，运用Pro/E中“草绘的基准点”工具在模板相应位置创建基准点，再使用PDX工具栏上“在现有基准点上创建螺钉”、“在现有基准点上创建销”等命令创建出标准件及其他设备，如紧固元件、定位销、卸料机构、导向机构，以及根据冲压设备创建的模柄。至此，生成的模具总装图，如图7所示。

3应用举例

3.1设计任务与分析。某设备上的防护扣零件，材料是T45，料厚1mm，其成形包括外形冲裁、冲孔、压筋、弯曲等工序[2]。零件精度要求较高、属于大批量生产，如果采用单工序模制造加工，由于重复定位难以保证产品的公差要求；若采用复合模具生产加工，模具结构较复杂且成本高，故采用多工位级进模进行冲压，它能够避免单工序模具加工的定位误差较大的问题，又能够简化模具结构，降低模具制造成本，优点突出。3.2零件工艺计算。3.2.1设计毛坯尺寸。在确定工件的排样方案前，首先要确定零件毛坯尺寸，它是制定工艺方案的前提和基础，毛坯的外形尺寸参数是冲压成形的一个重要指标。利用上述1中的“工件的参照和准备”方法将工件展平、填充；再运用“Pro/E”中的分析测量工具，可得出零件的面积为4554.87mm2以及尺寸等参数。防护扣零件展平并填充的钣金件如图2中任一视图。3.2.2确定排样方案。级进模条带排样方案的确定，需要综合考虑多个方面的因素，对各种可行方案进行对比分析从而在多种可行方案中选出一种相对合理的设计方案。本题主要考虑了两种排样方案，方案一，如图2横排（a），采用两侧载体，导正孔设计在一侧搭边上，这种方案的材料利用率较高，但是在最后两工位条料送进时，由于条料弯曲高度较高，导料和顶料装置设计较复杂，弯曲边会和凹模板产生干涉现象而影响送进；方案二，如图2竖排（b），采用单侧载体，一侧为成形侧刃，另一侧为加工导正孔，由于单侧载体的存在，材料利用率较低，但送进时较横排方便，干涉区域较小，通过凹模板上加工让位槽，不会出现方案一的问题，结构上也更加紧凑，综合考虑采用方案二，该方案的材料利用率为：η=A/S=4554.87/（124×86）=42.71%。接下来确定工序的安排，工序安排应遵循工序设计原则，结合防护扣冲压工序的设计，从防止弯曲干涉及简化模具结构的角度考虑工位安排：工位①：冲裁外形和导正孔；工位②：压筋成形；工位③：冲裁圆孔和方孔；工位④：弯曲成形；工位⑤：落料得到工件，工序的排样，如图3所示。3.3冲压力数值计算。3.3.1冲压力计算。冲压力是级进模设计的一个重要部分，其大小关系到压力中心的计算和压力机的选择。对于防护扣级进模，冲压力主要由冲裁力、压筋力、弯曲力三部分构成[3]，其中冲裁力包括冲裁成形侧刃、成形冲裁、冲导正孔、冲圆孔、冲方孔、落料等工位的冲裁力和卸料力，计算依据是经验公式。总冲压力是所有工序冲压力之和，求得F总=913.43kN。3.3.2确定等效压力中心。确定等效压力中心有观察法、模拟实验法、计算法和作图法等方法。本题较复杂，采用计算法求等效压力中心，求得压力中心为（151.92，74.52），该偏移条带中心的距离△x为63.08mm，△y为7.92mm，后续求出凹模板尺寸再对偏移值进行校核。3.4确定冲模刃口尺寸。凸凹模的刃口尺寸和公差是模具设计的一个重要参数，刃口尺寸、冲裁间隙直接关系到零件尺寸精度。对于该防护扣级进模，计算冲裁和弯曲的刃口尺寸和公差是关键，如图4所示。为以成形侧刃冲裁为例计算刃口尺寸，采用配合加工，以凸模为基准，凸模制造精度取IT8级，凹模按凸模配合加工，其他刃口尺寸的确定不再叙述。3.5模具主要结构设计。3.5.1凹模板、固定板、垫板尺寸设计。凹模板采用整体式凹模结构，根据凹模最大刃口尺寸为86mm，材料厚度为1mm，根据资料[4]，由经验公式及查表求得凹模厚度H=25mm，凹模壁厚c=36mm和凹模刃口之间距离b=6mm。根据制件材料为T45钢，属于高碳钢，凹模材料查表得，选用CrWMn较合适；根据条带长宽尺寸，凹模长度L>5×86+36×2-3=499mm，凹模宽度B>124+2×36=196mm。所以取凹模板长宽尺寸为：L=500mm，B=200mm。如果条带的中心和模具中心重合，由2.3知压力中心偏移量为△x=63.08mm，而凹模板长度为500mm，500/6>63.08，即长度偏移量不超过凹模板长度的1/6，△y偏移值较小，压力中心满足条件。凸模固定板的外形尺寸与凹模板相同，根据JB/T7643.1-1994标准，凸模固定板厚度尺寸取H=28mm，材料为45钢。凸凹模垫板外形尺寸与凹模板相同，垫板厚度尺寸取H=20mm。至此，应用上述1中在PDX加载模具板材相关知识生成含有条带的模板，如图5所示。3.5.2凸模设计。在设计凸模时首先要确定一个基准凸模高度，其他凸模根据冲压要求按基准高度计算差值，一般凸模的高度并不相等。在本级进模中，最长凸模为弯曲模，取其长度为基准高度其值为：L基=28+12+20+1+20=81mm，其他凸模长度设计类似。在图5的基础上继续使用上述1中在PDX中设计冲压成形元件等知识，设计出成形、折弯、落料等凸模元件经及自动生成凸模垫板、凹模板等模板的内部结构形状，凹模板和部分凸模，如图6所示。3.5.3模具结构零件的设计。通过资料[1，4-5]，设计计算选用出导正销、卸料机构、导料机构、限位机构、浮顶装置、模架、模柄等构件的型号参数，有了这些参数后在图5、图6的基础上使用1.4中的知识创建出这些构件后，生成的级进模总装图，如图7所示。3.6压力机的选定。3.6.1压力机型号的选用。根据冲压总压力初步选用公称压力为1250kN的JE21-125D开式压力机。3.6.2压力机校核。（1）压力校核模具冲压过程总压力为：F总=913.43kN；压力机的标准压力为：F标=1250kN。压力关系为1.3F总=1.3×913.43=1187.46<F标=1250，符合压力机公称压力条件，式中1.3为安全系数值。（2）模具闭合高度的校核根据模具结构，该模具的闭合高度为：H=H上模座板+H上模垫板+H凸模固定板+H凸模固定板到卸料板距离+H卸料板+H条料厚度+H凹模板+H下模垫板+H下模座板=50+20+28+20+20+1+25+20+63=247mm。由所选压力机知，该模具最大闭合高度Hmax为320mn，最小闭合高度Hmin为320-100=220mm，而模具的闭合高度必须介于压力机最大闭合高度和最小闭合高度之间，其高度关系[6]为：Hmax-5mm≥H≥Hmin+10mm，即320-5=315mm≥H=247≥220+10=230mm，满足闭合高度条件。（3）工作台尺寸校核模座的外形尺寸L×B=（500×400）mm，工作台左右尺寸为1270mm，前后尺寸为720mm，因此工作台尺寸满足要求。3.7模具装配工程图。经过校核，设计的级进模具与所选的压力机已配套。虽然三维图形直观性好，但在工程上仍采用二维图形作为工程图样，三维图形只起辅助作用。利用Pro/E中的绘图模块将模具装配体生成相应的视图并进行标注以及标题栏、明细栏的修改、技术要求的书写[7]。如果生成的工程图与国标要求有出入，可将工程图转入到AutoCAD中进一步细化得到符合国标的工程图文件。防护扣级进模工程图（主视图），如图8所示。123准8H7/g674H7/m6准6H7/m680H7/m686H7准6m6H7m6准5H7m665H7m6准6H7m6C-CB-B45A-A67981011121324714151617181920212223242526271.上模座板2.A型导柱3.成形侧刃4.压筋上模5.冲孔凸模6.螺钉7.模柄8.方孔凸模9.弯曲上模10.落料凸模11.销12.螺钉13.垫板14.卸料板15.螺钉16.销17.弯曲下模18.压筋下模19.销20.弹簧21.螺钉22.下模座板23.托料杆24.托料板25.导料板26.螺钉27.凸模固定板图8防护扣级进模（主视图）Fig.8ProgressiveDieforProtectiveBuckle（FrontView）3.8模具元件的数控加工。Pro/E虽具有强大的设计功能，但其加工功能因参数设置较为繁琐而不利于推广，而MasterCAM具有卓越的加工功能，被广泛应用于机械、模具、造船等领域。因此，将两者相结合既能提高模具的设计质量和效率，又能提高模具的精度。应用时先将零件从Pro/E中以Iges的类型保存；再从MasterCAM中读入该文件进行刀具路径设置并通过模拟仿真检查加工轨迹是否合理；最后利用后处理功能生成NC代码，再将NC代码传输到数控加工设备的控制器从而驱动设备进行元件加工[8]。

4结论

以防护扣零件为例简述了基于Pro/E和PDX的级进模数字化设计，从冲压件的建模、转换、排样、条带设计再到元件设计、加工等这一流程，是级进模具设计、开发行之有效的方法，该方法不仅提高了冲压件的尺寸精度和生产效率，还有效地缩短了模具研发周期，提高市场的响应速度，增强企业的竞争力。

作者:高征兵 陈世栋 单位:扬州大学机械工程学院