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6、模具设计
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按国家职业定义,模具设计是:从事企业模具的数字化设计,包括型腔模与冷冲模,在传统模具设计的基础上,充分应用数字化设计工具,提高模具设计质量,缩短模具设计周期的人员。

概念

冲压模具整体构造可分成二大部分:
(1)共通部分。
(2)依制品而变动的部分。共通部分可加以标准化或规格化,依制品而变动的部分是难以规格化。

规格

1. 模板之构成
冲压模具之构成将依模具种类及构成及相异,有顺配置型构造与逆配置型构造二大类。前者是最常使用的构造,后者构造主要用于引伸成形模具或配合特殊模具。
2. 模具之规格
(1)模具尺寸与锁紧螺丝
     模板之尺寸应大于工作区域,并选择标准模板尺寸。模板锁紧螺丝之位置配置与模具种类及模板尺寸有关。其中单工程模具最常使用锁紧螺丝配置于四边角,最标准形式工作区域可广大使用。长形之模具及连续模具最常使用锁紧螺丝配置于四边角及中间位置。
(2)模板之厚度
模板之厚度选择与模具之构造、冲压加工种类、冲压加工加工力、冲压加工精度等有绝对关系。依据理论计算决定模具之厚度是困难的,一般上系由经验求得,设计使用的模板厚度种类宜尽量少,配合模具高度及夹紧高度加以标准化以便利采购及库存管理。

模板设计

连续模具之主要模板有冲头固定板、压料板、凹模板等等,其构造设计依冲压制品之精度、生产数量、模具之加工设备与加工方法、模具之维护保养方式等有下列三种形式:(1)整块式,(2)轭式,(3)镶入式。
1. 整块式
整块式模板亦称为一体构造型,其加工形状必须是封闭的。整块式模板主要用于简单结构或精度不高的模具,其加工方式以切削加工为主(不需热处理),采用热处理之模板必须再施行线切割加工或放电加工及研磨加工。模板尺寸长(连续模具)之场合将采用两块或多块一体型并用之。
2. 轭式
轭式模板之中央部加工成凹沟状以组装块状品。其构造依应用要求,凹沟部可以其他模板构成之。此轭式模板构造之优点有:沟部加工容易,沟部宽度可调整之,加工精度良好等。但刚性低是其缺点。
轭式模板之设计注意事项如下:
(1)轭板构部与块状部品之嵌合采中间配合或轻配合方式,如采强压配合将使轭板发生变化。
(2)轭板兼俱块状部品之保持功能,为承受块状部品之侧压及面压,必须具有足够的刚性。还有为使轭板沟部与块状部品得到密着组合,其沟部角隅作成逃隙加工,如轭板沟部角隅不能作成逃隙加工,则块状部品须作成逃隙加工。
(3)块状部品之分割应同时考虑其内部之形状,基准面必须明确化。为使冲压加工时不产生变形,亦要注意各个块状部品之形状。
(4)轭板组入许多件块状部品时,由于各块状部品之加工累积误差使得节距产生变动,解决对策是中间块状部品设计成可调整方式。
(5)块状部品采并排组合之模具构造,由于冲切加工时块状部品将承受侧压使各块状部品间产生间隙或造成块状部品之倾斜。此现象是冲压尺寸不良、冲屑阻塞等冲压不良之重要原因,因此必须有充分的对策。
(6)轭板内块状部品之固定方法,依其大小及形状有下列五种:A.以锁紧螺丝固定,B.以键固定,C.以揳形键固定,D.以肩部固定,E.以上压件(如导料板)压紧固定。
3. 镶入式
模板中加工圆形或方形之凹部,将块状部品镶合嵌入于模板中,此种模板称为镶入式构造,此构造之加工累积公差少、刚性高,分解及组立时之精度再现性良好。由于具有容易机械加工、加工精度由工作机械决定、最后调整之工程少等优点,镶入式模板构造已成为精密冲压模具之主流,但其缺点是需要高精度的孔穴加工机。
连续冲压模具采用此模板构造时,为使模板具有高刚性要求,乃设计空站。镶入式模板构造之注意事项如下所述:
(1)嵌入孔穴之加工:模板之嵌入孔穴加工使用立式铣床(或治具)、综合加工机、治具镗床、治具、线割放电加工机等。嵌入孔穴之加工基准,使用线割放电加工机时,为提高其加工精度乃进行二次或以上之线割加工。
(2)嵌入件之固定方法:嵌入件固定方法之决定因素有不变动其加工的精度、组立及分解之容易性、调整之可能性等。嵌入件之固定方法有下列四种:A.以螺丝固定,B.以肩部固定,C.以趾块固定,D.其上部以板件压紧。凹模板之嵌入件固定方法亦有采用压入配合,此时应避免因加工热膨胀而产生的松弛结果,使用圆形模套嵌入件加工不规则孔穴时应设计回转防止方法。
(3)嵌入件组立及分解之考量:嵌入件及其孔穴加工精度要求高以进行组立作业。为得到即使有稍微的尺寸误差亦能于组立时加以调整,宜事先考虑解决对策,嵌入件加工之具体考虑事项有下列五项:A.设有压入导入部,B.以隔片调整嵌入件之压入状态及正确位置,C·嵌入件底面设有压出用孔穴,D.以螺丝锁紧时宜采用同一尺寸之螺丝,以利锁固及松开,E.为防止组立方向之失误,应设计防呆倒角加工。
设计 
1. 单元
模具对准单元亦称为模具刃件之对合引导装置。为确实保持上模与下模之对准及缩短其准备时间,依制品精度及生产数量等条件要求,模具对准单元主要有下列五种:
(1)无导引型:模具安装于冲床时直接进行其刃件之对合作业,不使用引导装置。
(2)外导引型:此种装置是最标准的构造,导引装置装设于上模座及下模座,不通过各模板,一般称为模座型。
(3)外导引与内导引并用型(一):此种装置是连续模具最常使用之构造,冲头固定板及压料板间装设内导引装置。冲头与凹模之对合利用固定销及外导引装置。内导引装置之另一作用是防止压料板倾斜及保护细小冲头。
(4)外导引与内导引并用型(二):此种装置是高精密度高速连续模具之使用构造,内导引装置贯穿冲头固定板、压料板及凹模固定板等等。内导引装置本身亦有模具刃件对合及保护细小冲头作用。外导引装置之主要作用是模具分解及安装于冲床时能得到滑顺目的。
(5)内导引型:此构造不使用外导引装置,内导引装置贯穿冲头固定板、压料板及凹模固定板等等,正确地保持各块板之位置关系性以保护冲头。
2. 单元
模具之导引方式及配件有导柱及导套单元之种类有两种:(A).外导引型(模座型或称主导引),(B).内导引型(或称辅助引)。另行配合精密模具之要求,使用外导引与内导引并用型之需求性高。
(1)外导引型:一般上使用于不要求高精密度之模具,大多与模座构成一单元贩卖之,主要作用是模具安装于冲床时之刃件对合,几乎没有冲压加工中之动态精度保持效果。
(2)内导引型:由于模具加工机之进展,急速普及。主要作用除了模具安装于冲床时之刃件对合外,亦有冲压加工中之动态精度保持效果。
(3)外导引与内导引并用型:一副模具同时使用外导引与内导引装置。
3. 冲头与凹模单元 (圆形)
(1)冲头单元:圆形冲头单元依其形状(肩部型及平直型)、长度、维修之方便性,使用冲头单元宜与压料板导套单元配合。
(2)凹模单元:圆形凹模单元亦称为凹模导套单元,其形式有整块式及分开式,依生产数量、使用寿命及制品或冲屑之处理性,凹模单元之组合系列有:(A).使用模板直接加工凹模形状,(B).具有二段斜角之逃隙部,(C).是否要使用背板,(D).不规则凹模形状必须有回转防止设计。
4. 压料螺栓与弹簧单元
(1)、压料螺栓单元:压料板螺栓之种类有:(A).外螺丝型,(B).套筒型,(C).内螺丝型。为保持压料板于指定位置平行状态,压料螺栓之停止方法(肩部接触部位):(A).模座凹穴承受面,(B).冲头固定板顶面,(C).冲头背板顶面。
(2)、压料弹簧单元:可动式压料板压料弹簧单元可大致分为:(A).单独使用型,(B).与压料螺栓并用型
选择压料弹簧单元时最好考虑下列要点再决定之:
(A)、确保弹簧之自由长度及必要的压缩量 (压缩量大之弹簧宜置于压料板凹穴)。
(B)、初期的弹簧压缩量 (预压缩量) 或荷重之调整有无必要。
(C)、考量模具组立或维护保养之容易性。
(D)、考量与冲头或压料螺栓长度之关系。
(E)、考量安全性 (防止弹簧断裂时之飞出)。
5. 导引销单元 (料条送料方向之定位)
(1)、导引销单元:导引销之主要作用是连续冲压加工时得到正确的送料节距。冲压模具用导引单元有间接型 (导引销单独使用) 及直接型(导引销装设于冲头内部)两种形式。
(2)、导引销之组装方式与冲孔冲头有相同(装设于冲头固定板)。利用弹簧将其受制于冲头固定板。
(3)、导引销另外装设于压料板之形式,由于要求导引销突出于压料板之量达到一定及防止模具上升时之容易带上被加工材料,压料板之刚性及导引形式有必要注意之。
(4)、导引销单元有直接型,其装设于冲头内,主要用于外形冲切(下料加工) 或引伸工程之切边加工,其位置定位系利用制品之孔及引伸部内径。
6. 导料单元
(1)、外形冲切 (下料加工) 或连续冲压加工时,为使被加工材料之宽度方向受到导引及得到正确的送料节距,乃使用导料单元。
(2)、料条宽度方向之导引装,导引方式有:(A).固定板导引销型,(B).可动导引销型,(C).板隧道导引型 (单块板),(D).板导引型 (两块构成),(E).升料销导引型 (有可动式、固定式及两者并用之。
(3)、起始停止之导引装置,其形式有:(1).滑块式,(2).可动销式等两种,主要作用是材料置于模具之最初起始位置定位。
(4)、送料停止装置,可正确地决定出送料节距,主要用于人手送料之场合,其形式有:(A).固定式停止销,(B).可动式停止销,(C).边切停止方式,(D).挂钩停止机构,(E).自动停止机构。
(5)、侧推式导料机构,冲压加工时材料被压向一方,可防止材料因料条宽度与导料件宽度差所产生的蛇行现象。
(6)、胚料位置定位导料机构,其形式有:(A).固定销导料型(利用胚料之外形),(B).固定销导料型 (利用胚料之孔穴),(C).导料板 (大件部品用),(D).导料板 (一体形),(E).导料板(分割形)。
7. 升料与顶料单元
(1)、升料销单元:其主要作用是进行连续冲压加工时将料条升至凹模上 (位置高度称为送料高度,并达到顺利送料目的,其形式有:(A).升料销型 (圆形,纯粹升料用),是最普通的升料销单元。(B).升料销型 (圆形,设有导料销用孔),升料销设有导料销用孔可防止材料承受导引销之变形及使导引销确实发生作用。(C).升料及导料销型,兼俱导料功能,连续模具之导料最常使用此形式升料销型。(D).升料销型(方形) 如有需求设有空气吹孔。(E).升料及导料销型 (方形)。
(2)、顶料单元:自动冲压加工时必须防止冲切制品或冲屑之跳于凹模表面以避免模具损坏及不良冲压件之产生。
(3)、顶出单元:顶出单元之主要作用是每次冲压加工时将制品或废料自凹模内顶出。顶出单元之装设场所有二:(A)、逆配置型模具时装设于上模部份,(B).顺配置型模具时装设于下模部份。
8.固定单元

     固定销单元之形状及其尺寸依标准规格需要而设计,使用时之注意事项有:(A).固定销为贯穿孔,不能的场合,考虑容易使用螺丝卸除之设计方法。(B).固定销长度适度最好,不可大于必要的长度。(C).固定销孔宜有必要的逃离部。(D).置于上模部份之场合,应设计防止落下之机构以防止其掉落。(E).采用一方压入配合一方滑动配合之场合,滑动侧之固定销孔稍微大于固定销。(F).固定销之数量以两只为原则,尽量选择相同之尺寸。
9.压料板单元
压料板单元之特别重要点是压料面与凹模面有正确的平行度及缓冲压力要求平衡。
10. 误送检测单元
以连续模具冲压加工时,模具必须设计失误检出单元以检出送料节距之变化量是否超过其基准而停止冲床之运转。失误检出单元是装设于模具内部,依其检出方法有下列两种装设形式:(A).上模内装设检出销之形式,当其偏离料条孔穴时,将与料条相接触而检知。(B).下模内装设检出销之形式,当料条之一部与检出销接触而检知。
11. 废料切断单元
连续冲压加工时料条 (废料) 将陆续离开模具内,其处理方式有两种:(A).利用卷料机卷取之,(B).利用模具切断装置将其细化。又后者之方式有两种:(A).利用专用废料切断机 (设置于冲压机械外部),(B).装设于连续模具最后工程之切断单元。
12. 高度停止块单元
高度停止块单元之主要作用是正确地决定上模之下死点位置,其形式有下列两种:(A).冲压加工时亦经常接触之方式,(B).组装时才接触,冲压加工时不接触之方式。还有,当模搬运、保管时,为防止上模与下模之接触,最好于上模与下模之间置入隔块。当精度要求无必要时,其使用标准可采用调整型。

主要元件

1. 标准部品及规格
模具用标准规格之选择方法最好考量下列事项:(A).使用的规格内容不受限制时,最好采用最高层者。(B).原则上采用标准数。(C).模具标准部品无此尺寸时,采用最接近者再进行加工。
2.之设计
冲头依其功能可大致分为三大部份:(A).加工材料之刃部先端(切刃部,其形状有不规则形、方形、圆形等)。(B).与冲头固定板接触部(固定部或柄部,其断面形状有不规则形、方形、圆形等)。(C).刃部与柄部之连结部份 (中间部)。
冲头各部份之设计基准分别从 (A).切刃部长度,(B).切刃部之研磨方向,(C).冲头之固定法及柄部之形状等方面简述之。
3. 冲头固定板之设计
冲头固定板之厚度与模具及荷重之大小有关系性,一般上为冲头长度之30~40%,还有冲头引导部长度宜高于冲头直径之1.5倍
4. 导引销(冲头)之设计
导引销 (冲头) 之引导部直径与材料导引孔之间隙,其尺寸及突出压料板之量依材料之厚度而设计,导引销之先端形状大致分为两种:A.炮弹形,B.圆锥形 (推拔形)。
(1).炮弹形是最普通之形式,市面上亦有标准部品。
(2).圆锥形有一定的角度,很适合用于小件之高速冲压,推拔角度之决定因素有冲压行程、被加工件之材质、导引孔之大小,加工速度等。推拔角度大时较容易修正被加工材料之位置,但推拔部之长度将变长。推拔部与圆筒部连接处宜滑顺之。
5.凹模之设计
(1).冲切凹模之设计
冲切凹模之形状设计应考量之要项有:A.模具寿命及逃角之形状,B.凹模之剪角,C.凹模之分割。
(A).模具寿命及逃角之形状:此设计是非常重要的事项,如设计不正确将会造成冲头之破损、冲屑之堵塞或浮上、毛边之发生等冲压加工不良现象。
(B).凹模之剪角:外形冲切时为减低其冲切力,凹模可采剪角设计,剪角大时冲切力之减低亦大,但易造成制品之反曲及变形。
(C).凹模之分割:凹模必须施以成形研磨等精加工,由于其是凹形状,研磨工具不易进入,故必须加以分割。
(2).弯曲凹模之设计
弯曲加工用凹模之设计,为防止回弹及过度弯曲等现象之发生,U形弯曲加工用凹模之部形状为双R与直线部 (斜度为30度) 之组合,最好近似R形状。R部形状经成形研磨或NC放电加工后应施以抛光处理。
(3).引伸凹模之设计
引伸凹模角隅部形状及逃角形状是非常重要的设计事项,有关角隅部及逃角之形状及特征如下:引伸凹模R角值大时较易引伸加工,但亦产生引伸产品表面产生皱摺现象,引伸制品侧壁厚度大于板厚。引伸厚板件及顶出困难之场合,凹模R值要取小,约为板厚之1-2倍,一般上圆筒及方筒引伸凹模之大多引伸部作成直段状,为防止烧着发生、润滑油油膜之破坏及减少顶出力等目的,直段部下方宜有逃部 (阶段形或推拔形) 设计。特别是引缩加工之场合,此直段部有必要尽量少。
6. 冲头之侧压对策
冲压加工时冲头左右承受均等之荷重是最佳理想 (即侧压为零) 状态,冲头承受侧向压力时将使上模与下模产生横方向之偏移,造成模具间隙之部份变大或变小 (间隙不均匀) 及无法得到良好精度的冲压加工。有关冲头之侧压对策有下列方法:(A).改变加工方向,(B).单侧加工 (冲切、弯曲、引伸等) 之制品宜采两排布列方式,(C).冲头或凹模装设侧压挡块,切刃之侧面设有导引部 (尤其是切断及分断加工)。
7. 背压板之设计
冲压加工时主要作用件(冲头、压料板、凹模) 之后方将承受面压,当冲压力高于面压力时宜采用背压板 (特别是冲头及凹模模套之背面) 背压板之使用方式有局部使用与全面使用两种形式。
模具设计软件
现代工业发展很快,基本上都是利用电脑进行设计和加工,其精度能够保证在0.002~0.01。搞模具设计工作有一条无边无际的广阔天地.如果能够用电脑进行辅助设计,则你的对手,无形之中,就落在你的后面了.常用模具设计软件有AUTOCAD Pro/E UG SW CImatron,mishiong 等等。

对寿命的影响

设计是模具生产中的关键步骤、生产的初始环节,把控着模具生产的全过程,因此设计还对模具的使用寿命有着极大的影响,设计主要从以下两个方面影响冲压模具的使用寿命。
(1)模具的导向机构精度。准确和可靠的导向,对于减少模具工作零件的磨损,避免凸、凹模啃伤影响极大,尤其是无间隙和小间隙冲裁模、复合模和多工位级进模则更为有效。为提高模具寿命,设计时必须根据工序性质和零件精度等要求,正确选择导向形式和确定导向机构的精度。
(2)模具(凸、凹模)刃口几何参数。凸、凹模的形状、配合间隙和圆角半径不仅对冲压件成形有较大的影响,而且对于模具的磨损及寿命也影响很大。如模具的配合间隙直接影响冲裁件质量和模具寿命。精度要求较高的,设计中就宜选较小的间隙值;反之则可适当加大间隙,以提高模具寿命。