摘要：介绍了一种材料薄、尺寸小、弯曲精度要求较高、具有冲裁、胀形、弯曲和整形多种工序的多工位级进模设计实例。对冲压的工艺性，排样方案以及模具结构的要点进行了分析。
关键词：簧片；冲压；级进模
一、前言
电器接触簧片的尺寸一般都较小，材料很薄，弹性较好，对弯曲成形后形状的精度要求较高，生产批量较大，适合于多工位连续冲压。对一些特殊结构的簧片，不采用连续模冲压的方法，几乎是不可能成形的。本文介绍的就是这类冲压成形模具设计的一个实例。设计和制造过程采用了我们在计算机绘图平台AUTOCAD上用AUTOLISP语言开发的冷冲模计算机辅助设计系统DCAD和数控线切割自动编程系统DCAM。
二、工件结构及冲压工艺性分析
工件结构如图1所示; 工件尺寸及精度要求如图2所示。
图 1
从图中可见，工件在3个方向上有触点，且都和所在平面成30°角; 工件的厚度为0.1mm;最小宽度1mm; 允许的弯曲回弹误差反映在触点的间距上为±0.3mm; 材料是磷青铜。
图 2
该件的成形包含有冲裁，弯曲，胀形和整形4 种基本冲压工序。
其中弯曲的回弹精度要求较高，触点的间距误差不仅和30°弯曲有关，也和U 形弯曲有关，而且因不同批号的材料性能差异，要稳定地达到图中规定的精度，并适用于不同批号的材料，模具上必须采用适当的调整机构。
材料的厚度很薄，对于此类偏硬的材料合理冲裁间隙可以取为0.01mm。重要的是冲裁间隙的均匀性。由于冲裁间隙非常小使得模具的设计和加工精度必须在IT 6 级以上，并且在冲压模具的结构上必须采取适当的措施以保证冲裁间隙的均匀性和稳定性。
球形触点用胀形方法成形。因其尺寸很小，和边缘的距离仅0.15mm ，要得到较好的成形质量，拟采用先胀形后冲外形的工艺方案。
3个方向上的触点，和另一方向上内收的结构形成了半封闭的四边形，成形后包住了凸模。而且因结构特殊而定位困难，因尺寸细小而操作不便，等等。采用单工位简单模冲压的方法难以为厂方接受。而多工位级进模的方法能利用载体在各工位间输送工件，自动实现定位，自动地脱膜，很少受到人为因素的干扰，工件的精度高，质量可靠。所以尽管近期的生产批量不大，仍考虑采用多工位级进模站压的方法。为此厂方提出，为了降低生产成本，在满足生产要求的前提下，尽可能简化模具结构，降低加工难度，并尽量利用厂方现有的四轴慢走丝数控线切割机和有关设备。
三、连续站压排样方案
根据工件图要求以及上述工艺特点的分析，设计多工位连续冲压的排样方案如图3所示。下面分析排样方案的要点。
图 3
1.胀形、冲导正钉孔 2.冲簧片部分外形 3.冲两端外形 4.簧片部分向上弯曲
5.两端部弯曲 6.向下U 形弯曲 7.整形 8.切断
1.采用分段切除方法
从展开后工件图看，冲切簧片部分和冲切两端部分可以一次进行。但是，这样会造成冲裁的凸、凹模的形状过于复杂，而且凹模上1mm宽、约9mm 长的悬臂部分强度显然不足。因此只能采取分段切除的方法。
2.弯曲的方向
因为工件的半封闭结构使得U 形弯曲后工件包在弯曲凸模上，如果弯曲凸模在上模的话，工件会随上模上移。所以弯曲的凸模只能在下模，由此U 形弯曲的方向必须朝下。
3.坯料送进方式和定位方式
因为该工件的生产批量近期内不是很大，长期批量尚不明朗，故考虑暂时采用条料，手工送料的方案; 利用侧刃作条料的粗定位，导正钉作为精定位，侧刃的长度大于步距0.1mm。第8工位之后的侧刃用于条料末端最后几个工件的粗定位; 步距精度根据下式计算：
式中 B—— 工件精度，按IT 6 级选取
K —— 和冲裁间隙相关的修正系数，K= 0.85
n —— 工步数，n = 8
计算得模具中各工位步距的加工误差D=±0.02mm。
这个加工精度可以通过计算机自动编程系统DCAM ，结合厂方已有的慢走丝数控线切割机得以实现。
模具共采用8 根导正钉，在各个工位间交错布置。
如果今后生产批量增加，必须采用卷料和自动送料方案时，就以自动送料机构作为条料的粗定位，导正钉仍作精定位，原有侧刃拆除，并替换两块导尺即可。
4.胀形工序
第一工位的胀形边距很小，为保证成形质量采用先胀形后落料的方案。因为弯曲方向朝下，胀形的方向应该朝上，对应的凸、凹模倒装。
由于凸模在下，这里有一个成形后工件如何摆脱凸模，进给到下一工位的问题。可以采用凹模整体悬浮，从上下把条料顶离凸模，然后在悬浮状态进入下一工位的方法。但这样模具的结构就复杂得多。因为球形触点的深度很小，仅为0.4mm。而且球形的形状精度要求不高，可以修整球形的形状为前高后低，从而在用手工把条料往前拉的时候，工件会自动脱离凸模。
5.载体形式
连续模中工件在各工位之间的传递依靠载体实现。因为板料很薄，为工件送进的可靠起见，采用了中间载体结合两侧搭边的形式。中间戴体的宽度为3mm ，侧搭边的宽度为1.1mm，纵向搭边的宽度为1mm。
6.剪料方案
工件在相互垂直的2 个方向上都有弯曲，应该考虑金属板料的板平面方向性对弯曲性能的影响。理论上可以采用两个方向上的弯曲线和板料轧制方向各成45°的剪料方案，但是由此必然造成剪料的不便，并会降低材料利用率。
考虑到簧片部分的弯曲角仅为30°，变形程度相对两直角弯曲要小得多，即使弯曲线和轧制方向平行也不至于发生弯裂失效，故还是采用板料轧制方向与直角弯曲线垂直的剪料方
案。
四、模具结构及特点
相应的多工位连续模如图4 所示。下面介绍模具结构的要点。
图 4
1.上模垫板 2.小导柱 3.上模固定板 4.卸料板 5.导尺 9.侧刃 10.凹模 11.切断凸模 12.弯曲凹 13.弯曲、整形凸模 14.拉簧销 15.拉簧 16.杠杆座 17.拉簧钉20.杠杆 21.下模座 22.胀形凸模 24.承料板 26.芯轴 31.胀形凹模 33.冲形凸模1 35.导正钉 36.冲形凸模2 37.顶杆 38.螺塞 39. 垫柱 40.弯脚凸模 43.弯脚凸模 44.整形凹模 45.上模座49.固定螺钉54.顶杆压板57.限位柱58.顶杆固定板59.压簧62.内六角螺钉
1.总体结构
针对薄料，小间隙，高精度的工艺特点，模具结构总体上采用了对角滚珠导柱导套的模架，结合上模板和卸料板之间的4 个小导柱，使得卸料板同时对细小的凸模具有导向的作用。
由于厂方现有的100kN J 23型冲床导向部分的精度较低，为避免模具滚珠导向和冲床导向之间的干涉，采用了浮动式模柄。另外因侧刃冲切和第7 工位都是单边剪切工序，冲裁时有侧向力作用于剪工凸模，从而存在使用冲裁间隙变大的趋势。这种趋势会影响到薄料小间隙冲裁时工艺的稳定性。而卸料板兼作的导板可以起到承受侧向力的作用，对提高工艺的稳定性有明显的作用。
2.簧片弯曲工序
由于工件结构的限制必须采用向下的U形弯曲形式，因此第4 个工位簧片的30°弯曲应该向上。这里采用了杠杆结构的弯曲形式。图5 表示该结构的回复状态的细节。杠杆20 在芯轴26 和杠杆座16 之间，由于上顶杆37 的作用它可以绕基点旋转，使簧片向上弯曲，3个零件以及安放芯轴的弯脚凸模座43上的所有同心圆弧面均由数控线切割加工得到。装配时芯轴由左右两个导尺5 压在件43上，并由螺钉62压紧。芯轴26 回程时，件20 在拉簧15 的作用下回复，件20 的垂直面和件26 的垂直面相吻合时回复到位。
图 5
为了调整和控制弯曲的变形程序，设计上顶杆37 为可调形式。调整螺塞52 就可以改变顶杆37 的有效长度从而控制杠杆的旋转角度。
对于材料的不同批量，材质存在差异时可以通过调整过度弯曲的理来控制弯曲的精度。两个紧定螺钉49 用于防止上顶杆可能发生的上下串动。从图4的俯视图中可以看出，由于中间有两个簧片，上顶杆37 只能在簧片间距较大的两个位置上对称地设置。
3.U 形弯曲的结构和脱模方式
第6 工位采用两直角部分向下弯曲的形式。这部分的结构如图6 所示。弯曲凸模在下，且下部内凹，和第7 工位的整形凸模联成一体。弯曲成形后的工件在此凸模上可以做纵向滑移进给。如图7 所示，在不脱离凸模的情况下进入整形工位，然后，在中间载体的带动上纵向脱离凸模进入切断工位。切断分离后从凹模板10 和下模板21 的孔里自然漏料。
图 6
图 7
U 形弯曲在回程时由于簧片的回弹，使得U 形的开口部分尺寸大于凹模，其摩擦力可能会使工件随凹模上移，从而使得工件和载体的搭接处发生变形。解决的方法有几个，比如可以在弯曲凹模上增设弹性压料等。但从简化模具的结构的角度考虑，采用了底部圆弧过度弯曲的方法，既可校正弯曲回弹，又可避免工件和凹模间过大的摩擦力。
如图8 所示，底部圆弧使得U 形的底角可以小于90°。圆弧半径设计得小时，底角也较小。而且改变凸、凹模之间闭合的程度也可以使得工件的弯曲底角改变。在底部圆弧半径不变的情况下调整图6 中的螺塞就可以调整实际的弯曲底角，从而满足控制弯曲精度和防止工件上移的需要。
图 8
但是，由于U 形的底部连接了两个簧片，整个底部都参与圆弧形弯曲校正的话，将使得这两个簧片也随之发生圆弧状变形，这是不希望发生的。所以实际的弯曲凹模底部的中间是平直的，圆弧校正只在两个底角附近进行。
第7 工位的整形是备用的，在第6 工位调整到极限仍不能达到要求时可以适当修改第7工位整形凸、凹模的形状和尺寸，甚至于可以把整形凹模改成高度可调的形式。来满足弯曲精度的要求。第6 工位如能满足要求时，可以把第7 工位的整形凹模拆除，视作空工位。
4.闭合高度的调整
因为这是一副包含了冲裁、胀形、弯曲、整形多种工序的冲压模具。对模具闭合高度的精度要求比较高。为了防止模具细小工作部分零件的损坏，简化闭合高度的调整过程，在用计算机绘图软件确定了精确数据的前提下，采用了限位柱调整闭合高度的方法。新模具的闭合高度调整到两对限位柱吻合为止。
5.凹模结构
一般来说，此类多工位级进模的凹模结构采用整体镶嵌式或分段拼合式较为合理。除了弯曲部分和胀形凸模部分必须镶嵌外，冲导正钉孔的凹模刃口、冲切簧片外形和冲切两端外形的凹模刃口，以及两侧刀刃凹模刃口都应采用分段拼合嵌入的方式。有利于易损件的更换和刃磨。但是，考虑该工件的生产批量较小，易损件更换和刃磨的矛盾不突出，而且在目前我国模具生产的现状和厂方现有的加工设备的条件下为了降低加工的难度和缩短制造周期，这副模具的所有冲裁刃口还是采取了整体的形式。当然，在必要时仍可以把凹模的冲裁刃口改成分段拼合的形式。冲裁凹模刃口由线切割直接割出10′斜度。
6.重要的配合关系
上模部分的工作零件包括冲裁凸模，弯曲、整形的凹模和导正钉，上顶杆均用慢走丝数控线切割机加工。第1 工位的胀形凹模、第5 工位的弯曲上模、第7 工位的整形上模和固定板之间采用IT 6 级过盈配合，和卸料板之间采用0.02mm 的间隙配合。因为这些工位对上下模的配合精度要求不高。高度可调的上顶杆37 及U形弯曲上模12 和固定板、卸料板之间均为0.02mm 的间隙配合。而上模固定板、卸料板上的各个冲裁凸模孔、8 个导正钉孔包括4 个小导柱孔，均用慢走丝线切割同时割出。二板和凸模之间的配合间隙为0.005mm ，和导正钉之间的配合间隙为0.01mm。小导柱的固定部分采用基孔制IT 5 级过渡配合，导向部分和卸料板孔的配合间隙为0.005mm。各冲裁凸模尾部用电火花机床穿出小孔，并在上模固定板孔的口部开出凹模，凸模装入上模固定板后在小孔中穿进横销然后嵌入固定板的凹槽中，以防止凸模上下串动。各冲裁凸的高度应留有磨削余量，装配后需和固定板一起磨平，并把各刃口的高度磨到设计要求的尺寸。各导正钉的尾部作回火处理，固定板上相应的孔口倒出0.5mm 的倒角，装配后将导正钉尾部铆开后磨平。U 形弯曲的凸、凹模单边间隙为0.26mm。胀形凸模和凹模板之间采取IT 7 级偏紧的过渡配合。冲裁凸模进入凹模的深度为0.02mm。
五、结束语
这副模具的生产批量不是很大，因结构的限制不得不采用多工侠级进模形式。因此要求尽可能地简化模具结构，降低制造成本，并充分利用厂方现有的机床，还要求能够为将来的大批量生产留有余地。本设计相对于这些条件来说是合理的。模具制造和生产的实践也证实了这种合理性。由于采用了计算机技术和数控技术使得设计和制造的难度有所降低，图纸、文件的整理和提炼也相应快了许多。实践证明，用计算机辅助进行多工位级进模的设计和制造，有很高的实用价值。另外，我们在研究和实践中感觉到，在简化多工位级进模的设计和加工，有利于易损件更换和刃磨，降低设计和制造成本方面，美国DA YTON 公司的V SD 级进模通用设计系统，代表了一种先进的设计和制造的观念。如果我国的模具行业也能建立类似的适合于我国国情的设计系统，并形成相应的标准件和经营体系，加工计算机手段的辅助，必定能对我国的工业发展产生重大的影响。
参考文献
1 邱永成1 多工位级进模设计1 北京国防工业出版社，1987
2 王孝培1 冲压设计手册1 北京机械工业出版社，1990
