高征兵，陳世棟

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 引言

級(jí)進(jìn)模（連續(xù)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(gè)順序關(guān)聯(lián)的工位組成的模具，具有精密、高效、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)出確保沖壓件質(zhì)量及尺寸精度的級(jí)進(jìn)模是每一個(gè)相關(guān)工程師應(yīng)考慮的問題。

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的不斷融合，出現(xiàn)了如Pro/E、SolidWorks、UG 等多種CAD/CAM 軟件，它們都是基于特征、全相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的參數(shù)化軟件，具有三維設(shè)計(jì)、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(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其中PDX（Progressive Die Extension）是Pro/E 軟件的專用模塊，是一種專業(yè)的沖壓模具3D 設(shè)計(jì)軟件模塊，它具有從鈑金零件創(chuàng)建條帶布局、根據(jù)條帶布局加載模具板材、創(chuàng)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(jìn)行級(jí)進(jìn)模數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)是模具企業(yè)優(yōu)先采用的設(shè)計(jì)模式。

2 設(shè)計(jì)的基本流程

2.1 工件的準(zhǔn)備

2.1.1 零件的三維建模

利用Pro/E 系統(tǒng)的“零件”模塊，創(chuàng)建出制品零件的三維模型，如圖1 所示。

圖1 防護(hù)扣零件圖Fig.1 Part Drawing of Protective Buckle

2.1.2 工件的參照和準(zhǔn)備

選用PDX 中“通過繼承、通過合并或通過族表”的某個(gè)選項(xiàng)加載零件模型，并自動(dòng)將模型轉(zhuǎn)換為鈑金件形式；再對(duì)轉(zhuǎn)換的鈑金件設(shè)置材料屬性、展平并填補(bǔ)鈑金件內(nèi)的凸、凹、孔等區(qū)域，得到展平并填充的鈑金件，從而為條帶設(shè)計(jì)準(zhǔn)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。

圖2 工件條帶排樣Fig.2 Strip Layout of Workpiece

2.2 條帶設(shè)計(jì)

2.2.1 工件的導(dǎo)入和位置調(diào)整

在PDX 的“條帶向?qū)А睂?duì)話框中設(shè)置條帶組件名稱、條帶零件名稱、工位數(shù)等參數(shù)并導(dǎo)入工件模型后，在條帶預(yù)覽區(qū)域中可以看到導(dǎo)入工件的排樣結(jié)果，根據(jù)需要可以對(duì)工件移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及條帶尺寸的調(diào)整，程序自動(dòng)創(chuàng)建出條帶。

2.2.2 設(shè)置沖壓參照區(qū)域并加載工位

執(zhí)行“條帶向?qū)А睂?duì)話框中“插入/沖壓參照零件”命令，在第一個(gè)工位上添加沖壓參照區(qū)域并調(diào)整位置和參數(shù)，從而在條帶上創(chuàng)建出切邊工位；繼續(xù)執(zhí)行PDX 中的相關(guān)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(shè)計(jì)意圖更明確，含有工位的條帶三維模型轉(zhuǎn)換生成的排樣圖，如圖3 所示。

圖3 排樣圖Fig.3 Drawing of Layout

2.3 模架和沖壓元件設(shè)計(jì)

條帶布局設(shè)計(jì)完成后，執(zhí)行PDX 目中“創(chuàng)建項(xiàng)”按鈕，為級(jí)進(jìn)模加載模板創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目。成形側(cè)刃和凸模尺寸，如圖4 所示。

圖4 成形側(cè)刃和凸模尺寸Fig.4 Forming Side Blade and Punch Size

2.3.1 加載模具板材

通過PDX 中的“定義板”命令，在“板向?qū)А睂?duì)話框中設(shè)置工具高度、條帶進(jìn)給高度；然后在“板”選項(xiàng)卡中選擇“上模座板”，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置該模板基本體的尺寸和材料參數(shù)，并精確定位上模座板在模架中的位置；用類似的方法設(shè)置上模墊板、下模座板、支承塊等元件；最后添加條帶并調(diào)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。

圖5 加載的模板Fig.5 Loading Template

2.3.2 設(shè)計(jì)沖壓成形元件

根據(jù)不同的工位，選用“PDX/沖孔沖壓”、“在組件模式下創(chuàng)建元件”以及“基準(zhǔn)特征/拉伸”等命令創(chuàng)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。

圖6 凹模板和部分凸模Fig.6 Die Plate and Some Punches

2.4 其他機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)所有的模板、模具成形零件都定義完成后，運(yùn)用Pro/E 中“草繪的基準(zhǔn)點(diǎn)”工具在模板相應(yīng)位置創(chuàng)建基準(zhǔn)點(diǎn)，再使用PDX工具欄上“在現(xiàn)有基準(zhǔn)點(diǎn)上創(chuàng)建螺釘”、“在現(xiàn)有基準(zhǔn)點(diǎn)上創(chuàng)建銷”等命令創(chuàng)建出標(biāo)準(zhǔn)件及其他設(shè)備，如緊固元件、定位銷、卸料機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以及根據(jù)沖壓設(shè)備創(chuàng)建的模柄。至此，生成的模具總裝圖，如圖7 所示。

圖7 級(jí)進(jìn)?？傃b圖Fig.7 Assembly Drawing of Progressive Die

3 應(yīng)用舉例

3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與分析

某設(shè)備上的防護(hù)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(chǎn)，如果采用單工序模制造加工，由于重復(fù)定位難以保證產(chǎn)品的公差要求；若采用復(fù)合模具生產(chǎn)加工，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且成本高，故采用多工位級(jí)進(jìn)模進(jìn)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(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，降低模具制造成本，優(yōu)點(diǎn)突出。

3.2 零件工藝計(jì)算

3.2.1 設(shè)計(jì)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(chǔ)，毛坯的外形尺寸參數(shù)是沖壓成形的一個(gè)重要指標(biāo)。利用上述1 中的“工件的參照和準(zhǔn)備”方法將工件展平、填充；再運(yùn)用“Pro/E”中的分析測(cè)量工具，可得出零件的面積為4554.87mm2以及尺寸等參數(shù)。防護(hù)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(jí)進(jìn)模條帶排樣方案的確定，需要綜合考慮多個(gè)方面的因素，對(duì)各種可行方案進(jìn)行對(duì)比分析從而在多種可行方案中選出一種相對(duì)合理的設(shè)計(jì)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(cè)載體，導(dǎo)正孔設(shè)計(jì)在一側(cè)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(jìn)時(shí)，由于條料彎曲高度較高，導(dǎo)料和頂料裝置設(shè)計(jì)較復(fù)雜，彎曲邊會(huì)和凹模板產(chǎn)生干涉現(xiàn)象而影響送進(jìn)；方案二，如圖2 豎排（b），采用單側(cè)載體，一側(cè)為成形側(cè)刃，另一側(cè)為加工導(dǎo)正孔，由于單側(cè)載體的存在，材料利用率較低，但送進(jìn)時(shí)較橫排方便，干涉區(qū)域較小，通過凹模板上加工讓位槽，不會(huì)出現(xiàn)方案一的問題，結(jié)構(gòu)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(yīng)遵循工序設(shè)計(jì)原則，結(jié)合防護(hù)扣沖壓工序的設(shè)計(jì)，從防止彎曲干涉及簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)的角度考慮工位安排：工位①：沖裁外形和導(dǎo)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(shù)值計(jì)算

3.3.1 沖壓力計(jì)算

沖壓力是級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，其大小關(guān)系到壓力中心的計(jì)算和壓力機(jī)的選擇。對(duì)于防護(hù)扣級(jí)進(jìn)模，沖壓力主要由沖裁力、壓筋力、彎曲力三部分構(gòu)成[3]，其中沖裁力包括沖裁成形側(cè)刃、成形沖裁、沖導(dǎo)正孔、沖圓孔、沖方孔、落料等工位的沖裁力和卸料力，計(jì)算依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)公式?？倹_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(shí)驗(yàn)法、計(jì)算法和作圖法等方法。本題較復(fù)雜，采用計(jì)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Δx 為63.08mm，Δy 為7.92mm，后續(xù)求出凹模板尺寸再對(duì)偏移值進(jìn)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(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，刃口尺寸、沖裁間隙直接關(guān)系到零件尺寸精度。對(duì)于該防護(hù)扣級(jí)進(jìn)模，計(jì)算沖裁和彎曲的刃口尺寸和公差是關(guān)鍵，如圖4 所示。為以成形側(cè)刃沖裁為例計(jì)算刃口尺寸，采用配合加工，以凸模為基準(zhǔn)，凸模制造精度取IT8 級(jí)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.5.1 凹模板、固定板、墊板尺寸設(shè)計(jì)

凹模板采用整體式凹模結(jié)構(gòu)，根據(jù)凹模最大刃口尺寸為86mm，材料厚度為1mm，根據(jù)資料[4]，由經(jīng)驗(yàn)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(jù)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(jù)條帶長(zhǎng)寬尺寸，凹模長(zhǎng)度L>5×86+36×2-3=499mm，凹模寬度B>124+2×36=196mm。所以取凹模板長(zhǎng)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Δx=63.08mm，而凹模板長(zhǎng)度為500mm，500/6>63.08，即長(zhǎng)度偏移量不超過凹模板長(zhǎng)度的1/6，Δy 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(jù)JB/T7643.1-1994 標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用上述1 中在PDX 加載模具板材相關(guān)知識(shí)生成含有條帶的模板，如圖5 所示。

3.5.2 凸模設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)凸模時(shí)首先要確定一個(gè)基準(zhǔn)凸模高度，其他凸模根據(jù)沖壓要求按基準(zhǔn)高度計(jì)算差值，一般凸模的高度并不相等。在本級(jí)進(jìn)模中，最長(zhǎng)凸模為彎曲模，取其長(zhǎng)度為基準(zhǔn)高度其值為：

L基=28+12+20+1+20=81mm，其他凸模長(zhǎng)度設(shè)計(jì)類似。在圖5的基礎(chǔ)上繼續(xù)使用上述1 中在PDX 中設(shè)計(jì)沖壓成形元件等知識(shí)，設(shè)計(jì)出成形、折彎、落料等凸模元件經(jīng)及自動(dòng)生成凸模墊板、凹模板等模板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，凹模板和部分凸模，如圖6 所示。

3.5.3 模具結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)

通過資料[1，4-5]，設(shè)計(jì)計(jì)算選用出導(dǎo)正銷、卸料機(jī)構(gòu)、導(dǎo)料機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、浮頂裝置、模架、模柄等構(gòu)件的型號(hào)參數(shù)，有了這些參數(shù)后在圖5、圖6 的基礎(chǔ)上使用1.4 中的知識(shí)創(chuàng)建出這些構(gòu)件后，生成的級(jí)進(jìn)?？傃b圖，如圖7 所示。

3.6 壓力機(jī)的選定

3.6.1 壓力機(jī)型號(hào)的選用

根據(jù)沖壓總壓力初步選用公稱壓力為1250kN 的JE21-125D開式壓力機(jī)。

3.6.2 壓力機(jī)校核

（1）壓力校核

模具沖壓過程總壓力為：F總=913.43kN；壓力機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)壓力為：F標(biāo)=1250kN。壓力關(guān)系為1.3F總=1.3×913.43=1187.46

（2）模具閉合高度的校核

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，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(jī)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(jī)最大閉合高度和最小閉合高度之間，其高度關(guān)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(tái)尺寸校核

模座的外形尺寸L×B=（500×400）mm，工作臺(tái)左右尺寸為1270mm，前后尺寸為720mm，因此工作臺(tái)尺寸滿足要求。

3.7 模具裝配工程圖

經(jīng)過校核，設(shè)計(jì)的級(jí)進(jìn)模具與所選的壓力機(jī)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(yīng)的視圖并進(jìn)行標(biāo)注以及標(biāo)題欄、明細(xì)欄的修改、技術(shù)要求的書寫[7]。如果生成的工程圖與國(guó)標(biāo)要求有出入，可將工程圖轉(zhuǎn)入到AutoCAD 中進(jìn)一步細(xì)化得到符合國(guó)標(biāo)的工程圖文件。防護(hù)扣級(jí)進(jìn)模工程圖（主視圖），如圖8 所示。

圖8 防護(hù)扣級(jí)進(jìn)模（主視圖）Fig.8 Progressive Die for Protective Buckle（Front View）

3.8 模具元件的數(shù)控加工

Pro/E 雖具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，但其加工功能因參數(shù)設(shè)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(yīng)用于機(jī)械、模具、造船等領(lǐng)域。因此，將兩者相結(jié)合既能提高模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，又能提高模具的精度。應(yīng)用時(shí)先將零件從Pro/E 中以Iges 的類型保存；再?gòu)腗asterCAM 中讀入該文件進(jìn)行刀具路徑設(shè)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?shù)綌?shù)控加工設(shè)備的控制器從而驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行元件加工[8]。

4 結(jié)論

以防護(hù)扣零件為例簡(jiǎn)述了基于Pro/E 和PDX 的級(jí)進(jìn)模數(shù)字化設(shè)計(jì)，從沖壓件的建模、轉(zhuǎn)換、排樣、條帶設(shè)計(jì)再到元件設(shè)計(jì)、加工等這一流程，是級(jí)進(jìn)模具設(shè)計(jì)、開發(fā)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(chǎn)效率，還有效地縮短了模具研發(fā)周期，提高市場(chǎng)的響應(yīng)速度，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。