电器开关过电片的模具设计

绪论

1.1 概述

    冲压成形作为现代工业中一种十分重要的加工方法，用以生产各种板料零件,具有很多独特的优势，其成形件具有自重轻、刚度大、强度高、互换性好、成本低、生产过程便于实现机械自动化及生产效率高等优点，是一种其它加工方法所不能相比和不可替代的先进制造技术，在制造业中具有很强的竞争力，被广泛应用于汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活的生产之中。

在吸收了力学、数学、金属材料学、机械科学以及控制、计算机技术等方面的知识后，已经形成了冲压学科的成形基本理论。以冲压产品为龙头，以模具为中心，结合现代先进技术的应用，在产品的巨大市场需求刺激和推动下，冲压成形技术在国民经济发展、实现现代化和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用。

1.2 冲压技术的进步

    进几十年来，冲压技术有了飞速的发展，它不仅表现在许多新工艺与新技术在生产的广泛应用上，如：旋压成形、软模具成形、高能率成形等，更重要的是人们对冲压技术的认识与掌握的程度有了质的飞跃。

    现代冲压生产是一种大规模继续作业的制造方式，由于高新技术的参与和介入，冲压生产方式由初期的手工操作逐步进化为集成制造（图1-1）。生产过程逐步实现机械化、自动化、并且正在向智能化、集成化的方向发展。实现自动化冲压作业，体现安全、高效、节材等优点，已经是冲压生产的发展方向。

    冲压自动化生产的实现使冲压制造的概念有了本质的飞跃。结合现代技术信息系统和现代化管理信息系统的成果，由这三方面组合又形成现代冲压新的生产模式—计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）。把产品概念形成、设计、开发、生产、销售、售后服务全过程通过计算机等技术融为一体，将会给冲压制造业带来更好的经济效益，使现代冲压技术水平提高到一个新的高度。

1.3 模具的发展与现状

    模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高技术密集型产品，也是高新技术产业的重要领域，其技术水平的高低已成为衡量一个国家制造水平的重要标志。随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。目前我国模具工业的发展步伐日益加快，“十一五期间”产品发展重点主要应表现在：

（1）汽车覆盖件模；

（2）精密冲模；

（3）大型及精密塑料模；

（4）主要模具标准件；

（5）其它高技术含量的模具。

    目前我国模具年生产总量虽然已位居世界第三，其中，冲压模占模具总量的40%以上[2]，但在整个模具设计制造水平和标准化程度上，与德国、美国、日本等发达国家相比还存在相当大的差距。以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，以国外相比还存在一定的差距。标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，存在一定差距。

1.4 模具CAD/CAE/CAM技术

    冲压技术的进步首先通过模具技术的进步来体现出来。对冲模技术性能的研究已经成为发展冲压成形技术的中心和关键。

    20世纪60年代初期，国外飞机、汽车制造公司开始研究计算机在模具设计与制造中的应用。通过以计算机为主要技术手段，以数学模型为中心，采用人机互相结合、各尽所长的方式，把模具的设计、分析、计算、制造、检验、生产过程连成一个有机整体，使模具技术进入到综合应用计算机进行设计、制造的新阶段。模具的高精度、高寿命、高效率成为模具技术进步的特征。

    模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，为企业提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化[4]。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。

    模具CAD/CAE/CAM在近20年中经历了从简单到复杂，从试点到普及的过程。进入本世纪以来，模具CAD/CAE/CAM技术发展速度更快，应用范围更广。

    在级进模CAD/CAE/CAM发展应用方面，本世纪初，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II（现为NX）软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特征识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在2003年作为商品化产品投入市场。与此同时，新加波、马来西亚、印度及我国台湾、香港有关机构和公司也在开发和试用新一代级进模CAD/CAM系统。

    我国从上世纪90年代开始，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括板金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。上海交通大学为瑞士法因托（Finetool）精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAC/CAM系统。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD等。

    展望国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展，本世纪的科学技术正处于日新月异的变革之中，通过与计算机技术的紧密结合，人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快，学科领域交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物，其特点将反映在专业化、网络化、集成化、智能化四个方面。主要表现在：

（1）模具CAD/CAM的专业化程度不断提高；

（2）基于网络的CAD/CAE/CAM一体化系统结构初见端倪；

（3）模具CAD/CAE/CAM的智能化引人注目；

（4）与先进制造技术的结合日益紧密。

1.5 课题的主要特点及意义

    该课题主要针对电器开关过电片零件，在对过电片冲孔、落料和压弯等成形工艺分析的基础上，提出了该零件采用多工位级进模的冲压方案；根据零件的形状、尺寸精度要求，设计过程中综合考虑采用“双列直对排法”排样，成形侧刃定位，保证工件的尺寸和形状位置精度要求的同时，提高了材料的利用率和劳动生产率。

    本课题涉及的知识面广，综合性较强，在巩固大学所学知识的同时，对于提高设计者的创新能力、协调能力，开阔设计思路等方面为作者提供了一个良好的平台。

2 冲压工艺方案的制定

图2-1 零件图

材料：H68普通黄铜   料厚：0.5mm

该零件为某电器开关过电片，是一家电器生产企业产品中的一个主要零件，如图2-1所示,其作用是通过开关扳手的运动由过电片让电流通或断。该零件生产属于大批量生产，零件结构紧凑，冲裁壁厚很小（最小处为0.75mm），成形过程相互干涉，在复合模中难于实现；若用简单的落料、冲孔、弯曲模等单工序模也可达到冲压要求，这样模具虽然简单了，但是冲压所用的设备和人员较多，冲压工序中的定位也较麻烦，加上零件较小，装料时易产生不安全的现象，而且工序较多效率较低故不被推广。为减少零件在生产中的多次定位对其精度和生产率的影响，一要产品批量较大，对零件的一致性要求较高，二是具有H68良好的弯曲和冲裁性能，经过反复比较，适宜采用较为复杂的多工位级进模制造。

2.1 工艺分析

本电器开关过电片从总体上看是一个带双孔的“”形弯曲件，该零件需要控制的尺寸有，，，，分别为公差等级IT11，IT12级，其余尺寸均为未注公差，可以按IT12级取公差。该零件材料为H68普通黄铜，料厚为0.5mm，因而从尺寸精度和材料方

图2-2 零件展开图

面分析比较适合用冲压加工。经计算得零件毛坯展开尺寸，如图2-2所示，最长处为22.86mm，最宽处为6.8mm，属于小型冲压件。由于“”形弯曲件两直边折弯方向相反，故弯曲模必须有两个方向的弯曲动作。现改为“”形弯曲件，它是“”形件的成对弯曲，然后再切断为二个“”形件，这样使两边的弯曲力相互平衡，同时也减少了弯曲时的毛坯移动。

2.2 排样图设计

排样图是多工位级进模设计的关键，它具体反映了零件在整个冲压成形过程中，毛坯外形在条料上的截取方式及与相邻毛坯的关系，而且对材料的利用率、冲压加工的工艺性以及模具的结构和寿命等有着显著的影响。表2-13取搭边值a=1.2mm，冲切外形时工件间的搭边连接最小宽度取1.8mm。故应针对零件和零件展开后的工艺特点，并综合考虑工艺分析各个因素后，设计合理的排样图及具体工位安排。

故：条料宽度 b=22.86mm×2 + 1.2mm×2 + 1.8mm =49.92mm，取b=50mm；

冲压进距 h=6.8mm + 5mm + 1.2mm×2 =14.2mm

毛坯排样图如图2-3所示：

图2-3 排样图

根据以上分析，冲压如图2-1所示的零件的级进模分为四个工位。

第一工位：定距冲外形；

第二工位：冲圆孔和腰形孔；

第三工位：“”形弯曲，由导正销在圆孔中定位；

第四工位：切断“”形件，分离得四个“”形制件。

计算材料的利用率，一个进距内的冲裁面积A：

A=92.5mm2+19.6mm2×4+15.9mm2×4+51.8 mm2=286.3 mm2

其中，A包括一个进距内冲出的小孔面积142mm

故一个进距的材料利用率为：

==59.7%

若冲出的小孔材料可以加以利用，则由本排样方案计算一个进距的材料利用率为：

3、模具总体结构设计

    模具总体结构如图3-1所示，该模具采用后侧导柱模架，冲圆孔凸模19，冲腰形孔凸模18，切断凸模15，切边凸模20，压弯凸模（成形侧刃）16，导正销29分别和凸模固定板5采用压入式装配，用圆柱销23在上模座上定位，与垫板4一起固定在上模座上；凹模11采用整体加工而成，为了便于制造、试模和维修，压弯凹模镶块17两件采用镶拼结构，嵌入冲裁凹模槽孔内，并用螺钉加以固定；条料送进步距由成形侧刃定位控制，制件弯曲由导正削精定位，所有凸模卸料由弹性卸料板7完成，冲孔、切边和切断废料由凹模下面的漏料孔逐步排出，制件从料头分离，由模具终端沿凹模斜面自动落下。

3.1 条料定位装置

    由于侧刃定距方式使冲压时材料送进准确可靠，但增加了材料的消耗，也使模具的制造维修趋于复杂。侧刃的成形冲切即发挥了侧刃定距的优点，又使得有搭边排样的有废料冲压变为无废料、少废料冲压。

    成形侧刃冲压是将拟选用的侧刃与工件某部分的冲裁结合，利用冲切出条（带）料的缺口代替普通侧刃的切边缺口实现送料限位定距，省去普通侧刃冲切后仍需留出落料冲切的搭边，实现少无废料排样的冲裁[7]。资料表明：在级进模上使用成形侧刃与使用普通侧刃相比，不仅可以节省冲压材料6%-10%，成本降低2%-6%，而且可以使连续冲压保持较高的劳动生产率的同时，保证工件具有较高的尺寸和形状位置精度。

图3-1 模具结构示意图

1-模柄 2-上模板 3-圆柱头内六角卸料螺钉 4-垫板 5-凸模固定板 6-弹簧               7-卸料板  8-导套  9-导柱  10-下模板  11-凹模  12-垫板  13-内六角圆柱头螺钉       14-圆柱销   15-切断凸模   16-压弯凸模   17-凹模镶块   18-冲腰形孔凸模           19-冲圆孔凸模20-切边凸模（成形侧刃） 21-开槽圆柱头螺钉22-承料板                  23-圆柱销24-内六角圆柱头螺钉25-圆柱销26-圆柱销27-开槽沉头螺钉                  28-导料板  29-导正销  30-开槽沉头螺钉  31-螺塞  32-弹簧

    本设计在送料前进方向的两侧采用双成形侧刃定距，如图2-3所示，即为使用成形侧刃的排样图，侧刃长度稍大于送料进距，以便导正销伸入预冲孔时导料略后退。成形侧刃尺寸按式（3-1）计算：

L=h+（0.05～0.10）    （3-1）

式中，L—成形侧刃断面沿送料方向的长度（mm），这里；

      h—步距（mm）

精确定位由导正销29与条料上的导正孔φ5来实现，该模具装有2件导正销，结构形式如图3-1所示，条料宽度方向由左、右导料板28导向，承料板22承料。

3.2 出料装置

    采用弹性卸料板7卸料，弹性卸料板由弹簧6产生的弹性实现卸料，并穿过卸料螺钉3杆部安装在凸模固定板与卸料板之间。导正销与导正孔之间存在一定的间隙，一般可以避免导正销卡在导正孔内，若为了防止导正销卡在导正孔内，可以采用在局部设计卸料块与弹簧，靠弹簧产生的弹性实现卸料。冲孔、切边废料和切断废料由凹模下方的漏料孔逐步排出，制件由模具终端沿斜面自动落下。

3.3 模具结构特点 

    采用双成形侧刃对称布置，切边定距，冲出工件部分外形，充分利用料头和料尾。为了便于送料，在冲切外形时工件之间留有一定的搭边连接，在冲弯后再切去，工件成形后由凹模11终端的斜面滑出。

3.4 模具工作过程 

    将裁剪好的宽度为50mm的条料放在下模上，并依靠成形侧刃定位。

第一步：上模下行卸料板在弹簧作用下压住坯料，切边凸、凹模完成切废料工序；

第二步：上模上行条料靠手动向前送一步，上模下行冲孔凸、凹模完成冲孔工序，废料从下模的下漏料孔排出；

第三步：上模上行条料靠手动向前送一步，上模下行由导正销精确定位，弯曲凸、凹模完成弯曲工序；

第四步：上模上行条料靠手动继续向前送一步，上模下行由切断凸、凹模完成切断工序，废料从下模的下漏料孔排出，同时有四个制件从模具终端落下，完成整个冲压过程。