2016年模具設計的小技巧

　　模具，是以特定的結構形式通過一定方式使材料成型的一種工業產品，同時也是能成批生產出具有一定形狀和尺寸要求的工業產品零部件的一種生產工具。大到飛機、汽車，小到茶杯、釘子，幾乎所有的工業產品都必須依靠模具成型。用模具生產制件所具備的高精度、高一致性、高生產率是任何其它加工方法所不能比擬的。模具在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品開發能力。所以模具又有“工業之母”的榮譽稱號。

　　模具設計指從事企業模具的數字化設計，包括型腔模與冷沖模，在傳統模具設計的基礎上，應用數字化設計工具，提高模具設計質量，縮短模具設計周期等方面的工作人員。簡單地說就是在一個產品生產出來之前先做出一個模型，而模具設計師就是設計這個模型的人。模具設計人員可在模具數控編程加工、模具三維設計、產品開發三維設計等領域就業。模具設計是很復雜的工作，最基本的要求是每套模具之間必須恰到好處地配合。比如一個隨身聽需要近百套模具制作出來，每一個配件之間的接口都要嚴絲合縫。

　　一、防反(防呆)設計

　　模具配件的防反(防呆)是模具設計的一個重要方面,它要使模具配件在裝配及試模更換時不易裝錯,并且可以很容易區分模具配件的不同,我們常用的防反(防呆)的方法有以下幾種:

　　1. 圓沖針防反(防呆)

　　①選擇目視就很容易區分沖針直徑大小的半成品沖頭加工沖針,一般半成品沖頭直徑要相差1mm以上(最小要有0.5mm);

　　②將沖針外形做成異形,將沖針單邊或兩側磨去一部分.常用結構有以下兩種(且盡量采用D型).

　　圖中H=ΦC/2+0.2mm

　　2. 軋公防反(防呆)

　　①在相似的軋公中的非折形一側倒一個或兩個斜角以防反區分,斜角的大小根據軋公的大小決定,倒角≥C2(最小不可小于C2);

　　②將軋公的外形做成不規則形狀以防反與區分;

　　③將軋公做成大小不同,以供區分的尺寸根據軋公的大小確定,但最小不能小于2mm。

　　3. 鑲件防反(防呆)

　　鑲件防反(防呆)有以下方法:

　　①鑲件外形差異化(注意:加工容易,剪口鑲件外形務必倒R2圓角);

　　②倒角方式,倒角C大小根據實際情況確定,但最小不小于C2(剪口鑲件最小不小于C3).

　　4. 剪公防反(防呆)

　　除相同的圓沖針與沖散熱窗的很多細小沖頭,在設計時不做防反(防呆設計,其余的在設計時務必進行防反防呆處理.剪公的防反(防呆)可以采用以下方法:

　　① 飛邊時通過尺寸的控制,避免設計出結構尺寸完全相同的剪公;

　　② 對無法通過尺寸進行區分的可以通過沖公上部的倒角,將剪公進行差異設計.

　　備注:

　　①圖一中以示區分的尺寸應根據沖頭的大小靈活確定,但最少不能小于2mm(見圖中A,B尺寸);

　　②圖二中倒角的大小為C2,倒角長度為公夾板厚度+1mm.

　　5. 模具防呆(防反)

　　為防止模具裝配,對模時模板的左右裝反,造成意外損失,因此,我們要在每一套模具進行防反設計.模具防反中最常用也是最為有效的方法是通過內導柱的位置不對稱,或大小不同進行左右前后防反.常用有以下方法:

　　① 模具中選用大小規格相同的內導柱,但其中一組往模具內側單向移動5mm以上;

　　② 在模具中選用一個大小不同長度相同的內導柱進行防反,其中兩種大小的內導柱要相差兩個規格,但對小模具中可以用3個Φ12的帶一個Φ10的進行防(因生產過程中發現小導柱會過快磨損,因此一般不宜采用　　③ 在某些單工序模中,由于沒有設置內導柱,為避免模具的裝反,我們常采用外導柱的不對稱布置進行模具的防反設計,兩外導柱位置相差10mm以上.

　　二、防跳料(跳廢料)設計

　　廢料回跳就是在沖裁加工時,應底出的廢料沒有底出,而是由于某些原因隨著沖頭的上升而跳出模面,最后落在模面上的現象.廢料回跳很可能造成產品壓印等不良問題,以及模具損壞.在高速沖壓中廢料回跳是模具的最大殺手。

　　1. 廢料回跳產生的原因 廢料回跳主要有以下原因造成的：

　　①對于圓孔等規則形狀,由于沖裁過程的材料變化的規律導致沖裁時沖頭與廢料間形成了一定的真空,當沖頭上升時廢料在真空的作用下,跳出凹模面;

　　②由于生產中沖壓油的粘性(例:N305),容易使廢料粘在沖頭上(特別是t<0.5mm的薄料),沖頭上升時廢料在粘力的作用下脫離凹模;

　　③凹模過于光滑,不能給廢料提供足夠的摩擦力,廢料在真空及沖壓油的粘力作用下,脫離凹模;

　　④沖頭在加工中產生的磁力沒有消除,或沖頭在長期的工作中產生了磁力(例:沖制銅類及鋁類產品時),廢料在沖頭的磁力作用下脫離凹模,產生廢料回跳;

　　⑤模具選用的沖裁間隙過大或過小及刃口過利,廢料與凹模間的摩擦力過小,造成廢料回跳。

　　2. 廢料回跳的理論解決辦法：

　　從理論上分析,要使廢料不回跳只需要使:沖頭上油液的吸附力+廢料底部空氣的壓力+沖頭的磁力<廢料與凹模間的摩擦力+廢料的重力.由以上分析可知,

　　我們可以從以下方面來防止廢料回跳:

　　①從沖頭結構方面:使用斜刃沖頭,頂料沖頭,帶氣孔沖頭等;

　　②從凹模結構方面:使用0.3˚～0.5˚全錐凹模,增加凹模的粗糙度(用砂紙螺旋向下打磨凹模漏料),凹模刃口倒角等;

　　③其它方式:將廢料外形設計成不規則形狀,下吹氣式真空吸料,減小沖裁間隙,增加沖頭切入量,專用吸塵器吸料等。

　　3. 防廢料回跳設計

　　①將凹模設計成0.3˚～0.5˚全錐,一般為0.3˚,設計時只需在下模鑲件的加工要求中加注"線割0.3˚全錐"或加注"線割0.5˚全錐";

　　②加大沖頭過切量.

　　③在產品最終剪斷時將廢料設計成帶凸耳形狀;常用凸耳的結構有兩種：燕尾形與圓弧形

　　a.燕尾形中(見圖一):角度N在30˚～70˚之間,RB≥0.15mm,RC≥0.3mm,A≥0.8mm (一般選用1mm,1.5mm,2mm);

　　b.圓弧形中(見圖二):ΦE≥Φ1(一般選用Φ1,Φ1.5,Φ2,Φ3),RF≥0.2mm,L=(0.7～0.9)t,t為料厚;

　　c.進行凸耳設計時,要注意廢料的強度, D≥1mm. (見圖三) 常用結構及設計參數見下圖:

　　④增加凹模的粗糙度.

　　⑤將沖頭設成帶氣孔的沖頭,通過向下吹氣的方式,避免廢料回跳.設計結構及尺寸要求見下圖

　　備注:

　　a.為方便加工ΦA≥Φ1,常選用Φ1.5,Φ2,Φ3;

　　b.圖中B為M8或M12的喉牙,喉牙攻在公夾墊板的側面,牙深30mm左右,最小牙深不小于20mm;

　　c.圖中C為風槽,風槽在公夾墊板反面加工,風槽寬為2mm或3mm(優先選用3mm),風槽深一般為2mm.

　　⑥下模真空吸料結構,設計結構及尺寸要求見下圖一

　　設計時備注:

　　a.圖中B為M8的喉牙,喉牙攻在下模板的側面,牙深30mm左右,最小牙深不小于20mm;

　　b.圖中C為風槽,風槽在下模墊板1反面加工,風槽寬為2mm或3mm(優先選用3mm),風槽深一般為2mm.

　　⑦對比較大的沖頭,我們可以在沖頭中加設防跳頂桿,加工成子母沖,設計結構及尺寸要求見上圖二

　　設計時注意:

　　a.子母沖彈簧墊片的厚度應根據需要而定,為方便安裝墊片的厚度≥4mm;

　　b.頂桿與安裝孔間的雙邊間隙為0.1mm;

　　c.沖頭的壁厚F1≥2mm,如果應沖頭的壁厚太小則不能采用子母沖,應采用其它防跳屑的方法;

　　d.沖頭的壁厚F2≥2.5mm,最小不可小于2mm. 8)其它防廢料回跳的方法,如斜刃沖頭防跳屑法,凹模倒角法,專用吸塵器吸廢料法等等.

　　三、細長公加壯設計

　　在精密五金產品中經常會遇到一些細長的窄槽與孔,如果直接按照窄槽的尺寸進行沖頭設計,那么這種沖頭在生產中很容易被折斷崩裂.因此設計時我們需要對這類結構進行加壯設計. 在加壯設計時有以下基本要求:

　　①為便于加工我們一般只做單邊加壯,而不進行雙邊加壯;

　　②由于手搖磨床加工時存在誤差,為了不影響產品的尺寸,沖公的加壯應在產品廢料的一邊,如果為窄槽或細長孔的沖公加壯則加壯方向在尺寸較少,公差要求較寬的一側;

　　③沖公的加壯一般1～2mm,加壯后沖公的厚度要在2mm以上;

　　④由于線割與磨床加工存在的局限性(線割時有線割加工圓角存在,磨床加工后留有利角),因此加壯區離沖公的兩側分別要有一定的加工間隙(最小要有0.5寬).

　　四、無披鋒兩步沖裁設計

　　精密五金產品的批鋒要求特別嚴格,一般要求產品的批鋒高度在0.03mm以下,有的甚至要求產品的外圍不能有批鋒.根據沖裁原理我們開發了反正切兩步沖裁的方法,做到了產品的兩面無批鋒.詳細操作過程為:先將片料反切0.5～0.7t(t為產品料厚);然后正面切斷.

　　備注:

　　此技術可應用于料厚在0.8mm以上各類材料產品的設計中。

　　五、壓槽去披鋒設計

　　對要求產品外圍無批鋒的產品在連續模中,常用壓凹槽與拍批鋒工步相結合的方式進行處理.一般在最終剪斷處壓高C=0.3～0.4t的頂角為60˚的凹槽,完成飛邊后對最終剪斷處以外的區域進行全周拍批鋒處

　　理,最后落料剪斷時從凹槽的中間剪斷。

　　此方法可以應用于各種料厚的產品設計.且設計結構較簡單,但最終剪斷處仍然殘留少量批鋒和不能拍除駁刀口處的批鋒是此拍批鋒方法的缺陷.

　　六、小孔沖裁設計

　　進行小孔(一般圓孔尺寸≦Φ2mm,異形孔最小尺寸≦2mm)沖裁時,由于孔小,沖頭尺寸也小,沖頭的強度低,在沖裁時經常因為受壓失穩而造成沖頭彎曲,折斷.為提高生產效率,降低產品的生產成本,在進行小孔沖裁,我們在模具結構及加工上可以采取以下措施,來避免小孔沖裁中的斷針問題.

　　1.在半成品沖頭的選擇上,小孔沖針的半成品沖頭應≥Φ3mm(可以選用Φ3mm),而且沖針的材質均為SKH-51或HAP40;

　　2.在小孔沖裁沖頭的固定上,小孔沖裁的結構全部采用沖頭快換式設計,并在打料板上進行沖頭大小身同時管位的方式,有以下設計要求:

　　①圖中裝配間隙A：單+0.015mm;

　　②圖中裝配間隙B,C：單+0.01mm;

　　③圖中小身管位高H=6～8mm;

　　④圖中沖針半成品沖頭直徑D≥Φ3mm;

　　⑤圖中沖針長H0=公夾板厚+中間板厚+打料板厚+t+0.5mm;

　　⑥圖中沖針的直身位長H1=10～12mm(沖針到下死點時沖頭圓弧過渡部分離小身管位0.5mm).

　　詳細結構如下

　　3.對沖頭進行表面處理

　　①對沖頭進行表面鍍鈦處理 PVD鍍鈦涂層的類別及鍍層特點

　　備注:2000HV約80HRC.

　　根據我們的公司的模具使用要求,由上表可知,我們的沖頭進行鍍TiCN(氮化碳鈦)涂層,效果比較好.

　　②對沖頭進行拋光處理由于我們的沖頭加工后表面有很多細小的砂輪紋.這些砂輪紋在結構上為鋸齒形,沖頭在工作時尖銳處應力集中,局部應力過大,沖頭表面很容易產生微裂紋,在循環應力的作用下,微裂紋加速擴展,最終導致沖頭疲勞斷裂,使用壽命遠低于沖頭的理論壽命.為解決這一問題我們可以用超細磨粒(如金剛石研磨膏),對沖頭部分進行研磨,消除沖頭在機加工中留下的砂輪紋,避免沖裁時的應力集中.在機加工沖頭時,應留有0.005～0.01mm的加工余量(雙邊余量),供后續的研磨加工.

　　七、沖頭快換設計

　　為提高生產效率,節約模具調試及日常維護,維修的時間對易損沖頭進行快換設計,對企業的綜合效益有十分重要的意義. 沖頭快換方常有以下兩種:

　　1.對有足夠位置的沖公及折形公,常直接在沖頭上加工螺絲孔,用螺絲固

　　2.定沖頭(螺絲一般選用Φ5/32"的);(見下圖)

　　備注:

　　①圖中A尺寸一般在3mm左右(最小不能小于2.5mm);

　　②圖中B尺寸≥3mm;

　　③設計時務必注意沖頭的防反

　　2.對于較小的沖公及折形公，對沖頭進行快換式設計,具體結構與設計要求見下圖:

　　備注:

　　①圖中尺寸A≈2mm,當位置不足時最小不能小于1mm;

　　②圖中尺寸B≥ 0.5mm;

　　③圖中C≈3mm,最小不能小于2.5mm.

　　④連續模中所有沖公均做成快換式結構.

　　3.對于過大沖頭，無法采用以上結構時，可以設計為扣頂方式

　　八、微調折形設計

　　當產品材料為不銹鋼等回彈系數大,產品材料厚度較薄(一般t≦0.2mm)而且產品折形邊又較長,角度公差又較小的產品時,由于折形后,材料的回彈給模具的調試帶來很大的困難,為便于模具的調試,我們可以在產品軋完形后,增加一步折形微調結構,以保證產品的質量.以下為我們可用的折形微調結構

　　九、回彈補償設計

　　在設計彈片類產品時,由于產品的材料硬度較大,而且折形角度不規則,內彎曲半徑較大,造成產品的折形回彈較大,按通常的設計,很難做到產品尺寸.為方便模具的調試,在進行模具設計時我們可以應用產品折形的回彈特性,使產品的折形角度盡量接近產品圖紙要求. 回彈補償設計的基本原則:

　　補償后產品的展開尺寸=未補償產品的展開尺寸+中性層展開尺寸.由于彈片類產品的制造材料多為料厚較薄的不銹鋼,磷銅,鈹銅(料厚一般在0.3mm以下,多為0.1mm),所以,我們通常將產品的中性層選定在材料厚度的1/2處.

　　在實際設計時可以按以下進行回彈補償設計:

　　①彎曲半徑做小20～30%,ΔR=(20～30%)Ro, R'=Ro-ΔR(大多數做小產品中性層彎曲半徑);

　　②折形角度做大20～30%,Δα=(20～30%)αo, α'=αo+Δα; 產品折形處直接展開尺寸Lo=αo/360˚X2πX RooπRo/180˚; 回彈補償后展開尺寸L'=α'/360˚X2X R'=α'πR'/180˚; Lo=L';αoRo=α' R'.--------------○1 根據○1式,先確定回彈補償方案在求出另一個變量.在根據結果做圖.設計時參考下例:

　　十、U軋頂料設計

　　在U軋模卸料常采用刮料板刮料的方式,但在產品結構有干涉或折形高度太高時(軋公可以采用王牌+A88的拼接結構時,我們就需要采用頂針推頂的方式來卸料了.但頂料設計的不好,很難將產品頂出,而且就是頂出后產品也變形.我們公司在"U"軋頂料方面有較好的方法.在頂料推頂設計中的關鍵是:頂料的位置及頂料彈簧的彈力.其中頂料的位置最為關鍵.

　　備注:

　　①推料頂針的大小A為Φ6及Φ4的頂針,一般均選用Φ6頂針;

　　②頂針與軋公間的雙邊間隙為+0.04mm;

　　③頂針與軋公邊沿的距離B為1.5mm或2mm;

　　④推料頂針的彈簧一般選用Φ8的TF彈簧;

　　⑤頂針卸料時一般將產品推出2～5mm,常用3mm;

　　⑥頂針的頭部需倒C0.5的45˚斜角,當材料為鋁類,銅類等軟料時,頂針頭部需要倒R0.5的圓角。

　　十一、漏料設計

　　備注:

　　①設計時為便于生產中模具的維修與維護,我們一般將凹模設計成鑲件形式,下模鑲件的裝配間隙為0.01mm;

　　②為了便于漏料,預防跳屑我們一般將凹模設計成錐形,錐角為0.3˚～0.5˚(全錐),且設計時常選用0.3˚全錐.下模墊板1的漏料間隙A為1mm(單邊間隙),下模墊板2的漏料間隙B為0.5mm(單邊間隙),下模座的漏料間隙為1mm(單邊間隙);

　　③下模墊腳要求避開漏料孔,漏料孔在墊腳上時優先將墊腳分段設計,當無法分開時:1)漏料孔在墊腳中間時,漏料間隙F為1mm(單邊間隙),并且在試模及生產時應注意避開墊腳上的漏料;2)漏料孔靠近墊腳邊沿時,設計為先鑼深為10～20mm的直身H,再鑼30˚斜身,圖中為1mm;

　　④所有漏料孔加工中,均不可倒角,以防下模堵料;

　　⑤為避免塞料,孔徑≦Φ2.0mm的以及異形孔最大長度≦Φ2.0mm的,在設計漏料時,下模墊板1中的漏料孔做到Φ5.0mm(需注明不可倒角),下模墊板2中的漏料孔做到Φ6.0mm(需注明不可倒角),下模座上的漏料孔做到Φ8.0mm(需注明不可倒角).

　　十二、模具防壓印設計

　　產品壓印在生產中經常出現,主要是由于模面不干凈,但也有一些是模具存在一定的設計缺陷造成的.在模具設計中的防壓印的方法我們有以下幾種:

　　1.連續模中,當模具較(一般模具長度<1.5m,模具寬<0.5m),常在模具打料板中磨片槽(不分材料類別,及料厚,都必須磨片槽),片槽比料寬單邊大2～mm,片槽深度為0.8～0.9t(t為料厚);當產品較單薄時還必須在產品最終切斷處設計多個防壓塊;

　　①圖中尺寸A=2～3mm;

　　②圖中尺寸H=0.8～0.9t(t為材料厚度);

　　③圖中尺寸H1為:打料板厚+產品材料厚度(t)+(0.04～0.05)mm,當材料厚度為0.3以下時尺寸H1為:打料板厚+材料厚度(t)+0.02mm;

　　④為了進行模具標準化建設,打料板限高塊的長寬尺寸均為12.5mm,限高塊杯頭孔大小為Φ5/32",并設計在限高塊的平面中心位置,限高塊的裝配間隙為0.01mm.

　　⑤限高塊安裝位置的確定時應注意限高塊不能壓到產品與片料,當片料空隙太小時,可以對限高塊的底部進行加工,而一般不要改變限高塊長寬的標準寸.

　　⑥當一套模具需要多個打料限高塊時,所有限高塊的高度差不超過0.01mm.

　　2.當銅類及鋁類產品用復合模及但工序模加工時,復合模及單工序模也要求加工片槽,片槽寬度比料寬大2～3mm,片槽深為0.8～0.9t(t為料厚);也可以選用下模限高柱的形式,各結構設計要求同上.

　　3.材料為銅類,鋁類產品,設計時螺絲孔盡量做盲孔,避免做通孔,以防料面有螺絲印.所用材料產品,設計時下模配件,打料配件的螺絲孔盡量設計在片料外或片料的廢料區. 注意:模具片槽由磨床加工,設計時不用出圖設計,片槽的寬度與深度由磨床加工時按設計要求確定.

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