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6、模具設計
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按國家職業定義,模具設計是: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,充分應用數字化設計工具,提高模具設計質量,縮短模具設計周期的人員。

概念

沖壓模具整體構造可分成二大部分:
(1)共通部分。
(2)依制品而變動的部分。共通部分可加以标準化或規格化,依制品而變動的部分是難以規格化。

規格

1. 模闆之構成
沖壓模具之構成将依模具種類及構成及相異,有順配置型構造與逆配置型構造二大類。前者是最常使用的構造,後者構造主要用于引伸成形模具或配合特殊模具。
2. 模具之規格
(1)模具尺寸與鎖緊螺絲
     模闆之尺寸應大于工作區域,并選擇标準模闆尺寸。模闆鎖緊螺絲之位置配置與模具種類及模闆尺寸有關。其中單工程模具最常使用鎖緊螺絲配置于四邊角,最标準形式工作區域可廣大使用。長形之模具及連續模具最常使用鎖緊螺絲配置于四邊角及中間位置。
(2)模闆之厚度
模闆之厚度選擇與模具之構造、沖壓加工種類、沖壓加工加工力、沖壓加工精度等有絕對關系。依據理論計算決定模具之厚度是困難的,一般上系由經驗求得,設計使用的模闆厚度種類宜盡量少,配合模具高度及夾緊高度加以标準化以便利采購及庫存管理。

模闆設計

連續模具之主要模闆有沖頭固定闆、壓料闆、凹模闆等等,其構造設計依沖壓制品之精度、生産數量、模具之加工設備與加工方法、模具之維護保養方式等有下列三種形式:(1)整塊式,(2)轭式,(3)鑲入式。
1. 整塊式
整塊式模闆亦稱為一體構造型,其加工形狀必須是封閉的。整塊式模闆主要用于簡單結構或精度不高的模具,其加工方式以切削加工為主(不需熱處理),采用熱處理之模闆必須再施行線切割加工或放電加工及研磨加工。模闆尺寸長(連續模具)之場合将采用兩塊或多塊一體型并用之。
2. 轭式
轭式模闆之中央部加工成凹溝狀以組裝塊狀品。其構造依應用要求,凹溝部可以其他模闆構成之。此轭式模闆構造之優點有:溝部加工容易,溝部寬度可調整之,加工精度良好等。但剛性低是其缺點。
轭式模闆之設計注意事項如下:
(1)轭闆構部與塊狀部品之嵌合采中間配合或輕配合方式,如采強壓配合将使轭闆發生變化。
(2)轭闆兼俱塊狀部品之保持功能,為承受塊狀部品之側壓及面壓,必須具有足夠的剛性。還有為使轭闆溝部與塊狀部品得到密着組合,其溝部角隅作成逃隙加工,如轭闆溝部角隅不能作成逃隙加工,則塊狀部品須作成逃隙加工。
(3)塊狀部品之分割應同時考慮其内部之形狀,基準面必須明确化。為使沖壓加工時不産生變形,亦要注意各個塊狀部品之形狀。
(4)轭闆組入許多件塊狀部品時,由于各塊狀部品之加工累積誤差使得節距産生變動,解決對策是中間塊狀部品設計成可調整方式。
(5)塊狀部品采并排組合之模具構造,由于沖切加工時塊狀部品将承受側壓使各塊狀部品間産生間隙或造成塊狀部品之傾斜。此現象是沖壓尺寸不良、沖屑阻塞等沖壓不良之重要原因,因此必須有充分的對策。
(6)轭闆内塊狀部品之固定方法,依其大小及形狀有下列五種:A.以鎖緊螺絲固定,B.以鍵固定,C.以揳形鍵固定,D.以肩部固定,E.以上壓件(如導料闆)壓緊固定。
3. 鑲入式
模闆中加工圓形或方形之凹部,将塊狀部品鑲合嵌入于模闆中,此種模闆稱為鑲入式構造,此構造之加工累積公差少、剛性高,分解及組立時之精度再現性良好。由于具有容易機械加工、加工精度由工作機械決定、最後調整之工程少等優點,鑲入式模闆構造已成為精密沖壓模具之主流,但其缺點是需要高精度的孔穴加工機。
連續沖壓模具采用此模闆構造時,為使模闆具有高剛性要求,乃設計空站。鑲入式模闆構造之注意事項如下所述:
(1)嵌入孔穴之加工:模闆之嵌入孔穴加工使用立式銑床(或治具)、綜合加工機、治具镗床、治具、線割放電加工機等。嵌入孔穴之加工基準,使用線割放電加工機時,為提高其加工精度乃進行二次或以上之線割加工。
(2)嵌入件之固定方法:嵌入件固定方法之決定因素有不變動其加工的精度、組立及分解之容易性、調整之可能性等。嵌入件之固定方法有下列四種:A.以螺絲固定,B.以肩部固定,C.以趾塊固定,D.其上部以闆件壓緊。凹模闆之嵌入件固定方法亦有采用壓入配合,此時應避免因加工熱膨脹而産生的松弛結果,使用圓形模套嵌入件加工不規則孔穴時應設計回轉防止方法。
(3)嵌入件組立及分解之考量:嵌入件及其孔穴加工精度要求高以進行組立作業。為得到即使有稍微的尺寸誤差亦能于組立時加以調整,宜事先考慮解決對策,嵌入件加工之具體考慮事項有下列五項:A.設有壓入導入部,B.以隔片調整嵌入件之壓入狀态及正确位置,C·嵌入件底面設有壓出用孔穴,D.以螺絲鎖緊時宜采用同一尺寸之螺絲,以利鎖固及松開,E.為防止組立方向之失誤,應設計防呆倒角加工。
設計 
1. 單元
模具對準單元亦稱為模具刃件之對合引導裝置。為确實保持上模與下模之對準及縮短其準備時間,依制品精度及生産數量等條件要求,模具對準單元主要有下列五種:
(1)無導引型:模具安裝于沖床時直接進行其刃件之對合作業,不使用引導裝置。
(2)外導引型:此種裝置是最标準的構造,導引裝置裝設于上模座及下模座,不通過各模闆,一般稱為模座型。
(3)外導引與内導引并用型(一):此種裝置是連續模具最常使用之構造,沖頭固定闆及壓料闆間裝設内導引裝置。沖頭與凹模之對合利用固定銷及外導引裝置。内導引裝置之另一作用是防止壓料闆傾斜及保護細小沖頭。
(4)外導引與内導引并用型(二):此種裝置是高精密度高速連續模具之使用構造,内導引裝置貫穿沖頭固定闆、壓料闆及凹模固定闆等等。内導引裝置本身亦有模具刃件對合及保護細小沖頭作用。外導引裝置之主要作用是模具分解及安裝于沖床時能得到滑順目的。
(5)内導引型:此構造不使用外導引裝置,内導引裝置貫穿沖頭固定闆、壓料闆及凹模固定闆等等,正确地保持各塊闆之位置關系性以保護沖頭。
2. 單元
模具之導引方式及配件有導柱及導套單元之種類有兩種:(A).外導引型(模座型或稱主導引),(B).内導引型(或稱輔助引)。另行配合精密模具之要求,使用外導引與内導引并用型之需求性高。
(1)外導引型:一般上使用于不要求高精密度之模具,大多與模座構成一單元販賣之,主要作用是模具安裝于沖床時之刃件對合,幾乎沒有沖壓加工中之動态精度保持效果。
(2)内導引型:由于模具加工機之進展,急速普及。主要作用除了模具安裝于沖床時之刃件對合外,亦有沖壓加工中之動态精度保持效果。
(3)外導引與内導引并用型:一副模具同時使用外導引與内導引裝置。
3. 沖頭與凹模單元 (圓形)
(1)沖頭單元:圓形沖頭單元依其形狀(肩部型及平直型)、長度、維修之方便性,使用沖頭單元宜與壓料闆導套單元配合。
(2)凹模單元:圓形凹模單元亦稱為凹模導套單元,其形式有整塊式及分開式,依生産數量、使用壽命及制品或沖屑之處理性,凹模單元之組合系列有:(A).使用模闆直接加工凹模形狀,(B).具有二段斜角之逃隙部,(C).是否要使用背闆,(D).不規則凹模形狀必須有回轉防止設計。
4. 壓料螺栓與彈簧單元
(1)、壓料螺栓單元:壓料闆螺栓之種類有:(A).外螺絲型,(B).套筒型,(C).内螺絲型。為保持壓料闆于指定位置平行狀态,壓料螺栓之停止方法(肩部接觸部位):(A).模座凹穴承受面,(B).沖頭固定闆頂面,(C).沖頭背闆頂面。
(2)、壓料彈簧單元:可動式壓料闆壓料彈簧單元可大緻分為:(A).單獨使用型,(B).與壓料螺栓并用型
選擇壓料彈簧單元時最好考慮下列要點再決定之:
(A)、确保彈簧之自由長度及必要的壓縮量 (壓縮量大之彈簧宜置于壓料闆凹穴)。
(B)、初期的彈簧壓縮量 (預壓縮量) 或荷重之調整有無必要。
(C)、考量模具組立或維護保養之容易性。
(D)、考量與沖頭或壓料螺栓長度之關系。
(E)、考量安全性 (防止彈簧斷裂時之飛出)。
5. 導引銷單元 (料條送料方向之定位)
(1)、導引銷單元:導引銷之主要作用是連續沖壓加工時得到正确的送料節距。沖壓模具用導引單元有間接型 (導引銷單獨使用) 及直接型(導引銷裝設于沖頭内部)兩種形式。
(2)、導引銷之組裝方式與沖孔沖頭有相同(裝設于沖頭固定闆)。利用彈簧将其受制于沖頭固定闆。
(3)、導引銷另外裝設于壓料闆之形式,由于要求導引銷突出于壓料闆之量達到一定及防止模具上升時之容易帶上被加工材料,壓料闆之剛性及導引形式有必要注意之。
(4)、導引銷單元有直接型,其裝設于沖頭内,主要用于外形沖切(下料加工) 或引伸工程之切邊加工,其位置定位系利用制品之孔及引伸部内徑。
6. 導料單元
(1)、外形沖切 (下料加工) 或連續沖壓加工時,為使被加工材料之寬度方向受到導引及得到正确的送料節距,乃使用導料單元。
(2)、料條寬度方向之導引裝,導引方式有:(A).固定闆導引銷型,(B).可動導引銷型,(C).闆隧道導引型 (單塊闆),(D).闆導引型 (兩塊構成),(E).升料銷導引型 (有可動式、固定式及兩者并用之。
(3)、起始停止之導引裝置,其形式有:(1).滑塊式,(2).可動銷式等兩種,主要作用是材料置于模具之最初起始位置定位。
(4)、送料停止裝置,可正确地決定出送料節距,主要用于人手送料之場合,其形式有:(A).固定式停止銷,(B).可動式停止銷,(C).邊切停止方式,(D).挂鈎停止機構,(E).自動停止機構。
(5)、側推式導料機構,沖壓加工時材料被壓向一方,可防止材料因料條寬度與導料件寬度差所産生的蛇行現象。
(6)、胚料位置定位導料機構,其形式有:(A).固定銷導料型(利用胚料之外形),(B).固定銷導料型 (利用胚料之孔穴),(C).導料闆 (大件部品用),(D).導料闆 (一體形),(E).導料闆(分割形)。
7. 升料與頂料單元
(1)、升料銷單元:其主要作用是進行連續沖壓加工時将料條升至凹模上 (位置高度稱為送料高度,并達到順利送料目的,其形式有:(A).升料銷型 (圓形,純粹升料用),是最普通的升料銷單元。(B).升料銷型 (圓形,設有導料銷用孔),升料銷設有導料銷用孔可防止材料承受導引銷之變形及使導引銷确實發生作用。(C).升料及導料銷型,兼俱導料功能,連續模具之導料最常使用此形式升料銷型。(D).升料銷型(方形) 如有需求設有空氣吹孔。(E).升料及導料銷型 (方形)。
(2)、頂料單元:自動沖壓加工時必須防止沖切制品或沖屑之跳于凹模表面以避免模具損壞及不良沖壓件之産生。
(3)、頂出單元:頂出單元之主要作用是每次沖壓加工時将制品或廢料自凹模内頂出。頂出單元之裝設場所有二:(A)、逆配置型模具時裝設于上模部份,(B).順配置型模具時裝設于下模部份。
8.固定單元

     固定銷單元之形狀及其尺寸依标準規格需要而設計,使用時之注意事項有:(A).固定銷為貫穿孔,不能的場合,考慮容易使用螺絲卸除之設計方法。(B).固定銷長度适度最好,不可大于必要的長度。(C).固定銷孔宜有必要的逃離部。(D).置于上模部份之場合,應設計防止落下之機構以防止其掉落。(E).采用一方壓入配合一方滑動配合之場合,滑動側之固定銷孔稍微大于固定銷。(F).固定銷之數量以兩隻為原則,盡量選擇相同之尺寸。
9.壓料闆單元
壓料闆單元之特别重要點是壓料面與凹模面有正确的平行度及緩沖壓力要求平衡。
10. 誤送檢測單元
以連續模具沖壓加工時,模具必須設計失誤檢出單元以檢出送料節距之變化量是否超過其基準而停止沖床之運轉。失誤檢出單元是裝設于模具内部,依其檢出方法有下列兩種裝設形式:(A).上模内裝設檢出銷之形式,當其偏離料條孔穴時,将與料條相接觸而檢知。(B).下模内裝設檢出銷之形式,當料條之一部與檢出銷接觸而檢知。
11. 廢料切斷單元
連續沖壓加工時料條 (廢料) 将陸續離開模具内,其處理方式有兩種:(A).利用卷料機卷取之,(B).利用模具切斷裝置将其細化。又後者之方式有兩種:(A).利用專用廢料切斷機 (設置于沖壓機械外部),(B).裝設于連續模具最後工程之切斷單元。
12. 高度停止塊單元
高度停止塊單元之主要作用是正确地決定上模之下死點位置,其形式有下列兩種:(A).沖壓加工時亦經常接觸之方式,(B).組裝時才接觸,沖壓加工時不接觸之方式。還有,當模搬運、保管時,為防止上模與下模之接觸,最好于上模與下模之間置入隔塊。當精度要求無必要時,其使用标準可采用調整型。

主要元件

1. 标準部品及規格
模具用标準規格之選擇方法最好考量下列事項:(A).使用的規格内容不受限制時,最好采用最高層者。(B).原則上采用标準數。(C).模具标準部品無此尺寸時,采用最接近者再進行加工。
2.之設計
沖頭依其功能可大緻分為三大部份:(A).加工材料之刃部先端(切刃部,其形狀有不規則形、方形、圓形等)。(B).與沖頭固定闆接觸部(固定部或柄部,其斷面形狀有不規則形、方形、圓形等)。(C).刃部與柄部之連結部份 (中間部)。
沖頭各部份之設計基準分别從 (A).切刃部長度,(B).切刃部之研磨方向,(C).沖頭之固定法及柄部之形狀等方面簡述之。
3. 沖頭固定闆之設計
沖頭固定闆之厚度與模具及荷重之大小有關系性,一般上為沖頭長度之30~40%,還有沖頭引導部長度宜高于沖頭直徑之1.5倍
4. 導引銷(沖頭)之設計
導引銷 (沖頭) 之引導部直徑與材料導引孔之間隙,其尺寸及突出壓料闆之量依材料之厚度而設計,導引銷之先端形狀大緻分為兩種:A.炮彈形,B.圓錐形 (推拔形)。
(1).炮彈形是最普通之形式,市面上亦有标準部品。
(2).圓錐形有一定的角度,很适合用于小件之高速沖壓,推拔角度之決定因素有沖壓行程、被加工件之材質、導引孔之大小,加工速度等。推拔角度大時較容易修正被加工材料之位置,但推拔部之長度将變長。推拔部與圓筒部連接處宜滑順之。
5.凹模之設計
(1).沖切凹模之設計
沖切凹模之形狀設計應考量之要項有:A.模具壽命及逃角之形狀,B.凹模之剪角,C.凹模之分割。
(A).模具壽命及逃角之形狀:此設計是非常重要的事項,如設計不正确将會造成沖頭之破損、沖屑之堵塞或浮上、毛邊之發生等沖壓加工不良現象。
(B).凹模之剪角:外形沖切時為減低其沖切力,凹模可采剪角設計,剪角大時沖切力之減低亦大,但易造成制品之反曲及變形。
(C).凹模之分割:凹模必須施以成形研磨等精加工,由于其是凹形狀,研磨工具不易進入,故必須加以分割。
(2).彎曲凹模之設計
彎曲加工用凹模之設計,為防止回彈及過度彎曲等現象之發生,U形彎曲加工用凹模之部形狀為雙R與直線部 (斜度為30度) 之組合,最好近似R形狀。R部形狀經成形研磨或NC放電加工後應施以抛光處理。
(3).引伸凹模之設計
引伸凹模角隅部形狀及逃角形狀是非常重要的設計事項,有關角隅部及逃角之形狀及特征如下:引伸凹模R角值大時較易引伸加工,但亦産生引伸産品表面産生皺摺現象,引伸制品側壁厚度大于闆厚。引伸厚闆件及頂出困難之場合,凹模R值要取小,約為闆厚之1-2倍,一般上圓筒及方筒引伸凹模之大多引伸部作成直段狀,為防止燒着發生、潤滑油油膜之破壞及減少頂出力等目的,直段部下方宜有逃部 (階段形或推拔形) 設計。特别是引縮加工之場合,此直段部有必要盡量少。
6. 沖頭之側壓對策
沖壓加工時沖頭左右承受均等之荷重是最佳理想 (即側壓為零) 狀态,沖頭承受側向壓力時将使上模與下模産生橫方向之偏移,造成模具間隙之部份變大或變小 (間隙不均勻) 及無法得到良好精度的沖壓加工。有關沖頭之側壓對策有下列方法:(A).改變加工方向,(B).單側加工 (沖切、彎曲、引伸等) 之制品宜采兩排布列方式,(C).沖頭或凹模裝設側壓擋塊,切刃之側面設有導引部 (尤其是切斷及分斷加工)。
7. 背壓闆之設計
沖壓加工時主要作用件(沖頭、壓料闆、凹模) 之後方将承受面壓,當沖壓力高于面壓力時宜采用背壓闆 (特别是沖頭及凹模模套之背面) 背壓闆之使用方式有局部使用與全面使用兩種形式。
模具設計軟件
現代工業發展很快,基本上都是利用電腦進行設計和加工,其精度能夠保證在0.002~0.01。搞模具設計工作有一條無邊無際的廣闊天地.如果能夠用電腦進行輔助設計,則伱的對手,無形之中,就落在伱的後面了.常用模具設計軟件有AUTOCAD Pro/E UG SW CImatron,mishiong 等等。

對壽命的影響

設計是模具生産中的關鍵步驟、生産的初始環節,把控着模具生産的全過程,因此設計還對模具的使用壽命有着極大的影響,設計主要從以下兩個方面影響沖壓模具的使用壽命。
(1)模具的導向機構精度。準确和可靠的導向,對于減少模具工作零件的磨損,避免凸、凹模啃傷影響極大,尤其是無間隙和小間隙沖裁模、複合模和多工位級進模則更為有效。為提高模具壽命,設計時必須根據工序性質和零件精度等要求,正确選擇導向形式和确定導向機構的精度。
(2)模具(凸、凹模)刃口幾何參數。凸、凹模的形狀、配合間隙和圓角半徑不僅對沖壓件成形有較大的影響,而且對于模具的磨損及壽命也影響很大。如模具的配合間隙直接影響沖裁件質量和模具壽命。精度要求較高的,設計中就宜選較小的間隙值;反之則可适當加大間隙,以提高模具壽命。