模具设计的小技巧

2016年模具设计的小技巧

　　模具，是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。大到飞机、汽车，小到茶杯、钉子，几乎所有的工业产品都必须依靠模具成型。用模具生产制件所具备的高精度、高一致性、高生产率是任何其它加工方法所不能比拟的。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品开发能力。所以模具又有“工业之母”的荣誉称号。

　　模具设计指从事企业模具的数字化设计，包括型腔模与冷冲模，在传统模具设计的基础上，应用数字化设计工具，提高模具设计质量，缩短模具设计周期等方面的工作人员。简单地说就是在一个产品生产出来之前先做出一个模型，而模具设计师就是设计这个模型的人。模具设计人员可在模具数控编程加工、模具三维设计、产品开发三维设计等领域就业。模具设计是很复杂的工作，最基本的要求是每套模具之间必须恰到好处地配合。比如一个随身听需要近百套模具制作出来，每一个配件之间的接口都要严丝合缝。

　　一、防反(防呆)设计

　　模具配件的防反(防呆)是模具设计的一个重要方面,它要使模具配件在装配及试模更换时不易装错,并且可以很容易区分模具配件的不同,我们常用的防反(防呆)的方法有以下几种:

　　1. 圆冲针防反(防呆)

　　①选择目视就很容易区分冲针直径大小的半成品冲头加工冲针,一般半成品冲头直径要相差1mm以上(最小要有0.5mm);

　　②将冲针外形做成异形,将冲针单边或两侧磨去一部分.常用结构有以下两种(且尽量采用D型).

　　图中H=ΦC/2+0.2mm

　　2. 轧公防反(防呆)

　　①在相似的轧公中的非折形一侧倒一个或两个斜角以防反区分,斜角的大小根据轧公的大小决定,倒角≥C2(最小不可小于C2);

　　②将轧公的外形做成不规则形状以防反与区分;

　　③将轧公做成大小不同,以供区分的尺寸根据轧公的大小确定,但最小不能小于2mm。

　　3. 镶件防反(防呆)

　　镶件防反(防呆)有以下方法:

　　①镶件外形差异化(注意:加工容易,剪口镶件外形务必倒R2圆角);

　　②倒角方式,倒角C大小根据实际情况确定,但最小不小于C2(剪口镶件最小不小于C3).

　　4. 剪公防反(防呆)

　　除相同的圆冲针与冲散热窗的很多细小冲头,在设计时不做防反(防呆设计,其余的在设计时务必进行防反防呆处理.剪公的防反(防呆)可以采用以下方法:

　　① 飞边时通过尺寸的控制,避免设计出结构尺寸完全相同的剪公;

　　② 对无法通过尺寸进行区分的可以通过冲公上部的倒角,将剪公进行差异设计.

　　备注:

　　①图一中以示区分的尺寸应根据冲头的大小灵活确定,但最少不能小于2mm(见图中A,B尺寸);

　　②图二中倒角的大小为C2,倒角长度为公夹板厚度+1mm.

　　5. 模具防呆(防反)

　　为防止模具装配,对模时模板的左右装反,造成意外损失,因此,我们要在每一套模具进行防反设计.模具防反中最常用也是最为有效的方法是通过内导柱的位置不对称,或大小不同进行左右前后防反.常用有以下方法:

　　① 模具中选用大小规格相同的内导柱,但其中一组往模具内侧单向移动5mm以上;

　　② 在模具中选用一个大小不同长度相同的内导柱进行防反,其中两种大小的内导柱要相差两个规格,但对小模具中可以用3个Φ12的带一个Φ10的进行防(因生产过程中发现小导柱会过快磨损,因此一般不宜采用　　③ 在某些单工序模中,由于没有设置内导柱,为避免模具的装反,我们常采用外导柱的不对称布置进行模具的防反设计,两外导柱位置相差10mm以上.

　　二、防跳料(跳废料)设计

　　废料回跳就是在冲裁加工时,应底出的废料没有底出,而是由于某些原因随着冲头的上升而跳出模面,最后落在模面上的现象.废料回跳很可能造成产品压印等不良问题,以及模具损坏.在高速冲压中废料回跳是模具的最大杀手。

　　1. 废料回跳产生的原因 废料回跳主要有以下原因造成的：

　　①对于圆孔等规则形状,由于冲裁过程的材料变化的规律导致冲裁时冲头与废料间形成了一定的真空,当冲头上升时废料在真空的作用下,跳出凹模面;

　　②由于生产中冲压油的粘性(例:N305),容易使废料粘在冲头上(特别是t<0.5mm的薄料),冲头上升时废料在粘力的作用下脱离凹模;

　　③凹模过于光滑,不能给废料提供足够的摩擦力,废料在真空及冲压油的粘力作用下,脱离凹模;

　　④冲头在加工中产生的磁力没有消除,或冲头在长期的工作中产生了磁力(例:冲制铜类及铝类产品时),废料在冲头的磁力作用下脱离凹模,产生废料回跳;

　　⑤模具选用的冲裁间隙过大或过小及刃口过利,废料与凹模间的摩擦力过小,造成废料回跳。

　　2. 废料回跳的理论解决办法：

　　从理论上分析,要使废料不回跳只需要使:冲头上油液的吸附力+废料底部空气的压力+冲头的磁力<废料与凹模间的摩擦力+废料的重力.由以上分析可知,

　　我们可以从以下方面来防止废料回跳:

　　①从冲头结构方面:使用斜刃冲头,顶料冲头,带气孔冲头等;

　　②从凹模结构方面:使用0.3˚～0.5˚全锥凹模,增加凹模的粗糙度(用砂纸螺旋向下打磨凹模漏料),凹模刃口倒角等;

　　③其它方式:将废料外形设计成不规则形状,下吹气式真空吸料,减小冲裁间隙,增加冲头切入量,专用吸尘器吸料等。

　　3. 防废料回跳设计

　　①将凹模设计成0.3˚～0.5˚全锥,一般为0.3˚,设计时只需在下模镶件的加工要求中加注"线割0.3˚全锥"或加注"线割0.5˚全锥";

　　②加大冲头过切量.

　　③在产品最终剪断时将废料设计成带凸耳形状;常用凸耳的结构有两种：燕尾形与圆弧形

　　a.燕尾形中(见图一):角度N在30˚～70˚之间,RB≥0.15mm,RC≥0.3mm,A≥0.8mm (一般选用1mm,1.5mm,2mm);

　　b.圆弧形中(见图二):ΦE≥Φ1(一般选用Φ1,Φ1.5,Φ2,Φ3),RF≥0.2mm,L=(0.7～0.9)t,t为料厚;

　　c.进行凸耳设计时,要注意废料的强度, D≥1mm. (见图三) 常用结构及设计参数见下图:

　　④增加凹模的粗糙度.

　　⑤将冲头设成带气孔的冲头,通过向下吹气的方式,避免废料回跳.设计结构及尺寸要求见下图

　　备注:

　　a.为方便加工ΦA≥Φ1,常选用Φ1.5,Φ2,Φ3;

　　b.图中B为M8或M12的喉牙,喉牙攻在公夹垫板的侧面,牙深30mm左右,最小牙深不小于20mm;

　　c.图中C为风槽,风槽在公夹垫板反面加工,风槽宽为2mm或3mm(优先选用3mm),风槽深一般为2mm.

　　⑥下模真空吸料结构,设计结构及尺寸要求见下图一

　　设计时备注:

　　a.图中B为M8的喉牙,喉牙攻在下模板的侧面,牙深30mm左右,最小牙深不小于20mm;

　　b.图中C为风槽,风槽在下模垫板1反面加工,风槽宽为2mm或3mm(优先选用3mm),风槽深一般为2mm.

　　⑦对比较大的冲头,我们可以在冲头中加设防跳顶杆,加工成子母冲,设计结构及尺寸要求见上图二

　　设计时注意:

　　a.子母冲弹簧垫片的厚度应根据需要而定,为方便安装垫片的厚度≥4mm;

　　b.顶杆与安装孔间的双边间隙为0.1mm;

　　c.冲头的壁厚F1≥2mm,如果应冲头的壁厚太小则不能采用子母冲,应采用其它防跳屑的方法;

　　d.冲头的壁厚F2≥2.5mm,最小不可小于2mm. 8)其它防废料回跳的方法,如斜刃冲头防跳屑法,凹模倒角法,专用吸尘器吸废料法等等.

　　三、细长公加壮设计

　　在精密五金产品中经常会遇到一些细长的窄槽与孔,如果直接按照窄槽的尺寸进行冲头设计,那么这种冲头在生产中很容易被折断崩裂.因此设计时我们需要对这类结构进行加壮设计. 在加壮设计时有以下基本要求:

　　①为便于加工我们一般只做单边加壮,而不进行双边加壮;

　　②由于手摇磨床加工时存在误差,为了不影响产品的尺寸,冲公的加壮应在产品废料的一边,如果为窄槽或细长孔的冲公加壮则加壮方向在尺寸较少,公差要求较宽的一侧;

　　③冲公的加壮一般1～2mm,加壮后冲公的厚度要在2mm以上;

　　④由于线割与磨床加工存在的局限性(线割时有线割加工圆角存在,磨床加工后留有利角),因此加壮区离冲公的两侧分别要有一定的加工间隙(最小要有0.5宽).

　　四、无披锋两步冲裁设计

　　精密五金产品的批锋要求特别严格,一般要求产品的批锋高度在0.03mm以下,有的甚至要求产品的外围不能有批锋.根据冲裁原理我们开发了反正切两步冲裁的方法,做到了产品的两面无批锋.详细操作过程为:先将片料反切0.5～0.7t(t为产品料厚);然后正面切断.

　　备注:

　　此技术可应用于料厚在0.8mm以上各类材料产品的设计中。

　　五、压槽去披锋设计

　　对要求产品外围无批锋的产品在连续模中,常用压凹槽与拍批锋工步相结合的方式进行处理.一般在最终剪断处压高C=0.3～0.4t的顶角为60˚的凹槽,完成飞边后对最终剪断处以外的区域进行全周拍批锋处

　　理,最后落料剪断时从凹槽的中间剪断。

　　此方法可以应用于各种料厚的产品设计.且设计结构较简单,但最终剪断处仍然残留少量批锋和不能拍除驳刀口处的批锋是此拍批锋方法的缺陷.

　　六、小孔冲裁设计

　　进行小孔(一般圆孔尺寸≦Φ2mm,异形孔最小尺寸≦2mm)冲裁时,由于孔小,冲头尺寸也小,冲头的强度低,在冲裁时经常因为受压失稳而造成冲头弯曲,折断.为提高生产效率,降低产品的生产成本,在进行小孔冲裁,我们在模具结构及加工上可以采取以下措施,来避免小孔冲裁中的断针问题.

　　1.在半成品冲头的选择上,小孔冲针的半成品冲头应≥Φ3mm(可以选用Φ3mm),而且冲针的材质均为SKH-51或HAP40;

　　2.在小孔冲裁冲头的固定上,小孔冲裁的结构全部采用冲头快换式设计,并在打料板上进行冲头大小身同时管位的方式,有以下设计要求:

　　①图中装配间隙A：单+0.015mm;

　　②图中装配间隙B,C：单+0.01mm;

　　③图中小身管位高H=6～8mm;

　　④图中冲针半成品冲头直径D≥Φ3mm;

　　⑤图中冲针长H0=公夹板厚+中间板厚+打料板厚+t+0.5mm;

　　⑥图中冲针的直身位长H1=10～12mm(冲针到下死点时冲头圆弧过渡部分离小身管位0.5mm).

　　详细结构如下

　　3.对冲头进行表面处理

　　①对冲头进行表面镀钛处理 PVD镀钛涂层的类别及镀层特点

　　备注:2000HV约80HRC.

　　根据我们的公司的模具使用要求,由上表可知,我们的冲头进行镀TiCN(氮化碳钛)涂层,效果比较好.

　　②对冲头进行抛光处理由于我们的冲头加工后表面有很多细小的砂轮纹.这些砂轮纹在结构上为锯齿形,冲头在工作时尖锐处应力集中,局部应力过大,冲头表面很容易产生微裂纹,在循环应力的作用下,微裂纹加速扩展,最终导致冲头疲劳断裂,使用寿命远低于冲头的理论寿命.为解决这一问题我们可以用超细磨粒(如金刚石研磨膏),对冲头部分进行研磨,消除冲头在机加工中留下的砂轮纹,避免冲裁时的应力集中.在机加工冲头时,应留有0.005～0.01mm的加工余量(双边余量),供后续的研磨加工.

　　七、冲头快换设计

　　为提高生产效率,节约模具调试及日常维护,维修的时间对易损冲头进行快换设计,对企业的综合效益有十分重要的意义. 冲头快换方常有以下两种:

　　1.对有足够位置的冲公及折形公,常直接在冲头上加工螺丝孔,用螺丝固

　　2.定冲头(螺丝一般选用Φ5/32"的);(见下图)

　　备注:

　　①图中A尺寸一般在3mm左右(最小不能小于2.5mm);

　　②图中B尺寸≥3mm;

　　③设计时务必注意冲头的防反

　　2.对于较小的冲公及折形公，对冲头进行快换式设计,具体结构与设计要求见下图:

　　备注:

　　①图中尺寸A≈2mm,当位置不足时最小不能小于1mm;

　　②图中尺寸B≥ 0.5mm;

　　③图中C≈3mm,最小不能小于2.5mm.

　　④连续模中所有冲公均做成快换式结构.

　　3.对于过大冲头，无法采用以上结构时，可以设计为扣顶方式

　　八、微调折形设计

　　当产品材料为不锈钢等回弹系数大,产品材料厚度较薄(一般t≦0.2mm)而且产品折形边又较长,角度公差又较小的产品时,由于折形后,材料的回弹给模具的调试带来很大的困难,为便于模具的调试,我们可以在产品轧完形后,增加一步折形微调结构,以保证产品的质量.以下为我们可用的折形微调结构

　　九、回弹补偿设计

　　在设计弹片类产品时,由于产品的材料硬度较大,而且折形角度不规则,内弯曲半径较大,造成产品的折形回弹较大,按通常的设计,很难做到产品尺寸.为方便模具的调试,在进行模具设计时我们可以应用产品折形的回弹特性,使产品的折形角度尽量接近产品图纸要求. 回弹补偿设计的基本原则:

　　补偿后产品的展开尺寸=未补偿产品的展开尺寸+中性层展开尺寸.由于弹片类产品的制造材料多为料厚较薄的不锈钢,磷铜,铍铜(料厚一般在0.3mm以下,多为0.1mm),所以,我们通常将产品的中性层选定在材料厚度的1/2处.

　　在实际设计时可以按以下进行回弹补偿设计:

　　①弯曲半径做小20～30%,ΔR=(20～30%)Ro, R'=Ro-ΔR(大多数做小产品中性层弯曲半径);

　　②折形角度做大20～30%,Δα=(20～30%)αo, α'=αo+Δα; 产品折形处直接展开尺寸Lo=αo/360˚X2πX RooπRo/180˚; 回弹补偿后展开尺寸L'=α'/360˚X2X R'=α'πR'/180˚; Lo=L';αoRo=α' R'.--------------○1 根据○1式,先确定回弹补偿方案在求出另一个变量.在根据结果做图.设计时参考下例:

　　十、U轧顶料设计

　　在U轧模卸料常采用刮料板刮料的方式,但在产品结构有干涉或折形高度太高时(轧公可以采用王牌+A88的拼接结构时,我们就需要采用顶针推顶的方式来卸料了.但顶料设计的不好,很难将产品顶出,而且就是顶出后产品也变形.我们公司在"U"轧顶料方面有较好的方法.在顶料推顶设计中的关键是:顶料的位置及顶料弹簧的弹力.其中顶料的位置最为关键.

　　备注:

　　①推料顶针的大小A为Φ6及Φ4的顶针,一般均选用Φ6顶针;

　　②顶针与轧公间的双边间隙为+0.04mm;

　　③顶针与轧公边沿的距离B为1.5mm或2mm;

　　④推料顶针的弹簧一般选用Φ8的TF弹簧;

　　⑤顶针卸料时一般将产品推出2～5mm,常用3mm;

　　⑥顶针的头部需倒C0.5的45˚斜角,当材料为铝类,铜类等软料时,顶针头部需要倒R0.5的圆角。

　　十一、漏料设计

　　备注:

　　①设计时为便于生产中模具的维修与维护,我们一般将凹模设计成镶件形式,下模镶件的装配间隙为0.01mm;

　　②为了便于漏料,预防跳屑我们一般将凹模设计成锥形,锥角为0.3˚～0.5˚(全锥),且设计时常选用0.3˚全锥.下模垫板1的漏料间隙A为1mm(单边间隙),下模垫板2的漏料间隙B为0.5mm(单边间隙),下模座的漏料间隙为1mm(单边间隙);

　　③下模垫脚要求避开漏料孔,漏料孔在垫脚上时优先将垫脚分段设计,当无法分开时:1)漏料孔在垫脚中间时,漏料间隙F为1mm(单边间隙),并且在试模及生产时应注意避开垫脚上的漏料;2)漏料孔靠近垫脚边沿时,设计为先锣深为10～20mm的直身H,再锣30˚斜身,图中为1mm;

　　④所有漏料孔加工中,均不可倒角,以防下模堵料;

　　⑤为避免塞料,孔径≦Φ2.0mm的以及异形孔最大长度≦Φ2.0mm的,在设计漏料时,下模垫板1中的漏料孔做到Φ5.0mm(需注明不可倒角),下模垫板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、模具防压印设计

　　产品压印在生产中经常出现,主要是由于模面不干净,但也有一些是模具存在一定的设计缺陷造成的.在模具设计中的防压印的方法我们有以下几种:

　　1.连续模中,当模具较(一般模具长度<1.5m,模具宽<0.5m),常在模具打料板中磨片槽(不分材料类别,及料厚,都必须磨片槽),片槽比料宽单边大2～mm,片槽深度为0.8～0.9t(t为料厚);当产品较单薄时还必须在产品最终切断处设计多个防压块;

　　①图中尺寸A=2～3mm;

　　②图中尺寸H=0.8～0.9t(t为材料厚度);

　　③图中尺寸H1为:打料板厚+产品材料厚度(t)+(0.04～0.05)mm,当材料厚度为0.3以下时尺寸H1为:打料板厚+材料厚度(t)+0.02mm;

　　④为了进行模具标准化建设,打料板限高块的长宽尺寸均为12.5mm,限高块杯头孔大小为Φ5/32",并设计在限高块的平面中心位置,限高块的装配间隙为0.01mm.

　　⑤限高块安装位置的确定时应注意限高块不能压到产品与片料,当片料空隙太小时,可以对限高块的底部进行加工,而一般不要改变限高块长宽的标准寸.

　　⑥当一套模具需要多个打料限高块时,所有限高块的高度差不超过0.01mm.

　　2.当铜类及铝类产品用复合模及但工序模加工时,复合模及单工序模也要求加工片槽,片槽宽度比料宽大2～3mm,片槽深为0.8～0.9t(t为料厚);也可以选用下模限高柱的形式,各结构设计要求同上.

　　3.材料为铜类,铝类产品,设计时螺丝孔尽量做盲孔,避免做通孔,以防料面有螺丝印.所用材料产品,设计时下模配件,打料配件的螺丝孔尽量设计在片料外或片料的废料区. 注意:模具片槽由磨床加工,设计时不用出图设计,片槽的宽度与深度由磨床加工时按设计要求确定.

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