U形断面弧形件精密级进模排样及模具设计_路少磊
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第 39 卷 第 9 期 Vol. 39 No. 9
FOＲGING ＆ STAMPING TECHNOLOGY
2014 年 9 月 Sep. 2014
U 形断面弧形件精密级进模排样及模具设计
路少磊1 ，毕大森1，2，3 ，于建忠4
（ 1． 天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384； 2． 天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384； 3． 天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384； 4． 天津际华三五二二装具饰品有限公司，天津 300161）
助落料结构的特点。成功开发出 U 形断面弧形冲压件的多工位级进模，使模具定位精度达到 0. 02 mm，保证了冲压工艺中的
U 形断面冲压件的双边精度和整体弧半径精度，生产效率提高了 2 倍以上。
关键词： U 形断面弧形件； 冲压； 多工位级进模； 排样设计
DOI： 10. 13330 / j. issn. 1000-3940. 2014. 09. 020
摘要： 针对 U 形断面冲压件在单工序模具生产过程中出现的高成本、低精度和低生产效率等问题，提出了使用多工位级进模
代替单工序模的成形方案。分析了 U 形断面弧形冲压件的冲压工艺性并对产品排样方案进行了设计； 通过改进载体连料方式，
解决压弧成形时因材料流动引起的料带起皱，保证级进模进料过程顺畅； 介绍了级进模结构特征及关键折弯结构、吹料销辅
图 3 折 U 形弯工艺方案 （ a） 90°折弯 （ b） 120°折弯 （ c） 150°折弯 （ d） U 形弯
Fig. 3 Programs of U － bending process （ a） 90° bending （ b） 120° bending （ c） 150° bending
Lu Shaolei1 ，Bi Dasen1，2，3 ，Yu Jianzhong4
（ 1． School of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China； 2． Tianjin Enterprise Key Laboratory of Cooper Wires for Electrical Purposes，Tianjin 300384，China； 3． Tianjin Engineering Ｒesearch Center of Manufacturing Technology for Precise Die ＆ Mold，Tianjin 300384，China； 4． Jihua 3522 Appliances ＆ Decorations Co． ，Ltd． ，Tianjin 300161，China）
具结构的可能性，排样设计如下［2 － 5］。 （ 1） 采用导正销精确定位。第 1 工位，也就是
预冲导正孔之前，先对料带两边分别进行 1. 5 mm 的切边处理，在对应切边位置的模具上分别设置一 个挡料柱，作为送料的一个节点，避免错误送料时 造成导正销等模具零部件损坏； 第 2 工位冲裁导正 销孔； 第 3 工位使用导正销对料带进行导正，保证 正确的送料步距。
（ d） U － shaped bending
（ 3） 在设计级进模排样方案时，连接载体的设 计是保证弧形弯曲精度的重要环节。在压制弧形过 程中，由于产品弧度的变化，造成载体起皱变形， 使料带在级进模中的走料出现卡位，不利于级进模 冲制产品的顺畅性； 同时由于载体扭曲，造成料带 上导正孔位置发生变化，料带的定位精度失准，不 仅影响冲压件精度，严重时更会造精密级进模排样及模具设计
109
为保证冲压件的冲制精度及级进模的进料顺畅， 以 U 形断面的直边作为连接裁体，在 2 个导正销孔 的中间位置，冲制 1 个近似长方形孔，并保留 约 1 mm 左右的弧形连接带，如图 4 所示。在进行压弧 成形时，弧度的长度随拉料的长度变化而变化，确 保载体的变形长度充分满足拉料所需要的拉动距离， 从而保证了定位孔在载体上的位置精度，使冲压件 具有较高的精度。料带载体的实际压弧形后的状态 如图 5 所示。
再次折弯至 150° 将上一工步的弯压平成 U 形 完成 U 形弯的成形。
图 1 零件形状尺寸图 Fig. 1 Drawing of part shape
图 2 实际产品 Fig. 2 Picture of product
2 排样方案设计
排样设计是多工位精密级进模设计的技术难点 之一，能够直观的反映出在整个冲压过程中料带的 定位方式、步距精度、材料利用率以及模具结构尺 寸的合理性。设计排样方案时必须综合考虑冲压产 品精度、冲压方向、变形次数、变形工艺类型及模
（ 2） 对 U 形结构冲压件折弯成形时，考虑板料 最小折弯半径和弯曲力，而最小折弯半径与材料变 薄系数、材料延展率、板料厚度等有关，弯曲力则 与材料厚度、极限抗拉强度、U 形弯内弯曲半径有 关［6］。弯曲力与材料的抗拉强度极限值成正比，最 小折弯半径与料厚成正比。由于该冲压件为高温合 金，材料极限抗拉强度很大，板料厚度较小，因此 需要的弯曲力很大，折弯半径很小，极容易造成冲 压件在折弯时发生开裂。因此，通过一次折弯难以 实现 U 形弯的成形。另外，由于该 U 形件尺寸较 小，所设计出模具尺寸也不会很大，留给一次成形 U 形弯的弯曲结构设计空间不足，也使得该 U 形冲 压件底面出现裂纹，设计的折 U 形弯工艺序方案如 图 3 所示。将板料折弯 90° 追加折弯 30°达到 120°
图 5 压弧成形后载体状态 Fig. 5 Carrier status after forming arc
具进料过程更加顺利，保证模具实现连续冲制，最 终确定的工艺方案如图 6 所示。该工艺方案共计 20 道工序，依次为： （ 1） 冲裁； （ 2） 冲裁； （ 3） 冲 裁； （ 4） 冲裁； （ 5） 空步； （ 6） 折 90°弯； （ 7） 空 步； （ 8） 折 120°弯； （ 9） 空步； （ 10） 折 150°弯； （ 11） 空步； （ 12） 折 U 形弯； （ 13） 冲裁； （ 14） 空步； （ 15） 冲裁； （ 16 ） 压弧形； （ 17 ） 空步； （ 18） 整形； （ 19） 空步； （ 20） 切断。其中设计的 排样方案中步距为 18 mm，考虑到材料的利用率， 最终确定的料带宽度为 137 mm。
中图分类号： TG386. 41
文献标识码： A
文章编号： 1000-3940 （ 2014） 09-0107-05
Layout and design of precision progressive die for U-shaped cross-section arcuated stampings
收稿日期： 2013 － 11 － 25； 修订日期： 2013 － 12 － 26 基金项目： 天津市科技支撑计划重点项目 （ 13ZCZDGX01300） 作者简介： 路少磊 （ 1987 － ） ，男，硕士研究生 E-mail： lushaolei0219@ 163. com
折 U 形弯、压弧形、校正。由此带来了以下几个问 题： 每一道生产工序都需要 1 套模具，4 道工序需 要 4 套模具，同时占用 4 台冲压设备，此外至少需 要 4 名操作人员参与生产，制造成本较高； 每完成 一道工序都需要进行人工定位装夹产品，辅助生产 时间较长，劳动强度大，造成生产效率很低； 由于 人工装夹的定位误差大，导致冲压产品精度不稳定、 一致性差、废品率高。人为因素越多，废品率越高， 使得单工序模具生产的 U 形断面弧形冲压产品远不 能达到客户的需求。本文结合生产实际，改用多工 位精密级进模加工制造，能够提高产品精度［1］，减 少设备和人力资源的投入，降低生产成本，提高生
Abstract： For the problems appearing in single-step die production of U-shaped cross-section arcuated stampings，like high cost，low precision and low production efficiency，a solution using multi-position progressive die instead of single-step die was proposed． Manufacturability of U-shaped cross-section arcuated stampings was analyzed in details and their layout program was designed accordingly． When the part was formed in arc-shape，strip wrinkling caused by material flow was solved through improving the connection type between carrier and strip to ensure feeding processes smoothly on progressive die． The characteristics of progressive die structure，vital bending part and auxiliary blanking structure of air nozzle were introduced． Multi-position progressive die of U-shaped cross-section arc stampings was successfully developed，which reached an accuracy of 0. 02 mm for positioning． The precision of stamping parts on both sides and overall arc radius were realized． The production efficiency has been increased two times higher than that of before． Key words： U-shaped cross-section arcuated stampings； stamping； multi-position progressive die； layout design
FOＲGING ＆ STAMPING TECHNOLOGY
2014 年 9 月 Sep. 2014
U 形断面弧形件精密级进模排样及模具设计
路少磊1 ，毕大森1，2，3 ，于建忠4
（ 1． 天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384； 2． 天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384； 3． 天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384； 4． 天津际华三五二二装具饰品有限公司，天津 300161）
助落料结构的特点。成功开发出 U 形断面弧形冲压件的多工位级进模，使模具定位精度达到 0. 02 mm，保证了冲压工艺中的
U 形断面冲压件的双边精度和整体弧半径精度，生产效率提高了 2 倍以上。
关键词： U 形断面弧形件； 冲压； 多工位级进模； 排样设计
DOI： 10. 13330 / j. issn. 1000-3940. 2014. 09. 020
摘要： 针对 U 形断面冲压件在单工序模具生产过程中出现的高成本、低精度和低生产效率等问题，提出了使用多工位级进模
代替单工序模的成形方案。分析了 U 形断面弧形冲压件的冲压工艺性并对产品排样方案进行了设计； 通过改进载体连料方式，
解决压弧成形时因材料流动引起的料带起皱，保证级进模进料过程顺畅； 介绍了级进模结构特征及关键折弯结构、吹料销辅
图 3 折 U 形弯工艺方案 （ a） 90°折弯 （ b） 120°折弯 （ c） 150°折弯 （ d） U 形弯
Fig. 3 Programs of U － bending process （ a） 90° bending （ b） 120° bending （ c） 150° bending
Lu Shaolei1 ，Bi Dasen1，2，3 ，Yu Jianzhong4
（ 1． School of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China； 2． Tianjin Enterprise Key Laboratory of Cooper Wires for Electrical Purposes，Tianjin 300384，China； 3． Tianjin Engineering Ｒesearch Center of Manufacturing Technology for Precise Die ＆ Mold，Tianjin 300384，China； 4． Jihua 3522 Appliances ＆ Decorations Co． ，Ltd． ，Tianjin 300161，China）
具结构的可能性，排样设计如下［2 － 5］。 （ 1） 采用导正销精确定位。第 1 工位，也就是
预冲导正孔之前，先对料带两边分别进行 1. 5 mm 的切边处理，在对应切边位置的模具上分别设置一 个挡料柱，作为送料的一个节点，避免错误送料时 造成导正销等模具零部件损坏； 第 2 工位冲裁导正 销孔； 第 3 工位使用导正销对料带进行导正，保证 正确的送料步距。
（ d） U － shaped bending
（ 3） 在设计级进模排样方案时，连接载体的设 计是保证弧形弯曲精度的重要环节。在压制弧形过 程中，由于产品弧度的变化，造成载体起皱变形， 使料带在级进模中的走料出现卡位，不利于级进模 冲制产品的顺畅性； 同时由于载体扭曲，造成料带 上导正孔位置发生变化，料带的定位精度失准，不 仅影响冲压件精度，严重时更会造精密级进模排样及模具设计
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为保证冲压件的冲制精度及级进模的进料顺畅， 以 U 形断面的直边作为连接裁体，在 2 个导正销孔 的中间位置，冲制 1 个近似长方形孔，并保留 约 1 mm 左右的弧形连接带，如图 4 所示。在进行压弧 成形时，弧度的长度随拉料的长度变化而变化，确 保载体的变形长度充分满足拉料所需要的拉动距离， 从而保证了定位孔在载体上的位置精度，使冲压件 具有较高的精度。料带载体的实际压弧形后的状态 如图 5 所示。
再次折弯至 150° 将上一工步的弯压平成 U 形 完成 U 形弯的成形。
图 1 零件形状尺寸图 Fig. 1 Drawing of part shape
图 2 实际产品 Fig. 2 Picture of product
2 排样方案设计
排样设计是多工位精密级进模设计的技术难点 之一，能够直观的反映出在整个冲压过程中料带的 定位方式、步距精度、材料利用率以及模具结构尺 寸的合理性。设计排样方案时必须综合考虑冲压产 品精度、冲压方向、变形次数、变形工艺类型及模
（ 2） 对 U 形结构冲压件折弯成形时，考虑板料 最小折弯半径和弯曲力，而最小折弯半径与材料变 薄系数、材料延展率、板料厚度等有关，弯曲力则 与材料厚度、极限抗拉强度、U 形弯内弯曲半径有 关［6］。弯曲力与材料的抗拉强度极限值成正比，最 小折弯半径与料厚成正比。由于该冲压件为高温合 金，材料极限抗拉强度很大，板料厚度较小，因此 需要的弯曲力很大，折弯半径很小，极容易造成冲 压件在折弯时发生开裂。因此，通过一次折弯难以 实现 U 形弯的成形。另外，由于该 U 形件尺寸较 小，所设计出模具尺寸也不会很大，留给一次成形 U 形弯的弯曲结构设计空间不足，也使得该 U 形冲 压件底面出现裂纹，设计的折 U 形弯工艺序方案如 图 3 所示。将板料折弯 90° 追加折弯 30°达到 120°
图 5 压弧成形后载体状态 Fig. 5 Carrier status after forming arc
具进料过程更加顺利，保证模具实现连续冲制，最 终确定的工艺方案如图 6 所示。该工艺方案共计 20 道工序，依次为： （ 1） 冲裁； （ 2） 冲裁； （ 3） 冲 裁； （ 4） 冲裁； （ 5） 空步； （ 6） 折 90°弯； （ 7） 空 步； （ 8） 折 120°弯； （ 9） 空步； （ 10） 折 150°弯； （ 11） 空步； （ 12） 折 U 形弯； （ 13） 冲裁； （ 14） 空步； （ 15） 冲裁； （ 16 ） 压弧形； （ 17 ） 空步； （ 18） 整形； （ 19） 空步； （ 20） 切断。其中设计的 排样方案中步距为 18 mm，考虑到材料的利用率， 最终确定的料带宽度为 137 mm。
中图分类号： TG386. 41
文献标识码： A
文章编号： 1000-3940 （ 2014） 09-0107-05
Layout and design of precision progressive die for U-shaped cross-section arcuated stampings
收稿日期： 2013 － 11 － 25； 修订日期： 2013 － 12 － 26 基金项目： 天津市科技支撑计划重点项目 （ 13ZCZDGX01300） 作者简介： 路少磊 （ 1987 － ） ，男，硕士研究生 E-mail： lushaolei0219@ 163. com
折 U 形弯、压弧形、校正。由此带来了以下几个问 题： 每一道生产工序都需要 1 套模具，4 道工序需 要 4 套模具，同时占用 4 台冲压设备，此外至少需 要 4 名操作人员参与生产，制造成本较高； 每完成 一道工序都需要进行人工定位装夹产品，辅助生产 时间较长，劳动强度大，造成生产效率很低； 由于 人工装夹的定位误差大，导致冲压产品精度不稳定、 一致性差、废品率高。人为因素越多，废品率越高， 使得单工序模具生产的 U 形断面弧形冲压产品远不 能达到客户的需求。本文结合生产实际，改用多工 位精密级进模加工制造，能够提高产品精度［1］，减 少设备和人力资源的投入，降低生产成本，提高生
Abstract： For the problems appearing in single-step die production of U-shaped cross-section arcuated stampings，like high cost，low precision and low production efficiency，a solution using multi-position progressive die instead of single-step die was proposed． Manufacturability of U-shaped cross-section arcuated stampings was analyzed in details and their layout program was designed accordingly． When the part was formed in arc-shape，strip wrinkling caused by material flow was solved through improving the connection type between carrier and strip to ensure feeding processes smoothly on progressive die． The characteristics of progressive die structure，vital bending part and auxiliary blanking structure of air nozzle were introduced． Multi-position progressive die of U-shaped cross-section arc stampings was successfully developed，which reached an accuracy of 0. 02 mm for positioning． The precision of stamping parts on both sides and overall arc radius were realized． The production efficiency has been increased two times higher than that of before． Key words： U-shaped cross-section arcuated stampings； stamping； multi-position progressive die； layout design
