模具設計連續沖模設計技術

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模具設計連續沖模設計技術簡介
 一. 前言:  衝壓模具依構造可分為單工程模、複合模、連續模三大類。前兩類需較多人力不符經濟效益,連續模可大量生產效率高。同樣,設計一套高速精密連續沖模,也要對你所生產的產品(包含所有用衝壓加工出來的產品,富士康集團主要有端子、電腦機殼以…
模具設計連續沖模設計技術正文

 一. 前言:
  衝壓模具依構造可分為單工程模、複合模、連續模三大類。前兩類需較多人力不符經濟效益,連續模可大量生產效率高。同樣,設計一套高速精密連續沖模,也要對你所生產的產品(包含所有用衝壓加工出來的產品,富士康集團主要有端子、電腦機殼以及連接器上用的小五金及目前的手機零件等等)。設計連續沖模需注意各模組之間的間距、零件加工精度、組立精度、配合精度與干涉問題,以達到連續模自動化大量生產的目的。
  二. 單元化設計之概念:
  衝壓模具整體構造可分成二大部分:(1).共通部分(2).依製品而變動的部分。共通部分可加以標準化或規格化,依製品而變動的部分是難以規格化。
  三. 模板之構成及規格:
  1. 模板之構成
  衝壓模具之構成將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,後者構造主要用於引伸成形模具或配合特殊模具。
  從事的主要工作包括:
  (1) 數字化製圖——將三維產品及模具模型轉換為常規加工中用的二維工程圖;
  (2) 模具的數字化設計——根據產品模型與設計意圖,建立相關的模具三維實體模型;
  (3) 模具的數字化分析模擬——根據產品成形工藝條件,進行模具零件的結構分析、熱分析、疲勞分析和模具的運動分析;
  (4) 產品成形過程模擬——注塑成形、衝壓成形;
  (5) 定製適合本公司模具設計標準件及標準設計過程;
  (6) 模具生產管理。
  2. 模具之規格
  (1).模具尺寸與鎖緊螺絲
  模板之尺寸應大於工作區域,並選擇標準模板尺寸。模板鎖緊螺絲之位置配置與模具種類及模板尺寸有關。其中單工程模具最常使用鎖緊螺絲配置於四邊角,最標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於四邊角及中間位置。
  (2).模板之厚度
  模板之厚度選擇與模具之構造、衝壓加工種類、衝壓加工加工力、衝壓加工精度等有絕對關係。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,設計使用的模板厚度種類宜盡量少,配合模具高度及夾緊高度加以標準化以便利採購及庫存管理。
  四. 模板之設計:
  連續模具之主要模板有沖頭固定板、壓料板、母模板等等,其構造設計依衝壓製品之精度、生產數量、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)軛式,(3)鑲入式。
  1. 整塊式
  整塊式模板亦稱為一體構造型,其加工形狀必須是封閉的。整塊式模板主要用於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),採用熱處理之模板必須再施行線切割加工或放電加工及研磨加工。模板尺寸長(連續模具)之場合將採用兩塊或多塊一體型並用之。
  2. 軛式
  軛式模板之中央部加工成凹溝狀以組裝塊狀品。其構造依應用要求,凹溝部可以其他模板構成之。此軛式模板構造之優點有: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。
  軛式模板之設計注意事項如下:
  (1).軛板構部與塊狀部品之嵌合採中間配合或輕配合方式,如采強壓配合將使軛板發生變化。
  (2).軛板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。還有為使軛板溝部與塊狀部品得到密著組合,其溝部角隅作成逃隙加工,如軛板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內部之形狀,基準面必須明確化。為使衝壓加工時不產生變形,亦要注意各個塊狀部品之形狀。
  (4).軛板組入許多件塊狀部品時,由於各塊狀部品之加工累積誤差使得節距產生變動,解決對策是中間塊狀部品設計成可調整方式。
  (5).塊狀部品采並排組合之模具構造,由於沖切加工時塊狀部品將承受側壓使各塊狀部品間產生間隙或造成塊狀部品之傾斜。此現象是衝壓尺寸不良、沖屑阻塞等衝壓不良之重要原因,因此必須有充分的對策。
  (6).軛板內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(如導料板)壓緊固定。
  3. 鑲入式
  模板中加工圓形或方形之凹部,將塊狀部品鑲合嵌入於模板中,此種模板稱為鑲入式構造,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。由於具有容易機械加工、加工精度由工作機械決定、最後調整之工程少等優點,鑲入式模板構造已成為精密衝壓模具之主流,但其缺點是需要高精度的孔穴加工機。
  連續衝壓模具採用此模板構造時,為使模板具有高剛性要求,乃設計空站。鑲入式模板構造之注意事項如下所述:
  (1).嵌入孔穴之加工:模板之嵌入孔穴加工使用立式銑床(或治具銑床)、綜合加工機、治具鏜床、治具磨床、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.其上部以板件壓緊。母模板之嵌入件固定方法亦有採用壓入配合,此時應避免因加工熱膨脹而產生的鬆弛結果,使用圓形模套嵌入件加工不規則孔穴時應設計迴轉防止方法。
  (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於組立時加以調整,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態及正確位置,C嵌入件底面設有壓出用孔穴,D.以螺絲鎖緊時宜採用同一尺寸之螺絲,以利鎖固及鬆開,E.為防止組立方向之失誤,應設計防呆倒角加工。
  連續沖模設計技術(講義二)
  五. 單元化之設計:
  1. 模具對準單元
  模具對準單元亦稱為模具刃件之對合引導裝置。為確實保持上模與下模之對準及縮短其準備時間,依製品精度及生產數量等條件要求,模具對準單元主要有下列五種:
  (1).無導引型:模具安裝於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:此種裝置是最標準的構造,導引裝置裝設於上模座及下模座,不通過各模板,一般稱為模座型。
  (3).外導引與內導引並用型(一):此種裝置是連續模具最常使用之構造,沖頭固定板及壓料板間裝設內導引裝置。沖頭與母模之對合利用固定銷及外導引裝置。內導引裝置之另一作用是防止壓料板傾斜及保護細小沖頭。
  (4).外導引與內導引並用型(二):此種裝置是高精密度高速連續模具之使用構造,內導引裝置貫穿沖頭固定板、壓料板及母模固定板等等。內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於沖床時能得到滑順目的。
  (5).內導引型:此構造不使用外導引裝置,內導引裝置貫穿沖頭固定板、壓料板及母模固定板等等,正確地保持各塊板之位置關係性以保護沖頭。
  2. 導注及導套單元
  模具之導引方式及配件有導注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).內導引型(或稱輔助引)。另行配合精密模具之要求,使用外導引與內導引並用型之需求性高。
  (1).外導引型:一般上使用於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於沖床時之刃件對合,幾乎沒有衝壓加工中之動態精度保持效果。
  (2).內導引型:由於模具加工機之進展,最近急速普及。主要作用除了模具安裝於沖床時之刃件對合外,亦有衝壓加工中之動態精度保持效果。
  (3).外導引與內導引並用型:一副模具同時使用外導引與內導引裝置。
  3. 沖頭與母模單元 (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板導套單元配合。
  (2).母模單元:圓形母模單元亦稱為母模導套單元,其形式有整塊式及分開式,依生產數量、使用壽命及製品或沖屑之處理性,母模單元之組合系列有:(A).使用模板直接加工母模形狀,(B).具有二段斜角之逃隙部,(C).是否要使用背板,(D).不規則母模形狀必須有迴轉防止設計。
  4. 壓料螺栓與彈簧單元
  (1).壓料螺栓單元:壓料板螺栓之種類有:(A).外螺絲型,(B).套筒型,(C).內螺絲型。為保持壓料板於指定位置平行狀態,壓料螺栓之停止方法(肩部接觸部位):(A).模座凹穴承受面,(B).沖頭固定板頂面,(C).沖頭背板頂面。
  (2).壓料彈簧單元:可動式壓料板壓料彈簧單元可大致分為:(A).單獨使用型,(B).與壓料螺栓並用型
  選擇壓料彈簧單元時最好考慮下列要點再決定之:
  (A).確保彈簧之自由長度及必要的壓縮量 (壓縮量大之彈簧宜置於壓料板凹穴)。
  (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係。
  (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衝壓加工時得到正確的送料節距。衝壓模具用導引單元有間接型 (導引銷單獨使用) 及直接型 (導引銷裝設於沖頭內部) 兩種形式。
  (2).導引銷之組裝方式與沖孔沖頭有相同 (裝設於沖頭固定板)。利用彈簧將其受制於沖頭固定板。
  (3).導引銷另外裝設於壓料板之形式,由於要求導引銷突出於壓料板之量達到一定及防止模具上升時之容易帶上被加工材料,壓料板之剛性及導引形式有必要注意之。
  (4).導引銷單元有直接型,其裝設於沖頭內,主要用於外形沖切 (下料加工) 或引伸工程之切邊加工,其位置定位系利用製品之孔及引伸部內徑。
  6. 導料單元
  (1).外形沖切 (下料加工) 或連續衝壓加工時,為使被加工材料之寬度方向受到導引及得到正確的送料節距,乃使用導料單元。
  (2).料條寬度方向之導引裝置,導引方式有:(A).固定板導引銷型,(B).可動導引銷型,(C).板隧道導引型 (單塊板),(D).板導引型 (兩塊構成),(E).升料銷導引型 (有可動式、固定式及兩者並用之。
  (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,主要作用是材料置於模具之最初起始位置定位。
  (4).送料停止裝置,可正確地決定出送料節距,主要用於人手送料之場合,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).掛鉤停止機構,(E).自動停止機構。
  (5).側推式導料機構,衝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產生的蛇行現象。
  (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).導料板 (大件部品用),(D).導料板 (一體形),(E).導料板 (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衝壓加工時將料條升至母模上 (位置高度稱為送料高度,並達到順利送料目的,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確實發生作用。(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:自動衝壓加工時必須防止沖切製品或沖屑之跳於母模表面以避免模具損壞及不良衝壓件之產生。
  (3).頂出單元:頂出單元之主要作用是每次衝壓加工時將製品或廢料自母模內頂出。頂出單元之裝設場所有二:(A).逆配置型模具時裝設於上模部份,(B).順配置型模具時裝設於下模部份。
  8. 固定銷單元
  固定銷單元之形狀及其尺寸依標準規格需要而設計,使用時之注意事項有:(A).固定銷孔宜為貫穿孔,不能的場合,考慮容易使用螺絲卸除之設計方法。(B).固定銷長度適度最好,不可大於必要的長度。(C).固定銷孔宜有必要的逃離部。(D).置於上模部份之場合,應設計防止落下之機構以防止其掉落。(E).採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於固定銷。(F).固定銷之數量以兩隻為原則,盡量選擇相同之尺寸。
  9. 壓料板單元
  壓料板單元之特別重要點是壓料面與母模面有正確的平行度及緩衝壓力要求平衡。
  10. 失誤檢出單元
  以連續模具衝壓加工時,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於模具內部,依其檢出方法有下列兩種裝設形式:(A).上模內裝設檢出銷之形式,當其偏離料條孔穴時,將與料條相接觸而檢知。(B).下模內裝設檢出銷之形式,當料條之一部與檢出銷接觸而檢知。
  最近利用接觸方式之檢出方法將有所改變,使用近接開關之事例有增加趨勢。
  上模內裝設檢出銷是標準的檢出裝置,由於其於下死點附近檢出,檢出開始至沖床停止有時間偏差,要完全達到失誤防止效果是困難的。裝於下模之檢出裝置,當材料送料動作完成後馬上直接進行檢出,此方法已受到重視。
  11. 廢料切斷單元
  連續衝壓加工時料條 (廢料) 將陸續離開模具內,其處理方式有兩種:(A).利用卷料機卷取之,(B).利用模具切斷裝置將其細化。又後者之方式有兩種:(A).利用專用廢料切斷機 (設置於衝壓機械外部),(B).裝設於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確地決定上模之下死點位置,其形式有下列兩種:(A).衝壓加工時亦經常接觸之方式,(B).組裝時才接觸,衝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,最好於上模與下模之間置入隔塊。當精度要求無必要時,其使用標準可採用螺絲調整型。
  連續沖模設計技術(講義三)
  六. 主要模具元件之設計:
  1. 標準部品及規格
  模具用標準規格之選擇方法最好考量下列事項:(A).使用的規格內容不受限制時,最好採用最高層者。(B).原則上採用標準數。(C).模具標準部品無此尺寸時,採用最接近者再進行加工。
  2. 沖頭之設計
  沖頭依其功能可大致分為三大部份:(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).與沖頭固定板接觸部 (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別從 (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。
  (1).切刃部長度:階段型沖頭之切刃部長度之設計宜考慮加工時不會產生側向彎曲、與壓料板運動部份之間隙應適當。壓料板與沖頭切刃部之關係有引導型及無引導型,切刃部直段長度將有所不同。
  (2).切刃部之研磨方向:切刃部之研磨方向有與軸部平行 (上削加工) 及與軸部垂直 (穿越加工) 等兩種方法,為提高沖頭的耐磨耗性及耐燒著性,宜採用前者。切刃部形狀是凸形狀時可採用穿越加工,凹凸形狀時採用上削加工或穿越加工並用方式。
  (3).沖頭之固定法及柄部之形狀:沖頭之柄部大致分為直段型與肩部型兩種,其固定方式之選用因素有製品及模具之精度、沖頭及沖頭固定板之加工機械與加工方法、維護保養之方法等。
  (4).柄部之尺寸及精度:沖頭柄部之尺寸及精度將隨沖頭之固定方式而有不同要求。
  (5).沖頭長度之調整方法:沖切沖頭之長度因再研磨加工而減短,為與其他工程如 (彎曲、引伸等) 之沖頭長度保持平衡及維持沖頭設計長度,有必要調整沖頭之長度。
  (6).配合衝壓加工之沖頭設計:為達到大量生產時衝壓製品之品質安全及無不良品之產生,模具方面有必要考慮下列事項:A.沖頭加工之研磨方向要同一性,表面宜施以拋光處理。B.為防止沖屑之浮上,沖頭內可裝設頂出銷或加工空氣孔。C.為減少沖切力,沖孔沖頭施以斜角加工,還有大沖頭附近的細小沖頭宜較短些以減少受到衝擊。
  (7).配合加工法之沖頭設計:沖頭之形狀設計與加工困難度有絕對的關係,當其過份接近時沖頭固定板之加工變為困難,此時之沖頭宜加以分割處理 (采組合方式)
  3. 沖頭固定板之設計
  沖頭固定板之厚度與模具及荷重之大小有關係性,一般上為沖頭長度之3040%,還有沖頭引導部長度宜高於沖頭直徑之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,其尺寸及突出壓料板之量依材料之厚度而設計,導引銷之先端形狀大致分為兩種:A.炮彈形,B.圓錐形 (推拔形)。
  (1).炮彈形是最普通之形式,市面上亦有標準部品。
  (2).圓錐形有一定的角度,很適合用於小件之高速衝壓,推拔角度之決定因素有衝壓行程、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,但推拔部之長度將變長。推拔部與圓筒部連接處宜滑順之。
  5. 母模之設計
  (1).沖切母模之設計
  沖切母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.母模之剪角,C.母模之分割。
  (A).模具壽命及逃角之形狀:此設計是非常重要的事項,如設計不正確將會造成沖頭之破損、沖屑之堵塞或浮上、毛邊之發生等衝壓加工不良現象。
  (B).母模之剪角:外形沖切時為減低其沖切力,母模可采剪角設計,剪角大時沖切力之減低亦大,但易造成製品之反曲及變形。
  (C).母模之分割:母模必須施以成形研磨等精加工,由於其是凹形狀,研磨工具不易進入,故必須加以分割。
  (2).彎曲母模之設計
  彎曲加工用母模之設計,為防止回彈及過度彎曲等現象之發生,U形彎曲加工用母模之部形狀為雙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放電加工後應施以拋光處理。
  (3).引伸母模之設計
  引伸母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徵如下:引伸母模R角值大時較易引伸加工,但亦產生引伸產品表面產生皺摺現象,引伸製品側壁厚度大於板厚。引伸厚板件及頂出困難之場合,母模R值要取小,約為板厚之1-2倍,一般上圓筒及方筒引伸母模之大多引伸部作成直段狀,為防止燒著發生、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。特別是引縮加工之場合,此直段部有必要盡量少。
  6. 沖頭之側壓對策
  衝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) 狀態,沖頭承受側向壓力時將使上模與下模產生橫方向之偏移,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衝壓加工。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) 之製品宜采兩排布列方式,(C).沖頭或母模裝設側壓擋塊,切刃之側面設有導引部 (尤其是切斷及分斷加工)。
  7. 壓料板之設計
  壓料板之功能有剝離付著於沖頭之材料及導引細小沖頭之作用,依功能不同其設計內容有很大的不同。壓料板之厚度及選用基準依製品設計有下列兩種:1.可動式壓料板,2.固定式壓料板。
  壓料板與沖頭之間隙值宜小於模具間隙之半 (尤其是精密連續模具更應遵守此原則),當設計壓料板時依製品的不同而有所變動必須注意下列事項:1.壓料板與沖頭之間隙值及沖頭導引部之長度,2.輔助導柱與壓料板之裝設標準及壓料板之逃部設計,3.可動式壓料板於衝壓加工時為防止傾斜發生之對策,4.固定式導料板與壓料板導引銷孔之尺寸關係,5.固定式壓料板之材料導引部與被加工材料寬度之關係。
  8. 背壓板之設計
  衝壓加工時主要作用件 (沖頭、壓料板、母模) 之後方將承受面壓,當衝壓力高於面壓力時宜採用背壓板 (特別是沖頭及母模模套之背面) 背壓板之使用方式有局部使用與全面使用兩種形式。

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