第1章 多工位级进模设计的基础知识
1.1 概述
级进冲压是指压力机的一次行程中，在模具的不同工位同时完成多道冲压工序的冲压工艺。所使用的模具称为级进模，又称为连续模、跳步模。在级进冲压中，不同的冲压工序分别按一定的冲压次序排列，坯料按设计的步距间歇移动，在等步距的不同工位上完成不同的冲压工序，经逐个工作位置冲压后，便得到一个完整的零件（或半成品）。无论冲压零件的形状多复杂，冲压工序怎样多、工序性质是否有所不同，均可用一副多工位级进模冲制完成。对于批量非常大而材料厚度较薄的中、小型冲压件，特别是电子产品零件和精密机械零件（如图1-1所示），宜采用多工位级进模。
图1-1 多工位级进模冲压的精密冲压件
多工位级进模是在普通冲压模具的基础上发展起来的一种精密、高效、长寿命的模具，其模具中设计的工位数可多达几十个。多工位级进模必须配备高精度且送料进距易于调整的自动送料装置才能实现精密自动冲压。多工位精密级进模还应在模具中设计模内定位装置、误差检测装置、模内工件或废料去除机构等。因此与普通冲压模具相比，多工位级进模的结构比较复杂，模具设计和制造技术要求较高；同时，对冲压设备、冲压材料也有相应较高的要求，模具的成本相对也高。所以，在模具设计前必须对制件进行全面分析，然后结合模具的结构特点和冲压件的成形工艺性来确定该制件的冲压成形工艺过程，以获得最佳的技术经济效益。
多工位精密级进模的应用，反映在冲压模具结构设计方面，代表着对板料冲压工艺和变形规律的全面认识，以及实践经验综合应用的水平高低。反映在模具制造方面，则集中体现了现代最先进的精密模具加工技术的发展与实践，如精密电火花线切割、精密成形磨、坐标磨、光学曲线磨等工艺的成熟运用和精密测量技术的应用。
因此，多工位精密级进模的广泛应用，是展示现代冲压模具水平的一个重要标志。
1—装卸型导套；2—螺钉；3—弹簧塞；4—定位销；5—凸模；6—垫片；7—衬垫；8—导正销；9—方形凸模；10—弯曲凸模；11—固定键；12—垫片；13—方形顶料凸模；14—卸料板导柱；15—上模座；16—垫板；17—凸模固定板；18—卸料垫板；19—卸料板；20—卸料板导套；21—凹模固定板；22—下模座；23—产品收集组件；24—顶出销；25—方形凸模；26—导正销；27—凸模导套；28—螺塞；29—托料销；30—衬垫；31—凹模；32—螺塞；33—托料导向销组件；34—微动开关组件；35—卸料螺栓；36—误送检测部件；37—螺塞；38—卸料板导柱；39—导套；40—滚针衬套；41—滚针导柱组件；42—卸料弹簧；43—托料销组件；44—孔型螺塞；45—螺栓；46—标签；47—限位块
图1-2 U型支架的多工位精密级进模
如图1-2所示为一U型支架的多工位精密级进模。图1-2（a）为U型支架零件图，零件成形的基本冲压工序有冲孔、落料、切断、弯曲。图1-2（b）为排样图，第1工位冲工艺导正孔和三个零件结构孔，第2工位切零件的长边外形，第3工位空工位，第4工位切零件的两侧外形，第5工位空工位，第6工位弯曲，第7工位落料，第8工位废料切断。图1-2（c）为模具结构，其特点如下：
（1）上下模模架采用滚针导向组件（40、41）；为保证卸料板工作平稳，保证冲压件质量、凸凹模间隙均匀和模具寿命，在模具内部又安装了卸料板导向机构件（20、38）。
（2）为保证冲压时送料步距精度，模具设计了误送检测部件（36）、导正销（8、26）；由于弯曲方向向下，为保证弯曲后条料在送进时没有障碍，模具采用了托料导向销组件（33）、托料销组件（43）。
（3）异形凸模固定采用了吊装和压板结构；卸料装置采用组合结构件（18、19，24、35、42）；模具的调试及保护设计了限位块；制件的收集采用产品收集组件（23）。
在冲压生产中，级进模主要用于生产小型精密、生产批量大的冲压件；也适用于中型、大批量生产的冲压件。它适用于冲孔、外形的落料、弯曲、拉深、翻边、局部成形、镦压等基本的冲压工序的冲压件。图1-3所示为一个冲孔落料冲裁件采用级进冲压的三种方案。
图1-3 冲孔落料冲裁件采用级进冲压的三种方案
图1-4所示为U型弯曲件，图1-5所示为一个拉深零件的基本工序设计。
图1-4 U型弯曲件工序安排
图1-5 拉深零件的基本工序设计
1.2 级进冲压的基础知识
分离工序可分为落料、冲孔和剪切等，目的是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，表1-1所示为分离工序的分类。
表1-1 分离工序的分类
1.2.1 分离工序与典型冲裁件的基本排样法
在级进冲压零件的外形时，可有多种方法选择，表1-2、表1-3所示是针对一个典型落料件的几种排样方法。
表1-2 典型的落料件的几种排样
表1-3 冲孔落料件的排样方法
1.2.2 级进冲压载体的基本形式
载体是指级进模冲压时，条料连接工序件并运载其稳定前进的这部分材料。在排样过程中，载体设计是非常重要的，不仅决定了材料的利用率，而且关系到制件的精度和冲制效果，更是直接影响模具结构的复杂程度和制造的难易程度。级进冲压时，载体不仅起到补偿定位误差的搭边的作用，更使条料像一条具有一定刚度的传送带传递工序件到下一工位，以便完成制件后续工序，冲出合格的制件。表1-4列出了级进冲压载体的基本形式。
表1-4 级进冲压载体的基本形式
1.2.3 级进冲压排样图中导正孔的设计
1．常用的导正孔
导正孔是用于级进冲压过程中带料送料时精确定位的工艺孔。它的设计不仅影响带料的精确定位，而且还影响材料的利用率。图1-6所示是最常用的几种设计，图1-6（a）所示是直接利用制件上的孔导正，导正的同时落料；图1-6（b）所示是间接导正，在载体上设计导正孔，在成形工位处利用工艺孔导正；图1-6（c）所示是间接和直接共同使用，开始利用工艺孔导正冲切制件轮廓，冲压过程中其中一个工艺孔被切掉，为保证后续送料的稳定，利用制件上的孔和一个工艺孔导正；图1-6（d）所示是单孔的导正；由于单孔的导正开始送料材料会有一些摆动，可选用开始用两孔导正，最后切断用单孔导正，如图1-6（e）所示。图1-6（f）所示是在两侧载体上设计对称的两个工艺孔，利用工艺孔每隔一个工位导正一次，导正的精度高，但材料利用率有所降低。
图1-6 导正孔的设计
2．导正孔设计注意事项
（1）导正孔被冲出后，紧接着的工位必须是导正销的工作工位，排样图中用部分填充的孔表达，如图1-5所示。
（2）导正孔一般采用复数孔导正，往往在重要的工位或精度要求高的工位附近设计导正销。
（3）当工位数较多、排样样条较长时，在样条的中断和后段往往采用等间距设计导正销工作位置。
1.3 多工位级进模冲压特点及设计步骤
1.3.1 多工位精密级进模冲压特点
就其冲压而言，多工位精密级进模和其他结构冲模相比，其主要特点如下：
（1）被冲压的材料主要是黑色或有色金属，材料的形状应是具有一定宽度的长带料或卷料。因为它是在连续的几乎不间断的情况下进行冲压工作，所以要求使用的料带应越长越好，中间不允许有接头，料厚多数使用0.15～1.5mm的材料，而且有色金属居多。料宽的尺寸要求必须一致，允许的公差通常小于0.2mm。不能有明显的毛刺，不允许有扭曲、波浪和锈斑等影响送料和冲压精度方面的缺陷存在。
为了能保证制件在尺寸和形位误差方面有较好的一致性，要求材料有较高的厚度精度和较为均匀的力学性能。尤其对于有压弯和成形的制件，如果材料厚度误差大，材料的软硬状态从料头至料尾，边缘和中间都不均匀，相对轧制方向的各向异性较大，则弯曲后角度误差、弯曲边长度误差等都会很大。
料宽根据制件的排样决定，若太宽，会影响送料通畅；若宽度太小，又影响定位。
（2）所用的压力机刚性要足够，精度要好，而且滑块要能长期承受较大的侧向力。一旦发生故障，压力机应有急停功能。设备应配有自动送料器，对于厚料，还要有相应的开卷、校平机。
（3）送料方式以间歇、按“步距”直线连续送进。不同级进模“步距”的大小是不相等的，具体数值在设计排样时确定，但送料过程中“步距”精度必须严格控制。多工位精密级进模“步距”精度的控制是由压力机上的送料装置和用于定位的导正装置等共同精确定位来保证的。模具的“步距”精度可以控制在小于±5μm。
（4）冲压的全过程在未完成成品件前的工序毛坯件始终不离开（区别于多工位传递模）条料和载体。在级进模中，各工位的冲压工序虽独立进行，但制件与条料始终连接在一起，直到最后那个工位需要落料时，才与料带分离（一般由凹模落料孔中下落，也有冲落后的制件又被反顶入原位，在后面工位再顶处）。如果因后工序的需要，冲压制成的制件仍需保留在载体上，则不设落料工序，此时被冲成的制件连在载体上被成卷包装起来，作为后工序的料带，如电器的端子等；也有的制件要求每冲10个或20个制件为一个单元并保留在载体上，则在模具上须设置特殊的定距切断装置，此时每冲压10次或20次，切断装置便工作一次将料切断，落下来的便是每条具有10个或20个制件的工序制件条，如集成电路引线框、晶体管引线框等、空调器散热片（翅片）等。
（5）适合大批量中小型定型产品零件的生产，冲压精度高，可达IT10级，且冲压制件尺寸一致性好，具有很好的互换性。
（6）生产率高。由于排样采用多排，一次冲压可以出多件。采用高速冲压（常用700～800次/min，纯冲裁1200～1500次/min，带弯曲冲压400～600次/min，级进拉深小于等于100次/min），生产率很高。
（7）在一副模具的不同工位上，可以完成多种性质的冲压工序，如冲孔、冲窄槽、落料、压弯、压包、压筋、翻边、翻孔、镦压、拉深、切边、叠压、压铆、攻螺纹、锁紧等。经冲压生产出来的不再只是大批量的单个零件，也可以是成批的组件，如触头与支座的组件、各种微型电动机、电器及仪表的铁芯叠片组件。所以多工位级进模是集各种冲压于一体、功能最多的高效模具。工位数取决于冲压工序的需要，原则上多少不受限制。一般情况下，只要是中小型件，不论其复杂程度怎样，都可以采用一副级进模冲压完成。
（8）模具综合技术含量高。模具结构比较复杂，加工精度和制造技术要求高，以μm为单位提出制造精度要求。如果没有较先进的精加工设备和熟练而有经验的模具钳工，加工、装配、调试和维修均难以获得满意效果。
（9）可以实现自动化生产。当模具调整好后，带料或卷料经开卷机、矫平机、送料器、压力机和模具、制件收集器将废料切断或收卷等。可以不用人在设备旁长期守，一旦冲压过程异常，由于模具上装有安全保护装置，设备会启动停机，故能实现冲压动化生产。
（10）模具制造周期较长、成本高。多工位级进模随着工位数的增加，相应要加工的模具零件数也多了，其中工作零件除采用常规方法加工外，精加工都要采用高精度的精密设备（如坐标磨床、光学曲线磨床、慢走丝线切割机床等）。这样不仅加工周期长，而且工时费比普通加工高许多，所以成本比普通冲模高。
（11）模具工作零件采用超硬材料制造，模具寿命长。由于多工位级进模可以将复杂的内外形分解成由若干个工位冲压成形，每个工位的冲压复杂性相对比较简单。工作零件（凸模和凹模）采用硬质合金或钢结硬质合金，不但制造比较容易，也便于维修更换，使模具的使用寿命大大延长，寿命最长的可达亿次以上。
1.3.2 多工位级进模设计步骤
多工位级进模的结构一般都比较复杂，其复杂程度随制件的复杂而变化。制件简单，级进模也简单；制件复杂，级进模结构也复杂。因此，在设计级进模时，必须持慎重态度，周密而仔细地考虑每一个环节，将级进模设计好。
级进模设计步骤就是设计者从接到设计任务到完成出模具图纸，这中间进行工作的先后次序。多工位精密级进模设计步骤没有固定的模式，图1-7所示为其设计与制造的简明流程图。通过这个简单的方框图中可以了解到，设计多工位级进模的步骤和其他冲模的设计步骤没有什么区别，主要差别在于设计内容不同。下面就一些具体问题进行说明。
图1-7 多工位级进模的设计与制造简明流程图
1．模具设计任务书
这是提供给模具设计的主要依据之一，也是模具制造部门向模具用户索要的必需资料。设计任务书中应向模具设计者提供的最重要资料为产品图，包括技术要求。通过该图，模具设计者可以了解该制件的形状、结构、尺寸、公差精度、材质和一些技术条件，从中分析是否采用多工位级进冲压，冲压的难点在何处，用什么方法解决，有无地方需要和用户商量修改等。需要指出的是，个别用户只是简单地拿来一张草图，尺寸公差也不标注清楚，或者只拿来一个样件代替任务书，这是不规范，不完整的一种方式，是不能接受的。当用户的确拿不出正式制件图时，模具制造部门可以协助，但制件图必须经用户签字后才算有效。
设计任务书里还应有该制件的产量、送料方式、使用压力机和其他一些明确规定和要求。用户对制件有什么要求，在模具设计前应全部说出来，不能在模具设计好了再提要求。模具设计任务书见表1-5。设计人员在在消化了任务书和对产品进行工艺性分析后，要初步对模具结构有一个简要的说明，见表1-6。
表1-5 模具设计任务书
表1-6 模具结构说明书
2．工艺分析
任何一个零件，在准备考虑设计级进模进行冲压生产时，首先应对该零件进行全面的工艺分析，特别是对难点地方进行重点分析，提出解决方案。分析的内容包括排样、冲裁或成形的先后分解、变形程度的合理分配、工位数的多少以及模具制造能力评估等。通过上述分析，大体上对模具的结构要求有一个初步方案，为后面的排样图和模具图设计提供依据。
3．排样设计并绘制排样图
条料的排样是多工位级进模结构设计的主要依据，必须在模具结构设计之前进行。级进模排样是指制件在条料上分几次冲压而成的一种排列方式。即在条料上先冲什么地方、后冲什么地方，它是可变化的，同一个制件可以有多个排样方案，如何合理排样，完全决定于设计技巧。最后选用哪个方案，要从经济和技术诸多方面考虑。但最主要的是应考虑在保证冲制出合格制件的情况下，材料利用率高、模具结构比较简单，制造容易和使用方便。
有多少个工位，采用什么方式定距，工位间步距是多大，冲一下出几个制件，通过排样的设计，这些问题都可以得到清楚的回答。
在设计排样时，对于弯曲成形和拉深件等，要进行毛坯展开尺寸和冲压工艺方面的计算。因此，多工位级进模的排样，是整个模具设计过程中十分重要的一个环节。它与一般冲模的排样主要考虑材料利用率相比，考虑的问题比较多。排样设计的好坏，直接影响模具结构复杂程度、模具使用寿命和能否顺利地冲出合格制件。
设计排样的最后体现是绘制出排样图。在排样图上必须标明步距、料宽和有关尺寸等。
4．对模具图的要求
排样图确定之后，就可以着手绘制多工位级进模的总装配图，如图1-8（a）所示。在总装配图里，要确定该模具所使用的模架形式（包括导向系统），卸料结构、导料装置、送料和定距方式、凸、凹模的结构形式及固定方法等。此外模具在压力机上的安装固定方法，模具的闭合高度、所选用压力机型号和规格等均应在总图上反映出来。
总图设计完后，应将所有非标准的模具零件绘成图样，作为技术资料，为模具加工制造和正常维修使用服务。
1）对模具总图的要求
完整的模具总图应包括下列内容：
（1）俯视图和仰视图。俯视图（或仰视图）一般是将模具的上模部分（或下模部分）拿掉，视图只反映模具的下模俯视（或上模仰视）可见部分（这是冲模的一种习惯画法）。俯视图常放在图样的下面偏左，绘制总图时，一般先画出。通过俯视图可以了解模具零件的平面布置、排样方法以及凹模孔的分布情况。仰视图一般在必要时才绘制。
（2）主视图。主视图放在图样的正中偏左，常取模具处于闭合状态，而且常用剖面画法。主视图可以充分反映模具各零部件的结构形状和某些设计要素。主视图是模具总图的主体部分，一般不可缺少。
1—下模座；2—凹模；3—安全挡板；4—落料凸模；5—垫板；6—弹簧；7—圆柱头卸料螺钉；8—模柄；9、31—圆柱销；l0、30、32—螺钉；11—上模座；12、13—导套；14—侧刃；15—凸模固定板；16—卸料板；17—导料板；18、19—导柱；20、25—凸模；26—小导柱；27—小导套；28—圆销、29—侧刃挡块；33—托板；34—侧面导板
图1-8 引线框级进模
（3）侧视图和局部视图。这种图只有在必要时才画出，使模具的某些结构通过侧视图和局部视图表达得更清楚、完善。
（4）制件图。它常画在图样的右上角，同时要注明制件的材料名称、料厚，以及制件本身的尺寸、公差和有关技术要求。在制件图的下面绘制排样图。排样图上应标明料宽、步距和有关尺寸，如图1-8（b）所示。对于复杂的多工位级进模，制件图和排样图可以单独绘制。
（5）技术要求和说明。一般在总图标题栏的上方写出该模具的冲压力大小、模具闭合高度、模具标记及其他要求。所选压力机型号及规格应填写在标题栏的相关项目中。
（6）列出模具零件明细表。表中应填写各零件号及对应名称、数量、图样页码（页次）、材料和标准代号、规格等。个别易损件需要增加备件的，可在附注栏中标明。
2）对模具零件图的要求
模具零件图一般是指非标准件或采用标准件需要局部加工的地方，这些零件均需绘图。模具零件图视图的多少，以能看明白图形为准。由于零件的大小不一，对于一些特别小的几何要素部分，为表达清楚，常常用局部放大的画法表示。零件图应标明全部尺寸、公差配合、形位公差、表面粗糙度、材料热处理和其他有关技术要求等。如图1-9所示为一个模具凹模的零件图。
图1-9 凹模的零件图
总图和零件图的绘制，最好采用1:1比例，并严格执行机械制图标准。在有利生产和管理的情况下，模具图的绘制可简化，如采用标准模架，可以在总图上不画，只要标明模架标准代号、规格，这样做可以认为是行业的一种约定。
5．校核
模具图样设计完成后，总图和零件图都要编上号，并必须进行校核。校核工作很重要，不可缺少。因为设计中的差错难免，校核对于减少差错、提高质量大有好处。
1.3.3 多工位级进模的基本结构
多工位级进模的结构随着制件的形状和要求不同而变化，但其基本结构所包含的内容是相同的，如图1-8所示是一副5工位的引线框普通级进模。前四个工位为冲孔和冲废料，最后工位为落料，采用侧刃定距、定位。
多工位级进模采用的是三板式的模具结构（凹模板、卸料板、固定板），由上、下模两部分组成。上模部分为上模座至卸料板下平面之间的那部分，常与压力机滑块相固定，随压力机滑块上下往复实现其冲压运动；下模部分为下模座至凹模板上平面之间的部分，下模与压力机工作台固定。级进模模具的零部件，根据每一副多工位级进模的功能需要不同而有差异。一副完整的多工位级进模的组成零件如图1-10所示。但这些零件并非每一副模具全部都有，应根据模具的结构、使用条件、生产效率等选择。
图1-10 多工位级进模基本结构组成零件