金属端子连续冲模之设计.docx

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金属端子连续冲模之设计

模具工业可称之为「工业产品之母」，因为除了传统工业产品需借助「模具」，才能快速、精确、或自动的生产外，目前的高科技产品也不例外。

台湾的模具工业缘起于民国七十年代，并在我国出口导向之产业经济主导之下，于七十五年产值已跃登世界第五位，但随后因东南亚、大陆等地的竞争，及我国高科技产品亦开始萌芽，为因应需求与面对竞争，模具除了被要求高精度、高可靠度、高寿命之外，更被要求快速交货；这些要求使得大多数规模小、人力不足、资源有限的模具业者面临最严苛的挑战。

连续冲模（Progressivedies）是一种模具结构名称，基本上可解释为：

冲压零件无法由冲孔、弯形或引伸模等，其中任一种冲压模具在一次冲压过程中完成成品，而必须由多套模具或多套工程来完成冲压时，将这多道工程，或多套模具所应具备的各种结构零件设计在同一道模具内，使这套模具在连续冲压过程中，完成该成品谓之。

连续冲模可定义为：

将两套以上的单独工程冲压模具，以数学的方法计算依序排列，并配合自动化设计，使各单独工程合而为连续且整体的模具结构。

而模具一方面在高压下连续使用，温度剧烈上升，另一方面又受很大的冲击与摩擦，因此冲床使用之模具材料，也占极重因素，应具备的条件有以下几点：

﹝1﹞﹝1﹞ 耐磨耗性高﹝6﹞硬度大

﹝2﹞﹝2﹞ 韧性（耐冲击性）大﹝7﹞脱碳少

﹝3﹞﹝3﹞ 经热处理变形小﹝8﹞价格低

﹝4﹞﹝4﹞ 淬火性良好﹝9﹞热处理简单

﹝5﹞﹝5﹞ 切削性良好

所以连续冲模应考虑好各种因素，才能设计出一副经济又实用的良好模子，也很适合大量生产，所以探讨的比较深入，且希望能够更了解到加工程序之布置与发展趋势。

一、前言

以往由于模具构造较简易，模具工厂大多依据资深人员所绘制之草图来加工模具零件，有关模具设计、构想模具结构细节及模具组装程序皆无完整的图面数据和作业说明，委外加工或自行加工有问题时，几乎完全依赖资深人员或老师傅以口头方式加以说明。

而连续模具之采用原则有适应大量生产之需求、工程安排比较容易、具有经济性、缓和引伸加工材料的加工硬化和具有操作安全性；连续冲模的使用限制有产品数量的考虑、产品形状的限制、不适于制造精度公差较高之制品、不适于制造会产生残留应变之制品、指定毛头方向之制品有时无法加工和成品材质及适用压床之限制。

且目前冲压模具之构造倾向复杂化，一副模具所包含的模具组件种类和数目亦很多，假使依照旧有方式进行模具之加工及组装，不仅在零件及组装方面会产生严重的问题，而且在往后之模具维护及保养上将因缺乏正确的图面数据以供基准而陷入动弹不得之因境。

亦即冲压模具设计图之要求完整性将是模具工厂的必要作业。

一般工厂用AUTOCAD，但我们使用Pro/ENGINEER软件来绘制我们的模具图，因为Pro/ENGINEER软件由一个图文件储存一个零件，而最后可叫出全部的档案，将其组成组合图，较其它软件使用上方便。

Pro/ENGINEER对于传统机械设计工作来说无疑有相当大的帮助，因为Pro/ENGINEER中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并代表具有物理意义之参数，这些参数式设计的功能不但改便变了设计的观念并且将设计的便利性推进一大步。

Pro/ENGINEER参数式设计之特性有以下两点：

1、1、 3D实体模型

3D实体模型除了可以将使用者的设计概念以最真实的模型在计算机上呈现出来，也因为系统预设参数，使用者可随时计算出产品之体积、面积等，用以了解产品之真实性，并补足传统面架构、线架构之不足。

使用者在产品设计的过程中，可以把握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为计算时间。

2、单一数据库

Pro/ENGINEER可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸，不论在3D或2D图形上作尺寸修正时，其相关之2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组立、制造等相关设计也会自动修改，如此可确保数据之正确性，并避免反复修正之耗时性，由于采单一数据库，提供了所谓双向关连性的功能，此种功能正也符合了现代产业中所谓的同步工程观念。

二、设计原理

2-1关于Pro/ENGINEER

Pro/ENGINEER最大的特点在于它采用单一数据库的设计，且是一种相关性的软件。

由于Pro/ENINGEER中所有的模块完全互相连接，因此在开发产品的过程中，设计者在任何时候所做的变更，都会扩展到整个设计中，自动更新零件、组合、工程图等模块中所有2D与3D的尺寸与工程文件，如此可确保数据的正确性，避免反复修正需花费的时间。

这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程（ConcurrentEngineering）的观念。

至于Pro/ENGINEER在机械设计上能缩短多少时间呢？

我们可由以下的流程表来做比较:

10天15天7天30天14天30天

表2-1使用2-D的软件进行机械设计

组立图

5天

15天

零件图

7天

爆炸图

3天

15天

7天

Prototype

模具发包

模流分析

模具设计

表2-2使用Pro/ENGINEER进行机械设计

由表2-1与表2-2可以发现使用Pro/ENGINEER进行机械设计仅需花费52天，比起使用传统2D软件的106天整整节省了一半的时间。

Pro/ENGINEER对产品开发的帮助有很多，例如：

保证图面及3D实体模型的正确性、用3DLayout可确保设计质量及问题之排除、同步工程的架构可缩短设计变更时间、可自动生产2D工程图面及组合爆炸图，缩短设计时间；及可缩短开发与建模时间等等，都是其优点。

所以本组选择Pro/ENGINEER来绘制这组模具。

2-2连续冲模的工程设计

市面上使用很多连续冲模所生产的制品，例如从细小的电子、电器等零件，到中、大型的汽车及飞机上的零件。

而冲压制品的形状种类繁多，各种冲模加工的工程亦有差异，要想对连续冲模拟定一套标准设计步骤并非易事。

一般设计连续冲模应考虑工程设计的步骤可分为五大项目：

（1）依图样进行了解、分析，并作初步规画。

（2）依制品的需求，考虑引导定位的问题。

（3）依制品的形状要求，考虑冲头、模块的设计问题。

（4）依经济的原则，考虑制品的料条布置。

（5）考虑各种加工的因素。

2-3连续模具之采用原则

连续模具之选用上需加以特别慎重考虑金属加工制品之数量问题。

尽管制品形状或要求精度会影响到产品制造难易度及模具之结构，而使适用模具之价格发生相当幅度之差异，以及机械之加工速度等因素都会左右产品数量基准。

然而在一般情况下，连续模具之采用标准通常最少都在20000件至30000件左右。

因此，在连续模具之设计、制造及订购之计划阶段，首先应将利用连续模具施行连续作业与利用单站模具在普通压床上进行多次加工之经济效益做详细分析、评估与比较，藉以做为采用的依据。

以下为连续模之采用原则：

（1）适应大量生产之需求

连续冲模生产速度高于其它任何作业方式及加工型态。

若以曲轴冲床每分钟冲压次数，其每日产量可达30000~150000件。

（2）工程安排比较容易

此类模具适当分解成简单之形状，分别安排在不同之工作站，将可避免模具构造之脆弱部份而增长寿命。

（3）具有经济性

连续冲模的加工可以节省加工材料、减少操作管理、搬运等人工以及场地的占用面积，故富有经济性。

（4）缓和引伸加工材料的加工硬化

在连续冲模中施行引伸加工时可将引伸率增高而增加引伸次数，以缓和材料加工硬化的程度而避免加工中半成品退火的需要。

（5）具有操作安全性

连续冲模系自动化的冲模，在加工中不需要手工操作，无伤害人体之可能性。

当送料机发生故障或其它意外事件发生时，冲床可以立即停止动作，避免冲头遭受损毁。

2-4连续冲模的标准件

连续冲模的结构绝大部分的零件均与下料冲孔、剪断、引伸相同。

目前已经标准化的零件尚不多，有待工业界尤其是模具工业的努力尽早的统一规划，设计更精准，用途更广的标准化零件。

（1）标准冲头：

工业界均使用标准圆形冲头，加以修改成所需的冲子形状，一般使用冲子成形器（Punchformer）来研磨所需形状尺寸。

（2）标准圆孔下模导管：

常用的导管是下模也已经制成标准零件。

（3）模座：

模座也是标准零件，有关模座的形式可分为四种：

a.BB型：

两枝导杆排列在模座的后排。

b.CB型：

两枝导杆排列在模座的中排。

c.DB型：

两枝导杆排列在模座的对角方向。

d.FB型：

四枝导杆分别排列在模座的四角。

（4）模柄：

模柄的功能在于方便上模模座及零件，固定在冲床冲枕下，一般的情形，约在25吨左右还可以使用模柄。

他不但方便于操作者装换模具，而有足够的力量将模座固定妥当，使模具在正常情形下做生产的工作。

2-5料条使用率

连续冲模的料条安排是十分重要的，尤其冲压成品的材料成本，几乎占直接成本的80％情况下，如果料条布置不妥当，可能使成品的单价提高许多，相对的利润减少很多，如何使成本降低而且不影响冲压过程，是设计者应特别注意的问题。

材料使用率简单的说就是制造冲压成品所需要的材料，能在最少的废料情况下完成冲压成品，也就是说以相同的材料面积或重量，利用数学计算或几何图形安排，使能得到更多数量的成品，可以使用下式来计算。

材料使用率=冲压成品的总面积或总重量/材料总面积或总重量＊100％

材料由卷料或板料裁成材料时，应计算材料使用率；成品在料条上的安排也应妥为计划，成品排列方法不同，其料条使用率会有很大的出入，也会影响冲压的成本。

2-5.1料条框、料宽、桥带及边系带

料条框的选择关系料宽的尺寸，大部分成品的模具设计，其料条框的尺寸，相当于桥带与边系带。

所谓桥带与边系带，是指连续冲压模具由多工程模具设计成整体的一套模具结构，当工程进行冲压过程，在尚未完全完成冲压成品，也就是未剪断成品之前，所有工程均靠边系带或桥带来作送料；简单的说就是连续冲模中联系各工程的材料部分，称为边系带或桥带。

桥带是指料条中间设计成送料的部分者，有单桥带、双桥带等，若送料的部分设计在两边者称为边系带，有单边的边系带也有双边的边系带，可能情况下应尽量以桥带来取代边系带，因为桥带的送料较边系带方式设计来的稳当，若能同时使用桥带和边系带则会更为理想。

料条框与料宽的选择计算，关系材料送料强度、成品、冲压过程变形问题等因素，故料框的计算也十分重要。

表2-3是料框与料宽选择或计算的依据。

形状

曲线部（R为1.5mm或2t以上）

锐角部（R为1.5mm或以下）

直线部或平行部

条

送料方向A

料宽方向B

送料方向A

料宽方向B

送料方向A

料宽方向B

制品大小

最小值

（mm）

最小值

（mm）

A21

A22

B21

B22

最小值

（mm）

最小值

（mm）

～25

0.7t

0.6

0.8t

0.8

1.5A1

1.3A1

1.5B1

1.3B1

0.8t

1.0

1.0t

1.2

25～75

0.8

1.2t

1.2

1.5A1

1.3A1

1.5B1

1.3B1

1.0t

1.2

1.2t

1.6

75～150

1.2t

1.2

1.4t

1.8

1.5A1

1.3A1

1.5B1

1.3B1

1.2t

1.5

1.5t

2.0

150～250

1.3t

1.8

1.6t

2.4

1.5A1

1.3A1

1.5B1

1.3B1

1.5t

2.0

1.7t

2.5

250～400

1.5t

2.4

1.8t

3.0

1.5A1

1.3A1

1.5B1

1.3B1

1.7t

2.5

2.0t

3.0

表2-3料宽与料宽的选择数据

表2-3中A21表示送料方向尖端应具备的距离。

A22、B22表示料框与料宽尖端应具备的距离。

t表示厚度。

B21表示两列或两列以上成品并列时，料宽方向应具备的距离。

使用表2-3应注意以下几点：

（1）多列的料条布置时应增加30～50％的宽度。

（2）对于塑料或纤维材料应增加20％的距离。

（3）对于硅钢片应增加50％的距离。

2-5.2料片尺寸之精度

冲压成品的精度除特殊加工方法外，有一定范围，所谓特殊加工方法是指精密下料，或者是料片冲成成品之后预留尺寸再作第二次的整修冲压，此类方法的加工成品尺寸精度可较一般的冲压下料来的精密，约可达一般冲压加工公差的1/2精密度。

何以冲压成品的尺寸精度有一定范围?

其原因除了模具本身精度无法完全控制以外，另有两种原因：

一是下料成品冲压时在模穴中受挤压，当成型之后脱离模穴时，料片的周围材料会稍微向外扩张；二是模穴的侧面与成品在冲压过程中因摩擦力的关系，侧面摩擦力正好与冲头下压力量产生力矩作用，当成品完全冲剪脱离模穴时，力矩会消失，料片会使因力矩产生稍微变形部分恢复平坦状态，而使成品尺寸略为增大。

由于上述情形，冲压成品的下料或冲孔尺寸，会稍有变化，孔的部分会略为变小，下料料片尺寸会略为增大，至于实际变化的大小视成品面积大小而异，面积愈大变化愈大，反之愈小，大型成品可能变化至0.05mm，而小型成品则约在0.005mm左右；冲压理论上，冲孔的孔径应与冲头尺寸一样，下料料片则与下模尺寸相同，但仍有上述变化的情形，也因此在下料冲孔的尺寸给予一定范围的允许公差。

2-5.3成品料条的布置

如何安排成品在料条上之方向要以材料之使用率，冲头与下模之设计以及各工作站之加工因素等均为考虑的要项。

成品在料条之列数同样地也需考虑材料之使用率外，尚须考虑生产量以及冲模在加工中受力是否均匀，在影响模具精度与寿命。

因此，模具构造上之问题，唯料条布置排列设计，需仰赖技术与经验之累积，甚为重要，今就料条布置所涉及考虑之因素加以说明：

（1）决定送料长度

送料长度L等于成品展开之长度P与料桥宽度A之和，L=P+A。

（2）决定料桥、边系带之尺寸，以确定料条宽度

连续冲模各站冲压加工有赖于料条之传递，料条上设有料桥及边系带，以连系与传递料条上未完成之成品（半成品）。

桥带位于料条之两半成品中间部份，而边系带位于料条之单边或双边，由料桥与边系带组合成料条框，料桥及边系带之宽度视料条移动定位时是否会变形而定，而料条框之大小关系料宽的尺寸。

2-6下模块的分割

下模块分割主要的目的在于使复杂形状的下模块经几何图形的切割，或多块简单形状的单纯圆弧或直线，以方便于磨床，事实上因为传统加工方式的突破，如放电加工、CNC线切割加工的发明而使下模块使用分割方式加工的情形减到最低的程度，但线切割或放电加工的加工侧面长无法达到一定的粗糙度，较精密的零件还是需要使用分割方式以研磨来完成下模块，换句话说因为线切割或放电加工的表面较粗糙，如果需要较精细或寿命需求较严格的情况下，常无法达到要求。

使用下模块分割方式还有一个优点，就是锐角成品其下模易损坏，以及应考虑加工时的方便，如前所述，应设法设计零件成为单纯的圆弧或直线。

2-7线切割加工

线切割加工的原理与放电加工几乎完全相同，就是利用火花熔蚀的原理；当电流正负极接近至一定适当的距离时，通以适当的电流使产生高热以火花熔蚀工作物。

放电加工是使欲加工的形状尺寸相差放电间隙的电极来加工，也就是制作形状与被加工件相同，但尺寸略小的电极来通以电流产生火花熔蚀，并利用电子组件的功能控制被加工件单方熔蚀，而电极保持原状的加工方法。

线切割加工的电极与放电加工的电极不同，放电加工需事先制作形状与被加工形状相同的电极，而线切割却只用铜线，铜线的直径很小约为ψ0.05mm～ψ0.20mm，通常使用ψ0.20mm者占绝大部分。

加工的形状是由CNC数值控制线切割加工机的床台，依加工形状的轨迹移动切割出来的。

通常线切割加工所使用的铜线电极只使用一次，故切割的模穴尺寸十分精确，也不容易有模穴侧壁锥度现象发生，当然在线切割的工作范围中切割锥度或斜面也是可以的；放电加工因为有电极消耗的因素，或放电过程中排渣不良的情形，而使加工的模穴侧壁产生锥度或斜面。

线切割放电加工的优点可以叙述如下：

（1）线切割可以节省电极制作的时间。

（2）线切割的精度较为准确，且可做形状较复杂的加工。

（3）只要图形能会出来，程序可以设计便可加工。

（4）线切割可以同时做垂直面与斜面，对于下模刀口的制作十分理想。

（5）加工速度较放电加工快，因为加工面面积较小。

但线切割加工也有其加工限制：

（1）放电加工可以制造盲孔的模穴，而线切割加工一定要盲孔才能加工。

（2）工作物的轮廓形状可由线切割或放电加工，但底部形状线切割无法完成，其原理同上所述。

（3）线切割在加工前一定先钻小孔做穿电极线使用，而放电加工可直接加工。

2-7.1线切割加工与传统下模块分割法比较

采用线切割加工法来设计下模块，可以节省下模分割在研磨的时间，甚至可以增加强度，而且线切割做下模块时，如果事先考虑模具维修更换问题，同样可以达到分割法的优点，因此除非特别要求模具寿命与成品精密度时，线切割的加工来制造下模或冲头夹板、剥料板等都比下模分割法来的经济且理想。

而且在连续冲模的设计上，节距或进级的准确度会更高，也就是每站间的距离会更精确。

使用线切割制作冲模时，通常只要做剥料板的加工程序即可，上冲夹板与下模板在切割时可以线切割的刀具补偿（Offset）来补正即可，十分的方便。

2-8加工零件材料重量之计算

冲压件的加工材料其成本占直接成本近80﹪，因此材料本身重量的估计，废料所占的比例（也就是材料使用率）对于设计者，或生产厂商在成本计算上有相当大的影响；对于材料重量的计算并不是很困难的问题，事实上只要计算出该成本的面积或体积，再乘以比重便可以了。

复杂形状的冲压件，应先将材料的展开尺寸计算出来，并绘成图形，再将展开图形，分割成容易计算的简单图形，如长方形、方形、圆形、梯形等，再将所有的面积加起来便是体积，体积再乘以该材质的比重就可以算出材料的重量。

公式：

材料重量=体积＊材质比重。

三、制作过程

3-1绘制连续冲模的步骤

连续冲模的设计步骤较一般模具复杂且富变化，所以应具备各种冲压工程的设计能力，且需将各种冲压工程合并一起运用融会贯通，此以下页流程图的方式介绍其设计步骤。

步骤1.料条布置

步骤2.绘制下模块部分

步骤3.绘制冲头

步骤4.绘制冲头冲孔

步骤5.绘制冲头固定版

步骤6.绘制先导杆

步骤7.绘制扶料架及导件（靠栏）

步骤8.绘制自动定位装置

步骤9.绘制脱料板（剥料板）

步骤10.绘制固定螺栓与固定销

步骤11.绘制完成组合图

*其中之步骤皆须考虑加工程序，如有不妥可重新探讨并修订。

3-2绘制连续冲模

1、计算展开尺寸并绘制展开图。

展开图的绘制及计算首先应将弯形部份的详图绘出。

2、绘制料条布置图。

连续模具设计的成败由料条布置图可以看出端倪。

3、绘制零件图。

零件图的绘制应从料条布置的工程步骤次序着手进行。

（1）下模块的设计

（2）绘制冲头夹板

冲头夹板应配合下模块，应注意剪断间隙及滑配间隙。

（3）剥料板的绘制

剥料板的绘制应注意的是让位的尺寸及深度应有足够的间隙。

（4）冲头的绘制

4、绘制组合图

将各零件图绘好之后再进行设计组合图，但有时也先绘组合图再绘零件图，视情况而调整。

3-3连续冲模设计流程图

3-4组合操作步骤

（1）建立三个基准面，建立基准面的目的在于方便在组合模块中利用Feature选单进行特征的建立与调整。

（2）在Assembly选单中，选择Component以加入一个零组。

（3）选择SeparateWindow以将组合件显示在一独立的窗口中，并给定拘束条件选择Add以给定新的拘束条件，点选ConstraintType以变更拘束条件的形式。

（4）决定拘束条件形式后，分别指定组合件与被组合件上的参考特征，进行组合时需给三个拘束条件才能完全拘束，所以需重复步骤（3）与步骤（4）分别加入新拘束条件，当PlacementStatus出现完全拘束讯息后，可点选最下方的Preview预览组合结果。

（5）若欲加入其它零组件以进行组合，重复步骤

（2）到步骤（4）。

3-5爆炸图的建立

View选单中有一个Explode指令，完成组装后若欲建立爆炸图可直接点选View选单中的Explode选项，若要回复再点选View选单中的Unexplode即可（Explode与Unexplode不会同时出现，一次只会出现一个）爆炸图中各零组件的位置是由Pro/ENGINEER内定的，因此各零组件间的相对位置不会符合使用者的要求。

3-6建立爆炸图的步骤

（1）选Assembly选单中的ExplodeState，再点选Create并输入一个名字以建立新的爆炸图。

（2）完成步骤

（1）的设定后Pro/ENGINEER会自动跳到Position选单中，此时则需先定义零组件移动的方向。

（3）设定好移动方向之后,接下来要做的是设定零组件的移动方式。

（4）重复以上步骤即可自行定义所有零组件在爆炸图中的位置。

3-7建立工程图

完成零件的绘制后，利用Drawing模块可建立三视图、剖面图、细部放大图等工程图，藉由适当的工程图，产品设计师可正确阐述设计意念，加强与其它工程师间的沟通，以避免错误产生，由于Pro/ENGINEER是建立在单一数据库架构，因此在建立工程图时若对尺寸修改，相关的零件组合件，制造等模式下的模型也会随之改变。

四.完成结果

4-1零件表

零件编号

零件名称

零件编号

零件名称

零件编号

零件名称

零件编号

零件名称

成品

引导冲

脱料板入子

套筒

脱料板入子

下模座

导柱

下模入子

脱料板入子

冲子

导柱

冲子

下模垫板

冲子

导柱

冲子

下模入子

套筒

冲子

下模入子

套筒

脱料板入子

上模

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