沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)教學(xué)的幾個(gè)工藝問(wèn)題討論

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 310023)

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沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)教學(xué)的幾個(gè)工藝問(wèn)題討論

施于慶

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，杭州 310023)

沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課程講授結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較多，而講授制造和裝配比較少。通過(guò)幾個(gè)模具制造或裝配中的工藝問(wèn)題實(shí)例，將沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)與工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合，使學(xué)生能更方便地掌握教學(xué)中的抽象概念；并運(yùn)用工藝設(shè)計(jì)實(shí)例拓展學(xué)生思路, 調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，提高他們學(xué)習(xí)的興趣。這樣做，明顯地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，并提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工藝；裝配；教學(xué)方法

沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課程是一門(mén)實(shí)踐性、專(zhuān)業(yè)性并且理論性很強(qiáng)的課程，相對(duì)而言，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和手段比較難適應(yīng)現(xiàn)階段社會(huì)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，而從創(chuàng)新的角度來(lái)看,傳統(tǒng)的教育教學(xué)方法及理論存在相對(duì)不足之處。因此，要研究和探索新的教育教學(xué)理論和方法，找尋發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的新思路及新方法[1-5]，而項(xiàng)目化教學(xué)就是目前運(yùn)用在沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課程教學(xué)中比較成功的一種教學(xué)方法[6-10]。

塑性是指金屬在外力并借助于工藝裝備(模具)的作用，能穩(wěn)定地發(fā)生永久變形而不破壞的能力[11]。而沖壓是金屬塑性成形的基本方法之一，是利用安裝在壓力機(jī)上的模具對(duì)板料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需的一定形狀、尺寸和性能的零件的一種壓力加工方法[12]。作為工藝裝備的沖壓模具設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足沖壓原理及動(dòng)作要求之外，還與其工藝設(shè)計(jì)息息相關(guān)。工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的加工、裝配及操作等方方面面。作為沖壓技術(shù)之一的沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)課程是浙江科技學(xué)院材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)的方向必修課，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化和車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的選修課，主要內(nèi)容為沖裁、彎曲及拉深等沖壓工藝分析和模具設(shè)計(jì)基本方法。該課程的要求是使學(xué)生具有分析和解決一般沖壓?jiǎn)栴}和設(shè)計(jì)模具的能力。但此門(mén)課程只能從最基本的概念開(kāi)始講授，講授主要集中在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，而涉及工藝設(shè)計(jì)的不多。相對(duì)而言，要掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，學(xué)生可借助于一些工程繪圖軟件來(lái)理解沖壓動(dòng)作，這并不困難。然而在模具設(shè)計(jì)完成后的制造過(guò)程中，還大量涉及模具材料、加工方法、裝配、調(diào)試、返修、操作等，對(duì)模具設(shè)計(jì)者而言，并不是僅僅完成了圖紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就算完成了任務(wù)，而是以最終能否生產(chǎn)出合格或者優(yōu)良的沖壓件為標(biāo)準(zhǔn)的。于是，模具設(shè)計(jì)者就要全程參與并跟蹤后續(xù)工作，無(wú)論是在裝配還是制造或調(diào)試中遇到什么技術(shù)問(wèn)題，模具設(shè)計(jì)者必須要具備解決問(wèn)題的能力。而學(xué)生在缺乏工程背景和經(jīng)驗(yàn)不足的情況下，要在較短的時(shí)間內(nèi)掌握這些工藝設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)是有很大難度的[13-14]?？墒?，這部分內(nèi)容無(wú)論對(duì)模具還是對(duì)其他機(jī)械或裝備的設(shè)計(jì)恰恰又是十分重要的。

浙江省內(nèi)模具規(guī)模企業(yè)眾多，是模具制造大省。材料成形及控制工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生主要為浙江企業(yè)輸送懂材料成形的技術(shù)人才。目前如何從模具制造的數(shù)量向能生產(chǎn)加工高品質(zhì)的模具轉(zhuǎn)變，其任重而道遠(yuǎn)，例如從簡(jiǎn)單的沖壓模具設(shè)計(jì)制造逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜高端的大型沖壓模具設(shè)計(jì)制造。今天，學(xué)生雖然能夠在制造之前通過(guò)采用數(shù)值模擬技術(shù)將沖壓動(dòng)態(tài)變化和可能產(chǎn)生的缺陷顯示出來(lái)，但這些預(yù)測(cè)、評(píng)估、優(yōu)化工藝參數(shù)，都是在假設(shè)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)誤并且工藝設(shè)計(jì)比較優(yōu)良的基礎(chǔ)上，分析得到的比較可行結(jié)構(gòu)或工藝方案。如果模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚可，但工藝設(shè)計(jì)不太合理同樣能得到?jīng)_壓件，然而其質(zhì)量是難以保證的。鑒于此，筆者結(jié)合教學(xué)和科研工作經(jīng)歷，探討工藝設(shè)計(jì)與沖壓模具設(shè)計(jì)制造的關(guān)系。

1 沖壓模具的設(shè)計(jì)流程

模具的初始設(shè)計(jì)，主要是以考慮模具的結(jié)構(gòu)能否滿(mǎn)足生產(chǎn)沖壓件的沖壓動(dòng)作為主。這個(gè)階段一般較少考慮模具設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的工藝問(wèn)題。沖壓模具設(shè)計(jì)的一般步驟[15]為:1)盡可能多收集和分析原始資料。2)對(duì)沖壓件進(jìn)行工藝分析和計(jì)算。3)確定沖壓工藝方案。4)選取模具結(jié)構(gòu)類(lèi)型。5)進(jìn)行必要的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，具體包括計(jì)算沖裁力、卸料力、推件力及頂件力等，初選壓力機(jī)的噸位，工作臺(tái)尺寸等；計(jì)算模具壓力中心；計(jì)算凸、凹模工作部分尺寸并確定制造公差；彈性元件(彈簧或橡膠)的選用與計(jì)算；必要時(shí)對(duì)模具的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度及剛度的校核。6)選擇模具的主要零部件的結(jié)構(gòu)與尺寸。7)對(duì)所選壓力機(jī)的型號(hào)進(jìn)行確認(rèn)及驗(yàn)算。8)繪制模具總裝配圖及各非標(biāo)零件圖。

模具設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1表示。有許多生產(chǎn)企業(yè)一般是先由沖壓工藝員具體分析沖壓件的生產(chǎn)可行性、生產(chǎn)成本和效率等因素，然后再專(zhuān)門(mén)下達(dá)模具設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給模具設(shè)計(jì)者。這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于學(xué)校在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)下達(dá)的模具設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，所不同的是，下達(dá)的任務(wù)書(shū)一般是由指導(dǎo)教師來(lái)完成的，學(xué)生只要按任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)完成全部的裝配圖、零件圖，在裝配圖上能反映出各個(gè)零件的裝配關(guān)系并能保證模具工作原理正確就算完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。而企業(yè)設(shè)計(jì)模具后還要進(jìn)行模具的制造等許多工作，并且在制造中還會(huì)遇到許多生產(chǎn)或制造問(wèn)題。因而學(xué)生就難以進(jìn)一步學(xué)習(xí)到這個(gè)階段的有關(guān)知識(shí)。因此，教師要在講解模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)穿插講解一些工藝設(shè)計(jì)要領(lǐng)，使學(xué)生能夠全面地了解并掌握模具設(shè)計(jì)和制造的知識(shí)。

圖1 沖壓模具的設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process of press-tools

2 模具結(jié)構(gòu)和零件工藝設(shè)計(jì)的相互關(guān)系

在模具結(jié)構(gòu)或零件設(shè)計(jì)時(shí)考慮工藝設(shè)計(jì)的作用是十分重要的。工藝設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)出的零件可加工性與裝配性能良好，模具操作使用方便且模具使用壽命長(zhǎng)，模具維修時(shí)更換零件方便，模具零件材料的選擇，等等，但最重要的是能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的沖壓件。一直以來(lái)，在沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中比較強(qiáng)調(diào)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，而忽略了工藝設(shè)計(jì)的問(wèn)題，過(guò)分關(guān)注了模具零件的作用功能，在零件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上不顧及對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。事實(shí)上，許多機(jī)械產(chǎn)品往往是細(xì)節(jié)決定品質(zhì)。只有考慮比較完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加上比較縝密的工藝設(shè)計(jì)，才能生產(chǎn)或制造出高品質(zhì)的模具。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)不可分割的整體，而細(xì)致的工藝設(shè)計(jì)是保證生產(chǎn)或制造高品質(zhì)模具的前提。

3 模具結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)實(shí)例

列舉4個(gè)關(guān)于模具結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)的實(shí)際例證。

3.1 凸模與凸模固定板

圖2所示是墊板沖壓件，工藝要求沖出2個(gè)孔。按照模具設(shè)計(jì)手冊(cè)沖小圓孔的凸模與凸模固定板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖3(a)和(b)所示，由于凸模在設(shè)計(jì)時(shí)有過(guò)渡的圓角，但凸模固定板相應(yīng)裝配處并未設(shè)計(jì)出倒角，所以裝配后的效果，如圖3(c)所示，是不容易達(dá)到平整的效果的，并且凸?？赡軙?huì)產(chǎn)生歪斜,使得沖出的沖壓件的孔難以達(dá)到精度要求。對(duì)此，改進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)只需在凸模固定板裝配平面處加工出倒角(圖4)或凸模加工出退刀槽(圖5)。這樣，凸模與凸模固定板裝配工藝就比較良好，相對(duì)而言就比較容易保證沖孔質(zhì)量。

圖2 墊板沖壓件Fig.2 Base plate stamping

圖3 凸模與凸模固定板裝配工藝不佳Fig.3 Undesirable assembly of punch and punch holder

圖4 有圓角凸模與凸模固定板裝配Fig.4 Assembly of punch and punch holder with fillet

圖5 退刀槽凸模與凸模固定板裝配Fig.5 Assembly of pun and punch holder with run-out groove

3.2 模具結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系

由于多孔沖孔的孔與孔之間有形狀、位置和尺寸的精度要求，如果空間位置足夠，為了安裝調(diào)試方便，凸模固定板要設(shè)計(jì)成盡可能將凸模分開(kāi)固定，同時(shí)凹模也要采用固定在凹模固定板中的方式，或者至少凸?；虬寄７珠_(kāi)固定。如圖2所示的墊板沖壓件，兩孔距離有尺寸精度要求，其凸模和凹?？捎?種設(shè)計(jì)方法，如圖6所示，相比較而言，圖6(a)凸模和凹模設(shè)計(jì)方法比較難保證安裝后達(dá)到孔距要求，而且凹模是整體凹模，磨損后修磨凹模須要修磨整個(gè)平面，修磨成本比較高。使用時(shí)間一長(zhǎng)，報(bào)廢也只能是整體凹模都報(bào)廢，因此只有在兩孔間距太小，無(wú)法分別安裝凸?；虬寄r(shí)才采用。如果兩孔距離有足夠的尺寸空間，圖6(d)的凸模和凹模設(shè)計(jì)方法最能保證安裝后達(dá)到孔距要求。圖6(b)和(c)的設(shè)計(jì)方法居于圖6(a)與(d)之間。學(xué)生一般能夠設(shè)計(jì)成圖6(a)結(jié)構(gòu)，雖然從結(jié)構(gòu)上看沒(méi)什么問(wèn)題，但若通過(guò)上述的分析來(lái)講清楚這幾種結(jié)構(gòu)的差異及優(yōu)劣，那么學(xué)生就能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工裝配有一個(gè)清晰的概念。

圖6 多孔沖孔凸、凹模安裝形式Fig.6 Assembly forms for punches and dies

3.3 考慮到模具安全生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)

1—上模板；2—導(dǎo)套；3—導(dǎo)柱；4—卸料螺釘；5—凸模墊板；6—凸模；7—凸模固定板；8—彈簧；9—壓料圈；10—下模板；11—凹模固定板；12—凹模；13—凹模墊板；14—下模墊板；15—定位銷(xiāo)。圖7 墊板沖孔模Fig.7 Base plate press-tools

圖2的墊板沖壓件，其沖孔模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示，學(xué)生一般將壓料圈設(shè)計(jì)成平板矩形，凹模固定板設(shè)計(jì)成矩形塊。分析后得知，雖然這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)什么問(wèn)題，但具體操作時(shí)，在上料和取件的過(guò)程中，操作者的手可能會(huì)誤入卸料板下方因受到壓料力而受傷。于是可在設(shè)計(jì)時(shí)稍加改進(jìn)零件的加工工藝，壓料圈和凹模固定板挖去一定材料，目的是給操作者在作業(yè)過(guò)程中留出手放入坯料和拿取工件的空間，避免接觸到壓料板這類(lèi)工件。這種改進(jìn)的工藝結(jié)構(gòu)不影響沖壓作業(yè)，反而會(huì)使操作更安全。這樣，改進(jìn)后的模具如圖8所示。在講解這個(gè)問(wèn)題時(shí)，可讓學(xué)生設(shè)想一下自己作為操作者的體會(huì)，其印象就會(huì)更加深刻。進(jìn)一步還可以考慮能夠提高生產(chǎn)效率的模具結(jié)構(gòu)，使沖孔和切斷同時(shí)進(jìn)行。原工藝安排在剪床上剪下塊料，剪床先剪下條料再剪成塊料，這樣做比較費(fèi)工時(shí)；現(xiàn)在改為在剪床上直接剪下條料即可，條料送入模具中，沖孔和塊料同時(shí)沖切完成(圖9)。

圖8 改進(jìn)的沖孔模具Fig.8 Improved base plate press-tools

圖9 考慮到生產(chǎn)效率后改進(jìn)的模具Fig.9 Improved press-tools with productivity concerns

3.4 排樣有利于沖壓作業(yè)的工藝設(shè)計(jì)

圖10 沖壓件Fig.10 Sheet metal workpiece

對(duì)于排樣設(shè)計(jì)，不但要考慮到排樣的經(jīng)濟(jì)性，還要考慮到?jīng)_壓作業(yè)人員的操作習(xí)慣和勞動(dòng)強(qiáng)度；手工操作時(shí)，板料送入、抽回不能往復(fù)多次，一般最多是兩次完成沖裁工作。即一次送料送入沖完后，轉(zhuǎn)向再?zèng)_一次。送入的條料長(zhǎng)度也要根據(jù)操作者能提起的重量來(lái)計(jì)算。如圖10的沖壓件，假設(shè)條料送入先從沖左邊開(kāi)始，沖裁完成后再翻轉(zhuǎn)一次接著沖右邊。如果按圖11(b)排樣，雖然材料利用率與圖11(a)相比有所提高，但需要翻轉(zhuǎn)3次操作才能完成。這樣就加重了操作的復(fù)雜程度，而沖壓作業(yè)強(qiáng)調(diào)愈簡(jiǎn)單愈好。無(wú)論模具設(shè)計(jì)制造得有多么復(fù)雜，提供給操作者的沖壓操作必須是最簡(jiǎn)單和最方便的，這也是模具設(shè)計(jì)、制造的一個(gè)最基本要求。 在講授這個(gè)問(wèn)題時(shí)可讓學(xué)生設(shè)想作為一名排樣員或操作者，設(shè)身處地思考一下模具設(shè)計(jì)者與操作者或排樣員的關(guān)系，那樣他們就會(huì)更重視此類(lèi)問(wèn)題。

通過(guò)上述講述，可以使學(xué)生形象又生動(dòng)地理解板料沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的相互關(guān)系等，從而避免傳統(tǒng)教學(xué)的不足，使學(xué)生容易理解，也能加深印象。學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上就能進(jìn)一步理解沖壓工藝及模設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的要求。

圖11 排樣與沖壓作業(yè)Fig.11 Blank layout and press-works

4 結(jié) 語(yǔ)

沖壓工藝分析和模具設(shè)計(jì)雖然能采用有限元分析技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)而分析得到比較可行的工藝方案和設(shè)計(jì)符合工藝要求的模具結(jié)構(gòu)[5];但是，它不能取代企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際加工制造、調(diào)試等后續(xù)工作。在講授沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)有限的課時(shí)里，教師雖然不能面面俱到地講到工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，但是通過(guò)以上實(shí)例的講授能對(duì)學(xué)生起到拋磚引玉的作用；并且，將模具結(jié)構(gòu)要求與工藝問(wèn)題結(jié)合起來(lái)考慮設(shè)計(jì)，會(huì)使沖壓工藝方案設(shè)計(jì)得更合理，模具結(jié)構(gòu)更完善，加工裝配更方便。

[1] 彭清和，周著學(xué)，何其明．《沖壓成型工藝及模具設(shè)計(jì)》課程理論與實(shí)踐結(jié)合教學(xué)探討[J]．機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2016，29(1)：113．

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Discussion on several technical problems in teaching of the course of press-works process and press-tools design

SHI Yuqing

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

In teaching the course of press-works process and press-tools design, construction designing tends to be overemphasized while manufacturing and assembling tend to be ignored. Through the case study of several technical problems in die manufacturing or assembling, teaching of construction designing is combined with technical design of press-tools, which facilitates students’ understanding of the abstract concepts in the course, broadens their perspectives, and mobilizes their learning enthusiasm. In this way, the students’ motivation of learning is greatly stimulated, which enhances the teaching quality and teaching effect.

press-works process and press-tools design; construction designing; technique; assembling; teaching method

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.014

2017-03-15

浙江科技學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(2013-k1)

施于慶(1959— )，男，浙江省杭州人，教授，碩士，主要從事板料成形研究。E-mail:syu163@163.com。

G642.0；TG386.32

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1671-8798(2017)03-0235-06