工艺技术_金属端子连续冲模之设计

金属端子连续冲模之设计模具工業可稱之為工業產品之母，因為除了傳統工業產品需借助模具，才能快速、精確、或自動的生產外，目前的高科技產品也不例外。台灣的模具工業緣起於民國七十年代，並在我國出口導向之產業經濟主導之下，於七十五年產值已躍登世界第五位，但隨後因東南亞、大陸等地的競爭，及我國高科技產品亦開始萌芽，為因應需求與面對競爭，模具除了被要求高精度、高可靠度、高壽命之外，更被要求快速交貨；這些要求使得大多數規模小、人力不足、資源有限的模具業者面臨最嚴苛的挑戰。連續沖模（Progressive dies）是一種模具結構名稱，基本上可解釋為：沖壓零件無法由沖孔、彎形或引伸模等，其中任一種沖壓模具在一次沖壓過程中完成成品，而必須由多套模具或多套工程來完成沖壓時，將這多道工程，或多套模具所應具備的各種結構零件設計在同一道模具內，使這套模具在連續沖壓過程中，完成該成品謂之。連續沖模可定義為：將兩套以上的單獨工程沖壓模具，以數學的方法計算依序排列，並配合自動化設計，使各單獨工程合而為連續且整體的模具結構。而模具一方面在高壓下連續使用，溫度劇烈上昇，另一方面又受很大的衝擊與摩擦，因此沖床使用之模具材料，也占極重因素，應具備的條件有以下幾點：1 1 耐磨耗性高 6硬度大2 2 韌性(耐沖擊性)大 7脫碳少3 3 經熱處理變形小 8價格低4 4 淬火性良好 9熱處理簡單5 5 切削性良好所以連續沖模應考慮好各種因素，才能設計出一副經濟又實用的良好模子，也很適合大量生產，所以探討的比較深入，且希望能夠更了解到加工程序之佈置與發展趨勢。一、前言以往由於模具構造較簡易，模具工廠大多依據資深人員所繪製之草圖來加工模具零件，有關模具設計、構想模具結構細節及模具組裝程序皆無完整的圖面資料和作業說明，委外加工或自行加工有問題時，幾乎完全依賴資深人員或老師傅以口頭方式加以說明。而連續模具之採用原則有適應大量生產之需求、工程安排比較容易、具有經濟性、緩和引伸加工材料的加工硬化和具有操作安全性；連續沖模的使用限制有產品數量的考慮、產品形狀的限制、不適於製造精度公差較高之製品、不適於製造會產生殘留應變之製品、指定毛頭方向之製品有時無法加工和成品材質及適用壓床之限制。且目前沖壓模具之構造傾向複雜化，一副模具所包含的模具元件種類和數目亦很多，假使依照舊有方式進行模具之加工及組裝，不僅在零件及組裝方面會產生嚴重的問題，而且在往後之模具維護及保養上將因缺乏正確的圖面資料以供基準而陷入動彈不得之因境。亦即沖壓模具設計圖之要求完整性將是模具工廠的必要作業。一般工廠用AUTO CAD，但我們使用Pro/ENGINEER軟體來繪製我們的模具圖，因為Pro/ENGINEER軟體由一個圖檔儲存一個零件，而最後可叫出全部的檔案，將其組成組合圖，較其它軟體使用上方便。 Pro/ENGINEER 對於傳統機械設計工作來說無疑有相當大的助益，因為Pro/ENGINEER中的參數不只代表設計物件的外觀相關尺寸，並代表具有物理意義之參數，這些參數式設計的功能不但改便變了設計的觀念並且將設計的便利性推進一大步。 Pro/ENGINEER參數式設計之特性有以下兩點：1、 1、 3D實體模型3D實體模型除了可以將使用者的設計概念以最真實的模型在電腦上呈現出來，也因為系統預設參數，使用者可隨時計算出產品之體積、面積等，用以了解產品之真實性，並補足傳統面架構、線架構之不足。使用者在產品設計的過程中，可以把握以上重點，設計物理參數，並減少許多人為計算時間。2、單一資料庫Pro/ENGINEER可隨時由3D實體模型產生2D工程圖，而且自動標示工程圖尺寸，不論在3D或2D圖形上作尺寸修正時，其相關之2D圖形或3D實體模型均自動修改，同時組立、製造等相關設計也會自動修改，如此可確保資料之正確性，並避免反覆修正之耗時性，由於採單一資料庫，提供了所謂雙向關連性的功能，此種功能正也符合了現代產業中所謂的同步工程觀念。二、設計原理2-1關於Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER最大的特點在於它採用單一資料庫的設計，且是一種相關性的軟體。由於Pro/ENINGEER中所有的模組完全互相連接，因此在開發產品的過程中，設計者在任何時候所做的變更，都會擴展到整個設計中，自動更新零件、組合、工程圖等模組中所有2D與3D的尺寸與工程文件，如此可確保資料的正確性，避免反覆修正需花費的時間。這種功能也正符合了現代產業中所謂的同步工程(Concurrent Engineering)的觀念。至於Pro/ENGINEER在機械設計上能縮短多少時間呢？我們可由以下的流程表來做比較: 模流分析模具設計組立圖零件圖爆炸圖Prototype模具發包 10天 15天 7天 30天 14天 30天 表2-1 使用2-D的軟體進行機械設計組立圖5天15天 零件圖7天爆炸圖3天15天7天Prototype模具發包模流分析模具設計表2-2 使用Pro/ENGINEER進行機械設計 由表2-1與表2-2可以發現使用Pro/ENGINEER進行機械設計僅需花費52天，比起使用傳統2D軟體的106天整整節省了一半的時間。Pro/ENGINEER對產品開發的助益有很多，例如：保證圖面及3D實體模型的正確性、用3D Layout可確保設計品質及問題之排除、同步工程的架構可縮短設計變更時間、可自動生產2D工程圖面及組合爆炸圖，縮短設計時間；及可縮短開發與建模時間等等，都是其優點。所以本組選擇Pro/ENGINEER來繪製這組模具。2-2連續沖模的工程設計市面上使用很多連續沖模所生產的製品，例如從細小的電子、電器等零件，到中、大型的汽車及飛機上的零件。而沖壓製品的形狀種類繁多，各種沖模加工的工程亦有差異，要想對連續沖模擬定一套標準設計步驟並非易事。一般設計連續沖模應考慮工程設計的步驟可分為五大項目： (1)依圖樣進行瞭解、分析，並作初步規畫。(2)依製品的需求，考慮引導定位的問題。(3)依製品的形狀要求，考慮沖頭、模塊的設計問題。(4)依經濟的原則，考慮製品的料條佈置。(5)考慮各種加工的因素。2-3連續模具之採用原則連續模具之選用上需加以特別慎重考慮金屬加工製品之數量問題。儘管製品形狀或要求精度會影響到產品製造難易度及模具之結構，而使適用模具之價格發生相當幅度之差異，以及機械之加工速度等因素都會左右產品數量基準。然而在一般情況下，連續模具之採用標準通常最少都在20000件至30000件左右。因此，在連續模具之設計、製造及訂購之計劃階段，首先應將利用連續模具施行連續作業與利用單站模具在普通壓床上進行多次加工之經濟效益做詳細分析、評估與比較，藉以做為採用的依據。以下為連續模之採用原則：（1）適應大量生產之需求連續沖模生產速度高於其它任何作業方式及加工型態。若以曲軸沖床每分鐘沖壓次數，其每日產量可達30000150000件。（2）工程安排比較容易此類模具適當分解成簡單之形狀，分別安排在不同之工作站，將可避免模具構造之脆弱部份而增長壽命。（3）具有經濟性連續沖模的加工可以節省加工材料、減少操作管理、搬運等人工以及場地的佔用面積，故富有經濟性。（4）緩和引伸加工材料的加工硬化在連續沖模中施行引伸加工時可將引伸率增高而增加引伸次數，以緩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）具有操作安全性連續沖模係自動化的沖模，在加工中不需要手工操作，無傷害人體之可能性。當送料機發生故障或其他意外事件發生時，沖床可以立即停止動作，避免沖頭遭受損毀。2-4連續沖模的標準件 連續沖模的結構絕大部分的零件均與下料沖孔、剪斷、引伸相同。目前已經標準化的零件尚不多，有待工業界尤其是模具工業的努力儘早的統一規劃，設計更精準，用途更廣的標準化零件。（1）標準沖頭：工業界均使用標準圓形沖頭，加以修改成所需的沖子形狀，一般使用沖子成形器（Punch former）來研磨所需形狀尺寸。（2）標準圓孔下模導管：常用的導管是下模也已經製成標準零件。（3）模座：模座也是標準零件，有關模座的形式可分為四種：a. BB型：兩枝導桿排列在模座的後排。b. CB型：兩枝導桿排列在模座的中排。c. DB型：兩枝導桿排列在模座的對角方向。d. FB型：四枝導桿分別排列在模座的四角。（4）模柄：模柄的功能在於方便上模模座及零件，固定在沖床沖枕下，一般的情形，約在25噸左右還可以使用模柄。他不但方便於操作者裝換模具，而有足夠的力量將模座固定妥當，使模具在正常情形下做生產的工作。2-5料條使用率 連續沖模的料條安排是十分重要的，尤其沖壓成品的材料成本，幾乎佔直接成本的80情況下，如果料條佈置不妥當，可能使成品的單價提高許多，相對的利潤減少很多，如何使成本降低而且不影響沖壓過程，是設計者應特別注意的問題。材料使用率簡單的說就是製造沖壓成品所需要的材料，能在最少的廢料情況下完成沖壓成品，也就是說以相同的材料面積或重量，利用數學計算或幾何圖形安排，使能得到更多數量的成品，可以使用下式來計算。材料使用率=沖壓成品的總面積或總重量/材料總面積或總重量100 材料由捲料或板料裁成材料時，應計算材料使用率；成品在料條上的安排也應妥為計劃，成品排列方法不同，其料條使用率會有很大的出入，也會影響沖壓的成本。2-5.1料條框、料寬、橋帶及邊繫帶 料條框的選擇關係料寬的尺寸，大部分成品的模具設計，其料條框的尺寸，相當於橋帶與邊繫帶。所謂橋帶與邊繫帶，是指連續沖壓模具由多工程模具設計成整體的一套模具結構，當工程進行沖壓過程，在尚未完全完成沖壓成品，也就是未剪斷成品之前，所有工程均靠邊繫帶或橋帶來作送料；簡單的說就是連續沖模中聯繫各工程的材料部分，稱為邊繫帶或橋帶。 橋帶是指料條中間設計成送料的部分者，有單橋帶、雙橋帶等，若送料的部分設計在兩邊者稱為邊繫帶，有單邊的邊繫帶也有雙邊的邊繫帶，可能情況下應盡量以橋帶來取代邊繫帶，因為橋帶的送料較邊繫帶方式設計來的穩當，若能同時使用橋帶和邊繫帶則會更為理想。料條框與料寬的選擇計算，關係材料送料強度、成品、沖壓過程變形問題等因素，故料框的計算也十分重要。表2-3是料框與料寬選擇或計算的依據。 形狀曲線部（R為1.5mm或2t以上）銳角部（R為1.5mm或以下） 直線部或平行部 條送料方向A 料寬方向B送料方向A料寬方向B送料方向A料寬方向B製品大小A1最小值（mm）B1最小值（mm）A21 A22 B21 B22A3最小值（mm） B3最小值（mm） 25 0.7 t 0.6 0.8 t 0.8 1.5A1 1.3A1 1.5B1 1.3B1 0.8 t 1.0 1.0 t 1.225 75 1 t 0.8 1.2 t 1.2 1.5A1 1.3A1 1.5B1 1.3B1 1.0 t 1.2 1.2 t 1.675150 1.2 t 1.2 1.4 t 1.8 1.5A1 1.3A1 1.5B1 1.3B1 1.2 t 1.5 1.5 t 2.0150250 1.3 t 1.8 1.6 t 2.4 1.5A1 1.3A1 1.5B1 1.3B1 1.5 t 2.0 1.7 t 2.5250400 1.5 t 2.4 1.8 t 3.0 1.5A1 1.3A1 1.5B1 1.3B1 1.7 t 2.5 2.0 t 3.0 表2-3 料寬與料寬的選擇數據表2-3中 A21表示送料方向尖端應具備的距離。 A22、B22表示料框與料寬尖端應具備的距離。 t 表示厚度。 B21表示兩列或兩列以上成品並列時，料寬方向應具備的距離。使用表2-3應注意以下幾點：（1）多列的料條佈置時應增加3050的寬度。（2）對於塑膠或纖維材料應增加20的距離。（3）對於矽鋼片應增加50的距離。2-5.2料片尺寸之精度 沖壓成品的精度除特殊加工方法外，有一定範圍，所謂特殊加工方法是指精密下料，或者是料片沖成成品之後預留尺寸再作第二次的整修沖壓，此類方法的加工成品尺寸精度可較一般的沖壓下料來的精密，約可達一般沖壓加工公差的1/2精密度。何以沖壓成品的尺寸精度有一定範圍?其原因除了模具本身精度無法完全控制以外，另有兩種原因：一是下料成品沖壓時在模穴中受擠壓，當成型之後脫離模穴時，料片的周圍材料會稍微向外擴張；二是模穴的側面與成品在沖壓過程中因摩擦力的關係，側面摩擦力正好與沖頭下壓力量產生力矩作用，當成品完全沖剪脫離模穴時，力矩會消失，料片會使因力矩產生稍微變形部分恢復平坦狀態，而使成品尺寸略為增大。 由於上述情形，沖壓成品的下料或沖孔尺寸，會稍有變化，孔的部分會略為變小，下料料片尺寸會略為增大，至於實際變化的大小視成品面積大小而異，面積愈大變化愈大，反之愈小，大型成品可能變化至0.05mm，而小型成品則約在0.005mm左右；沖壓理論上，沖孔的孔徑應與沖頭尺寸一樣，下料料片則與下模尺寸相同，但仍有上述變化的情形，也因此在下料沖孔的尺寸給予一定範圍的允許公差。2-5.3成品料條的佈置如何安排成品在料條上之方向要以材料之使用率，沖頭與下模之設計以及各工作站之加工因素等均為考慮的要項。成品在料條之列數同樣地也需考慮材料之使用率外，尚須考慮生產量以及沖模在加工中受力是否均勻，在影響模具精度與壽命。因此，模具構造上之問題，唯料條佈置排列設計，需仰賴技術與經驗之累積，甚為重要，今就料條佈置所涉及考慮之因素加以說明：（1）決定送料長度送料長度L等於成品展開之長度P與料橋寬度A之和，L=P+A。（2）決定料橋、邊繫帶之尺寸，以確定料條寬度連續沖模各站沖壓加工有賴於料條之傳遞，料條上設有料橋及邊繫帶，以連繫與傳遞料條上未完成之成品(半成品)。橋帶位於料條之兩半成品中間部份，而邊繫帶位於料條之單邊或雙邊，由料橋與邊繫帶組合成料條框，料橋及邊繫帶之寬度視料條移動定位時是否會變形而定，而料條框之大小關係料寬的尺寸。2-6 下模塊的分割 下模塊分割主要的目的在於使複雜形狀的下模塊經幾何圖形的切割，或多塊簡單形狀的單純圓弧或直線，以方便於磨床，事實上因為傳統加工方式的突破，如放電加工、CNC線切割加工的發明而使下模塊使用分割方式加工的情形減到最低的程度，但線切割或放電加工的加工側面長無法達到一定的粗糙度，較精密的零件還是需要使用分割方式以研磨來完成下模塊，換句話說因為線切割或放電加工的表面較粗糙，如果需要較精細或壽命需求較嚴格的情況下，常無法達到要求。使用下模塊分割方式還有一個優點，就是銳角成品其下模易損壞，以及應考慮加工時的方便，如前所述，應設法設計零件成為單純的圓弧或直線。2-7線切割加工 線切割加工的原理與放電加工幾乎完全相同，就是利用火花熔蝕的原理；當電流正負極接近至一定適當的距離時，通以適當的電流使產生高熱以火花熔蝕工作物。放電加工是使欲加工的形狀尺寸相差放電間隙的電極來加工，也就是製作形狀與被加工件相同，但尺寸略小的電極來通以電流產生火花熔蝕，並利用電子元件的功能控制被加工件單方熔蝕，而電極保持原狀的加工方法。 線切割加工的電極與放電加工的電極不同，放電加工需事先製作形狀與被加工形狀相同的電極，而線切割卻只用銅線，銅線的直徑很小約為0.05mm0.20mm，通常使用0.20mm者佔絕大部分。加工的形狀是由CNC數值控制線切割加工機的床台，依加工形狀的軌跡移動切割出來的。 通常線切割加工所使用的銅線電極只使用一次，故切割的模穴尺寸十分精確，也不容易有模穴側壁錐度現象發生，當然在線切割的工作範圍中切割錐度或斜面也是可以的；放電加工因為有電極消耗的因素，或放電過程中排渣不良的情形，而使加工的模穴側壁產生錐度或斜面。 線切割放電加工的優點可以敘述如下：（1）線切割可以節省電極製作的時間。（2）線切割的精度較為準確，且可做形狀較複雜的加工。（3）只要圖形能會出來，程式可以設計便可加工。（4）線切割可以同時做垂直面與斜面，對於下模刀口的製作十分理想。（5）加工速度較放電加工快，因為加工面面積較小。但線切割加工也有其加工限制：（1）放電加工可以製造盲孔的模穴，而線切割加工一定要盲孔才能加工。（2）工作物的輪廓形狀可由線切割或放電加工，但底部形狀線切割無法完成，其原理同上所述。（3）線切割在加工前一定先鑽小孔做穿電極線使用，而放電加工可直接加工。2-7.1線切割加工與傳統下模塊分割法比較採用線切割加工法來設計下模塊，可以節省下模分割在研磨的時間，甚至可以增加強度，而且線切割做下模塊時，如果事先考慮模具維修更換問題，同樣可以達到分割法的優點，因此除非特別要求模具壽命與成品精密度時，線切割的加工來製造下模或沖頭夾板、剝料板等都比下模分割法來的經濟且理想。而且在連續沖模的設計上，節距或進級的準確度會更高，也就是每站間的距離會更精確。使用線切割製作沖模時，通常只要做剝料板的加工程式即可，上沖夾板與下模板在切割時可以線切割的刀具補償（Off set）來補正即可，十分的方便。2-8加工零件材料重量之計算 沖壓件的加工材料其成本佔直接成本近80，因此材料本身重量的估計，廢料所佔的比例（也就是材料使用率）對於設計者，或生產廠商在成本計算上有相當大的影響；對於材料重量的計算並不是很困難的問題，事實上只要計算出該成本的面積或體積，再乘以比重便可以了。 複雜形狀的沖壓件，應先將材料的展開尺寸計算出來，並繪成圖形，再將展開圖形，分割成容易計算的簡單圖形，如長方形、方形、圓形、梯形等，再將所有的面積加起來便是體積，體積再乘以該材質的比重就可以算出材料的重量。 公式：材料重量 = 體積材質比重。三、製作過程3-1繪製連續沖模的步驟連續沖模的設計步驟較一般模具複雜且富變化，所以應具備各種沖壓工程的設計能力，且需將各種沖壓工程合併一起運用融會貫通，此以下頁流程圖的方式介紹其設計步驟。步驟1. 料條佈置 步驟2. 繪製下模塊部分 步驟3. 繪製沖頭 步驟4. 繪製沖頭沖孔 步驟5. 繪製沖頭固定版 步驟6. 繪製先導桿 步驟7. 繪製扶料架及導件(靠欄) 步驟8. 繪製自動定位裝置 步驟9. 繪製脫料板(剝料板) 步驟10. 繪製固定螺栓與固定銷 步驟11. 繪製完成組合圖 *其中之步驟皆須考慮加工程序，如有不妥可重新探討並修訂。*3-2繪製連續沖模 1、計算展開尺寸並繪製展開圖。展開圖的繪製及計算首先應將彎形部份的詳圖繪出。 2、繪製料條佈置圖。連續模具設計的成敗由料條佈置圖可以看出端倪。 3、繪製零件圖。 零件圖的繪製應從料條佈置的工程步驟次序著手進行。 (1)下模塊的設計 (2)繪製沖頭夾板沖頭夾板應配合下模塊，應注意剪斷間隙及滑配間隙。 (3)剝料板的繪製剝料板的繪製應注意的是讓位的尺寸及深度應有足夠的間隙。 (4)沖頭的繪製4、繪製組合圖將各零件圖繪好之後再進行設計組合圖，但有時也先繪組合圖再繪零件圖，視情況而調整。3-3連續沖模設計流程圖繪製組合圖考慮模具加工因素1、 1、 料條使用率2、 2、 計算工程數3、 3、 橋帶、邊繫帶設計4、 4、 定位設計5、 5、 送料設計6、 6、 送料長度7、 7、工程順序安排1、 1、 昇料板2、 2、 昇料銷3、 3、 昇料桿4、 4、 自動送料5、 5、剝料壓料板計算沖壓力量分割式線切割式繪製零件圖送料、頂料方式繪製料條佈置圖計算展開尺寸並繪製展開圖檢查零件圖是否無誤選擇模具零件組合方式檢查是否與零件圖不衝突完成設計3-4組合操作步驟(1) 建立三個基準面，建立基準面的目的在於方便在組合模組中利用 Feature 選單進行特徵的建立與調整。 (2) 在 Assembly 選單中，選擇 Component 以加入一個零組。 (3) 選擇 Separate Window 以將組合件顯示在一獨立的視窗中，並給定拘束條件選擇 Add 以給定新的拘束條件，點選 Constraint Type 以變更拘束條件的形式。(4) 決定拘束條件形式後，分別指定組合件與被組合件上的參考特徵，進行組合時需給三個拘束條件才能完全拘束，所以需重複步驟(3)與步驟(4)分別加入新拘束條件，當 Placement Status 出現完全拘束訊息後，可點選最下方的 Preview 預覽組合結果。(5) 若欲加入其他零組件以進行組合，重複步驟(2)到步驟(4) 。3-5爆炸圖的建立View 選單中有一個 Explode 指令，完成組裝後若欲建立爆炸圖可直接點選 View 選單中的 Explode 選項，若要回複再點選 View 選單中的 Unexplode 即可 (Explode 與 Unexplode 不會同時出現，一次只會出現一個) 爆炸圖中各零組件的位置是由 Pro/ENGINEER 內定的，因此各零組件間的相對位置不會符合使用者的要求。3-6建立爆炸圖的步驟（1）選Assembly選單中的 Explode State ，再點選 Create 並輸入一個名字以建立新的爆炸圖。（2）完成步驟(1)的設定後 Pro/ENGINEER會自動跳到 Position 選單中，此時則需先定義零組件移動的方向。（3）設定好移動方向之後,接下來要做的是設定零組件的移動方式。（4）重複以上步驟即可自行定義所有零組件在爆炸圖中的位置。3-7建立工程圖完成零件的繪製後，利用 Drawing 模組可建立三視圖、剖面圖、細部放大圖等工程圖，藉由適當的工程圖，產品設計師可正確闡述設計意念，加強與其他工程師間的溝通，以避免錯誤產生，由於 Pro/ENGINEER 是建立在單一資料庫架構，因此在建立工程圖時若對尺寸修改，相關的零件組合件，製造等模式下的模型也會隨之改變。 四.完成結果4-1零件表零件編號 零件名稱零件編號 零件名稱零件編號 零件名稱零件編號 零件名稱 01成品 19 引導沖 37脫料板入子 55脫料板入子 02 套筒 20 套筒 38脫料板入子 56 下模座 03 導柱 21 下模入子 39脫料板入子 57 沖子 04導柱 22 沖子 40 下模墊板 58 沖子 05導柱 23 沖子 41 下模入子 59下模入子 06套筒 24 沖子 42 沖子 60下模入子 07套筒 25脫料板入子 43上模墊板 61 上模座 08 彈簧 26 上模板 44模仁 62下模入子 09 下模板 27 脫料板 45 下模入子 63脫料板入子 10 下模板 28 脫料板 46 沖子 64上模座蓋板 11 導料板 29 下模入子 47脫料板入子 65 沖子 12 導料板 30 沖子 48 下模入子 66上模組合圖 13 導料板 31脫料板入子 49 背墊板 67下模組合圖 14 蓋版 32夾板 50下模入子