USB插座外壳冲压工艺分析与级进模设计.pdf

1 8 模具工业 2 0 1 0 年第3 6 卷第2 期 U S B插座外壳冲压工艺分析与级进模设计 严智勇 上海莫仕连接器有限公司 上海2 0 0 1 3 1 摘要 分析了u 插座外壳的工艺性 介绍了模具排样方案 确定 了 模具总体结构和关键工位的详细结 构设计 实践证明 模具设计合理 结构可靠 通过桥式成形能保证零件质量 满足高速大量生产要求 关键词 U 级进模 桥 式成形 铆合 中图分类号 T G 3 8 6 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 0 0 2 0 0 1 8 0 6 An a l y s is o f s t a m p in g p r o ce s s a nd d e s ig n o f p r o g r e s s iv e d ie f o r US B s o ck e t h o u s ing YA N Z h i y o n g Mo l e x I n t e r co n n e ct S h a n g h a i C o L t d S h a n g h a i 2 0 0 1 3 1 C h i n a Ab s t r a ct A p l a n o f t h e g e n e r a l s t r u ct u r e o f a p r o g r e s s i v e d i e f o r a US B s o ck e t h o u s i n g a n d i t s k e y o p e r a t in g p os itio n s we r e d e t e r mi n e d b a s e d o n a n a l y s is o n t h e ma n u f a ct u mb i l it y o f t h e p r o d u ct 1 1 l a y O u t d e s i g n wa s p r e s e n ted Wi t h a b fi t y p e f o r mi n g p r o ce s s t h e d i e r u n s r e l i a b l y a n d e ff ici e r l C I y Ke y wo r d s Us B p r o g r e s s i v e d i e b ri d g e t y p e for mi n g r iv e t in g 1 零件分析 随着信息产业的发展 个人电子消费品越来越 普及 作为电子连接器U 接口 集充电 数据传 输 音视频采集于一体 其应用也越来越广泛 图 1 所示 为 双 层 I S B插 座 外 壳 材 料为 不 锈 钢 S 3 0 4 1 2 H 料厚 0 3 0 n l T l 大批量生产 要求零件 表面光滑无毛刺 具有 良好的外观质量 不能有刮 伤 折裂等缺陷 经对零件几何形状分析 冲压工艺 包括下料 窄缝冲裁 复杂弯曲成形和框口铆合成 形 零件形状复杂 尺寸 位置精度要求高 除了保 证图中尺寸公差外 未注公差要求 0 0 8 n m 其中 两侧 2 5 0 i iiI i宽的 S T A N DO F F 高度 9 9 0 0 5 l a l 麟脚的间距 l 2 8 0 0 5 m和框口内尺寸都是 装配及功能性尺寸 需重点确保 成形后零件框口 不能变形 外凸或内凹 铆合不能出现铆接不良 零 件要求通过跌落试验 从 h n 高度自由落体 跌落 3 次不能弹开 中间的 8 处小弹片属于窄板折弯 内 层材料切向受压缩 板宽增加 外层材料切向受拉 伸 板宽收缩 因此内 外层表面会发生微小的翘 曲 板宽两侧形成尖点 U 插头在插拔时易被尖 收稿日期 2 0 0 9 0 8 1 8 o 作者简介 严智勇 1 9 7 6 男 安徽铜陵人 工程师 主要从事 模具设计与制造工作 地址 上海市外高桥保税区英伦路8 8 9 号 上海莫仕连接器有限公司研发中心 电话 1 5 8 0 1 7 0 7 4 6 0 o g 子 信箱 t l r z y y a h o o co rn cn 点刮伤 模具设计时应采取措施解决 零件本身是 中空结构的壳体 呈口字形 给模具设计带来很大的 困难 如何实现将模具的上 下运动转换成中空结构 成形并确保送料顺畅 满足量产要求是本模具设计 的核心 2 冲压工艺分析与排样设计 经分析 U S B 插座外壳折弯内径R 0 3 0 r r I n 与 料厚的比值为 1 满足不锈钢折弯性能要求 不会发 生折裂现象 不用优化处理 根据金属材料折弯前 后中性层长度不变原理 展开零件形状如图2 所 示 展开后零件不仅有多处u形冲切下料 还有2 处 方孔下料 多处窄缝冲裁 模具设计时应充分考虑 凸 凹模强度进行分割设计 并做好防跳屑处理 由 于插座外壳框 口正面设计有翻边 条料连接只能设 计在对应的背面 为了提高送料稳定性 载体与零 件之间的连接强度应尽可能做大 但过长的连接在 冲预断 V O J T 时 容易产生金属丝 脱落会导致电 子器件短路 综合考虑两方面因素 载体连接分成 两段 连接长度做短 距离尽量拉开 图3 中零件与 载体的连接是优化后的结构方式 零件的送料方式有 3 种 如图 3 所示 图3 a 为 横向送料 优点是料宽可以选窄 框口折弯线垂直于 材料轧制方向 折弯性能好 但缺点也很明显 排样 步距大 模具将会很长 约在 l 8 0 0 i i l l l 很多通用机 模具工业 2 0 1 0 年 第 3 6卷 第2期 1 9 1 4 5 1 兽I 兽 图 l U S B插座外壳 台将无法使用 零件与条料单侧连接 送料不稳定 易侧翻 模具折弯成形复杂 框口需要设计滑块折 弯成形 滑块行程大于 1 7 3 7 n l T l 造成模具复杂 化 图 3 b 为纵向拉料 由于条料本身是被冲床送 料机构推着送料 拉料不具备优势 同时条料冲切 面毛刺容易钩住浮料块或成形镶件 导致送料不 顺 折弯若有少许变形 便会发生卡料 图 3 c 纵向 推料 优点是零件步距小 模具可以设计得很短 框 口折弯平行于送料方向 易送料 脱模方便 框口前 端是翻边 送料时容易从模具表面顺畅滑过 可以 提高模具工作速度 综合比较 图 3 c 是最优方 案 由于零件是关于中心轴对称 设计成直排双连 条料 推进送料 载体在两边 平稳托起零件 送料 顺畅 两边都设计有定位孔 定位精度高 可保证送 料的稳定性与刚性 缺点是材料利用率不高 图 2 零件展开图 l 匿 l 叶 l习 l I 送料方向 l 一 I 图 3 条料的 3 种送料方式 级进模排样设计是非常关键的一步 排样设计 好了 模具结构也就基本定下来 因此排样时需要综 合考虑送料方向 接刀形式 顺序 成形动作顺序 凸 凹模强度以及浮料 定位 卸料等因素 并根据级 进模冲压工艺特点 合理分解每一步 将每一工序安 排在合适的位置 并有目的地预留些空工位 经过 反复对比验证 U 插座外壳选用 6 6 r r lT l 宽条料 步 距 2 5 r n 详细的冲压工艺过程为 冲定位工艺孔 和预断线逃料孔及内轮廓两方孔 冲 4 处U形槽 模具工业 2 0 1 0 年第3 6 卷第2 期 冲 4 处 n 形槽 压平 4 处U形槽弹片的下料毛 刺 并倒角处理 防止折弯后形成尖点 拉伤U S B 插 头 冲2 处u形槽 冲内轮廓 切出S T A N 0 I 形状 切开t D3 K 脚 切出两端外形及燕尾 形状 切出框口形状 对框口进行翻边处理 空工位 折弯 6 处小弹片 折弯剩下的 4 处小弹 片 将 s I j 0 I下折弯到 9 o 成形 将剩余的内 轮廓余料冲掉 调整 H O O K脚的高低 并冲出零 件与载体之间的预断线 冲预断线没有排在模具入 口处是为了避免产生金属丝残留 预折凸端燕 尾 翘起 2 0 防止铆合时凸 凹燕尾相撞导致铆合 不良 折出框口 外端 9 0 成形 调整两端 9 0 成 形角度 预折框口内侧成形到 4 5 空工位 采用桥式成形 完成框 口内侧 9 0 成形 形成中空结 构的框口 桥固定住框口内形 上 下模夹紧零件 外形 在燕尾槽处通过点挤压材料变形完成插座外 壳的铆接紧固 具体排样方案如图 4 所示 3 模具结构设计 根据排样图 细化模具工作零件和成形工位 设置模具紧固件 导向件 卸料件和浮料件 添加必 要的零件成形避空空间 完成图 5 所示模具结构设 计 模具长 6 5 0 m 宽 3 2 fir m 由于 沿插座外壳 体积较大 需要设计的避空深度达到 1 6 r r m以上 为 了保证多数浮料成形镶件在浮起时导向可靠 导向 端有效长度应大于 1 0 i L i 因此凹模固定板厚度设 计为 3 0 m 满足避空和导向要求 模具高度 2 3 5 m m 能够在瑞士 B R L D E R E R机台上调试生产 模具内所有上 下模板均分割成 2 块加工装配 这主要是因为 6 5 0 r i l lq 长的模板加工不方便 容 易翘曲 变形 分成 2 块加工可以有效保证厚度均匀 性和大面的平行度 条料在模具内受力均匀 分开 冲裁工位和成形工位可防止折弯工位在成形时产生 侧向力导致模板轻微失稳 冲裁凸模被卡住合模时 易折断 上 下模板分别用 1 2 n l n销钉定位于模座上 M1 0 n m螺钉紧固 卸料板垫板用 4 r rm销钉定位于 卸料板 可防止错位过多 影响凸模穿过卸料板垫 板 为了保证定位精度 所有销钉孔以导柱导套孔 为基准加工 上 下模座 4 个角分别设计有 3 2 r r m l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 l 1 l 2 量 5 言 一 言 o r 一 o r 重 量 c 重 重 1 日 口至 至 口言 口 口宝口至 口 口 口 口 5 c 5 5 暑 里 虐 虐 匿 匿A c c c J C c e o L o L l j I j U I 一 l 3 l 4 l 5 l 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 蹲 琶 隅 r J L O 厂 j J I I C J J 癌 翘 口 a 口 O O J 1 J o I l C 回口 图 4 排样图 模具工业 2 0 1 0年 第 3 6卷第 2期 2 1 滚珠导柱导套组件 保证模架导向平稳 刚性好 精 度高 前 后两组模板各设计 4 组内导向滚珠导柱 保证凸 凹模刃口间隙均匀 并将其中一组导向组 件位置设计偏置 5 1 0 mIl 确保模具合模方向唯 一 防止误合模导致整副模具报废 模具进口 处设计有初始导料板 以保证条料进 入模具的位置准确 由于料厚 O 3 0 IT IT I 相对于 6 6 i l ii l 的条料宽度 具有足够的支撑刚性 模具内在条 料两侧设计有 2 排浮料导正销 并尽可能靠近每一 处定位销 目的有三 托起条料 保证条料送进时 不与下模干涉 送进平稳 对条料进行粗定位 保 证送料不发生偏移 靠近定位销是为了脱料方 便 防止定位销将条料带起 发生变形 为了保证零件精度 控制毛刺 维修方便 所有 凸 凹模刃口全部设计为镶拼结构 为了防止误装 配 凹模 卸料镶件其中一角进行 0 1 0 in 倒角处 理 并与模板框口0 1 2 m 倒角对应 确保装配方向 唯一 节省装配过程中反复确认的时间 实行 傻瓜 化作业 防止误装配导致模具零件报废 凹模镶件 根据刃口形状设计 若壁厚过大 将影响模板强度 多占用工位 增大模具尺寸 若过小 刃口强度弱 容 易破碎 根据经验 取壁厚 4 m 可以兼顾模板与镶 件强度 凹模镶件周围呈 L 形镶拼 2 件镶块 底部设 计有保养孔 方便拆模维护 为了尽量缩小模具尺 寸 有些需分开设计的工位整合成 1 个工位 为了保 证强度 降低维护成本 凸 凹模还需要根据各自的 l 9 2 O 2 J 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 审 审 冒 晷 誊 冈 吕 图 5 模具结构 1 上模座 2 凸模垫板3 凸模固定板4 卸料板垫板5 卸料板6 初始导料板组件7 凹模固定板8 凹模垫 板9 下模座1 0 上 下限位柱1 1 跳屑检测块1 2 主导柱导套组件1 3 浮料导正销1 4 衬套型卸料螺栓组件 l 5 条料定位销l 6 快速模架定位销l 7 内导柱导套组件l 8 浮料销l 9 凸模垫板2 0 凸模固定板2 1 卸料 板垫板2 2 卸料板2 3 凹模固定板2 4 凹模垫板2 5 桥式成形零件2 6 卸料销及弹簧组件 模具工业 2 0 l 0 年第3 6 卷第2 期 强度分割加工 镶拼装配 如图6 所示 模具有多处 u形槽冲裁 若考虑刃口强度分成 2 次冲裁 会将模 具拉得很长 为了模具紧凑 现设计成在 1 个工位 冲裁 凸 凹模分别根据各自的强度采取不同的分 割模式 凸模分割成A B两片 既降低凸模加工难 度 也降低使用成本 若某个凸模发生崩碎 还有另 外半只可以继续使用 凹模若做成整体式 中间的u 形槽加工复杂 必须采用线切割加工成形 中间的 悬臂在生产中容易崩掉导致整个刃日报废 现分割 成 C D两片 加工简单 通过研磨即可实现 且零件 强度高 即使发生悬臂断裂 另一半刃口还可继续 使用 A E三 A B B巨三 图 6 U形槽下料凸 凹模分割方式 插座外壳中间的 8 处弹片属于窄板折弯 折弯 后截面会发生畸变 如图7 所示 内外层表面发生 微小的翘曲 形成尖点 L E B插拔时容易拉伤插头表 面 工位4 对弹片做折弯前预防处理 对弹片两侧 进行倒角 抵消折弯后的翘曲 折弯后没有尖点 不 会拉伤插头表面 因弹片折弯属于 z 字形折弯 高低差不大 为 了模具结构紧凑 成形工序不做拆分 一次成形 计 算好每一处折弯点回弹角度便可保证尺寸 图7 窄板折弯截面畸变 4 关键工位设计 L E B插座外壳是个中空结构 其核心就是将插 座外壳从平面折成口字形 并铆接结实 模具在前 2 l 工位的成形属于普通级进模冲压 为了将零件从 2 2 工位的预成形折弯到位 模具在 2 3 工位设计了 1 个悬臂桥梁 通过桥梁将零件的中空框口形状固定 防止变形 桥墩设计在进料端 预成形零件可以无 障碍套进桥梁 出料端做成悬臂式 铆接后的零件可 以无干扰地从桥上滑过 如图8 所示 A 图 8 桥式成形及铆合 1 悬臂桥梁2 成形凸模3 卸料镶件 4 夹紧凹模5 铆点凹模 零件预成形后被送到 2 3 工位入位 模具闭合 凸模与桥梁组合成形 将框口折到位 呈口字形 如 图8 A A 所示 模具打开 零件套在桥上一起浮升 顺着桥的轮廓送入 2 4 工位 模具闭合 卸料镶件与 夹紧凹模将外框口形状固定 桥梁固定内框口 铆点 凹模挤压零件上的燕尾槽 材料发生塑性变形互相 咬死 保证铆合坚固 能通过跌落试验 模具打开 零件完全成形 从桥上滑过 送出模具 5 试模中出现的问题与解决方案 模具在调试时 零件主要出现三大问题 但通过 调模或修模都得到了妥善解决 1 铆接变形 错位或铆接不上 出现此问题是 由于两端的燕尾在最后折弯扣合时相撞造成的 因 此 在模具设计时需采取措施做预防处理 如图9 所 示 在工位 1 8 将凸端燕尾打一个 2 o 的翘起 保证框 口成形时不与凹端燕尾相撞 模具铆合时将凸燕尾 压入凹端 并挤压材料产生塑性变形 插座外壳在燕 尾处紧密铆接在一起 凸端翘起量的设计应考虑不 同材料 不同料厚取不同的值 取值范围在 1 0 2 0 模具工业 2 0 1 0 年第3 6 卷第2 期 过小会导致铆接不上 过大会导致铆点压料困难 图 9 凸端燕尾折起成形模拟示意图 图 1 O 燕尾及铆点标准化设计 2 铆合强度弱 也就是铆合后零件自动弹开 或者跌落试验时弹开 主要原因是燕尾槽的结合度 差 材料互相咬合度低 可以通过 3 个方面措施解 决 如图1 0 所示 燕尾的角度 a 尽量小 不要超过 6 0 保证材料在尖角处互相挤死咬