第1課 1課時(shí) 設(shè)計(jì)師職業(yè)知識——沖壓模具及原理

沖壓模具，是在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模具（俗稱冷沖模）。如圖2-1所示是典型的沖壓模具截面圖。

2.1.1 模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識

1．制造技術(shù)

模具制造技術(shù)現(xiàn)代化是模具工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)正不斷向傳統(tǒng)制造技術(shù)滲透、交叉、融合，對其實(shí)施改造，形成先進(jìn)的制造技術(shù)。新型沖壓模內(nèi)攻牙技術(shù)，使不少沖壓廠家為了降低成本，引起了一股搶購熱潮。

模具先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）高速銑削加工

普通銑削加工采用低的進(jìn)給速度和大的切削參數(shù)，而高速銑削加工則采用高的進(jìn)給速度和小的切削參數(shù)，高速銑削加工相對于普通銑削加工具有以下特點(diǎn)。

●高效。高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速一般為15000～40000 r/min，最高可達(dá)100000 r/min。在切削鋼時(shí)，其切削速度約為400 m/min，比傳統(tǒng)的銑削加工高5～10倍；在加工模具型腔時(shí)與傳統(tǒng)的加工方法（傳統(tǒng)銑削、電火花成型加工等）相比其效率提高4～5倍。

●高精度。高速銑削加工精度一般為10 m，有的精度更高。

●高的表面質(zhì)量。由于高速銑削時(shí)工件溫升小（約為3℃），故表面沒有變質(zhì)層及微裂紋，熱變形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1 m，減少了后續(xù)磨削及拋光的工作量。

●可加工高硬材料。可銑削50～54 HRC的鋼材，銑削的最高硬度可達(dá)60 HRC。

鑒于高速加工具備上述優(yōu)點(diǎn)，所以高速加工在模具制造中得到廣泛應(yīng)用，并逐步替代部分磨削加工和電加工。

2）電火花銑削加工

電火花銑削加工又稱電火花創(chuàng)成加工，是電火花加工技術(shù)的重大發(fā)展，這是一種替代傳統(tǒng)用成型電極加工模具型腔的新技術(shù)。像數(shù)控銑削加工一樣，電火花銑削加工采用高速旋轉(zhuǎn)的桿狀電極對工件進(jìn)行二維或三維輪廓加工，無須制造復(fù)雜、昂貴的成型電極。日本三菱公司推出的EDSCAN8E電火花創(chuàng)成加工機(jī)床，配置有電極損耗自動補(bǔ)償系統(tǒng)、CAD/CAM集成系統(tǒng)、在線自動測量系統(tǒng)和動態(tài)仿真系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今電火花創(chuàng)成加工機(jī)床的水平。

3）慢走絲線切割技術(shù)

數(shù)控慢走絲線切割技術(shù)發(fā)展水平已相當(dāng)高，功能也很完善，自動化程度已達(dá)到無人看管運(yùn)行的程度。最大切割速度已達(dá)300mm2/min，加工精度可達(dá)到±1.5m，加工表面粗糙度Ra為0.1～0.2m。直徑為0.03～0.1mm細(xì)絲線切割技術(shù)的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)凹凸模的一次切割完成，并可進(jìn)行0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內(nèi)圓角的切割加工。錐度切割技術(shù)已能進(jìn)行30°以上錐度的精密加工。

4）磨削及拋光加工技術(shù)

磨削及拋光加工由于精度高、表面質(zhì)量好、表面粗糙度值低等特點(diǎn)，在精密模具加工中廣泛應(yīng)用。精密模具制造廣泛使用數(shù)控成型磨床、數(shù)控光學(xué)曲線磨床、數(shù)控連續(xù)軌跡坐標(biāo)磨床及自動拋光機(jī)等先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。

2．?dāng)?shù)控測量

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，必然導(dǎo)致模具零件形狀的復(fù)雜。傳統(tǒng)的幾何檢測手段已無法適應(yīng)模具的生產(chǎn)。現(xiàn)代模具制造已廣泛使用三坐標(biāo)數(shù)控測量機(jī)進(jìn)行模具零件幾何量的測量，模具加工過程的檢測手段也取得了很大進(jìn)展。三坐標(biāo)數(shù)控測量機(jī)除了能高精度地測量復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)外，其良好的溫度補(bǔ)償裝置、可靠的抗振保護(hù)能力、嚴(yán)密的除塵措施以及簡便的操作步驟，使得現(xiàn)場自動化檢測成為可能。

模具先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)制模技術(shù)模具質(zhì)量依賴于人為因素、不易控制的狀況，使得模具質(zhì)量依賴于物化因素，整體水平容易控制，模具再現(xiàn)能力強(qiáng)。

3．模具CAD/CAM技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的迅速發(fā)展和有機(jī)結(jié)合，形成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）這一新型技術(shù)。

CAD/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)高科技、高效益的系統(tǒng)工程，它以計(jì)算機(jī)軟件的形式為用戶提供一種有效的輔助工具，使工程技術(shù)人員能借助計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成型工藝、數(shù)控加工及成本等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。模具CAD/CAM能顯著縮短模具設(shè)計(jì)及制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為人們的共識。

隨著功能強(qiáng)大的專業(yè)軟件和高效集成制造設(shè)備的出現(xiàn)，以三維造型為基礎(chǔ)、基于并行工程（CE）的模具CAD/CAM技術(shù)正成為發(fā)展方向，它能實(shí)現(xiàn)面向制造和裝配的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成型過程的模擬和數(shù)控加工過程的仿真，使設(shè)計(jì)、制造一體化。

快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中多品種、小批量生產(chǎn)的需要，加快模具的制造速度，降低模具生產(chǎn)成本，開發(fā)和應(yīng)用快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)越來越受到人們的重視。快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)主要有低熔點(diǎn)合金制模技術(shù)、鋅基合金制模技術(shù)、環(huán)氧樹脂制模技術(shù)、噴涂成型制模技術(shù)、疊層鋼板制模技術(shù)等。應(yīng)用快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)制造模具，能簡化模具制造工藝、縮短制造周期（比普通鋼模制造周期縮短70%～90%）、降低模具生產(chǎn)成本（比普通鋼模制造成本降低60%～80%），在工業(yè)生產(chǎn)中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，對提高新產(chǎn)品的開發(fā)速度，促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展有著非常重要的作用。

4．發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)趨勢

改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長。模具工業(yè)一直以15%左右的增長速度快速發(fā)展。模具工業(yè)企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化，除了國有專業(yè)模具廠外，集體、合資、獨(dú)資和私營也得到了快速發(fā)展。浙江寧波和黃巖地區(qū)的“模具之鄉(xiāng)”；廣東一些大集團(tuán)公司和迅速崛起的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，科龍、美的、康佳等集團(tuán)紛紛建立了自己的模具制造中心；中外合資和外商獨(dú)資的模具企業(yè)現(xiàn)已有幾千家。隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經(jīng)越來越認(rèn)識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎(chǔ)的要素之一。許多模具企業(yè)加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投資力度，將技術(shù)進(jìn)步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。一些國內(nèi)模具企業(yè)已普及了二維CAD，并陸續(xù)開始使用Pro/E、PDX、UG NX、NX Progressive Die Design、I-DEAS、Euclid-IS、Logopress3、3DQuickPress、MoldWorks和Topsolid Progress等國際通用軟件，個別廠家還引進(jìn)了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計(jì)中。

以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進(jìn)步，東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機(jī)構(gòu)和大專院校開展模具技術(shù)的研究和開發(fā)。經(jīng)過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步；在提高模具質(zhì)量和縮短模具設(shè)計(jì)制造周期等方面做出了貢獻(xiàn)。

模具技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該適應(yīng)模具產(chǎn)品“交貨期短”、“精度高”、“質(zhì)量好”、“價(jià)格低”的要求服務(wù)。

1）全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)

模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方向。隨著微機(jī)軟件的發(fā)展和進(jìn)步，普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件已基本成熟，各企業(yè)將加大CAD/CAM技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)的力度；進(jìn)一步擴(kuò)大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正使CAD/CAM/CAE技術(shù)跨地區(qū)、跨企業(yè)、跨院所地在整個行業(yè)中推廣成為可能，實(shí)現(xiàn)技術(shù)資源的重新整合，使虛擬制造成為可能。

2）高速銑削加工

國外發(fā)展的高速銑削加工，大幅度提高了加工效率，并可獲得極高的表面光潔度。另外，還可加工高硬度模塊，還具有溫升低、熱變形小等優(yōu)點(diǎn)。高速銑削加工技術(shù)的發(fā)展，對汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。它已向更高的敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。

3）模具掃描及數(shù)字化系統(tǒng)

高速掃描機(jī)和模具掃描系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙璧郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧闹T多功能，大大縮短了模具的研制周期。有些快速掃描系統(tǒng)，可快速安裝在已有的數(shù)控銑床及加工中心上，實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)采集、自動生成各種不同數(shù)控系統(tǒng)的加工程序、不同格式的CAD數(shù)據(jù)，用于模具制造業(yè)的“逆向工程”。模具掃描系統(tǒng)已在汽車、摩托車、家電等行業(yè)得到成功應(yīng)用。

4）電火花銑削加工

電火花銑削加工技術(shù)也稱為電火花創(chuàng)成加工技術(shù)，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術(shù)，它是由高速旋轉(zhuǎn)的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數(shù)控銑一樣），因此不再需要制造復(fù)雜的成型電極，這顯然是電火花成型加工領(lǐng)域的重大發(fā)展。國外已有使用這種技術(shù)的機(jī)床在模具加工中應(yīng)用，預(yù)計(jì)這一技術(shù)將得到發(fā)展。

5）提高模具標(biāo)準(zhǔn)化程度

我國模具標(biāo)準(zhǔn)化程度正在不斷提高，目前我國模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率已達(dá)到30%左右。國外發(fā)達(dá)國家一般為80%左右。

6）優(yōu)質(zhì)材料及先進(jìn)表面處理技術(shù)

選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應(yīng)用相應(yīng)的表面處理技術(shù)來提高模具的壽命十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發(fā)揮模具鋼材料性能是關(guān)鍵。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善還應(yīng)發(fā)展工藝先進(jìn)的氣相沉積（TiN、TiC等）、等離子噴涂等技術(shù)。

7）模具研磨拋光將自動化、智能化

模具表面的質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等方面均有較大的影響，研究自動化、智能化的研磨與拋光方法替代現(xiàn)有手工操作，以提高模具表面質(zhì)量是重要的發(fā)展趨勢。

8）模具自動加工系統(tǒng)的發(fā)展

模具自動加工系統(tǒng)應(yīng)有多臺機(jī)床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機(jī)具、刀具數(shù)控庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)。

2.1.2 模具設(shè)計(jì)工具概述

SolidWorks本身提供了【模具工具】工具欄來進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。如圖2-2所示，【模具工具】工具欄包含了用于模具設(shè)計(jì)的常用工具按鈕。這些命令也可以通過菜單來實(shí)現(xiàn)，選擇【插入】│【模具】菜單命令，如圖2-3所示。總的來說，SolidWorks提供了4種類型的工具集合用于模具設(shè)計(jì)，即曲面工具、分析診斷工具、修正工具和分模工具。

SolidWorks模具工具的設(shè)計(jì)初衷遵循典型的模具設(shè)計(jì)任務(wù)，并提供了方案和功能幫助完成這些任務(wù)。任務(wù)類別如下。

（1）程序任務(wù)。程序工具用于生成模具，提供能夠在不同階段顯示模型的工具。

（2）診斷任務(wù)。診斷工具用于顯示模型上有問題的區(qū)域。生成模具后，可以檢查模型是否存在潛在問題，可防止型芯和型腔分割。

（3）修正任務(wù)。修正工具用于修正診斷工具發(fā)現(xiàn)的缺陷，如曲面間隙。

（4）管理任務(wù)。管理工具用于管理模型，確保設(shè)計(jì)者、工程師、制造者和管理人員之間的信息流通和順暢。

1．程序任務(wù)

一般來說，使用SolidWorks進(jìn)行模具設(shè)計(jì)包含以下幾個部分的任務(wù)。同時(shí)，SolidWorks提供了相關(guān)程序工具用于生成模具。

1）導(dǎo)入零件至SolidWorks

使用不是由SolidWorks生成的模型時(shí)，將零件輸入SolidWorks。使用【輸入/輸出】工具將模型從另一應(yīng)用程序輸入到SolidWorks中。輸入零件中的模型幾何體可能會包括缺陷，如曲面之間的間隙。SolidWorks應(yīng)用程序包括一個針對這些問題的【輸入診斷】工具。

2）檢查模型是否有特征不能拔模

確定模型是否包括不能拔模的特征。這里包括輸入的和SolidWorks中構(gòu)建的模型。使用【拔模分析】工具檢查各個面以確保充分拔模。其他功能還有：【面分類】選項(xiàng)可以分色顯示正拔模面、負(fù)拔模面、拔模不充分的面和跨立面的面數(shù)；【逐漸過渡】選項(xiàng)可以隨著拔模角度在每個面中的變化，顯示拔模角度。

3）檢查底切區(qū)域

使用【底切分析】工具設(shè)置分析參數(shù)和顏色設(shè)定，以識別并直觀地顯示鑄模零件上可能會阻止零件從模具彈出的圍困區(qū)域。

4）縮放模型

用【比例縮放】工具調(diào)整模型幾何體的大小，考慮的是塑料冷卻時(shí)的收縮因素。對于畸形零件和玻璃填充塑料，可以指定非線性值。

5）創(chuàng)建分型線

選擇生成分型面的分型線。用【分型線】工具生成分型線，可以隨意圍繞模型選擇分型線。

6）修補(bǔ)破孔

生成關(guān)閉曲面對模型的通孔進(jìn)行修補(bǔ)，從而防止型芯與型腔之間發(fā)生滲漏。檢查可能的孔組，然后用【關(guān)閉曲面】工具將它們自動修補(bǔ)。此工具將生成曲面，可以使用【不填充】、【相觸】和【相切】來填充破孔。無填充選項(xiàng)用于排除一個或多個破孔，最后手動或自動生成其關(guān)閉曲面。隨后就可以生成型腔與型芯。

7）創(chuàng)建分型面

生成分型面，使用該面可以生成切削分割。使用【分型面】工具從先前生成的分型線處拉伸出曲面。這些曲面用于產(chǎn)生模具型腔幾何體和模具型芯幾何體。

8）添加互鎖曲面

添加互鎖曲面至模型。連鎖曲面以與垂直方向成5°錐形圍繞在分型面的周邊。如同所有的拔模面一般，連鎖曲面拔離于分型線。連鎖曲面主要用于在模具成型過程中將模具引導(dǎo)至正確位置。可以使用【切削分割】工具中的【連鎖曲面】自動選項(xiàng)，或者使用【直紋曲面】工具生成連鎖曲面。

9）進(jìn)行切削分割

執(zhí)行切削分割以產(chǎn)生型腔與型芯。用【切削分割】工具自動生成型腔和型芯。切削分割工具使用分型線、關(guān)閉曲面和分型面信息生成型腔和型芯，并可以指定塊的大小。

10）創(chuàng)建型芯

生成側(cè)型芯滑塊、內(nèi)抽芯和剪裁頂桿。使用【型芯】工具從實(shí)體中抽取幾何體來生成側(cè)型芯特征。除此之外，還可以生成內(nèi)抽芯和剪裁頂桿。

2．診斷任務(wù)

1）輸入零件的完整性

確認(rèn)輸入零件的完整性。對于輸入的零件或SolidWorks零件，可以使用【比例縮放】工具來做合法性檢查。使用【輸入診斷】工具（【插入】│【面】菜單命令）來診斷并修復(fù)輸入的特征上的間隙和壞面。使用【愈合邊線】來修復(fù)輸入特征上的短邊線。使用【檢查】工具（【工具】工具欄）來檢查輸入的模型。對于有較嚴(yán)重缺陷的模型，SolidWorks應(yīng)用程序提供了其他諸如【填充曲面】和【替換面】之類的工具。

2）確保面對之間的相切性

使用【誤差分析】工具計(jì)算面與面之間的角度，并測量其邊界。邊線可以是在曲面上的兩個面之間，或位于實(shí)體上的任何邊線上。可以分析基于沿邊線所選的范例點(diǎn)數(shù)。

3）檢查底切區(qū)域

使用【底切分析】工具（【視圖】│【顯示】菜單命令）查找模型中不能從模具中頂出的被圍困區(qū)域。此類區(qū)域需要一種叫“側(cè)型芯”的結(jié)構(gòu)以減少底切。側(cè)型芯在模具打開時(shí)會從模具中抽出。

4）分析縫合面操作失敗的原因

某些復(fù)雜的模型可能要使用建模技術(shù)（如填充曲面）將替換面與恰當(dāng)?shù)那鎱^(qū)域?qū)印．?dāng)縫合這些曲面時(shí)，可能會因?yàn)槊媾c面之間存在間隙或干涉而失敗。為了分析失敗的原因，可以使用【檢查】工具來對模型進(jìn)行檢查。

5）模具分析

分析塑料零件及其模具可以：

●檢查模具是否在允許的時(shí)間內(nèi)填充；

●評估所產(chǎn)生零件的品質(zhì)；

●優(yōu)化澆注口的位置。

SolidWorks模具工具提供了MoldflowXpress分析向?qū)В梢愿鶕?jù)幾何體、材質(zhì)、溫度和澆注口位置對塑料零件及其模具進(jìn)行分析。

3．修正任務(wù)

完成對產(chǎn)品模型上有問題的區(qū)域做出診斷后，需要根據(jù)診斷結(jié)果做出進(jìn)一步的修正。

1）修正輸入模型的缺陷

對于輸入的模型，可以使用【輸入診斷】工具修復(fù)間隙和壞面。如果間隙對于診斷工具來說過于嚴(yán)重，則采用其他解決方案，即使用SolidWorks提供的一系列曲面工具來修正模型中存在的缺陷，可以在【插入】│【曲面】菜單中找到。包括以下工具。

●【填充曲面】工具：在現(xiàn)有的模型邊線、草圖或曲線定義的邊界內(nèi)構(gòu)生成帶任何邊數(shù)的曲面來進(jìn)行修補(bǔ)。

●【替換面】工具：使用新的曲面實(shí)體來替換曲面或?qū)嶓w中的面。

●【移動面】工具：直接在實(shí)體或曲面模型上等距、平移以及旋轉(zhuǎn)面和特征。

●【刪除面】工具：刪除和修補(bǔ)，即從曲面實(shí)體或?qū)嶓w中刪除一個面，并自動修補(bǔ)和剪裁實(shí)體；刪除和填充，刪除面并生成單個面以封閉任何間隙。

●【掃描曲面】工具：從邊線開始生成曲面掃描，必要時(shí)使用引導(dǎo)曲線。

●【放樣曲面】工具：使用現(xiàn)有輪廓生成曲面放樣，必要時(shí)使用引導(dǎo)曲線。

2）縫合曲面

使用【縫合曲面】工具將兩個或多個面和曲面組合成一個。縫合面通常與其他建模操作一起將新的曲面添加到現(xiàn)有的零件上。

3）增加拔模

添加拔模到包含拔模角度不夠的面的模型。對于某些輸入的模型和SolidWorks構(gòu)建的模型，可以使用【拔模】工具來添加拔模。對于其他模型，需要移動或生成曲面才能更改拔模角度，例如，可以使用【移動面】工具應(yīng)用拔模從而把面旋轉(zhuǎn)到指定的拔模角度。可以使用SolidWorks曲面技術(shù)應(yīng)用拔模。運(yùn)用SolidWorks曲面技術(shù)可以通過用正確的拔模角度構(gòu)建新的曲面方式來更正拔模。還可以使用【替換面】工具將這些曲面合并到零件中。采用的曲面工具如下。

●【直紋曲面】工具：生成垂直于選定邊線或從該邊線拔錐的曲面。

●【填充曲面】工具、【掃描曲面】工具以及【放樣曲面】工具。

4）分割跨立面

使用【分割線】工具把所選的面分割為多個分離的面，這樣就可以分割零件并能夠生成分型線。使用【分型線】工具的【分割面】選項(xiàng)。