第1課 1課時 設計師職業知識——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 模具設計基礎知識

1．制造技術

模具制造技術現代化是模具工業發展的基礎。隨著科學技術的發展，計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正不斷向傳統制造技術滲透、交叉、融合，對其實施改造，形成先進的制造技術。新型沖壓模內攻牙技術，使不少沖壓廠家為了降低成本，引起了一股搶購熱潮。

模具先進制造技術的發展主要體現在以下幾方面。

1）高速銑削加工

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

●高效。高速銑削的主軸轉速一般為15000～40000 r/min，最高可達100000 r/min。在切削鋼時，其切削速度約為400 m/min，比傳統的銑削加工高5～10倍；在加工模具型腔時與傳統的加工方法（傳統銑削、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。

●高的表面質量。由于高速銑削時工件溫升?。s為3℃），故表面沒有變質層及微裂紋，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60 HRC。

鑒于高速加工具備上述優點，所以高速加工在模具制造中得到廣泛應用，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成加工，是電火花加工技術的重大發展，這是一種替代傳統用成型電極加工模具型腔的新技術。像數控銑削加工一樣，電火花銑削加工采用高速旋轉的桿狀電極對工件進行二維或三維輪廓加工，無須制造復雜、昂貴的成型電極。日本三菱公司推出的EDSCAN8E電火花創成加工機床，配置有電極損耗自動補償系統、CAD/CAM集成系統、在線自動測量系統和動態仿真系統，體現了當今電火花創成加工機床的水平。

3）慢走絲線切割技術

數控慢走絲線切割技術發展水平已相當高，功能也很完善，自動化程度已達到無人看管運行的程度。最大切割速度已達300mm2/min，加工精度可達到±1.5m，加工表面粗糙度Ra為0.1～0.2m。直徑為0.03～0.1mm細絲線切割技術的開發，可實現凹凸模的一次切割完成，并可進行0.04mm的窄槽及半徑0.02mm內圓角的切割加工。錐度切割技術已能進行30°以上錐度的精密加工。

4）磨削及拋光加工技術

磨削及拋光加工由于精度高、表面質量好、表面粗糙度值低等特點，在精密模具加工中廣泛應用。精密模具制造廣泛使用數控成型磨床、數控光學曲線磨床、數控連續軌跡坐標磨床及自動拋光機等先進設備和技術。

2．數控測量

產品結構的復雜，必然導致模具零件形狀的復雜。傳統的幾何檢測手段已無法適應模具的生產?，F代模具制造已廣泛使用三坐標數控測量機進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展。三坐標數控測量機除了能高精度地測量復雜曲面的數據外，其良好的溫度補償裝置、可靠的抗振保護能力、嚴密的除塵措施以及簡便的操作步驟，使得現場自動化檢測成為可能。

模具先進制造技術的應用改變了傳統制模技術模具質量依賴于人為因素、不易控制的狀況，使得模具質量依賴于物化因素，整體水平容易控制，模具再現能力強。

3．模具CAD/CAM技術

計算機技術、機械設計與制造技術的迅速發展和有機結合，形成了計算機輔助設計與計算機輔助制造（CAD/CAM）這一新型技術。

CAD/CAM是改造傳統模具生產方式的關鍵技術，是一項高科技、高效益的系統工程，它以計算機軟件的形式為用戶提供一種有效的輔助工具，使工程技術人員能借助計算機對產品、模具結構、成型工藝、數控加工及成本等進行設計和優化。模具CAD/CAM能顯著縮短模具設計及制造周期、降低生產成本、提高產品質量已成為人們的共識。

隨著功能強大的專業軟件和高效集成制造設備的出現，以三維造型為基礎、基于并行工程（CE）的模具CAD/CAM技術正成為發展方向，它能實現面向制造和裝配的設計，實現成型過程的模擬和數控加工過程的仿真，使設計、制造一體化。

快速經濟制模技術為了適應工業生產中多品種、小批量生產的需要，加快模具的制造速度，降低模具生產成本，開發和應用快速經濟制模技術越來越受到人們的重視?？焖俳洕颇＜夹g主要有低熔點合金制模技術、鋅基合金制模技術、環氧樹脂制模技術、噴涂成型制模技術、疊層鋼板制模技術等。應用快速經濟制模技術制造模具，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%）、降低模具生產成本（比普通鋼模制造成本降低60%～80%），在工業生產中取得了顯著的經濟效益，對提高新產品的開發速度，促進生產的發展有著非常重要的作用。

4．發展現狀及技術趨勢

改革開放以來，隨著國民經濟的高速發展，市場對模具的需求量不斷增長。模具工業一直以15%左右的增長速度快速發展。模具工業企業的所有制成分也發生了巨大變化，除了國有專業模具廠外，集體、合資、獨資和私營也得到了快速發展。浙江寧波和黃巖地區的“模具之鄉”；廣東一些大集團公司和迅速崛起的鄉鎮企業，科龍、美的、康佳等集團紛紛建立了自己的模具制造中心；中外合資和外商獨資的模具企業現已有幾千家。隨著與國際接軌的腳步不斷加快，市場競爭的日益加劇，人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一。許多模具企業加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業發展的重要動力。一些國內模具企業已普及了二維CAD，并陸續開始使用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，個別廠家還引進了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、Optris和MAGMASOFT等CAE軟件，并成功應用于沖壓模的設計中。

以汽車覆蓋件模具為代表的大型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機構和大專院校開展模具技術的研究和開發。經過多年的努力，在模具CAD/CAE/CAM技術方面取得了顯著進步；在提高模具質量和縮短模具設計制造周期等方面做出了貢獻。

模具技術的發展應該適應模具產品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。

1）全面推廣CAD/CAM/CAE技術

模具CAD/CAM/CAE技術是模具設計制造的發展方向。隨著微機軟件的發展和進步，普及CAD/CAM/CAE技術的條件已基本成熟，各企業將加大CAD/CAM技術培訓和技術服務的力度；進一步擴大CAE技術的應用范圍。計算機和網絡的發展正使CAD/CAM/CAE技術跨地區、跨企業、跨院所地在整個行業中推廣成為可能，實現技術資源的重新整合，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、熱變形小等優點。高速銑削加工技術的發展，對汽車、家電行業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、集成化方向發展。

3）模具掃描及數字化系統

高速掃描機和模具掃描系統提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能，大大縮短了模具的研制周期。有些快速掃描系統，可快速安裝在已有的數控銑床及加工中心上，實現快速數據采集、自動生成各種不同數控系統的加工程序、不同格式的CAD數據，用于模具制造業的“逆向工程”。模具掃描系統已在汽車、摩托車、家電等行業得到成功應用。

4）電火花銑削加工

電火花銑削加工技術也稱為電火花創成加工技術，這是一種替代傳統的用成型電極加工型腔的新技術，它是由高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數控銑一樣），因此不再需要制造復雜的成型電極，這顯然是電火花成型加工領域的重大發展。國外已有使用這種技術的機床在模具加工中應用，預計這一技術將得到發展。

5）提高模具標準化程度

我國模具標準化程度正在不斷提高，目前我國模具標準件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發達國家一般為80%左右。

6）優質材料及先進表面處理技術

選用優質鋼材和應用相應的表面處理技術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揮模具鋼材料性能是關鍵。模具熱處理的發展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善還應發展工藝先進的氣相沉積（TiN、TiC等）、等離子噴涂等技術。

7）模具研磨拋光將自動化、智能化

模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質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有手工操作，以提高模具表面質量是重要的發展趨勢。

8）模具自動加工系統的發展

模具自動加工系統應有多臺機床合理組合；配有隨行定位夾具或定位盤；有完整的機具、刀具數控庫；有完整的數控柔性同步系統；有質量監測控制系統。

2.1.2 模具設計工具概述

SolidWorks本身提供了【模具工具】工具欄來進行模具設計。如圖2-2所示，【模具工具】工具欄包含了用于模具設計的常用工具按鈕。這些命令也可以通過菜單來實現，選擇【插入】│【模具】菜單命令，如圖2-3所示?？偟膩碚f，SolidWorks提供了4種類型的工具集合用于模具設計，即曲面工具、分析診斷工具、修正工具和分模工具。

SolidWorks模具工具的設計初衷遵循典型的模具設計任務，并提供了方案和功能幫助完成這些任務。任務類別如下。

（1）程序任務。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。診斷工具用于顯示模型上有問題的區域。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。修正工具用于修正診斷工具發現的缺陷，如曲面間隙。

（4）管理任務。管理工具用于管理模型，確保設計者、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

一般來說，使用SolidWorks進行模具設計包含以下幾個部分的任務。同時，SolidWorks提供了相關程序工具用于生成模具。

1）導入零件至SolidWorks

使用不是由SolidWorks生成的模型時，將零件輸入SolidWorks。使用【輸入/輸出】工具將模型從另一應用程序輸入到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】選項可以分色顯示正拔模面、負拔模面、拔模不充分的面和跨立面的面數；【逐漸過渡】選項可以隨著拔模角度在每個面中的變化，顯示拔模角度。

3）檢查底切區域

使用【底切分析】工具設置分析參數和顏色設定，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域。

4）縮放模型

用【比例縮放】工具調整模型幾何體的大小，考慮的是塑料冷卻時的收縮因素。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）修補破孔

生成關閉曲面對模型的通孔進行修補，從而防止型芯與型腔之間發生滲漏。檢查可能的孔組，然后用【關閉曲面】工具將它們自動修補。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。無填充選項用于排除一個或多個破孔，最后手動或自動生成其關閉曲面。隨后就可以生成型腔與型芯。

7）創建分型面

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至正確位置?？梢允褂谩厩邢鞣指睢抗ぞ咧械摹具B鎖曲面】自動選項，或者使用【直紋曲面】工具生成連鎖曲面。

9）進行切削分割

執行切削分割以產生型腔與型芯。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）創建型芯

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

2．診斷任務

1）輸入零件的完整性

確認輸入零件的完整性。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）來診斷并修復輸入的特征上的間隙和壞面。使用【愈合邊線】來修復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。對于有較嚴重缺陷的模型，SolidWorks應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，或位于實體上的任何邊線上?？梢苑治龌谘剡吘€所選的范例點數。

3）檢查底切區域

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域。此類區域需要一種叫“側型芯”的結構以減少底切。側型芯在模具打開時會從模具中抽出。

4）分析縫合面操作失敗的原因

某些復雜的模型可能要使用建模技術（如填充曲面）將替換面與恰當的曲面區域對接。當縫合這些曲面時，可能會因為面與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間內填充；

●評估所產生零件的品質；

●優化澆注口的位置。

SolidWorks模具工具提供了MoldflowXpress分析向導，可以根據幾何體、材質、溫度和澆注口位置對塑料零件及其模具進行分析。

3．修正任務

完成對產品模型上有問題的區域做出診斷后，需要根據診斷結果做出進一步的修正。

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】工具修復間隙和壞面。如果間隙對于診斷工具來說過于嚴重，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：在現有的模型邊線、草圖或曲線定義的邊界內構生成帶任何邊數的曲面來進行修補。

●【替換面】工具：使用新的曲面實體來替換曲面或實體中的面。

●【移動面】工具：直接在實體或曲面模型上等距、平移以及旋轉面和特征。

●【刪除面】工具：刪除和修補，即從曲面實體或實體中刪除一個面，并自動修補和剪裁實體；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，必要時使用引導曲線。

●【放樣曲面】工具：使用現有輪廓生成曲面放樣，必要時使用引導曲線。

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?？p合面通常與其他建模操作一起將新的曲面添加到現有的零件上。

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】工具應用拔模從而把面旋轉到指定的拔模角度?？梢允褂肧olidWorks曲面技術應用拔模。運用SolidWorks曲面技術可以通過用正確的拔模角度構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。