冲裁工艺方案的设计

第三节　冲裁工艺方案的设计

冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性，它包括冲裁件的形状结构、尺寸及其偏差以及外轮廓与孔(槽)、孔(槽)与孔(槽)之间的距离等因素。冲裁工艺方案合理与否，直接影响产品的质量、生产率和模具寿命，所以工艺方案设计模块是冲裁模CAD/ CAM系统的重要组成部分。

一、冲裁件的工艺性及检验

冲裁件图形输入计算机后，接下来的工作就是对冲裁件的工艺性进行检验，看其是否适合冲裁加工。

1．冲裁件的工艺性

冲裁件的工艺性主要包括冲裁件结构尺寸的工艺性以及冲裁件的精度和粗糙度两大方面。

(1)冲裁件结构尺寸的工艺性包括以下方面:

①冲裁件的形状尺寸尽可能设计得简单、对称，排样废料少。

②冲裁件各直线或曲线连接处应有适当的圆角过渡。

③冲裁件凸出或凹入部分的宽度不宜太小，避免狭槽。

④冲裁件孔径不宜过小。

⑤孔与孔之间、孔与边之间、边与边之间的距离不宜太小。

⑥弯曲或拉深件冲孔时，孔壁与直壁之间应保持一定距离。

(2)冲裁件的精度和粗糙度冲裁件内外形的经济精度不高于GB/T 180013—1998中规定的IT11级，一般要求落料件精度最好低于IT10级，冲孔件最好低于IT9级。冲裁件表面(剪断面)粗糙度R _a值一般在1．25μm以上。

2．冲裁件工艺性的检验

检验的实质是将冲裁件零件图中的圆角半径、冲孔直径、孔边距、孔间距、槽边距、槽间距、槽宽和悬臂等几何特征量与相应的工艺参数极限值进行比较，以确定零件是否适合冲裁加工。

工艺性判别的内容，是检查被冲零件的结构尺寸，如外形的小凸起、悬臂、圆角半径以及孔(槽)边距或间距、槽宽、环宽等尺寸是否在普通冲裁(或精冲)所允许的极限值内。手工设计时往往由人工逐个对照表格数值进行检查判断。在CAD系统中可以采用自动判别方法，也可采用交互式设计方法。自动识别的方法必须解决以下三个问题:要找出判别对象元素;需确定判断对象的性质，即属于孔间距、孔边距、槽宽等中的哪一类;求出其值并与允许的极限值进行比较。为此，可以采用多种方法，下面介绍一种工艺性判别的流程，如图3－5所示。

图3－5　工艺性判断流程

(1)选择判别对象元素采用搜索整个图形的方法。对于直线，以某一端点为圆心、某一常数为半径作一辅助圆，判断辅助圆和除线段本身以外的所有图形元素是否有交点或图形元素是否在辅助圆内，若有交点或在辅助圆内，则是判别对象元素。对于圆元素则是将其半径放大或缩小作辅助圆，判断所有图形元素(圆元素本身与相邻元素除外)是否和辅助圆有交点或在其内，这样即可找到判别对象元素。但要注意，在有关系的元素间可能有多余元素存在，要将其除去。

图3－6　线—线型

(2)找到判别对象元素后，利用事先确定的一套几何关系确定判别对象的性质。图3－6即为线—线型的几何模型。若零件图中直线与直线间关系是虚型，则判断其类型为窄槽;若是实型的开放型，则判断其类型为槽间距或槽边距，若是实型的封闭型，则判别为细颈或悬臂。利用同样原理可确定出圆—圆或圆—线的关系，即判别出孔间距、孔边距等。

(3)计算需要判别的量值，并与极限值进行比较。用解析几何的方法求出点与线、线与线、线与圆弧以及圆与圆间的最小距离，并与允许的极限值进行比较。

自动判别的方法需要从图形中搜索出判别对象及其性质，这种方法搜索量较大，为减少搜索时间，还可采用其他方法:一种是首先将图形外轮廓缩小、内轮廓放大，然后判断各元素间有无干涉，根据有干涉找出判别对象，进而确定其类别性质，并求出其最小距离，再与允许值比较就可以了;另一种方法是区域划分法，区域划分法是将图形分成多个区域，当孔(槽)与外形轮廓间的位置或孔与孔间的位置满足事先确定的位置条件时则进行判断，并求出其值，这样就避免了整体搜索，也就是不需要把冲裁件外形轮廓与各元素间的距离逐一求出，因此使程序的计算工作量大大减少。

二、毛坯排样的优化设计

毛坯的优化排样是冲裁模CAD中的一项重要内容。排样是指工件在条料上的排列方式，毛坯排样的目的在于寻求材料利用率最高的毛坯排列方案。在冲裁件的成本中材料费用占60%以上。工件的合理排样既可以提高材料的利用率，又便于模具制造和冲压操作。在大量生产中，即使将材料利用率提高1%，其经济效益也相当可观。因此，材料的经济利用是冲压生产中的一个重要课题。

人工排样一般难以获得最佳排样方案，这是因为工件的布置方案多种多样，要比较这些方案材料利用率的高低是手工计算所难以胜任的。另外，工件形状千差万别，单凭经验和直觉作出正确判断往往是困难的。计算机排样较之手工排样具有明显的优越性，可显著提高材料利用率。使用情况表明，计算机优化毛坯排样可使材料利用率提高3%～7%。

工件在条料上的排列形式有四类:普通单排、对头单排、普通双排、对头双排，如图3－7所示。每一类中，工件在条料上的倾斜角度可以任意变化，即排样角度变化范围为0°～180°。普通单、双排的两相邻图形位相相同，对头单、双排的两相邻图形位相相差180°。单排在一个步距中只出现一个工件，而双排则有两个工件。

图3－7　工件排样

工件在条料上的排样方案是多种多样的，要逐一比较其材料利用率是手工计算所不能胜任的，只有利用计算机设计才能实现优化排样。

1．计算机对排样的处理方法

计算机对排样的处理方法包括加密点逐步移动判定法、平行线分割一步平移法、函数优化法、人机交互动画寻优法以及其他几种算法。

排样在数学上是非线性规划问题，其目标函数为材料利用率，在不考虑整张板料上的裁料方式及条料长度的前提下有:

材料利用率ε=工作面积×排数/(进距×料宽)

当ε最大时，初步确定该排样方案最优。有两种方法:一个是采用常规的优化理论法，寻找(进距×料宽)的最小值;二是采用穷举法，逐一计算各种排样方案下的材料利用率，求出最大值。但在模具实际设计中是否采用据此获得的方案，还要视其他工艺因素而定，例如，弯曲时板材轧制的纹向、模具制造的难易、冲压操作的方便与否等。为了考虑搭边(排样零件之间的最小距离为搭边)，工件图外轮廓各边沿法线方向等距放大半个搭边值，在排样设计中，以这样的等距放大图代替原工件外轮廓图形。等距放大图之间在排样图上应相切，如图3－8所示。

图3－8　考虑搭边以后的排样图

带有小凹槽和凹形圆角的工件图，在等距放大时往往会出现边界交错的混乱状态，为此必须先进行该部分图形的简化——填平凹坑，如图3－9所示。

图3－9　图形简化——填平凹坑

2．排样优化设计程序原理

由于产品零件的复杂性，难以用一个统一的解析式表达排样问题的目标函数。所以，计算机辅助排样的方法虽然有很多种，但基本思想却是相同的，即从排列零件所有可能的方案中选出最优者来解决毛坯排样问题。

(1)加密点逐步移动判定法　就是用图形外轮廓上一系列等距密排的坐标点(称加密点)近似代表真实图形。某一工件倾斜角度下的排样进距是依据等距图逐步平移到刚好相切的位置来求得的。最佳排样方式和排样角度的确定是利用计算机快速运算的能力，用穷举法将各种排样方案的进距、料宽全部列出来进行比较。此方法的计算精度受加密点及移动步长大小的影响很大，若是为提高计算精度而增加加密点个数及缩小每次移动进距，会占用计算机过大的内存且计算机时过长。加密点逐步移动判定法中，移动是逐步进行的，即“走一步，判定一次”，因此运算速度很慢。

(2)平行线分割一步平移法　其基本思想是:通过对两相邻工件几何图形相互关系的分析，找出其平移量，实现一次移动成功。它的速度大大超过加密点逐步移动判定法，而且程序的容量也大大缩小。一步平移法仅能在条料送料方向上作简单的平移运算，它要求平移结果两相邻图形不交错、不重叠。它不能解决两图形套排的排样问题。

(3)函数式优化排样法　以穷举法为基础的逐步平移法和一步平移法等，都存在着运行时间长的缺点。函数式优化法根据工件在条料上排列时必须保持各个工件上任意一轴线相互平行的原理，根据所提出的影响材料利用率的各参数之间的函数关系式，利用网格优化法进行优化。其目标函数是材料利用率ε的极大化函数。函数式优化排样法的难点是由于工件几何形状的复杂性和多样性，使寻找计算材料利用率的精确通用表达式变得困难。

(4)人机交互动画寻优法　首先是输入工件图形，然后再通过键盘(或数字化仪、鼠标等)操作，实现图形上、下、左、右方向的平移，所移动步长及旋转角度由人工选定，得出初步合适的位置，然后由计算机运算，作少量调整得出精确值。在操作过程中，还可输入冲压工艺约束条件。在移动图形时，同时伴随着用程序计算两图形之间的最小距离，若它大于规定的搭边值，则程序可算出继续平移的步长。这种排样方法的特点是速度快、直观，但优化效果受操作者的经验限制，操作者的判断能力不同，排样优化程度不同，得到的排样图也不一样。

三、压力中心及压力机的选用

为保证压力机和模具正常工作，特别是保持压力机导轨的均匀磨损，必须使冲模的压力中心与压力机的滑块中心重合。

冲裁时所需的总压力包括冲裁力、卸料力、自凹模型腔中顺着冲裁方向推出工件或废料所需的推件力，以及自凹模型腔中逆着冲裁方向弹顶出工件或废料所需的推件力。实际计算时应根据具体情况区别对待。

冲裁时压力机的选用一般应满足以下条件:

(1)压力机额定吨位不小于总压力。

(2)压力机最小闭合高度小于模具闭合高度。

(3)压力机最大闭合高度大于模具闭合高度。

当压力机最小闭合高度大于模具闭合高度时，可以加上适中的垫板。

常用压力机技术参数存储在数据库中，供程序检索。

四、冲裁工艺方案的选择

工艺方案选择的合理与否直接影响到产品的质量、生产率以及模具寿命，因此选择冲裁工艺方案是冲裁模CAD/CAM系统的重要功能。冲裁工艺方案设计的主要内容包括选择模具类型(即选用单冲模、连续模还是复合模)，以及确定单冲模和连续模的工步与顺序。

工艺方案的选择由计算机判断时，必须首先建立设计模型，根据生产中的实际经验，总结出工艺方案选择的判断依据。工艺方案的选择应遵循以下原则:

(1)冲件的尺寸精度　当冲件内孔与外形或内孔间定位尺寸精度要求较高时，应尽可能采用复合模，这是因为复合模冲出的制件精度高。

(2)冲件的形状与尺寸　当制件的厚度大于5 mm，外形尺寸大于250 mm时，不适于采用连续模，因为不仅冲裁力大而且模具结构尺寸也大。当冲件的孔或槽间(边)距太小或悬臂既窄又长时，因不能保证复合模的凸凹模强度，故应采用单冲或连续模。

(3)生产批量　由于连续模、复合模的生产率高，对中、大批量生产的冲件，宜采用连续模和复合模。

(4)模具加工条件　由于复合模和连续模结构复杂，对加工技术水平及设备条件均要求较高。

(5)凸模安装位置　冲孔凸模安装位置如果发生干涉，不宜采用复合模。

上述准则中，有的可以采用数学模型描述，有的则不便于用数学模型描述。比如:(1)、(2)、(5)条可以用数学模型描述;(3)、(4)条不便于用数学模型描述。能采用数学模型描述的，就可建立相应的数学模型，采用搜索与图形类比方法，由计算机从产品的图形信息中自动求出产品的最大外形尺寸、尺寸精度，判断孔或槽间(边)距是否满足要求，凸模安装位置是否发生干涉，从而确定采用的工艺方案。对于不便采用数学模型描述的，可采用人机对话的方式，由用户根据生产实际情况作出判断。

五、连续模的工步设计

连续模是在压力机的一次行程中，在不同工位上完成多道工序的模具。工步设计是连续模设计的核心问题，直接影响模具的结构和质量。在设计连续模时，首先进行工步设计，包括确定工步数、安排工序顺序和设计定位装置等。在工步设计时，须综合考虑材料利用率、尺寸精度、模具结构与强度，以及冲切废料等问题。

1．连续冲裁模的工步设计应遵循的原则

(1)为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步冲出。

(2)有相对位置精度要求的轮廓尽量安排在同一工步上冲出。

(3)对于形状复杂的零件，有时通过冲切废料得到工件轮廓形状。

(4)为保证凹模、卸料板的强度和凸模的安装位置，必要时可增加空工步。

(5)落料安排在最后工序。

(6)为减小模具尺寸，并使压力中心与模具中心尽量接近，将较大的轮廓安排在前面的工步。

(7)设计合适的定位装置，以保证送料精度。

2．工步设计过程

连续冲裁模的工步设计过程可用图3－10所示的流程图表示，其步骤如下:

图3－10　工步设计流程图

(1)输入冲裁件几何模型和优化的毛坯排样方案。

(2)搜索确定定位尺寸有精度要求的内轮廓，形成位置精度关系矩阵。

(3)确定是否采用冲切废料方式冲出零件轮廓。为保证凸模和凹模强度，对过长的悬臂和窄槽，可以采用冲切废料的方式冲出零件轮廓。有许多尺寸小、形状复杂的零件，只有用冲切废料的方法才能冲出。程序设计可按局部废料、对称双排套裁废料和完全冲废料三种情况处理，如图3－11所示。

图3－11　三种形式的废料

(4)自动排序时，尽量将有位置精度要求的轮廓分配在同一工步。对于相互干涉的轮廓，自动排序时需将其分配在不同工步。冲定位孔的工步放在开始位置。除完全冲废料的情况外，落料工步一般安排在最后。为了使压力中心和模具中心尽量接近，并减小模具尺寸，在工步排序时将轮廓周长较大的排列在前面的工步。

(5)调整修改设计结果。由于影响工步设计的因素很多，并且有些因素(例如生产条件、模具加工能力等)难以定量描述，所以完全依靠自动设计，有时会产生与实际条件不相容的设计结果。因此，工步自动安排完毕后，将条料排样图显示在屏幕上，用户可操纵光标移动轮廓形状，改变轮廓组合，设置空工步，增加工步数，直至获得满意的工步设计。