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冲压模具模块化创新之模具平台

已发表在《模具制造》,2014,08期:8-13

1. 背景介绍

作者在“论冲压模具的可持续发展” [1]一文中指出,随着人们对物质生活水平需求的不断提高和科技进步,产品的升级换代越发频繁,相关企业为了在激烈的市场竞争中抢得先机,不断追求缩短新产品的开发周期。许多机电产品单个机种的生产寿命已从上世纪8090年代的百万台以上,如CD机、VCD机、DVD机和电视机等家电产品,降低到现在的几万台甚至几千台,相应地制造产品的模具也会频繁更新换代;新产品量产导入周期(leadtime)也由以前的3-6个月缩短至现在的1-2个月。按照国际惯例,停止生产的机电产品,其模具需要妥善保存5-7年,以备偶尔生产少量维修配件之需,因此,除了模具废弃数量逐年增加以外,近十多年来相关工厂储存了大量已停产的模具。由于缺少互换性通用模块,模具废弃则意味着模具整体废弃,而模具的许多功能性元件和模块仍处于较完好状态,造成资源浪费十分严重。伴随着全球范围低碳经济和节能环保的要求日趋强烈,模具行业面临着可持续发展的需求 [1]

因此,模块化创新是冲压模具可持续发展创新体系的重要创新路径。“模具模块化就是将模具从功能、易损更换和可重复使用等方面对模具进行拆分和组合,具有提高模具制造效率、便于模具维护、节省模具材料和降低模具成本等优点”。[1]

本文讨论冲压模具模块化创新之模具平台——一种模块化、具有互换性、通用性和可持续性的模具压卸料装置。
2. 冲压模具的特点及存在问题分析

冲压加工一般是在常温下,利用压力机的压力,通过冲压模具对各种不同规格尺寸的材料进行冲裁和成型加工,制成所需要尺寸和形状的零件。

冲压模具一般由凸凹模、压(卸)料板、垫板、固定板、模座、垫铁、导柱及压卸料功能元件等构成。模具的压卸料功能通常由压(卸)料板以及模具中的弹性或压力元件来实现,其作用是在冲压作业开始时将模具中的材料压住,使材料在模具里保持一个正确和相同的位置,并且在冲压作业过程中提供足够大的压料力和卸料力,最终使冲裁、成型等加工作业能顺利、稳定的进行,因此模具的压卸料功能是冲压模具至关重要、并且必不可少的功能模块。

冲压模具的特点,即模具‘一模一样’,冲压产品不同则模具不同;各功能元件均为一对一配置,模具需要根据加工零件大小、冲压力载荷以及冲床的规格等条件来进行设计。冲压模具的压卸料功能元件通常置于模具里,这使得模具需要做到具有足够的厚度;少量弯曲模具外挂于下模座外,均为一对一配置,不具备互换功能。

目前常用的压卸料功能元件都是弹性元件,如优力胶、橡胶、金属弹簧和氮气弹簧等,其中优力胶、橡胶和金属弹簧的特点在于初始压力为零,压力大小与压缩量成正比,为了获得使用时的初始压力必须预压弹簧长度5-8%的压缩量,由于每种弹性元件的压缩量是一定的,如冲压模具中常用的重载荷弹簧SWB(日本MISUMI公司弹簧编号)类的有效压缩量是弹簧长度的20%,这就意味着SWB弹簧的使用压缩量大约是其长度的12-15%,而冲压模具的使用压缩量通常不少于7毫米,因此冲压模具使用的SWB弹簧长度通常大于50毫米;氮气弹簧是预置压缩氮气的单活塞杆气压缸,其优点在于初始压力较大,但其长度通常大于80毫米。这些压卸料功能元件置于模具的上下模里,模具需要设计达到一定厚度才能实现,其结果模具不仅显得笨重,而且浪费大量优质钢材。

在这样的背景之下,对模具企业而言,如何在保证模具质量的前提下降低模具的成本将会是一个挑战;再者,现在许多的产品开发周期进一步缩短,尤其以时尚电子产品为代表,模具企业将面临如何提升效率以缩短模具的设计和制造周期;第三,提高模具的可靠性、稳定性和安全性,避免模具时常不卸料、产品尺寸波动大、模具爆模以及人员工伤事故等情况的发生。

提高冲压产品精度和质量稳定性及提高模具安全性的有效方法是使模具拥有足够大的压(卸)料力。增加弹簧长度和增大预压力只能部分增大模具的压(卸)料力,并且使模具厚度相应增加,提高了模具成本。气垫(气缸)的出现和应用解决了提高下模压(卸)料力不足的问题,这类模具通常是向上弯曲模,但它解决不了上模压(卸)料力不足的问题,这类模具通常是冲裁模和向下弯曲模。氮气弹簧的出现和应用提高了模具的压(卸)料力,但其缺点是模具厚度进一步增加,并且加上其本身价格昂贵,经济性差,使得模具成本进一步提高。

综上所述,冲压模具亟待解决的问题有降低模具成本,缩短制模周期,提高模具的安全性、可靠性和稳定性,以及充分利用模具的功能性元件等。
3. 冲压模具压卸料功能模块化创新

冲压模具的模块化创新需考虑通用性、功能性、独立性、互换性、安全性、经济性和可持续性等几个方面的因素。

冲压模具的压卸料功能符合这些特征,因此可以实施模块化创新。

通过模具结构创新,对冲压模具进行系统重构。把现有冲压模具结构进行模块化拆分,变为‘通用标准化组件’+‘一模一样’结构,使‘一模一样’这部分的结构简化。模具中提供压(卸)料功能的弹性或压力元件一般有弹簧、优力胶或氮气弹簧等。通常情况下,压力元件是每个模具的组成部分,且每个模具使用的压力元件类型、数量都不相同。将现有冲压模具的压(卸)料功能元件和垫铁配高部分分离出来,组成为一种具有互换性的、通用独立的和可持续性的外置式冲压模具‘通用标准化组件’,我们将其命名为“模具平台”

如图1所示,模具平台主要由底座、卸料板、支撑柱、弹性或压力元件(弹簧或氮气弹簧)等部分组成。底座加工有U型安装槽,用于和冲床滑块(当模具平台在上模使用时)或工作台(当模具平台在下模使用时)连接。模具平台与模具连接有两种方式:一是通过模具平台内置的螺栓,锁到模具模座上相应的螺孔内(图2),该方式模具平台通常用于上模;二是通过模具平台两侧的T型槽,用T型螺栓螺母将模具和模具平台连接起来(图3),该方式模具平台通常用于下模。与传统的模具中压卸料功能相比,没有了模具里空间和厚度的限制,更多的弹性和压力元件可以被放置在模具平台内以增大压(卸)料力,可以从根本上解决上模或下模压卸料力不足的问题。

在模具平台的基础上,冲压模具系统将创新为‘模具平台’+‘新冲压模具’。新冲压模具里不再设置压卸料功能元件,模具的压卸料功能由模具的卸料板和模具平台的卸料板之间的传力顶杆完成。模具哪里需要压(卸)料力就在哪里设置一个传力顶杆。
4. 模具平台的作用
a. 降低模具成本

在模具平台的基础上,冲压模具的结构被简化,降低了模具的制造成本和储存成本。模具中无需再设置压卸料功能元件以及配高垫板;上模座(当模具平台在上模使用时)或下模座(当模具平台在下模使用时)的厚度将减小30-50%;模具平台可以替代上(下)模垫铁;减轻了模具的重量。

总体预估降低模具成本20-40%

b. 降低冲压生产成本

在模具对金属材料进行冲压加工的过程中,金属材料会发生分离、移动、扭曲和塑性变形等一系列复杂的变化,为了保证制品的尺寸和形状的稳定,需要足够大的压卸料力。模具从冲压开始到冲压结束过程中,压卸料力足够大且变化幅度尽可能小,尤其是在模具开始冲压时保持足够大的压卸料力,对于模具稳定生产非常重要。精密冲压产品要求的尺寸精度都很高,冲压生产在一定的时间段内是连续生产的,生产的批量大。如果因为模具不稳定,生产的产品中混有不良品,不管是选别还是废弃,都会导致冲压生产成本的增加,影响企业的竞争力。

对家电和IT等领域产品来说,大量薄板零件模具的特点是模具大而冲压力小,由于冲床的上滑块比下工作台小很多,导致模具不能安装在相应吨位的冲床上,而普遍存在模具安装在更大吨位冲床的情况。采用了模具平台后,由于是冲压模具与模具平台连接,平台再与冲床滑块连接,因此冲压薄板的大型模具可以安装在与冲裁力相匹配的小一级吨位冲床上。例如,250T冲床上使用的模具在采用模具平台后,可以安装在150T冲床上使用。

模具平台提供了足够大的压卸料力,解决了冲压模具因卸料力不足导致的损坏和维修,提高了模具冲压的稳定性和的生产效率,降低了模具的维修成本,减少了不良品发生的概率,从而降低冲压生产成本。

c. 缩短制模周期

由于模具结构的简化,缩短了模具设计时间(例如:在模具平台的基础上设计模具,对于压卸料功能的配置只需考虑顶杆的位置)及减少了制造工作量(例如:省去了垫板、垫铁和原模具中弹簧孔的加工),因此缩短了制模周期。

d. 提高模具的可靠性与安全性

如文章前面所分析,由于各种因素的限制,模具难以获得足够大的压卸料力,因此,模具存在可靠性与安全性隐患。

模具平台作为一个独立的压卸料功能装置,不受模具里空间的限制,其功能优势在于:一是可以布置更多的压力元件来增大压卸料力;二是压力元件(如弹簧)可以有较大的预压缩量,提高初始压力,使模具的压力曲线更平缓(见图4);三是可以获得更大的压缩行程,该项优势对拉伸和弯曲成型尤为重要。

模具平台解决了模具工作中卸料力不足导致的有时不卸料的难题,提高了冲压模具的稳定性和可靠性,从根本上解决了因模具不卸料而导致的冲压安全性问题。

e. 可持续性

作为具有互换性和可持续性的工艺装备,模具平台可以重复性地与近似大小的不同类型的模具搭接使用,不会随着模具的报废而报废。

f. 低碳环保
由于模具平台的使用,制造模具的钢材可以节省20-30%。 以2011年为例,2011年全国冲压模具消耗钢材约172万吨,推广使用模具平台,每年可节省钢材34.4-51.6万吨。根据《国际钢铁协会行动报告》,平均生产每吨钢会排放1.9吨二氧化碳。参照2010年的数据,中国吨钢耗能0.73吨标煤/吨钢,耗水8/吨钢。即中国每年可节省25-37.7万吨标煤,275.2-412.8万吨水以及减少65.4-98万吨的碳排放。因此,模具平台的大规模使用可使冲压模具行业每年节省大量的优质钢材以及弹簧和氮气弹簧等标准件,相应地节约生产这些钢材及标准件所消耗的原材料和能源等资源,减少污染和碳排放。

参考文献

[1] 张云亮,张泽浩 (2014),论冲压模具的可持续发展. 模具制造,155,1-5.

[2] 赵孟栋. 冷冲模设计. 北京:机械工业出版社, 2008.

[3] 曾霞文. 冲压工艺及模具设计. 北京:北京理工大学出版社, 2011.

[4] 国际钢铁协会. 国际钢铁协会行动报告:钢铁行业对低碳未来的贡献.

http://wenku.baidu.com/link?url=CTdYhA7tCD4iwyTN04raUOWRDg9vVKc9zmG7IQ8y8oWZyxkGCGXNPC6gwyYjk4d6kmxTNUBtYO8SFSqmc-7aqVIBOdst38pN0cA8LruBPvG, 2013.

[5] 中国机械工业年鉴编辑委员会, 中国模具工业协会. 中国模具工业年鉴2013[M]. 北京:机械工业出版社, 2012.
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