大型精密复杂级进模具技术综合研究
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摘要
模具是工业生产中重要的工艺装备，是国民经济各部门发展的重要基础之一。级进模是
一种复杂、精密的冲压模具，它具有高效率、高精度和高寿命等优越性，适用于各种冲压行业
的自动化生产。级进模涉及冲压成形理论、冲压工艺、模具设计与制造以及模具材料中的许多
关键技术。因此，从技术综合方面对级进模进行研究是十分有意义的。
本文根据国内级进模研究现状，针对级进模关键技术问题，对大型、精密、复杂级进模
开展了综合研究，选择空调翅片类级进模作为研究对象，以结合研制一套大型模具实例进行验证。
从冲压成形理论入手，探讨了金属在塑性状态下的力学行为和特征，包括塑性变形的力
学基础、板料冲压成形的力学特点及力学分析方法和冲压成形极限，从中找出板料冲压变形的基本规律。
对典型的级进模中包含的四种冲压工序拉深、冲裁、翻边和卷边弯曲变形特性进行了分
析，推导了各种冲压工序的应力应变关系式，并从模具结构角度对各工序变形影响因素进行了讨论。这些工作为级进模设计和计算提供了理论依据。
在进行上述冲压成形理论探讨和各种冲压工序变形特性分析基础上，提出了模具子模采
用分立式结构的设计思想，通过对模具详细设计和计算，建立了一种大型精密复杂级进模设计方法体系。设计部分有模具的总体设计（包括排样图设计、整体结构设计）、各子模结构设计和辅助机构送料传动设计；计算部分有模具精度计算，凸凹模主要结构参数计算和模具压力中心计算等。
由于模具子模采用分立式结构，这样对模具装配提出了一个新问题，即如何确定各子模
间的装配精度。作者提出了建立装配尺寸链、精度优化的数学模型，对模具装配精度进行优化
分配。同时，还对模具制造中关键工艺也进行了研究，解决了级进模中高精度零件的加工问题。
模具的另一个重要问题是模具的寿命问题，对此作者对模具进行了失效分析。级进模是
在高速冲压的工作环境下用于大批量制件生产的，它的寿命直接影响到产品成本和质量，为此
研究模具材料的抗磨损性十分重要。在对产生模具失效条件进行分析的同时并对模具磨损机理
进行了探讨，主要通过对两种模具材料 Cr12MoV（普通模具钢）和 CPM10V（粉末模具钢）
进行磨损试验，对其材料的显微组织对磨损的影响进行了研究；对国产钢结硬质合金的磨损特
性也进行了应用研究，为国产模具材料替代进口材料提供理论依据和实践基础。
上述工作的总体效果，在完成了一套大型精密复杂级进模具产品的研制过程，得以验证。
在经模具厂家一年多的使用证明，制件产品质量达到了规定的技术标准，模具总使用寿命在
6000万冲次以上。
Mould & Die is important technical equipment in industrial production. It is also one of the most important developmental foundations for all departments of country economy. The progressive die is a kind of complex and precise forming die. It possesses many advantages such as high efficiency,accuracy and long life. So it is used for many kinds of automation production in sheet metal forming. The progressive die relates to many key technologies including metal forming theory,sheet steel forming process,die design and manufacture,die material and so on. Therefore it is very significant to study the progressive die.
According to domestic research actuality and facing the key technical problems of progressive die,the synthetic research on large scale,precise and complex progressive die is developed in this paper. The progressive fin die is selected as research object and a
actual product in order to verify the research results.
Beginning with metal forming theory,dynamic behavior and characteristics of
plastic state is presented. To find the basic rules for sheet metal forming,many theories are discussed such as dynamical essential,characteristics and analysis methods of plastic deformation and forming limit.
The deformation specialties of drawing,blanking,piercing-flanging and bending processes in progressive die are analyzed. The stress-strain relations of four forming processes are reasoned. Their influencing factors are discussed from the view point of die structure. These works provide theory basis for the design and calculation of progressive die.
On the basis of the discuss about metal forming theory and the analysis of deformation specialties for four forming processes,the project idea that adopt sub-die schism structure to design die is proposed. By particular design and calculation,a kind of design method system for large scale precise complex progressive die is established. The design part includes the collectivity design,structure design and the design of assistant
framework for delivering sheet metal. The calculation part includes die precision calculation,main structure parameters of die and punch,and pressing center calculation.
Due to adopting the sub-die schism structure,a new problem is presented,which is how to determine the die-fitting precision in the assembling process. The die-fitting dimension chain and precision optimize mathematics model are established. And the optimize distribution for die-fitting precision is made. At the same time,the key process of manufacturing die is researched. The machining problems about high precision parts of progressive die are solved.
Another important problem of progressive die is about the life of die. The analysis of wear failure on the die is made by the author. The progressive die is applied for volume productions under high speed pressing condition. Its life directly influences the cost and quality of product. So it is very important to study the wearable properties of die materials. The wearable mechanism is investigated by making wear tests of two materials Crl2MoV (normal die steel) and CPM10V (power metallurgy die steel). The influence factors for die wearing are studied on the microstructure of die material. The wearable characteristics of steel bonded carbide are also researched. This provides theoretical and experimental basis for substituting homemade materials for imported ones.
The collective effect of the above researches is verified in the process of manufacturing a set of large scale precise complex progressive die. After using the die for more than one year,the results show that the die's total pressing times are over 60 million and the quality of the fin made by the die attain the technical standard.
一种复杂、精密的冲压模具，它具有高效率、高精度和高寿命等优越性，适用于各种冲压行业
的自动化生产。级进模涉及冲压成形理论、冲压工艺、模具设计与制造以及模具材料中的许多
关键技术。因此，从技术综合方面对级进模进行研究是十分有意义的。
本文根据国内级进模研究现状，针对级进模关键技术问题，对大型、精密、复杂级进模
开展了综合研究，选择空调翅片类级进模作为研究对象，以结合研制一套大型模具实例进行验证。
从冲压成形理论入手，探讨了金属在塑性状态下的力学行为和特征，包括塑性变形的力
学基础、板料冲压成形的力学特点及力学分析方法和冲压成形极限，从中找出板料冲压变形的基本规律。
对典型的级进模中包含的四种冲压工序拉深、冲裁、翻边和卷边弯曲变形特性进行了分
析，推导了各种冲压工序的应力应变关系式，并从模具结构角度对各工序变形影响因素进行了讨论。这些工作为级进模设计和计算提供了理论依据。
在进行上述冲压成形理论探讨和各种冲压工序变形特性分析基础上，提出了模具子模采
用分立式结构的设计思想，通过对模具详细设计和计算，建立了一种大型精密复杂级进模设计方法体系。设计部分有模具的总体设计（包括排样图设计、整体结构设计）、各子模结构设计和辅助机构送料传动设计；计算部分有模具精度计算，凸凹模主要结构参数计算和模具压力中心计算等。
由于模具子模采用分立式结构，这样对模具装配提出了一个新问题，即如何确定各子模
间的装配精度。作者提出了建立装配尺寸链、精度优化的数学模型，对模具装配精度进行优化
分配。同时，还对模具制造中关键工艺也进行了研究，解决了级进模中高精度零件的加工问题。
模具的另一个重要问题是模具的寿命问题，对此作者对模具进行了失效分析。级进模是
在高速冲压的工作环境下用于大批量制件生产的，它的寿命直接影响到产品成本和质量，为此
研究模具材料的抗磨损性十分重要。在对产生模具失效条件进行分析的同时并对模具磨损机理
进行了探讨，主要通过对两种模具材料 Cr12MoV（普通模具钢）和 CPM10V（粉末模具钢）
进行磨损试验，对其材料的显微组织对磨损的影响进行了研究；对国产钢结硬质合金的磨损特
性也进行了应用研究，为国产模具材料替代进口材料提供理论依据和实践基础。
上述工作的总体效果，在完成了一套大型精密复杂级进模具产品的研制过程，得以验证。
在经模具厂家一年多的使用证明，制件产品质量达到了规定的技术标准，模具总使用寿命在
6000万冲次以上。
Mould & Die is important technical equipment in industrial production. It is also one of the most important developmental foundations for all departments of country economy. The progressive die is a kind of complex and precise forming die. It possesses many advantages such as high efficiency,accuracy and long life. So it is used for many kinds of automation production in sheet metal forming. The progressive die relates to many key technologies including metal forming theory,sheet steel forming process,die design and manufacture,die material and so on. Therefore it is very significant to study the progressive die.
According to domestic research actuality and facing the key technical problems of progressive die,the synthetic research on large scale,precise and complex progressive die is developed in this paper. The progressive fin die is selected as research object and a
actual product in order to verify the research results.
Beginning with metal forming theory,dynamic behavior and characteristics of
plastic state is presented. To find the basic rules for sheet metal forming,many theories are discussed such as dynamical essential,characteristics and analysis methods of plastic deformation and forming limit.
The deformation specialties of drawing,blanking,piercing-flanging and bending processes in progressive die are analyzed. The stress-strain relations of four forming processes are reasoned. Their influencing factors are discussed from the view point of die structure. These works provide theory basis for the design and calculation of progressive die.
On the basis of the discuss about metal forming theory and the analysis of deformation specialties for four forming processes,the project idea that adopt sub-die schism structure to design die is proposed. By particular design and calculation,a kind of design method system for large scale precise complex progressive die is established. The design part includes the collectivity design,structure design and the design of assistant
framework for delivering sheet metal. The calculation part includes die precision calculation,main structure parameters of die and punch,and pressing center calculation.
Due to adopting the sub-die schism structure,a new problem is presented,which is how to determine the die-fitting precision in the assembling process. The die-fitting dimension chain and precision optimize mathematics model are established. And the optimize distribution for die-fitting precision is made. At the same time,the key process of manufacturing die is researched. The machining problems about high precision parts of progressive die are solved.
Another important problem of progressive die is about the life of die. The analysis of wear failure on the die is made by the author. The progressive die is applied for volume productions under high speed pressing condition. Its life directly influences the cost and quality of product. So it is very important to study the wearable properties of die materials. The wearable mechanism is investigated by making wear tests of two materials Crl2MoV (normal die steel) and CPM10V (power metallurgy die steel). The influence factors for die wearing are studied on the microstructure of die material. The wearable characteristics of steel bonded carbide are also researched. This provides theoretical and experimental basis for substituting homemade materials for imported ones.
The collective effect of the above researches is verified in the process of manufacturing a set of large scale precise complex progressive die. After using the die for more than one year,the results show that the die's total pressing times are over 60 million and the quality of the fin made by the die attain the technical standard.
引文
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3．武晓红．日本冲压模具的技术特点．模具通讯．1999(5)
4．王家庆．德国STEPPER公司级进模设计制造技术概述．模具工业，1995(5)：3～8
5．周永泰．中国模具市场初探．模具通讯，1998(12)
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9．杨志成．板料冲压成技术．锻压技术，1992(5)：26～30
10. Bob Carabbio. Methods and Application of In-Die Dimensional Measurement Metal Forming, Jan. 1999
11. Larry Crainich. Transfer Dies. Metal Forming, Jul. 1998
12. Arnold Miedema. Improving Performance of Progressive Dies. Metal Forming, Feb. 1999
13. Auto-trol's Progressive Die System. Auto-trol Technology Corporation. Denver Colorado. USA. 1987
14．李志刚等．多工位级进模计算机辅助设计与制造．第五届锻压学术年会，1991
15．盛自强．面向功能的级进模结构装配设计理论的研究及CAD系统的实现．华中理工大学博士论文，1998
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17. User's Guide-Section for Progressive Fin Dies. FD-M0989-1. OAK Company. USA. 1996.
18. Jeff Sabatioi. New forming research for Aluminum Fins Automotive Manufacturing & Production Vol.11, No.8, Aug. 1999
19．吴业正，韩宝琦．制冷原理及设备(第2版)．西安交通大学出版社，1997
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