|
一. 概述:
不論體積大小或形狀復雜的彈性端子,從沖壓工藝來說,它都是通過沖裁彎曲成型等多道沖壓工序來完成的.其中關鍵在彎曲成形這一步.
材料的彎曲成形機理就是它利用外部壓力使材料產生塑性變形,從而被彎曲成有一定曲率一定角度的形狀,但彎曲後其產品所達到的精度受很多因素的影響,諸如彎曲件材料的機械性能和材料厚度、模具結構和模具本身的精度、前後段工序的順序安排、以及本彎曲件本身的結構工藝性是否合理、原材料彎曲時的屈服程度而產生的回彈量的大小等多種因素.而作為連接器之心臟的端子中其中一種功能性端子- - - - - - 彈性端子,其形體小、成型復雜、精度高、製造難度大等許多本身因素都已超出了常規彎曲件的工藝性范圍,再加上沖壓速度達SPM>600次/分時,其模具本身各種參數都發生顯著變化.這些都給模具的設計帶來了很大的困擾.故此時設計光靠理論計算往往無法達到最佳設計效果,還需有生產實踐段積累的豐富經驗加以輔佐.使得模具在設計段有更加充分的考量點.以下就以一個難度很高的彈性端子的設計理念和試模時實踐經驗來就此類端子高速度連續模的設計步驟及要點作一總結.
圖示1 ( 0.10t 鈦銅製品) 彈性端子產品圖
之所以說以上彈性端子(圖示1)難度系數很高是因為此彈性端子使用的是0.1t的鈦銅,其功能尺寸為Bellow高度其相關尺寸,且Bellow彎曲成形後其接觸部的位置度問題,而因所使用的原材料對每一次彎曲成形都會存在相當的尺寸變異.以上產品的pitch及其本身的體積就相關細小,從以下表格中的資料可以看出此材料(鈦銅)所具備良好的機械性能,但因其所能產生的彈性變形更是不容忽略的.
表 ( 1 )
鈦銅的特質 :
比磷青銅及洋白銅更高強度,並可與鈹銅的強度相抗衡.
對此個人在開發此彈性端子連續模時的考量重心偏向如何控制回彈及矯正回彈上.
二. 彈性端子開模前的工藝性分析(設計要點一).
對端子圖面進行工藝性審查分析的同時也是對模具設計要點審查,其重點內容體現在以下幾個方面:
1. 分清那些是關鍵尺寸,那些是功能尺寸.
2. 模具的送料方向是否可以滿足產品的成形方向.
3. 使用材料的厚度元素及其機械性能,對彎曲的各圓角半徑是否過小或過大作評估.(過小彎曲易產生裂紋,從而使彈性端子之彈性失去應有的彈性功能,過大,材料屈服難度加大,增加回彈指數.彎曲角度與圓角半徑的精度都不易保証).
4. 重要彎曲關聯尺寸是否有需要作設計補償(如90度彎曲成形等).
5. 對材料的機械性能及特質是否有作特別的管制與要求.
6. 材料屈服不到位所對相關尺寸的影響應作怎樣防范措施.
7. 針對下料接刀是否有要求作好管制,其中牽涉到模具沖頭強度影響時應如何解決.
8. 功能性尺寸如何保証,在失效時該如何補救(預防與矯正).
9. 該使用何種模具結構,局部工位是否需要使用獨立壓料或強壓.
10. 產品裝配時是否有對其基準面作特別要求.
11. 模具是否需預留改善(增加工位)的空間.
三. 對彈性端子作原始長度展開(設計要點二).
1.展開時應先確定材料的中性層系數值
圖示2 ( 0.10t鈦銅製品) 彈性端子中性層示意圖
材料彎曲時,在變形區域內的材料會發生變化,內側材料受到擠壓,外側材料受到拉伸的程度都是表層最大,向中間逐漸減小,在縮短的內側和伸長的外側之間存在著一個長度保持不變的中性層.即中性層的長度等於彎曲前毛坯的長度,其位置不一定是材厚度的中心,如果材料的厚度一定,則中性層的位置與彎曲半徑的大小有密切的關係.中性層半徑按下式計算:
ρ=R+kt
式中: ρ―中性層半徑(mm)
R―彎曲內半徑(mm)
k―中性層位置系數.
t―材料厚度(mm)
中性層系數由下表可查得:
表 ( 2 )
2.展開長度計算:
因連續模具彎曲成形是分階段完成,故其零件展開也需分階段進行,要求是各彎曲成形工位坯料的長度 L 一致. 彎曲零件分為直邊和彎曲圓弧部分,其展開長度L等於各直邊部分和各圓弧部分的中性層長度之積.
展開計算公式如下:
L=a1+a2+a3+‧‧‧+ a16
其中圓弧部分中性層展開長度l按下式計算.
l=π/180•α•β=0.01745α•β
其中: l―圓弧中性層展開長度(mm)
α―彎曲中心角(度)
β―中性層半徑(mm)
圖示3 ( 0.10t鈦銅製品)彈性端子展開狀態平面圖
但是對於我們常採用的黃銅、 磷銅、鈹銅、 (鈦銅)等不同材料的性能差異以及各方面的影響,即使處於同一R/t的比值,中性層系數k還不是一個定值,因此對精度要求多,彎曲復雜的端子,還是通過大量在生產段積累的經驗,求得其精確的展開尺寸.
四. 彈性端子的下料工序合理排配及需考量方向(設計要點三).
1. 開模方向及產品的包裝方向(關係後製程的合理使用).
2. 沖頭的強度及落料工序的合理排配.以不影響終產品工藝為原則,可依以下方法進行設計:
2-1. 細小零件(強度較弱)之下料工序盡量排列在模具的前列;
2-2. 如產品有要求需尖角下料但不能滿足模具零件加工工藝時,可考慮使用無間隙下料法或分開工位下料.
2-3. 為能保障料條在模具內各工位的準確性,應設立其工藝定位孔,且第一個Pitch後要求有定位裝置.
2-4. 有特殊需求時各工位應該加以強壓及嚴格限位(如精密下料或需求材料厚度與材料寬度比小於或接近1時必須使用).必要時還需加入獨立壓料.
2-5. 必須考慮各下料工位刀口接刀位置及方法,以不產生重復過切為原則.
2-6. 須考慮材料被剪切後其廢料的排出不會有影響(廢料逃料問題).
2-7. 材料剪切應尊循間隙的縮放原則,目前業界一般以材料的4~6%取值,精密下料型衝模以材料的2~4%取值(但需模具加工設備能夠滿足要求).
2-8. 必須考慮衝頭強度問題,必要時可採取以下圖示方法設計.
圖示(4)
3. 材料經衝切後在模具內部高速運動時的鋼性強度是否足夠(設計時盡可能考慮加強).
4. 沖模零件(衝頭或模仁)對加工工藝性要求是否可以滿足.
圖示5 ( 0.10t鈦銅製品) 彈性端子料條圖
五.彈性端子彎曲成形步驟確定(設計要點四):
連續衝壓模的彎曲成形工藝均不能脫離衝壓模對零件彎曲要求的三個基本要求.即 “導位”- - ->>”壓料”- - ->>”成形” ( 詳見圖示7~圖示9 ).
1. 彎曲成形步驟的先後順序設計,通常由外向內的成形方式進行(參考圖示6),但是必須要考量材料經衝切後其在模內流動時的鋼性問題(如圖示5 ),及送料之順暢性,這一思維同時決定了模具開發的成敗以及大量生產中其質量是否穩定有著重要意義.
圖示6 ( 0.10鈦銅製品)彈性端子各工位零件彎曲成形趨勢狀態圖
以上由外向內的成形工序排配在彎曲成形的工藝上為較合理,成形彎曲後Bellow及相關尺寸的變異性會小得多,更加能夠保障產品功能部”bellow”的相關尺寸.
2. 因為以上鈦銅產品對材質有特定要求,且其材料的機械性能優越(上表可閱),模具施力彎曲成形材料時,它的塑性變形屈服程度不易達到設計要求,故被彎腰成形之零件回彈性強.模具設計時有考量其回彈性問題,通過與設計部門協調溝通、驗證,得出可在產品R0.58的彎曲面上加一凸肋,以減少此R0.58的回彈系數,且模具在成形此R時(模具設計彎曲成形工位8)採用滑塊撞擊的方式來完成彎曲.(如圖示9)此彎曲成形手法與傳統作法上(見圖示10~圖示11)有所創新,經822-518、822-429、822-507等薄料模具上大量生產驗證得出,此方法對薄料成形有一定的幫助及使用價值、推廣價值.同時對多道彎曲成形後產品的位置度有一定的幫助.
圖示(7) 導位狀態 圖示(8) 壓料狀態
圖示(9) 創新形滑塊撞擊R部成形狀態 圖示(10) 傳統型R部成形狀態1
圖示(11) 傳統型R部成形狀態2
5. 考量成形的難易分一個或多個彎曲完成,但需要考量的是如何保證品質的穩定性及成本.圖示(8)之R角一次成形到位,其優點部份是成本較低且變異性小,成形工藝性能穩定,但不能成形<90度及R/t比值過小的被彎曲物件、硬度高、延展性能差之原材料.否則,易使其R部產生龜裂,進而影響產品功能.此其缺點.圖示(9)之R分兩次或多次彎曲成形到位,其優點是R部更易保障R值尺寸, 對其相關尺寸更能得到保證,且可減少材料回彈系數龜裂現象, ,其缺點是成本較高及模具複雜程度大.
圖示(12)”R”部成形一次到位 圖示(13) “R”部分兩次成形
個人建議如能夠從衝壓加工工藝之合理性及大量生產穩定性角度考慮,盡量使用如圖示(13)之方法設計;如該產品市場不明確或產品壽命周期短等因素,則建議使用如圖示(12)之方式完成該零件的成形彎曲工藝要求.
6. 彎曲成形零件設計時應先行考慮材料回彈問題,再作一補償設計,材料的屈服點越高,彈性模數越小,其回彈則愈大,其設計補償詳見表(3).其設計方法有多種,如圖示(14~圖示15).
7. 為防止金屬材料之塑性屈服無法達成設計要求時,模具設計者應考量加入預防措施,從而減少或減輕模具投資失誤(見圖16).
回彈設計補償值:
表 ( 3 )
圖示(14) R部成形常規狀態 圖示(15) 部成形補償設計狀態
圖示(15)設計補償目的:
借助R部局部分的材料擠壓,減少材料的屈服點,以達成減少材料回彈.
圖示(16) 彈性端子回彈失效時矯正狀態
五. 品質確認.
在模具壓力作用下,材料細部應力及其晶體結構發生變化,依據產品各工序塑性回彈變數,應確認其各項尺寸要求是否有達到設計要求,倘若未曾達到,應作進一部的設計補償(特殊材料因為無經驗值參考,其變更設計的機會要大的多),使之滿足產品設計要求.
六. 包裝方式的確認.
傳統的單工模或復合型模具均不必涉及包裝問題,但連續模對其所產生的產品大多有特殊要求,除其產品”輕”、”薄”、”短”、”小”外,後製程的作業要求應一並兼顧,例如:電鍍製程技術、裝配製程技術、自動化裝配技術等等因素均是考量範圍.
如何滿足後製程要求及為不使產品功能尺寸在包裝段出現問題,其包裝方式尤其顯得重要(產品設計單位有特別要求另當別論).
|
|