冲压产品设计与经济性初探070503.doc

冲压产品的设计及其经济性初探
一．前言
原材料的消耗是影响零件成本的主要因素。因此，期求最大程度地提高冲压件的经济性，自然要重点地从充分利用材料抓起。同时，材料利用率的高低又是衡量企业技术和管理水平的重要指标。所以，如何最大限度地提高材料利用率、节约原材料的消耗应该是企业技术人员研究的重要课题。
本次讲座主要是结合冲压生产实际来探索了冲压产品的结构设计和工艺设计与冲压经济性的密切关系。同时，介绍生产中工艺上通过产品设计的合理修改来寻求节材途径的方法。以此说明产品零件的结构设计与产品冲压工艺设计与改进的结合对提高零件经济性的重要作用。
二．从冲压产品设计方面寻求节材途径
在冲压生产中，工程技术人员可以通过合理选材排样、利废挖潜等手段来达到节约材料的目的。但是，单纯地从工艺角度考虑节约材料毕竟是有限度的。因此，有必要首先对冲压产品本身的结构加以分析研究，来寻求更广泛的节材途径。
冲压产品的设计，一般是以满足使用性能为主，同时兼顾其它方面，在多品种、大批量的冲压生产中，产品设计很难把工艺上的材料利用等诸方面考虑周全。因此，从产品的生产准备直至投产以后，产品设计应结合冲压工艺不断地对产品结构进行深入研究，将影响产品使用性能的各因素加以综合平衡，从中选出最为经济的方案。
1、零件外形与少无废料排样有着直接的关系
冲压件展开毛坯在板材上的排样方式是由冲压件外形决定的而排样方式直接关系到材料的消耗和利用率。因此工艺上希望冲压件具有理想的外形，以便使展开毛坯的排样具有最低的材料消耗。最为理想的是零件外形能够使展开毛坯排样时具有和合图形，即排样中毛坯与毛坯之间可以毫无缝隙地拼合，实现无废料或少废料排样。由此可见工艺上冲压件的外形对于节材的重要性。而在产品设计上冲压件的外形往往显得不十分重要，因为许多冲压件在使用中起作用的主要是孔，至于孔周围的金属只是起联接作用和保证强度的，也就是说零件的外形在适当范围内是可以调整的。那么，如果一些零件的外形按照工艺上排样的需要进行设计就可以使排样合理化，实现少废料或无废料排样，从而减少甚至消除工艺废料，大大提高材料利用率、降低材料消耗。图一是按工艺需要对产品设计修改实现无废料排样的实例，每项修改实现后节省材料都在30%以上，材料的利用率接近100%。
图　一
2. 材料厚度与利废
利废是大规模冲压生产中节约材料的常用方法，这种方法简便易行且经济效果明显，但在实际就髟中有时因受料厚限制而不能实现。事实上，对于大多数冲压件来讲材料厚度是保证强度和刚度的，换言之，这类零件只要能满足强度、刚度及关键的尺寸要求，材料厚度适当上下浮动是不影响其使用性能的。这就为一些小型冲压件的利废生产拓宽了选择余地，因此在生产实际中可根据现有的废料在产品设计上对一些冲压件的料厚做相应修改：一些零件可将料厚适当增大以便实现利废，如果零件自重有严格的控制范围，可以结合零件本身结构修改以保证自重不超过限度；也有零件可以将料厚适当减小同时提高对材料机械性能指标的要求，以弥补减薄后强度的损失，从而使零件利用相应的废料生产；还有一些零件可以在料厚减小的同时结合零件本身结构的修改，通过增加压盘、翻边等手段增大强度或刚度，最终实现利废生产。尽管这样做有时会使工艺复杂，但综合经济效果仍十分可观。图2是通过料厚更改使零件利废生产的三个实例：图2（a）所示零件料厚由2.8mm增至3mm，同时将所有尖角改为圆角，修改后实现利废生产，料厚增大后零件自重无增加；图2(b)所示零件料厚由4.5mm减至4mm，同时将材料牌号由20改为10TiL , 实现利废生产，料厚减小后强度未受损失；图2(c)所示零件料厚由2mm减至1.75mm，同时在零件上增加翻边以保证刚度的要求，修改后实现利废生产。

3. 零件孔形、外形与混合套裁
较大冲压件上一般都有一些各种形状和尺寸的孔，有些孔是产品结构需要的，一般不可轻易改动。还有一些孔是为加工、装配而设计的工艺孔或减重孔，这类孔根据具体需要适当地对形状和尺寸做改动，一般不会影响零件的使用。前面已谈过，许多冲压件外形也是可以适当改动的，因此，如果设法对零件的外形或孔形结合起来设计，让较小零件展开毛坯外形与较大零件的孔形相吻合，就可以实现混合套裁。混合套裁实质上也是一种利废，而且利废零件和产生可利用废料的零件一些工序在同一组模具上同时完成，因此，不仅可以节省材料，有时还可节省模具、工序（工时、台时），经济效果更为明显。图3是生产中经产品设计修改实现混合套裁的实例。

4. 尺寸灵活标注与经济性
冲压产品设计若能够对某些局部尺寸在满足产品使用要求的前提下给以灵活的标注，往往可以扩大冲压工艺的选择范围，以便选取更为经济的工艺方案4(a)所示的零件，如果图纸上注明注明尖角允许R3代替，那么工艺上就有两种方案可供选择：其一是若有合适的边角废料可用来生产该件，则零件四角均以R3代替，采用落料模；其二是若无合适的废料可利用，则零件四角取尖角，采用切断连续模、无废料排样。上述二方案分别如图4(b)和4(c)所示。图4(d)所示的零件是各类汽车车架横梁的典型结构，如果外形尺寸按图4(d)的标注方法，那么工艺上就要考虑成形后修边，不仅损失了修下的废料，也使模具结构复杂化。如果外形尺寸按图4(e)所示的标注方法则可避免上述弊端。实践证明，按图4(e)制订工艺所生产的零件在尺寸上与图4(d)极其接近。由此可见，尺寸标注的灵活性应值得提倡。

二、生产应用中的实例
根据以上思路，在吊扇叶叉的实际生产中，我们依据冲压工艺的需要对产品设计图进行了修改、对吊扇的叶叉零件采取了“调整外形、少无废料排样和模具设计”这样三个步骤的“外科手术式”的改造：
首先，在适当范围内调整零件的外形。其所产生的效果见图二）
图　二
图二为改进设计前后叶叉外形对比：虚线为原叶叉图形，实线为改后叶叉图形，孔的位置不变。
其次，设计无废料工艺排样图 （见图三）
图　三
由于外形是按照工艺上排样的需要进行设计，所以可以使叶叉排样达到最合理化，减少工艺废料，降低材料消耗。
最后，设计无废料冲裁模具结构图（见图四）
工艺方案的顺利实施是否能够得到保证，取决于模具结构设计是否可行。所以，作为无废料冲裁模具结构设计的第三步是否有可能实现工艺要求，将是至关重要的环节。只有当确定了模具结构是可行的，工艺方案才可能得以进行下去。
图　四
实现了以上改进后，叶叉的用料比改进前平均节省材料16%以上，材料的利用率也达到95%以上。以每年产销400万台吊扇计算，需用钢材1600吨。该项目实施后，每年可节约钢材256吨。
三．结束语
冲压生产中提高零件经济性的工作涉及面是很广泛的。因此，深入开发节材途径同样应从多方面去考虑。实践证明，只要设计人员能够充分开动脑筋，通过工艺设计、产品设计以及模具设计等各相关人员的潜心研究与通力合作，在冲压生产中以节约材料来提高产品的经济性，是大有潜力可挖的。企业的经济效益也一定能够随着原材料的节约而大大提高。
　　　 生产制造部 沈哲君　　　　　　　　　　　　　　　
2007-05-03