1. 引言
在当今制造业蓬勃发展、技术迭代日新月异的大背景下，定位板作为机械加工与装配领域的核心基础元件，凭借其高稳定性和多功能适配性，在汽车制造、电子设备、航空航天等高技术产业中发挥着不可替代的关键作用。以汽车制造领域为例，定位板应用于发动机缸体加工、变速箱齿轮组装配及新能源汽车电池模组的精密定位等关键环节，通过精准定位保障零部件装配的可靠性与效率[1]。
在市场环境日趋激烈、产品更新换代速度持续加快的背景下，市场对定位板的精度、生产效率以及成本控制等方面提出了更高的要求。而冲压成形工艺凭借其生产效率高、材料利用率好、产品精度高以及能够实现自动化生产等显著优势，成为了定位板大规模生产的理想选择[2] [3]。
模具作为冲压成形工艺的核心，其设计水平的高低直接决定了冲压件的质量、生产效率以及制造成本。因此好的定位板冲压模具，不仅能够确保定位板具有精确的尺寸和形状，满足其使用要求，还能提高定位板的生产效率以降低制造单位的生产成本，提升其在市场中的核心竞争力[4]。
本文以某款定位板零件为研究对象，分析该零件的成形工艺，并设计一套结构简单、紧凑的冲压级进模，以保证定位板的形状和尺寸精度，使其满足定位要求。
2. 零件工艺分析
2.1. 零件结构工艺
图1为定位板的零件图，根据图中标注的外形尺寸、内形及间距尺寸公差要求，可见其精度不高。该零件要求表面平整无毛刺，批量为大批量生产，材料采用厚度为4 mm的H62板材。该定位板上一共有四个孔，分别是一个锥形孔、一个直径为5.2 mm的圆形孔，一个直径为6.5 mm的圆形孔，一个半径为6 mm的半圆孔，因此该零件可采用较简单的冲裁成形模。
Figure 1. Drawing of the positioning plate part
图1. 定位板零件图
2.2. 方案论证
该零件需完成落料、冲孔两大工序，初步设定三个方案，包括：单工序模、复合模和级进模[5]。
方案一：零件上面有4个不同尺寸、不同形状的孔，可以考虑先落料，再同时完成四个孔的冲裁，采用两幅单工序模。但需设计制造两副模具来完成产品加工，生产效率较低，不利于自动化生产。
方案二：直接采用复合模冲压，一次性完成落料和四个孔的冲裁，该方案能够同时完成4个孔的冲裁以及落料工序，简化了生产流程并提高了生产效率。但该零件选用料厚为4 mm的H62材料，这种材料虽然延展性较好，但在冲裁过程中容易产生毛刺。且该零件的孔边距较小，因此不能保证模具的强度。
方案三：采用级进模，两个工位冲孔 + 一个工位落料的方式完成冲裁。该方案可以分散冲裁力，延长模具使用寿命；减少毛刺，提高产品的形状和尺寸精度；并且生产效率高，适用于大规模的自动化生产。
综上所述，第三种方案既能保证定位板的形状和尺寸精度，又能实现大批量自动化生产，因此采用第三种方案即级进模来进行定位板的设计。
2.3. 排样
排样是零件模具设计的重要环节之一，合理的排样能够减少材料浪费，提高加工效率，从而确保最终生产出合格的产品[6]。排样方式有多种，如横排、直排、对排、无废料排样、混合排等。由于该零件较厚，尺寸大且近似方形，因此可考虑采用横排和直排这两种排样方式。分别计算横排和直排的材料利用率，计算结果显示，横排的材料利用率为74.2%，而直排的材料利用率为70%，因此此次采用工件边缘有搭边、有废料的横排排样方式。图2为定位板的排样图，共有4个工位，分别是工位①为冲锥形孔、φ6.5 mm孔以及侧刃切边，工位②为空位，工位③用于冲φ5.2孔和半圆孔，工位④则用于落料。
Figure 2. Strip layout drawing
图2. 零件排样图
3. 模具设计
3.1. 模具结构
落料冲孔多工位级进模装配图如图3所示，三维爆炸图如图4所示。该模具的结构主要由下模座1、上模座7、凸模固定板4、垫板5、卸料板导料板19等零件组成，各板件通过销钉(8、13、20)与紧固螺钉(16、18)实现刚性连接，导柱2和导套6实现模具的导向和定位功能以确保模具的运动精度，导柱和导柱的配合为H7/h6。侧刃17和卸料导料板19来实现板料的定位和导向。模具工作原理大致如下：
自动送料装置将条料从右侧送入，经卸料导料板19导入模具内。当上模下行时，首工位同步完成三项工序：侧刃切边凸模17完成条料切边，冲异形孔凸模15与冲大孔凸模14分别与凹模3配合完成冲制锥形孔及φ6.5 mm孔；侧刃长度作为送料步距并以此对条料导正；第二工位设置为空工位，用于消除首工位加工产生的垂直毛刺；第三工位由冲半圆孔凸模10和冲圆孔凸模11在凹模3配合下完成半圆孔及φ5.2孔的冲裁；第四工位通过落料凸模9与凹模3的配合实现最终零件分离。
1——下模座；2——A型导柱；3——凹模；4——导套；5——凸模固定板；6——垫板；7——上模座；8——圆柱销；9——落料凸模；10——冲半圆孔凸模；11——冲小孔凸模；12——压入式模柄；13——圆柱销；14——冲大孔凸模；15——冲锥形孔凸模；16——内六角圆柱头螺钉；17——侧刃；18——内六角螺钉；19——卸料导料板；20——圆柱销。
Figure 3. Assembly drawing of the multi-station progressive die for blanking and punching
图3. 落料冲孔多工位级进模装配图
回程阶段，卸料导料板19进行刚性卸料，成品零件及工艺废料通过凹模漏料孔自然排出，完成整个冲压周期。该模具通过多工位集成设计，将冲裁应力分散至不同加工阶段，有效延长模具使用寿命并实现了送料、定位、冲裁、卸料的全流程自动化作业。
Figure 4. 3D exploded view of the multi-station progressive die for blanking and punching
图4. 落料冲孔多工位级进模三维爆炸图
3.2. 模具主要零件设计
(1) 模具结构设计
i) 凸模
本模具有5种凸模，包括落料凸模、冲半圆孔凸模、冲小孔(φ5.2 mm)凸模、冲大孔(φ6.5 mm)凸模、冲锥形孔凸模。装配时需控制各凸模与凸模固定板基准面的垂直度，并保证相邻工位凸模的步距精度。凸模选用经淬火 + 低温回火的Cr12合金工具钢，其硬度可达58~62 HRC [7] [8]，兼顾高硬度、耐磨性、低内应力与抗脆断性能。
以∅6.5圆形冲孔凸模为例，其总高度计算式为：
L = h1 (固定板高度) + h2 (卸料板高度) + H (附加长度)，其中附加长度为刃磨余量与凹模嵌入深度。即：L = h1 + h2 + H = 20 + 48 + 2 = 70 mm。
ii) 凹模
考虑定位板的形状，凹模选用整体凹模有利于模具的制造加工。凹模材料同样选用Cr12，这种材料具有良好的性能，有助于保证凹模的质量。在凹模制造过程中，确保凹模工作面平行度≤0.02 mm。
冲裁凹模刃口形式有两种，即:直筒式和锥形，选用时主要根据零件的形状和厚度、尺寸精度以及模具结构来确定。由于零件尺寸较厚，零件形状不复杂，因此采用直筒式凹模。该类型刃口具有较高的强度和刚性，能够承受较大的冲裁力，且修磨后刃口尺寸稳定。从工件排样图和模具的结构考虑，凹模外形尺寸设计为200 mm × 200 mm × 30 mm (长 × 宽 × 高)。
(2) 模架
常用的模架有对角导柱、后侧导柱、四导柱等模架。本模具的上下模座从该标准模架系列中进行选择，各模架特点如下：
对角导柱模架：导柱呈对角线分布于模具的压力中心，因此能保证上模座在导柱上滑动时具有平稳性。该模架常用于横向送料级进模或纵向送料的落料模、复合模。
后侧导柱模架：由于该模架的导柱安装在后侧，因此前面及两侧区域开放不受限制，便于送料和观察条料在模具中的送进动作。不过，使用该模架时不能采用浮动模柄。
四导柱模架：这种模架的导柱平均分布于四角，具有导向平稳可靠、刚性好等优点，常用于尺寸较大的冲压件以及精度要求较高的零件。
中间导柱模架：导柱安装在模具的对称线上，导向平稳且准确，但该模架只能在一个方向送料。
充分考虑各模架的特点，以及本模具的结构和送料方式，最终选用对角导柱模架。此模架不仅能保证上模座滑动平稳，并便于横向送料及操作，也能较好地满足工件成型的要求。
(3) 卸料结构
卸料通常有两种方式，即刚性卸料和弹性卸料。卸料装置的作用是在冲压完成后，将箍在凸模或凹模上的制件或废料卸下，防止工件或废料损坏，导致材料卡滞，保证生产连续性[9]。同时，它还能在冲压过程中压紧材料，防止窜动，提高冲压精度，并对细小凸模起导向和保护作用。
本次设计采用固定式卸料结构，导向卸料板19即为该模具的卸料结构，导向卸料板的零件二维图如图5所示。该结构不仅对条料起卸料作用，还能对条料起到导向定位的作用。导向卸料板的外形尺寸与凹模的尺寸一致，其尺寸采用L × B × H = 200 mm × 200 mm × 25.8 mm (长 × 宽 × 高)，导向卸料板与凸、凹模的间隙值取0.12 mm [10]。
凸模完成冲压行程后，成形件与废料经由凹模洞口直接下落完成排出。
Figure 5. Drawing of the guide stripper plate part
图5. 导向卸料板零件图
(4) 凸模固定板
凸模固定板的作用大致分为三点，一是固定凸模的位置，防止冲压过程中发生偏移；二是将压力机滑块的冲击力均匀传递至凸模，确保冲压动作的同步性；三是与卸料板或导板协同，为细小凸模提供侧向支撑，减少断裂风险。
凸模与凸模固定板采用H7/m6的配合方式。这种配合能够保证两者之间既有一定的间隙便于装配，又能保证足够的连接精度，满足冲压工艺的要求。本次设计采用整体式凸模固定板，凸模固定板的厚度一般取凹模厚度的0.6~0.8倍，凸模固定板的尺寸根据闭模高度等因素考虑后取：L × B × H = 200 mm × 200 mm × 20 mm (长 × 宽 × 高)。选用45钢作为凸模固定板的制造材料，这种材料具有良好的综合力学性能，能够满足凸模固定板在冲压模具中的工作需求。
(5) 垫板
垫板的作用是是分散凸模或凹模传递的集中载荷，防止模座因局部压力过大而发生变形，其次垫板作为尺寸补偿件，可用于微调模具的闭合高度，确保冲压间隙合理。
垫板外形尺寸可与凸模固定板相同，其厚度一般取3~10 mm，因此垫板尺寸为200 mm × 200 mm × 10 mm (长 × 宽 × 高)。
4. 结论
通过对定位板零件成形工艺的分析，综合考虑生产效率、产品精度等多方面因素，最终决定采用级进模进行该零件的成形加工。相较于传统的单工序模工艺，级进模将原本分散在多个工序中的加工内容集成到一副模具中，实现了多工位连续冲压，大大缩短生产周期，减少零件在不同工序间的转运和装夹时间，提高了生产效率，具有良好的经济效益，可为类似的定位板零件的模具设计提供参考。
基金项目
重庆市教委科学技术研究项目KJQN202203704，KJQN202403704。