王欢：电机转子铁芯级进模具设计
前 言
模具材料是工模具加工业的基础。随着我国国民经济发展和人民生活水平的提高， 人们对产品的审美观，价值观也不断提高，从而对各类工、模具产品，无论是内在质量还是外表美观等方面均要求日益精臻，困此势必对工模具材料在数量上、系列上和质量上提出更 高的要求。中国的模具材料从无到有，从小到大，从少到多，直到现在，无论是从钢种还是从规格、标准化、系列化等方面，都是伴随着模具制造发展而发展的。
模具被称为“百业之母”。的确，模具是工业生产中最基础和最具有源头意义的一环，无论在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯等产品中，60%—80%的零部件都依靠模具孕育而来。作为制造业的上游部分，模具对产品质量、效益的决定作用会在工业流程的洪波中成倍放大，远远超出人们的想象。因此，要说模具决定着一个国家制造业的国际竞争力，半点都不夸张。
二十多年来，我国模具工业发展迅猛，至近几年尤显疾劲。“十五”期间，模具业年均增速达20%。2005年，中国模具市场容量已近800亿元人民币，市场规模仅次于日本和美国。据专家预测，“十一五”期间，中国模具业市场份额更将达到1200亿元。如此惊人的宏大体量带来了灿烂机遇，与之对应的前提是我们的整体技术水平必须大幅提升。
当前，国内模具企业大多集中在中低档领域，技术水平和附加值偏低，而一些高精密、高质量的模具制品仍依赖进口。对于行业来讲，提升技术含量，走向高端，是未来的必然选择。同时，国际模具界巧妙借力于IT技术，以网络提升效率、优化服务，这种做法也是值得效仿的方向。对于从业者来说，模具业一直存在且不断扩大的人力资源缺口也是个人前景的莫大机遇。但细分来讲，人力缺口同样以兼具国际眼光与实战经验的高端人才为主，而普通设计人员并不缺乏。本书作者罗百辉先生从业十余年，有着多家外企工作经历。作为资深模具工程师和多年的外企管理层，他出于自身体验而对行业形势和人才需求状况有着清晰、前瞻的认知。与通常的教材不同，本书的每一个细节均来自于对模具设计一线实际操作经验的总结，以外资企业的先进技术和规范的操作模式、质量标准为基础。因此，本书具有可操作性强、国际化前瞻色彩浓、通俗易懂的明显特点。作者同时是一个钟情网络的人，以网络的方式交流、积累，也以网络的方式传播、布道，并因而成为中国网络名人世界-湘楚人家文化教育品牌的经理人,博啦博客之星, 2006年中国第三届诚信企业家会员,中国国际经济研究发展中心特聘行业研究员。
现代模具工业有“不衰亡工业”之称。世界模具市场总体上供不应求，市场需求量维持在700亿至850亿美元，同时，我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。近几年，我国模具产业总产值保持15%的年增长率，据不完全统计，2009年国内模具总产值已经超过1000多亿，模具生产企业超过3万余家，从业人员有100多万人。2009年模具进出口总额为38.07亿美元，其中模具及模具标准件出口总额由2005年的9000多万美元猛增到2009年的18.43亿美元。单就汽车产业而言，一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上
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亿元，而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。2007年我国汽车产销量均突破700万辆，预计2010年产销量各突破1000万辆，轿车产量将达到500万辆。另外，电子和通讯产品对模具的需求也非常大，在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。
模具的发展是体现一个国家现代化水平高低的一个重要标志，就我国而言，经过几十年曲折的发展，模具行业已初具规模，从当初只能靠进口到现在部分进口已经跨了一大步，但还有一些精密的冲模自己还不能生产，只能通过进口来满足生产需要。随着各种加工工艺和多种设计软件的应用使得模具的应用和设计更为方便。随着信息产业的不断发展，模具的设计和制造也越来越趋近于国际化。现在模具的计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术的研究和应用，大大提搞了模具设计和制造的效率，减短了生产周期。采用模具CAD/CAM技术，还可提高模具质量，大大减少设计和制造人员的重复劳动，使设计者有可能把精力用在创新和开发上。尤其是pro/E和UG等软件的应用更进一步推动了模具产业的发展。数控技术的发展使模具工作零件的加工趋进于自动化，电火花和线切割技术的广泛应用也对模具行业起到了飞越发展。模具的标准化程度在国内外现在也比较明显，特别是对一些通用件的使用的越来越多，大大的提高了它们的互换性。此外还加强了各个地区的交流合作，对整个模具行业水平的提高也起到了重要的作用。
随着改革开放和国民经济的增长，很大程度上推动了模具制造业的发展。模具制造业已走出企业禁锢的状态，十年中，我国的仿制国外新钢种的同时，还在高校、科研院所和各钢厂的配合下，自行研制开发了一批适合我国国情的模具新钢种。不仅改善了加工性能，而且还大大提高了模具的使用寿命。仿制D2钢代替Cr12MoV制造冲压模，用P20钢代替45号钢制造塑料模型芯、型腔，使模具的光洁度和寿命都有了较大的提高。用H13钢代替国外已淘汰的3CW8V制造锻模和压铸模。在冷作模具钢方面，自行开发了65Nb、O12A、CG-2、LM1-2、LD、GD、GM、DS钢等品种。其中65Nb、LD、GD及DS钢因具有良好的抗冲击性而更适合于作冷墩及原料冲裁凸模。GM钢因有良好的耐磨性特别适合于作螺纹滚丝轮，与Cr12MoV相比，寿命可提高十多倍。除上述合金钢外，还开发了GT35及DT等牌号的钢结硬质合金和YG系列的钨钴类硬硬合金以满足高寿命的要求，制造高速冲床用的模具。在塑料模具钢方面，自行开发了易切削类的5NiCa、06Ni、SM1、SM2以及PMS、CPR、PCY等钢，都是一些具有良好加工、使用性能的优良钢种，并在使用上得到用户的认可。在热作模具钢方面Y4、Y10、HM-1、GR、ER8等新品种的开发和应用彻底改变了热作模具几十年来由3Cr2W8V一统天下的局面。
日常生产、生活中所使用到的各种工具和产品，无不与模具有着密切的关系。模具的形状决定着这些产品的外形，模具的加工质量与精度也就决定着这些产品的质量。因为各种产品的材质、外观、规格及用途的不同，模具分为了铸造模、锻造模、压铸模、冲压模等非塑胶模具，以及塑胶模具。
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随着入世后制造业中心向中国转移，模具产业有望迎来30%的增长。与IT业相比，模具专业的从业人员的价值会随着从业年限和经验的积累而不断提升，是一个真正的“永不衰退的行业”。
由于模具制造的多样性、复杂性和广泛的适用性，故而模具工业被称之为“帝王工业”。
冲压模具的形式很多，根据工序组合程度分为单工序模、复合模 和级进模。 单工序模在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。
复合模只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。
级进模，也叫连续模，由多个工位组成，各工位完成不同的加工，各工位顺序关联，在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工。级进模，都是用在冲压模具上的，一般有冲孔，落料，折弯，切边，拉伸等多个工序。
多工位级进模是具有精密、高效、长寿命的的特点。它适用于冲压小尺寸、薄料、形状复杂和大批量生产的冲压零件。多工位级进模的工位数可高达几十个，其模具能自动送料、自动检测出送料误差等。多工位精密级进模常用于高速冲压，因此，生产率得到极大地提高，解决了手工送料的误差，减少了冲压设备和工人，提高了产品精度。
相对于普通模具来说，多工位级进模结构更为复杂，制造技术和制造要求更高，模具的成本相对也高，同时对冲压设备、原材料(卷料)也有相应的要求，对模具设计的合理性也提出了较高的要求。因此，在模具设计前必须对制件进行全面分析，然后结合模具结构特点和冲压件的成形工艺性来确定该制件的冲压成形工艺过程。
多工位精密级进模有如下特点：
（1）在一副模具中，可以完成包括冲裁、弯曲、拉深和成形等多种多道冲压工序。从而免去了用单工序模的周转和每次冲压的定位过程，提高了劳动生产率和设备利用率。
（2）由于在级进模中工序可以分散，不必集中在一个工位上，故不存在复合模上的“最小壁厚”问题，可根据生产中实际需要留出空位，从而保证模具强度，延长模具寿命。
（3）多工位精密级进模常采用高速冲床生产冲压件，模具采用了自动送料、自动出件等自动化装置，操作安全，具有较高的劳动生产效率。
（4）级进模结构复杂，模具制造精度要求很高，给模具制造、调试及维修带来一定难度。同时要求模具零件具有互换性，在模具零件磨损或损坏后更换迅速、方便可靠。
在信息化带动工业化发展的今天，在经济全球化趋向日渐加速的情况下，我国冲压模具必须尽快提高水平。通过改革与发展，采取各种有效措施，在冲压模具行业全体职工的共同努力奋斗之下，我国冲压模具也一定会不断提高水平，逐渐缩小与世界先进水平的差距。“十一五”期间，在科学发展观指导下，不断提高自主开发能力、重视创新、坚持改革开放、走新型工业化道路，将速度效益型的增长模式逐步转变到质量和水平效益型轨道上来，我国的冲压模具的水平也必然会更上一层楼。
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1 零件介绍
如图1所示，电机转子铁芯零件，材料为D31，材料厚度为0.35㎜，大批量生产。
图1 电机转子铁芯零件图
2 零件的工艺性分析
冲裁件的工艺性是指该工件在冲裁加工过程中的难易程度。良好的冲裁工艺性应用保证材料消耗少、工序数目少、模具结构简单且寿命长、产品质量稳定、操作安全方便等。因此，冲裁件的工艺性是否好，对冲裁件质量、生产效率以及冲裁模的使用寿命均有很大影响。
然而，影响冲裁件公艺性的因素很多，如冲裁件的结构形状、尺寸精度和材料等，这些因素往往取决于产品的使用要求。
2.1 结构形状
冲裁件的形状应尽可能的简单、对称，最好采用圆形、矩形等规则的几何形状，或由
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简单的几何图形组成的形状。
该零件结构较复杂，形状对称，尺寸较小，无悬臂狭槽，孔边距较大，在转子槽口处和切口处存在90°的转角，如图2所示。
图2 90°的转角处
2.2 尺寸精度
制件上转子孔Φ12的公差为0.027㎜（为IT8级），外圆Φ35的公差为0.05㎜（为IT9级），其他尺寸无精度要求，视为IT13级，因此，制件总体精度为IT8级，如表1所示。作为电机转子，其毛刺高度应小于0.05㎜。
表1 公差表
公 差 等 级 基本尺寸 (㎜) ≤3 >3~6 >6~10 >10~18 >18~30 >30~50 >50~80 >80~120 (μm) IT8 IT9 14 25 18 30 22 36 27 43 33 52 39 62 46 74 54 87 IT12 0.10 0.12 0.15 0.18 0.21 0.25 0.30 0.35 IT13 0.14 0.18 0.22 0.27 0.33 0.39 0.46 0.54 IT14 0.25 0.30 0.36 0.43 0.52 0.62 0.74 0.87 (㎜) IT15 0.40 0.48 0.58 0.70 0.84 1.00 1.20 1.40 IT16 0.60 0.75 0.90 1.10 1.30 1.60 1.90 2.20 IT17 1.0 1.2 1.5 1.8 2.1 2.5 3.0 3.5 IT18 1.4 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.6 5.4 2.3 材料
制件所用的材料为电工硅钢，材料具有一定的脆性，抗剪强度为450 MPA,抗拉强度为560 MPA，综上所述，制件具有较好的冲压性能，适宜采用冲裁加工，但精度要求较高。
3 确定冲裁工艺方案
在确定制件冲裁工艺方案时，先决定制件所需的基本冲裁工序性质、工序数目以及工序的顺序，再将其排列组合成若干种可行方案。然后对各种工艺方案进行分析比较，综合
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