本发明涉及压力加工领域，尤其涉及薄板密集小孔和高形状精度要求冲裁与自动送料机构及系统。
背景技术：
近年来在国际工具市场上推出的一种新型的sg磨粒砂轮，它的磨削性能介于超硬的立方氮化硼(cbn)砂轮和普通刚玉砂轮之间，其加工性能和使用寿命要远高于刚玉砂轮，价格适中，但又不像cbn砂轮那样对磨床有较高要求，因此得到了广大用户的青睐与欢迎，其使用面日益扩大。是由晶粒为亚微米级的刚玉晶体，采用溶胶—凝胶(sol-gel)工艺合成并经烧结制成,因磨粒是微晶结构，具有很多晶解面，在外力作用下或在修锐和修整中仅微晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好，且剥落较少，用sg磨粒制作的砂轮已广泛应用于航空航天、汽车、轴承、仪器仪表等领域。
sg磨粒的形状由其微成型孔决定，目前微成型孔的加工主要采用激光加工、电解加工、电火花加工及线切割等加工方式，加工效率低，很难实现批量生产，且孔的轮廓形状不可控。
经检索，专利号为zl20120537260公开了一种激光加工异型孔的方法，利用飞秒激光在金属上加工异型孔的方法，保证圆孔与异型孔的加工位于同一工位上，与高精度控制系统配套保证了异型孔孔中圆孔的位置精度。利用微动二维平台的一个摆动轴与五轴平台的一个直线轴进行运动复合，再加上激光器快门的实时控制，由点成线，线成面，面成体的基本规则。该发明可以精确地控制激光束刀具加工各种各样的异型形状，而加工多个异型孔时，精度保持性差，加工效率低。
经检索，专利号为zl201611148984.3公开了一种微小孔加工方法及设备，在管电极与加工工件两端连接电火花加工电源及电解加工电源双电源，通过控制电火花加工电源及电解加工电源的加工参数实现微小孔电解及电火花复合可控加工。可以去除单一电火花加工微小孔产生的再铸层、毛刺以及提高单一电解加工微小孔时的效率及加工精度。该发明可以获得较好的微小孔加工表面质量、较高的加工效率及加工精度，但是无法实现批量生产以及保证微孔的形状精度。
经检索，专利号为zl2005100464238公开了一种大量微小孔的群电极电火花加工工艺方法和装置，通过在v型槽定位库上加工的许多v型槽中分别安装单个电极且v型槽定位库安装于螺旋调整方槽型结构上，形成群孔加工所需群电极及群电极的调整方法，群电极的另一端连接机床主轴。该发明实现微小孔的批量生产，但该方法对于群孔加工时，部分电极的损坏，影响群孔加工的精度保持性。
经检索，专利号为zl2012105247533公开了一种微小孔等离子体放电加工装置及加工方法，利用微小直径电极与待加工微小孔孔壁间形成的等离子体放电空间进行微小孔的加工。该发明采用的四氟化碳气体遇高温后存储容器易于爆炸以及其造成温室效应的作用是二氧化碳的数千倍，给操作安全及环境带来不利。
现有技术中一种电解线切割技术加工异型孔的方法，根据金属阳极电化学溶解的原理，利用线电极作为工具阴极对工件蚀除的加工方法。并通过运动平台带动线电极和工件做相对运动实现零件加工成形，有效降低加工孔型的内圆角半径和提高异型孔的加工效率，而应用于群孔加工时，其精度保持性较差。
综上所述，根据目前的加工方式，加工sg磨粒微复制成型孔的关键问题在于轮廓的形状精度，以及实现批量生产时的精度保持性，只有在此基础上才能进一步提高sg磨粒切屑刃的锋利程度，实现sg磨粒尺寸的一致性。
技术实现要素：
本发明的第一目的是设计一种适用于sg砂轮磨料微复制成形孔凸模，根据工件的尺寸大小和相关搭边值的大小以及相关模具的制造方式，调整了凸模刃口的分布情况，根据冲裁力的大小和搭边值的大小确定了凸模刃口的数目。
本发明的第二目的是提供一种适用于sg砂轮磨料微复制模具进行加工的模具加工系统，根据加工材料的尺寸、排样的设计和材料搭边值的大小，设计了模具的整体尺寸；凸模为整体结构，凸模刃口的排布根据排样的设计进行布置。
为了达成上述目的，本发明提供了一个技术方案：
本发明提供的一种适用于sg砂轮磨料微复制成形孔凸模，包括四个完全一样的整体式凸模装置，四个整体式凸模装置拼合在一起形成一个整体，每个整体式凸模装置包括一个支撑板，在所述的支撑板上设有三排凸模单元，第一排和第三排凸模单元完全上下对应，第二排凸模单元与第一排、第三排凸模单元错开设置，第二排的每个凸模单元位于第一排或者第三排相邻凸模单元的中心线上。
进一步的，所述的支撑板与所述的凸模单元为一体式结构，通过线切割加工的方式进行制造。
进一步的，所述凸模单元上设有刃口；
本发明还提供了一种适用于sg砂轮磨料微复制成形孔凹模，包括一个与所述的凸模单元对应的孔。
进一步的，所述的凹模内的孔阶梯状结构，下半部分的直径大于上半部分的直径，下方设有排料孔。
进一步的，所述的凸模单元与所述的刃口双间隙配合。
一种整体冲压模具，包括所述的凸模和凹模。
进一步的，所述的整体冲压模具还包括上模座、下模座，所述的上模座、下模座之间通过导柱套连接，所述的上模座底部安装一个垫板，所述的垫板的顶部安装有一个穿过上模板的模柄；垫板的底部安装有凸模，且凸模的底部安装有卸料板，所述的卸料板通过螺栓与所述的上模板相连，且位于上模板与卸料板之间的螺栓杆上设有弹簧；在所述的下模座的顶部安装一个凹模固定板，在所述的凹模固定板的顶部设有一个凹模，所述的凹模、凹模固定板和下模座连接成一个整体。
所述的下模座、凹模固定板上设有与凹模对应的排料孔。
所述的凸模通过螺钉与所述的垫板相连，所述的垫板通过螺钉与所述的上模座相连。
.一种全自动送料加工系统，包括可连续冲压模具和自动间歇送料结构，所述的自动间歇送料结构为所述的可连续冲压模具送料，其包括步进电机，所述的步进电机通过传动装置驱动四个辊轴旋转，其中两个辊轴上下设置的前端，另外两个辊轴上下设置在后端；料板穿过四个辊轴后到达凹模的顶部。
本发明的工作原理:
本发明采用全自动送料系统进行供料。自动间歇送料结构由步进电机、皮带轮、齿轮组以及辊轴组成。该系统由pc控制运转，可以实现全自动化加工，压力机冲压过程与间歇送料结构通过行程开关配合运作。在冲压过程中，由步进电机起送料和暂时定位作用，由压料滚子起到将板料展开并保持平直的效果，当板料被输送到模具之中后，由卸料板起到固定板料和定位的作用，保证冲裁的精度。当板料被运送至指定位置时，由压力机提供给模具压力。首先压料板下移，压住板料，使板料固定，进而凸模下移，对板料进行冲裁。冲裁结束后，凸模先退回，由压料板的作用，使凸模和板料分开。冲裁下的板料落入凹模下方的排料孔中，一次冲裁过程结束，然后步进电机再次进行送料，重复冲裁过程。直至冲压完成。
本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的高效微小孔冲压的排样方式，致力于微小孔冲压加工难题。解决了凸、凹模刃口间距过小、难以保证形状精度、模具加工困难等问题，本发明提供的设计方案可通过间距放大以及相关参数的更改，从而与各种尺寸、各种形状的冲裁件相适应。冲裁件的形状精度高、成本较低，容易实现自动化生产、生产效率高，加工一致性好。
(2)本发明提供的模块化凸模结构，易于加工，磨损后仍能保持加工精度、能有效解决密集小孔冲压时凸模的固定和定位问题，在保证被加工件形状和尺寸精度的同时提高生产效率，且模块化结构易于更换，强度高，精度保持性好。
(3)本发明提供的自动化冲压送料系统，结构简单，pc控制精度高，可实现全自动冲压。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1排样局部图；
图2排样整体图；
图3加工流程示意图；
图4sg磨粒微复制成形孔模具轴测图；
图5sg磨粒微复制成形孔模具剖视图；
图6图7图8模具凸模剖视图；
图9图10图11模具凹模剖视图；
图12冲裁时冲裁力和凸模的行程曲线图；
图13冲裁间隙示意图；
图14冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态图；
图15、图16落料和冲孔时的凸、凹模刃口尺寸、公差与冲裁件尺寸及其公差的关系图；
图17凹模刃口示意图；
其中，1-模柄，2-上模座，3-垫板，4-导柱套，5-凸模，6-导柱，7-凹模，8-下模座，9-凹模固定板，10-卸料板，11-垫板定位螺钉，12-卸料板柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
工作过程中，先将板料固定在凹模之中，并进行定位，当开始工作之后，固定在凸模对板料进行冲裁，凹模中的废料随导料孔落入下方并被收集。同时嵌在凸模上的板料在卸料板的作用下落回原位，一次冲裁过程结束，然后板料在供料装置的作用下再次进给60mm，重复上述冲裁过程，直至加工过程结束。由于凸模的尺寸较小，所以卸料板同时具有保护凸模和导向的作用。为了方便更换，将凸模设计成四个拼合式的整体凸模，材料选择冷作模具钢(cr12mov)，每个均由螺钉固定，定位销定位。板材宽度为300mm，厚度为0.5mm，材质为304不锈钢，要求冲压生产出的倒角尽可能的小，故冲裁件精度取it8级，模具制造精度取it6～it7级。根据由陈炎嗣主编的《冲压模具实用手册》可知，加工不锈钢304的搭边a1≥2.8mm，取压边值为6mm，。由于材料厚度为0.5mm，故冲裁件的切断面的表面粗糙度ra取3.2μm。冲孔的关键形状为边长为3mm的等边三角形，加工难点在于使加工后工件的圆角尽可能的小。每次冲孔数为176个，经计算单件材料的消耗
间隙值z：
式中：z—双面间隙值，mm；
t—板料厚度，mm；
h0—产生裂纹时凸模压入材料的深度，mm；
β—剪裂纹与垂线的夹角，°。
从式(1-1)可以看出，合理的间隙值z与材料厚度t、相对压入深度
凸模的尺寸决定冲孔时孔径的尺寸，冲孔模的以凸模为设计基准。先确定凸模的刃口尺寸，再根据间隙值确定凹模的刃口尺寸。由于凸、凹模在使用过程中会出现磨损现象，凸模的刃口磨损会使冲孔孔径尺寸变小，凹模刃口的磨损会使落料件的尺寸增大。故设计本模具时，凸模刃口尺寸的基本尺寸应该取公差范围之内的尽可能较大的尺寸。这样就能保证凸、凹模在被磨损一段时间之内仍然能够冲裁出合格的工件。
本次模具设计由于加工工艺的限制所以选择凸模与凹模单独加工的方法。在加工模具时，先在图样上标注凸模和凹模的刃口尺寸和公差，再将凸模和凹模分别按照图纸加工，为了保证合理间隙值，必须满足下列关系：
tp+td≤zmax-zmin(1-2)
或者取tp＝0.4(zmax-zmin)(1-3)
td＝0.6(zmax-zmin)(1-4)
冲孔模凸模刃口基本尺寸
冲孔模凹模刃口基本尺寸
对于平刃冲裁模的冲裁力计算：
f＝kltτb(1-5)
式中f—冲裁力，n；
k—系数，一般根据经验取1.3；
l—冲裁件冲裁孔的周长，mm；
t—板料厚度，mm；
τb—材料抗剪强度，mpa。取材料强度极限σb的80％，即τb＝0.8σb。
单个孔的周长为9mm，不锈钢304的抗拉强度σb为520mpa，故τb＝0.8σb＝416mpa。
故冲单个孔所需的冲裁力为
f＝1.3×9×0.5×416＝2433.6n
根据排样可知一次冲孔的总数为176个，所以总冲裁力为
f总＝2433.6×176＝428313.6n
在设计冲裁模具和确定冲裁工艺参数时，应该考虑适当降低冲裁力。若压力机吨位达不到要求，则应采取措施降低冲裁力。降低冲裁力的主要方法有：
(1)增大冲裁间隙可以减小冲裁力，在保证冲裁质量的前提下，一般倾向于采取较大冲裁间隙来降低冲裁力，减少模具磨损。
(2)将材料加热后再冲裁，加热材料后，抗剪强度会显著下降，而且随温度升高，抗剪强度逐渐降低，所需冲裁力也降低。但是加热容易使材料氧化，影响制件精度。
(3)采用阶梯状凸模冲裁，使冲裁时不同凸模的冲裁力的极值在不同时间发生，从而降低总冲裁力。
(4)采用斜刃口模具冲裁，将模具刃口做成与水平面倾斜一定角度，减少切断面积，降低冲裁力。
在设计冲裁模具和选择冲压设备时，需要校核压力机的功率。当计算的冲裁力大于压力机的公称压力时，可采用一些措施降低冲裁力，但是冲裁功却并不会减小，故可能出现压力机满足冲裁力的要求却在冲裁功方面过载的现象，当压力机在功率方面出现过载时，会产生迟滞现象，导致飞轮的转速会急剧降低，使压力机过载而发生损坏。
平刃口冲裁的冲裁功计算方法：
式中w—冲裁功，j；
f—冲裁力，n；
t—板料厚度，mm；
k—系数，由材料的性质和厚度决定，根据由陈炎嗣主编的《冲压模具实用手册》，k取0.70，冲裁力为2433.6n，板料厚度为0.5mm，
所以单个孔的冲裁功为
总冲裁功为
w总＝0.8518×176＝149.9j
由此可看出冲裁功很小，故可以不进行验算。
在设计冲裁模具时，还需要计算的其他力有卸料力、推件力和顶件力。板料经过冲裁之后，由于材料的弹性变形和弯曲回弹的作用，从板料上分离下来的部件容易堵塞在凹模的型口之内，剩下部分会紧附着在凸模上，所以为了保证后续加工的顺利进行，需要施加一定的力将材料推下或顶出。
(1)卸料力f1从凸模上将工件或者废料取下来所需要的力。
f1＝k1f(1-7)
(2)推件力f2从凹模内将工件或者废料顺着冲裁力的方向推出的力。
f2＝nk2f(1-8)
(3)顶件力f3从凹模内将工件或者废料逆着冲裁力方向顶出的力。
f3＝k3f(1-9)
其中k1、k2、k3分别为卸料力、推件力、顶件力系数，本次设计决定采用弹性卸料装置和下出料的方式，所以总冲裁力fz为：
fz＝f+f1+f2(1-10)
故fz＝428313.6+21415.68+26983.76＝476713n
由于本次冲裁采用的是自动送料的大批量生产，加上原材料的外形尺寸较大，所以决定采用开式曲柄压力机。由于压力机的冲裁力要保留有充分的余地，加上冲裁的速度较快，所以冲裁过程中各种力的总和不能超过压力机标称压力的70％～80％之内。根据本次计算的冲裁力计算结果，本次冲压模具选择的压力机型号为63吨开式曲柄压力机。
根据本次冲压的特点，决定采用拼合式凸模，由四块相同凸模组合成一个整体。模具结构及其组成决定了凸模的长度，凸模的加工修磨量、固定板和卸料板之间的长度等因素也会影响凸模的长度。凸模长度不够则无法插入凹模刃口对材料进行冲裁；过长会使凸模工作不稳定，容易发生损坏。
单工序凸模长度确定公式：
l＝h固+h卸+h导+y(1-11)
式中：l—凸模长度，mm；
h固—凸模固定板厚度，mm；
h卸—固定卸料板厚度，mm；
h导—侧面导料板厚度，mm；
y—增长量，mm(包括相应的加工修磨量、凸模压进凹模的距离、凸模固定板跟卸料板之间的长度等)。
经计算凸模长度取25mm。
冲压加工时，凸模承受压应力，卸料时有承受拉力，在连续冲压过程中，凸模容易疲劳破坏，对于刃口直径小，长度长的凸模，过大的压力会让凸模纵向产生弯曲变形，又因为不对称的冲压间隙与凸模和冲压材料之间角度偏差的原因，会让凸模因为受到侧向压力的作用而弯曲，也会导致凸模折断。故刃口直径较小、长度较长的凸模要对强度和稳定性进行校荷，具体的校验内容包括压应力和弯曲应力。
(1)压应力校验
给凸模的最大压应力不能大于凸模的许用压应力，即：
式中：p—最大冲裁力，n；
f—凸模刃口截面积，mm2；
[σ压]—凸模进行淬火处理后的许用压应力，mpa。取决于材料、热处理和模具的结构，由陈炎嗣主编的《冲压模具实用手册》查得[σ压]＝2000～2200mpa。
由前文知最大冲裁力p为2433.6n，凸模刃口截面积f为3.9mm2。
(2)弯曲应力的校验
本次设计的凸模有相应的导向装置和弹簧卸料装置，这时凸模的受力可以视为一侧受力，另一侧绞支连接的的压杆装置，此时凸模保持形状不会失稳而弯曲的最大长度为lmax，由欧拉公式计算
非圆形凸模应满足：
式中：lmax—允许的凸模最大自由长度，mm；
d—凸模的最小直径，mm；
p—冲裁力，n；
j—凸模最小断面的惯性矩，mm4；取
经计算
本次冲裁属于大批量冲裁工艺，而且对冲裁件的精度要求较高，所以凹模的设计必须满足制造方便精度高的要求。本次设计的凹模刃口没有斜度，有固定的高度h，刃口磨损后尺寸不会改变，但由于刃口下部的漏料处扩大，故凹模工作部分强度较差，容易积聚余料，然而该种凸模适用于废料顺冲压方向下落的模具，冲裁件的尺寸精度高，制作方便，所以应用范围很广泛。
刃口直壁高度h与被冲料厚t有关，一般当t≤1mm时取h≤4mm，t＞1mm时，取h＝4～8mm。本次冲压料厚t＝0.5mm，所以可以取t＝4mm。根据由陈炎嗣主编的《冲压模具实用手册》查得凹模厚度取30mm。由于本模具属于小型凹模，壁厚c＝(1.5～2)h(mm)，故c可以取25mm。
凹模抗弯能力计算：
经计算σ弯＝470mpa≤[σ弯]，所以是安全的。
具体的结构如下：
如图1、图2所示，该排样分为四个部分，每个部分均为长150mm，宽30mm。其中，每个三角形的下两条边均与下边界呈60°和120°。通过保证各平行线的平行度来保证各三角形的形状和尺寸精度，且该种设计不仅方便凸模的制造还满足材料的搭边值要求。
如图3所示，冲裁流程为首先由步进电机控制送料60mm后停止，然后模具进行冲裁过程，待冲裁完成后，排出废料，由步进电机控制进行再一次送料60mm，然后再进行冲裁过程，以此循环，直至完成整个加工过程。
如图4、图5所示，模具整体组成为凹模7由四个螺钉固定在凹模固定板9上，并由两长圆柱销定位，凹模固定板9通过定位螺钉固定在下模座上，由两个长圆柱销定位。上模座通过导柱和导柱套与下模座相连，并由此保证位置精度。垫板，通过四个长螺钉固定和两个长圆柱销定位，凸模固定板通过螺钉固定在垫板上。凸模通过螺钉固定在凸模固定板上，并分别通过横向和纵向的圆柱销和圆锥销定位。卸料板通过带弹簧的导柱固定在上模座上，并通过弹簧提供卸料力。
如图6、图7、图8所示凸模通过线切割的方式进行加工该凸模可以采用线切割加工的方式进行制造，先将模具整体顺时针倾斜30°，在其一角以一定深度横向走丝6.34mm之后切出，继续空走丝2.6mm后再以一定深度切入，走丝6.062mm。重复后两次步骤，切完后再将凸模逆时针旋转60°后再继续以上步骤，完成后使模具回正，进行最后的水平切削，由一定深度横向走丝6.062mm后切出，空走丝2.6mm后切入重复上一步操作直至加工出完整的凸模。凹模通过高精度激光进行加工保证加工精度。
如图12所示，冲裁时冲裁力和凸模的行程曲线。图中ab段为冲裁的弹性变形阶段，凸模与材料开始相遇后，载荷迅速上升；凸模的刃口进入板料中，材料开始塑性变形后，载荷缓慢增大，如图中bc阶段，由于凸模进入材料，承受冲裁力的材料面积减小，但材料发生加工硬化现象的作用超过了面积变小的作用，冲裁力持续增加，当两者的作用相等的瞬间，冲裁力达到最大值，即图中c点。之后，材料的受剪面积的缩小的作用超过了材料发生加工硬化的作用，冲裁力开始减小。凸模持续向下运动，材料内部的裂纹快速扩张，冲裁力快速减少，如图中的cd段所示，该段是冲裁的断裂阶段。
如图13所示冲裁间隙是指模具中凸模和凹模刃口之间的空隙。凸模与凹模两侧间隙的和称之为双面间隙，用z表示。
如图14所示，即为冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态。本次设计采用理论确定间隙法，主要依据是保证上下裂纹重合，并相交于一条直线，来获得较好的断面质量。冲裁间隙对冲裁工件的断面质量，凸、凹模的使用寿命，冲裁力等具有很大的影响。
如图15、图16所示落料和冲孔时的凸、凹模刃口尺寸，公差与冲裁件尺寸及其公差的关系。
图中：dd—落料模凹模刃口的基本尺寸，mm；
dp—落料凸模刃口的基本尺寸，mm；
dd—冲孔模凹模刃口的基本尺寸，mm；
dp—冲孔模凸模刃口的基本尺寸，mm；
dmax—落料件的最大极限尺寸，mm；
dmin—冲孔孔径的最小极限尺寸，mm；
δ—冲裁件公差；
zmin—最小双面合理间隙，mm；
zmax—最大双面合理间隙，mm(图中未标出)；
td—凹模刃口制造公差；
tp—凸模刃口制造公差；
k—系数；
为了避免冲裁件尺寸全部偏向极限尺寸，应使冲裁件实际尺寸接近公差带的中间尺寸。k值分布在0.5～1.0之间，并与与冲裁件的精度等级有关经查阅《冲压模具实用手册》，k取0.5，最小双面合理间隙zmin取0.035mm，冲裁件公差δ取0.008mm，凸模刃口制造公差tp取0.016～0.02mm，凹模刃口制造公差td取0.02mm。
如图17所示，本发明的凹模刃口没有斜度，有固定的高度h，刃口磨损后尺寸不会改变，但由于刃口下部的漏料处扩大，故凹模工作部分强度较差，容易积聚余料，然而该种凸模适用于废料顺冲压方向下落的模具，冲裁件的尺寸精度高，制作方便。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。