冷沖模架導(dǎo)向系統(tǒng)的研究

閆航偉,趙 峰

(陜西渭河工模具總廠,陜西蔡家坡 722405)

隨著模具工業(yè)的快速發(fā)展,模架已作為其最重要的標(biāo)準(zhǔn)件之一,在模具行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而,目前介紹模架導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用、驗(yàn)算方法等方面的資料很少,不利于對模架的了解和應(yīng)用?，F(xiàn)就這一問題,結(jié)合我廠多年來在模架導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造中所摸索出的比較成熟的經(jīng)驗(yàn),與大家一起進(jìn)行探討。

1 模架導(dǎo)向系統(tǒng)的種類和特點(diǎn)

現(xiàn)在市場上所提供的導(dǎo)向系統(tǒng)按其配合形式可分為滑動導(dǎo)向件和滾珠導(dǎo)向件,其結(jié)構(gòu)有很多種。為了讓大家有所了解,特介紹如下。

1.1 滑動導(dǎo)向系統(tǒng)的種類及其特點(diǎn)

圖1～圖 4所示為滑動導(dǎo)向系統(tǒng),由導(dǎo)柱、導(dǎo)套、襯套及壓板組成,按結(jié)構(gòu)可分為非可拆拆卸式和可拆卸式兩種。非可拆卸式大致可分為3種(圖1～圖3)。其中圖1為直通式,是我廠根據(jù)市場的實(shí)際需求而開發(fā)的;圖2和圖3為臺階式,已有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn);圖4為可拆卸式。它們的共同特點(diǎn)為:導(dǎo)柱和導(dǎo)套配合間隙都采用間隙配合,一般配合間隙為0.006～0.015 mm;不同點(diǎn)為:A型導(dǎo)套為了防止縮孔在使用時要采用粘接的方式,而B型、C型和可拆卸式都采用沖壓的方式。這兩種方式的區(qū)別在于:采用沖壓方式對上下模板孔的精度和中心距要求較嚴(yán)格,所以加工難度大,效率低,廢品率高,適合精度較高的模架;使用粘接方式對上下模板孔的精度和中心距要求不高,加工難度低,效率高,廢品率低,適合精度要求較低的模架?？刹鹦妒降牧硗庖粋€特點(diǎn)為:模具在刃磨凸凹模刃口時,只要拆下導(dǎo)柱或?qū)?就可方便地對凸凹模進(jìn)行磨削,重裝導(dǎo)柱或?qū)缀?仍可保持模架的原裝配精度,方便實(shí)用,適用于經(jīng)常更換導(dǎo)向件或?qū)ν拱寄＿M(jìn)行磨削的模具。

1.2 滾動導(dǎo)向系統(tǒng)的種類及其特點(diǎn)

滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)是由導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套、襯套、彈簧等幾部分組成。滾珠架中的滾珠在運(yùn)動中作純滾動,導(dǎo)套與珠架、珠架與導(dǎo)柱之間的配合性質(zhì)是過盈配合,一般過盈量為0.01～0.02mm,這與滑動模架導(dǎo)向件中導(dǎo)柱、導(dǎo)套間為間隙配合有著本質(zhì)的區(qū)別。滾珠模架的使用特點(diǎn)是:在沖裁中,由于導(dǎo)向件中無間隙,能精確保證運(yùn)動中模板上各模具零部件的相對位置,保證各工位的位置精度,滾動摩擦力小,運(yùn)動輕快,壽命長,適應(yīng)高速運(yùn)動。由于具備了這些特點(diǎn),滾珠模架一般用在小間隙或無間隙沖裁、高速精密沖裁、硬質(zhì)合金沖裁、薄件材料沖裁、多工位級進(jìn)模等模具上。其結(jié)構(gòu)形式大致可分為以下幾種,如圖2～圖8所示。

圖6是在原滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了滾珠架的防脫裝置,它除了具有滾珠導(dǎo)向件的優(yōu)點(diǎn)和性能外,還具備有上模座和導(dǎo)套能夠脫開導(dǎo)柱的性能,并能復(fù)位后仍保持精度,是所裝模具不受沖床滑塊行程的限制,因而也適用打彎、引伸模的使用。圖7具有滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)也具有可拆卸的優(yōu)點(diǎn)。圖8具有滾珠、可脫開、可拆卸3種性能,但是制造較麻煩,造價較高,可根據(jù)模具的實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

圖1 A型滑動導(dǎo)向件

圖2 C型滑動導(dǎo)向件

圖3 B型滑動導(dǎo)向件

圖4 可拆卸滑動導(dǎo)向件

圖5 一般滾動導(dǎo)向件

1.3 模架滾珠防脫系統(tǒng)的種類和區(qū)別

圖6 脫開式滾動導(dǎo)向件

圖7 可拆卸式滾珠導(dǎo)向件

圖8 可脫開可拆卸式滾珠導(dǎo)向件

目前,常用的滾珠架防脫裝置有3種,如圖9～圖10所示,分別為脹銷式、擋圈式和鉚接式?！皳跞κ椒烂撗b置”易加工,缺點(diǎn)是:安裝拆卸較麻煩,需用專門的工具;如果裝擋圈的槽加工不規(guī)范,擋圈質(zhì)量差,可能在使用過程中造成擋圈脫落,致使工作中限程盤、滾珠架彈出,造成模具損壞?！般T接式防脫裝置”易加工,安裝和拆卸最簡單,缺點(diǎn)是:在鉚接時,易造成導(dǎo)軸被砸彎,與限程盤平面不垂直,從而造成珠架滾動不平穩(wěn)的現(xiàn)象;其次擋塊的螺紋在震動下易松動退出,從而造成珠架的脫落?！懊涗N式限程裝置”加工略顯麻煩,但脹銷是標(biāo)準(zhǔn)件,插入導(dǎo)軸槽中,可控制限程盤在K值范圍內(nèi)上下運(yùn)動,安全穩(wěn)定性好。

圖9 脫開式滾珠模架(脹銷式限程裝置)

圖10 限程裝置

2 模架導(dǎo)向系統(tǒng)的選用和計(jì)算

2.1 模架導(dǎo)向系統(tǒng)的選用

在設(shè)計(jì)模具時,可根據(jù)工件的精度要求選用導(dǎo)向系統(tǒng)的的配合性質(zhì)。對精度要求不太高的模具,可選用價格相對低廉的滑動導(dǎo)向系統(tǒng);對精度要求高的模具,可選用滾珠導(dǎo)向系統(tǒng);對精度要求高且需經(jīng)常修模的模具,可選用可拆卸式滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)。

2.2 模架導(dǎo)向系統(tǒng)的驗(yàn)算

在設(shè)計(jì)模具中,要正確地設(shè)計(jì)或選用導(dǎo)向系統(tǒng),無論何種導(dǎo)向系統(tǒng),都要進(jìn)行必要的驗(yàn)算。比如:要知道導(dǎo)套、滾珠架在沖裁中的位置;有效配合長度;各件所處位置是否發(fā)生干涉;沖床滑塊在上死點(diǎn)時,滾珠架能否脫落;最小閉合高度時,壓縮后的彈簧與滾珠架下端的距離是多少等;為了保證模具的安全運(yùn)行的導(dǎo)向精度等,這些都要進(jìn)行驗(yàn)證。顯然,驗(yàn)算公式對設(shè)計(jì)或選用滾珠模架是十分有用的?；瑒訉?dǎo)向系統(tǒng)較簡單,計(jì)算較容易,這里不再贅述。下面重點(diǎn)論述下滾動導(dǎo)向系統(tǒng)的計(jì)算方法。

2.2.1 普通滾珠導(dǎo)向系統(tǒng)的計(jì)算方法(圖11和圖12)

(1)通用公式

以下這些公式適用于普通型滾珠模架和脫開式滾珠模架。

滾珠模架中導(dǎo)向件的運(yùn)動原理:在沖裁運(yùn)動中,滾珠在導(dǎo)柱、導(dǎo)套的‘夾持'下,作純滾動運(yùn)動(無滑動)。

在圖4中,用理論力學(xué)的‘瞬心法'可求出 VB(導(dǎo)套)與 VA(滾珠架)的關(guān)系。由于基點(diǎn)C的速度瞬間等于零,A、B點(diǎn)的絕對速度就等于瞬時繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動,根據(jù)公式:VA/VB=CA/CB,代入 r得:

由式(1)可看出,VB速度是VA的2倍,在單位時間內(nèi),導(dǎo)套所行的距離是滾珠架的2倍,找出它們之間的關(guān)系,可容易地推出滾珠模架所需要的驗(yàn)算公式,這個運(yùn)動原理也適用其他類型的滾珠模架。

圖11 鋼珠運(yùn)動方式

模具的閉合高度應(yīng)在模架最小閉合高度和最大閉合高度之間。即:式中:Hmin為模架最小閉合高度;Hmax為模架最大閉合高度;H模為模具設(shè)計(jì)閉合高度;Hmin為模架最小閉合高度。

式中:L柱為導(dǎo)柱長度。

導(dǎo)向件中導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套的配合過盈量為:

d柱≤直徑32 mm的為 0.01～0.02mm,d柱＞直徑 32～50mm的為0.015～0.03mm。d柱為導(dǎo)柱直徑。

導(dǎo)向件中導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套各直徑的關(guān)系:

式中:D套孔為導(dǎo)套孔徑;d珠為滾珠直徑。

圖12 滾珠模架運(yùn)動狀態(tài)

2.2.2 脫開式滾珠模架的設(shè)計(jì)驗(yàn)算公式(結(jié)構(gòu)形式見圖3)

2.3 注意事項(xiàng)

(1)普通型滾珠模架、脫開式滾珠模架在最小閉合高度 Hmin時,即在沖床滑塊在下死點(diǎn)時的沖裁瞬間,導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套配合長度為最長,應(yīng)大于2倍的導(dǎo)柱直徑值,這時的導(dǎo)向性能、精度為最佳。

(2)普通型滾珠模架在最大閉合高度 Hmax時,導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套三者的配合長度要≥1.5d柱。這樣,沖模工作在有效的配合長度中,確保了滾珠架安全、不彈出。

(3)彈簧在壓縮后的高度,不應(yīng)大于或等于滾珠架在最小閉合高度時,它的下端面距下模座上平面的高度,要保持有一定的距離。否則,在沖裁力的作用下,壓縮后的彈簧,將阻止?jié)L珠架作向下運(yùn)動,而使?jié)L珠架中滾珠的滾動運(yùn)動成為滑動運(yùn)動,由于導(dǎo)向件是過盈配合,易造成各配合面的拉傷,使模架喪失精度。

(4)普通型滾珠模架彈簧的自由高度,是保證滾珠架的初始定位高度;脫開式滾珠模架中導(dǎo)軸K的尺寸,也是保證滾珠架的初始定位高度。所以,彈簧在負(fù)重滾珠架后,仍要保證它們的設(shè)計(jì)高度,否則將影響導(dǎo)柱、滾珠架、導(dǎo)套三者的配合長度。

(5)為了使圖和公式表達(dá)得較清晰、直觀,各件的倒角、滾珠架兩端第一排滾珠到頂部的距離、組裝導(dǎo)套的上端面到上模座上平面和組裝導(dǎo)柱下端面到下模座下平面的距離,未在圖和公式中表示出來,如要精確計(jì)算,在應(yīng)用中應(yīng)考慮。

3 主要件設(shè)計(jì)要求和制造工藝

(1)導(dǎo)套所選用的材料是GCr15,淬火硬度為61～65HRC,孔圓柱度允差0.003mm,表面粗糙度Ra0.2,壓配合導(dǎo)套外圓公差為n5,粘接用導(dǎo)套外圓與配合孔作成間隙配合,間隙值視粘接劑性能而定。比如:我們現(xiàn)在使用的是‘厭氧膠'粘接,效果不錯,孔與外圓同心度允差0.005 mm。主要工藝是:淬火后,精車內(nèi)孔留珩量0.10～0.12mm;珩內(nèi)孔時,珩磨內(nèi)孔留研量用公式D孔=d柱+2d珠-0.05 mm算出,珩磨工序加工允差為±0.0 1 mm;精研時與同組導(dǎo)柱、滾珠架配作,保證過盈量,用氣動量儀、指示千分尺對各件進(jìn)行測量。

(2)導(dǎo)柱所選用的材料是GCr15,淬火硬度為62～65HRC,公差采用h5,圓柱度允差0.003mm,表面粗糙度 Ra0.2μm。主要工藝是:淬火后經(jīng)無心磨粗精磨,留研量0.01～0.012mm;用雙盤研磨機(jī)加工成。

(3)滾珠架中使用的滾珠應(yīng)符合:d柱≤直徑25 mm,選用直徑3 mm的滾珠;d柱＞直徑 25～38 mm,選用直徑 4mm的滾珠;d柱＞直徑 38mm,選用直徑5 mm滾珠。滾珠應(yīng)符合GB308-77Ⅱ級以上標(biāo)準(zhǔn)要求,滾珠架體材料以黃銅(H62)為好?，F(xiàn)滾珠架已標(biāo)準(zhǔn)化,外購很方便。

4 結(jié)束語

以上介紹了模架導(dǎo)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求,計(jì)算公式和主要制造工藝、注意事項(xiàng)等,希望對從事冷沖模具設(shè)計(jì)中選用合理的導(dǎo)向系統(tǒng)有些參考作用。