沖壓模具中快換機(jī)構(gòu)的選擇與設(shè)計(jì)

李 用，金 華，徐 洪

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川成都 610091）

1 引言

隨著傳統(tǒng)燃油車輛飽和以及新能源汽車發(fā)展受到關(guān)鍵技術(shù)的制約，單一車型市場銷售數(shù)據(jù)逐年減少，為了搶占先機(jī)，贏得市場，車企不斷加大技術(shù)創(chuàng)新的投入，超前啟動新車型開發(fā)換代，打破以前坐、等、要的傳統(tǒng)觀念，主動開始從個性化、定制化等服務(wù)特定群體的汽車市場中尋求新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，研發(fā)小眾化特定車型變得十分必要。為了實(shí)現(xiàn)同一平臺下多個車型生產(chǎn)，降低汽車開發(fā)成本，這就必然增加了模具設(shè)計(jì)與制造的難度，如何從眾多的快換結(jié)構(gòu)中選擇一款適合車型開發(fā)相匹配的機(jī)構(gòu)，在保證模具快換功能的前提下，實(shí)現(xiàn)模具生產(chǎn)制造成本可控，是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者必須面臨的抉擇。本文就快換機(jī)構(gòu)功能性，經(jīng)濟(jì)性，安全性，好維護(hù)等方面進(jìn)行介紹，方便設(shè)計(jì)者選用合理的快換機(jī)構(gòu)。

2 標(biāo)準(zhǔn)快換機(jī)構(gòu)種類

（1）球鎖緊快換凸模機(jī)構(gòu)，是一種經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定可靠的機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 球鎖緊快換凸模機(jī)構(gòu)

這種快換凸模適用于中大批量及手動生產(chǎn)方式。好設(shè)計(jì)，需要空間小，易于實(shí)現(xiàn)多個凸?？鞊Q，該機(jī)構(gòu)日常生產(chǎn)維護(hù)時，撤卸壓料板上的側(cè)銷或壓料板上小卸料板，讓凸模外露出來，使用圖2中專用工具，擠壓鋼球，取出損壞的凸模，更換新的凸模，如圖2所示。這種機(jī)構(gòu)每次更換時間較短，每個均是標(biāo)準(zhǔn)件，采購成本低，易于維護(hù)與制造，是目前被廣泛采用結(jié)構(gòu)。

圖2 球鎖緊快換凸模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與維護(hù)

（2）手動型切換式凸模機(jī)構(gòu)，該凸模使用的是臺階式凸模，機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜，是一種緊湊型的非標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件，如圖3 所示，其原理就是手動旋轉(zhuǎn)手輪，帶動楔形板1 運(yùn)動，凸模及凸模固定塊4在彈簧5 作用下上升一定行程，通常是8mm切換行程保證有無沖切。由于尺寸偏大，設(shè)計(jì)需要手動操作空間大，此種結(jié)構(gòu)適用于非球鎖凸模要求情況下，批量小，手動生產(chǎn)方式，由于是標(biāo)準(zhǔn)件，方便采購與維護(hù)，也一種經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定可靠的機(jī)構(gòu)。日常維護(hù)需要把壓料器撤卸開，取下快換座，耗時相對較長。

圖3 手動型切換式凸模機(jī)構(gòu)

（3）氣動型切換式凸模機(jī)構(gòu)，該凸模使用的是臺階式凸模，機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜，也是一種緊湊型的非標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件，如圖4 所示，其原理是氣缸3 在空氣作用下帶動楔形板1運(yùn)動，凸模及凸模固定塊5 在彈簧6 作用下上升一定行程，通常是8mm切換行程保證有無沖切。由于增加氣缸及管路，機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)一步加大，設(shè)計(jì)需要考慮空間多，同時需要落實(shí)機(jī)床上氣路是否有無，機(jī)床上有氣路，可以在線切換，沒有需要線下切換。此種結(jié)構(gòu)適用于非球鎖凸模要求情況下，批量中大，手動與自動生產(chǎn)方式均可，切換要求快速響應(yīng)，這也是目前使用較多的快換機(jī)構(gòu)。由于是標(biāo)準(zhǔn)件，方便采購與維護(hù)，也一種經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定可靠的機(jī)構(gòu)。日常維護(hù)需要把壓料器撤卸開，取下快換座，耗時相對較長，而且日常需要對氣路系統(tǒng)供氣穩(wěn)定性進(jìn)行檢查。

圖4 氣動型切換式凸模機(jī)構(gòu)

對于需要大行程與大的安裝面的氣動型切換式凸模機(jī)構(gòu)，可以選擇SANKYO 或JOUDER 標(biāo)準(zhǔn)的氣動型切換式凸模機(jī)構(gòu)中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，如圖5 所示，就是SANKYO 標(biāo)準(zhǔn)中的一種結(jié)構(gòu)，行程有8mm 與12mm兩種尺寸形式。JOUDER可以接受非標(biāo)準(zhǔn)行程與安裝大小的定制標(biāo)準(zhǔn)件，這在實(shí)際模具設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

圖5 大行程大臺面氣動型切換式凸模機(jī)構(gòu)

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3 非標(biāo)快換機(jī)構(gòu)

由于非標(biāo)機(jī)構(gòu)因?yàn)橹萍煌?，工序安排的差異，模具空間限制等綜合因素考慮，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式多種多樣，基于目前使用結(jié)構(gòu)中，推薦兩種被廣泛采用的在線氣動快換結(jié)構(gòu)形式，具有使用方便，切換可靠，運(yùn)動平穩(wěn)等特點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)見下。

（1）氣缸推動剛性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)，如圖6 所示，圖中氣缸推動支撐滑塊往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容的有無。圖6所示狀態(tài)為氣缸拉回時沖壓狀態(tài)，當(dāng)不需要沖壓時，氣缸推動支撐滑塊前行，當(dāng)快換滑塊與支撐滑塊間的斜導(dǎo)板直線段分離后，氣缸推動支撐塊 繼續(xù)前行，上面的斜導(dǎo)板與剛性限位座上的斜導(dǎo)板才接觸，在氣缸推力作用下，剛性限位座往上拉動快換滑塊向上運(yùn)動，直到斜導(dǎo)板運(yùn)動到直線段，氣缸才停止，這時工作鑲塊已經(jīng)遠(yuǎn)離工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了不工作狀態(tài)。反之，氣缸拉動支撐滑塊運(yùn)動一定行程，實(shí)現(xiàn)工作鑲塊沖壓狀態(tài)。

對于圖6 中的剛性驅(qū)動快換機(jī)構(gòu)，它具有限位可靠，工作平穩(wěn)，幾乎沒有沖擊噪音等優(yōu)點(diǎn)，同時具有斜導(dǎo)板磨損厲害，驅(qū)動支撐滑塊的氣缸力量需要很大，設(shè)計(jì)行程協(xié)調(diào)困難，容易產(chǎn)生干涉等缺點(diǎn)。所以，選擇剛性快換機(jī)構(gòu)時，需要注意工廠的機(jī)床是否具有穩(wěn)定的氣源提供足夠氣缸推力，模具設(shè)計(jì)空間是否足夠大，能夠安置足夠推拉動滑塊的氣缸，來實(shí)現(xiàn)切換功能。這是設(shè)計(jì)者選擇剛性驅(qū)動快換的基本要求。

圖6 氣缸推動剛性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)

（2）氣缸推動柔性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)，如圖7 所示，圖7 中氣缸推動支撐滑塊往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容的有無。圖7 所示狀態(tài)為氣缸推出時沖壓狀態(tài)，當(dāng)不需要沖壓時，氣缸拉動支撐滑塊后退，快換滑塊在支撐氮缸推力作用下，始終與支撐滑塊接觸，直到支撐滑塊回退到位，空開一定空間，同時快換滑塊向上運(yùn)動一定距離后停止，直到二者安全但不接觸，這時工作鑲塊已經(jīng)遠(yuǎn)離工作區(qū)域，當(dāng)機(jī)床再次沖壓制件時，快換滑塊在壓料器內(nèi)支撐氮缸的作用下，始終把快換滑塊頂起，實(shí)現(xiàn)了不工作狀態(tài)。反之，氣缸推動支撐滑塊運(yùn)動一定行程，填充了支撐滑塊與快換滑塊之間的距離，達(dá)到工作鑲塊有支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)沖壓狀態(tài)。

圖7中的柔性驅(qū)動快換機(jī)構(gòu)具有限位可靠，工作平穩(wěn)，推動支撐滑塊的氣缸力量小等優(yōu)點(diǎn)，同時具有在不沖壓制件狀態(tài)下沖壓，會有快換滑塊沖擊支撐滑塊的噪音，甚至當(dāng)支撐氮缸的力量較小時，快換滑塊受到?jīng)_壓振動，當(dāng)振動能量大于支撐氮缸力量時，會造成不沖壓制件狀態(tài)的制件受到擠壓變形；當(dāng)快換滑塊行程小于壓料器行程時，安全螺釘不斷受到快緩滑塊沖擊，螺釘容易斷裂失效。所以，正確設(shè)計(jì)支撐氮缸的力量與行程就變得較為關(guān)鍵?；谏鲜龇治?，在結(jié)構(gòu)空間受限，工廠氣源不穩(wěn)定狀態(tài)下，選擇柔性快換機(jī)構(gòu)是一個非常好的解決方案，這種機(jī)構(gòu)目前被大家廣泛接受并采用。下面就這種非標(biāo)柔性快換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)注意點(diǎn)進(jìn)行介紹。

圖7 氣缸推動柔性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)

4 非標(biāo)柔性驅(qū)動快換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)要點(diǎn)。如圖8 所示，圖中的支撐氮缸，一定設(shè)計(jì)在主壓料器中，通過主壓料器的反作用力，把快換滑塊托舉起來，遠(yuǎn)離沖壓工作區(qū)域。同時快換滑塊需要設(shè)計(jì)與模座間的導(dǎo)向與限位，有側(cè)向力時需要在主壓料器與快換滑塊之間設(shè)計(jì)防側(cè)導(dǎo)板。

圖8 氣缸推動柔性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)

（2）行程設(shè)計(jì)。如圖9 所示，首先確定快換滑塊上的零件自由狀態(tài)下的行程，需要保證在不沖壓狀態(tài)下最小10mm 的安全距離來設(shè)計(jì)支撐滑塊的厚度與躲避空間。其次就是確定支撐滑塊的支撐氮缸行程b，優(yōu)先考慮與主壓料器的行程相當(dāng)，可以小0.5mm，這樣可以最大限度減少沖擊噪音與方便在線切換，如果主壓料器與快換滑塊的行程不一樣，就需要適當(dāng)增加卸料螺釘直徑，此時螺釘就會受到?jīng)_壓沖擊載荷。最后確定安全螺釘?shù)陌踩谐蘟，當(dāng)主壓料器與快換滑塊行程一樣時，模具在閉合狀態(tài)下，安全行程a=5mm。方保證螺釘不受力，僅是起安全作用。當(dāng)快換滑塊的支撐氮缸的行程與主壓料器的行程不一樣時，安全螺釘?shù)男谐蘟=兩者的行程差+5mm。此時，螺釘要受力，需要承載快換滑塊的機(jī)構(gòu)重量與沖壓時振動載荷。

圖9 氣缸推動柔性驅(qū)動的快換機(jī)構(gòu)行程設(shè)計(jì)

（3）支撐氮缸力量設(shè)計(jì)，快換滑塊的支撐氮缸的力量，是決定快換滑塊設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵一個因素。如果力量設(shè)計(jì)偏小，就會在高速沖壓過程中，對沒有沖壓的制件產(chǎn)生撞擊與損傷。因此，正確選擇與設(shè)計(jì)支撐氮缸的位置與力量大小是非常關(guān)鍵的，按照經(jīng)驗(yàn)，氮缸力量選擇是快換機(jī)構(gòu)整理重量的3~5 倍。

（4）其它設(shè)計(jì)，快換滑塊與上模座之間需要設(shè)計(jì)導(dǎo)柱導(dǎo)向，安全螺釘限位，快換滑塊與主壓料器之間優(yōu)先設(shè)計(jì)導(dǎo)板導(dǎo)向，可以避免沖壓過程中側(cè)向力的影響。支撐滑塊設(shè)計(jì)需要上下設(shè)計(jì)導(dǎo)板，減小運(yùn)動中的磨檫，如果沖壓有整形工序，優(yōu)先設(shè)計(jì)剛性導(dǎo)板接觸，避免材質(zhì)差異導(dǎo)致制件精度影響。支撐滑塊推拉氣缸設(shè)計(jì)，需要考慮前后行程預(yù)留5mm，同時前后增加緩沖，減少切換過程中噪音，注意氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要設(shè)計(jì)換向閥來切換與鎖死滑塊。

5 結(jié)束語

通過對各種快換機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與使用場景的分析，幫助設(shè)計(jì)員正確選擇與設(shè)計(jì)，維護(hù)快換機(jī)構(gòu)，當(dāng)遇到機(jī)構(gòu)有問題時，能夠正確分析與判斷，找到相應(yīng)的處理辦法，提升設(shè)計(jì)效率，縮短維護(hù)時間。