多工位冷鐓成形機專用離線換模裝置

肖志玲，劉百宣，汪金保，孫紅星，劉 華

（1.鄭州機械研究所，河南 鄭州450001；2.鄭州大學，河南 鄭州450001；3.西安交通大學，陜西 西安710049）

0 引言

隨著市場多樣化的發展，單件小批量訂單生產模式將占據塑性成形加工領域的重要地位。相應的生產設備也需隨產品類型頻繁更換模具，使換模時間控制顯得尤為重要。為了減少模具更換時間，豐田汽車工程師Shigeo Shingo 博士于1969年初次提出快速換模系統后，國內很多知名科研院校在快速換模方向上從換模裝置及配件等“硬件”方面[1-3]，以及車間管理制度、換模流程優化等“軟件”方面做了大量研究，并取得了顯著的效果，促使快速換模技術在我國大型機床設備[4]上得到廣泛推廣應用。但對某些機床如多工位冷鐓成形機的換模系統研究的較少。

目前，國內冷鐓成形存在設備模具更換耗時長的問題，一次換模需要停機4h～6h，嚴重影響冷鐓精密成形生產節拍（60～250min-1）的高效率要求。鑒于冷鐓成形技術以其精密、高效、高質的特點在航空、船舶、汽車、鐵路等領域具有廣闊的發展前景，冷鐓成形設備上迫切需要一套快速換模裝置，減少機器設備的停機時間。本文針對存在的問題，設計了多工位冷鐓機配套的離線換模裝置，該裝置結構簡單，經濟實用，換模時間短，定位可靠，是未來冷鐓成形機結構優化提高的發展方向。

1 離線換模裝置的特點

目前，國內冷鐓機的模具組件大多采用螺栓單獨分散的方式與床身連接鎖緊，如六工位冷鐓機，有12 件模具組件，換模時需長時間停機且分別裝卸更換，耗時費力。與之相比，本文設計的離線換模裝置有如下特點：①模具組件集成化，實現整體放入和吊離。離線換模裝置把多個動模組件集成到一塊滑板上，且不減少各個組件功能，換模時集成組塊整體吊離。②實現機外模具更換調整，減少換模時間。離線換模裝置突出優點是模塊的整體吊離，機外安裝調整。每臺機床設備配備兩套模具，舊模具需要更換時，整體吊離舊模具，隨之吊入機外安裝調整好的新模具，大大減少停機操作時間。③實現快速松緊和精準定位。在模具與床身的連接上，采用小型液壓缸驅動斜塊，依靠斜面自鎖方式鎖緊，取代多個螺栓鎖緊。液壓缸能夠實現快速松緊，與裝卸螺栓相比，將大大減少換模時間。在凸凹模組塊與床身的連接處，各設有兩組定位銷及相配的定位槽，具有導柱導套的作用，以便快速精準定位。

2 離線換模裝置的結構

離線換模裝置有動模組塊、定模組塊、液壓缸斜塊夾持器和定位方形銷四部分組成。能夠實現整體吊離、機外調整、快速鎖緊及精準定位等功能。

2.1 動模組塊及鎖緊定位結構

動模離線換模組塊是由動模模座、動模和滑板組成。新舊模具更換時，只需吊出離換模組塊，實現機外整體換模。其結構如圖1 所示。

動模組塊與床身滑臺部分的鎖緊連接是通過墊板內嵌的的液壓缸及斜勾塊實現鎖緊。動模組塊的快速定位和模具認口是通過墊板上設有的方形銷導柱和滑板上相配的導軌實現。既能保證模具組塊裝模時的快速認模，又能保證動模在床身上的精準定位。

圖1 動模快速換模結構示意圖

在模具更換拆卸吊離時，只需液壓缸進程，解除對動模組塊的鎖緊，就可以吊離動模組塊，實現機外調整。

2.2 定模組塊的鎖緊定位結構

因多工位冷鐓機原有的定模結構是集中安放到定模體內，所以離線換模裝置只需要解決定模組塊的鎖緊和定位問題。

離線換模裝置在定模部分，主要通過如圖2 所示的定模體下方、左右兩側和后方的液壓缸及大小斜塊實現鎖緊，所用小型液壓缸均嵌在機身內。定模體采用專用方銷與機身精準定位。

圖2 定模組塊示意圖

定模組塊吊離動作是：①水平液壓缸卸載，松開對定模組塊的夾緊；②左右兩個側缸回程，拉動小斜塊縮回機身內部；③大斜塊由后方液壓缸進程推出一定間隙；④豎直液壓缸進程把定模體頂出放置槽如圖3 所示，最后整體吊離。

圖3 定模組塊剖切示意圖

3 離線換模裝置主要零件強度分析

材料的許用應力：

式中：[σ]——許用應力；

σb——抗拉極限強度；

n——安全系數，其值為2～5，取3。

經計算得表1 所示許用應力。

表1 不同零部件的許用應力

對上述離線換模裝置，采用Ansys 軟件進行力學分析。因定模部分脫模時頂出力較大，本文重點對定模組件結構脫模時進行力學討論。在實際工況下當單只保險銷釘達極限頂出力15t（廠家根據實際工況提供的數據）時，保險銷頂桿斷裂，冷鐓機停機修正。為模擬實際的工況和減少計算量，選擇1、3、6 三個工位分別單工位施加頂出力15t時的受力情況。邊界條件設置如圖4 所示，具體參數如表2 所示。根據工況設小斜塊的正面（A 面）為固定約束面；為簡化計算，只畫出示意的液壓缸活塞桿作為力的加載體，且每個缸加載3.36t 的力；定模體左右側面（B 面）沿著力的方向可移動。

圖4 邊界條件示意圖

表2 受力符號表示

通過模擬計算，1、3、6 三個工位頂出力達極限時的應力云圖如圖5 所示。從圖中可以看出，定模體受到的應力較小，在0～34.06MPa范圍內；左右兩側小斜塊受到的應力在0～61.57MPa 范圍內；液壓缸活塞桿結構處受到的應力最大達265.58MPa。由表1 可得，定模體、小斜塊和液壓缸活塞桿的受力均在材料的許用應力范圍內，由此可見定模離線換模結構在頂出力達到極限值15t 時受到的應力符合許用應力的要求。

4 結論

離線換模裝置采用液壓缸與斜塊共同作用的方式實現快速裝夾和吊離；動、定模部分各設置有相應的方形銷精準定位；將模具機內更換轉為機外更換調整，減少停機時間；通過仿真計算，該裝置重要零件的強度滿足要求。總之，離線換模裝置的研制能夠解決冷鐓機新舊模具更換時間長的問題，為冷鐓設備行業提供了一種較為經濟實用的換模方式，將在生產實踐中顯現出較高的使用價值。

圖5 不同工位受力后應力云圖分布（定模體正反兩面）

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