模具旋轉凸輪機構設計要點

文／曹偉，李樹新，張明揚，張旭·山東濰坊福田模具有限責任公司

模具旋轉凸輪機構設計要點

文／曹偉，李樹新，張明揚，張旭·山東濰坊福田模具有限責任公司

曹偉，模具車間副主任，工程師，從事沖壓模具設計10年、模具制造管理3年，具備豐富的沖壓模具理論知識和現場管理經驗，獲得10項實用新型專利及發明專利，其中與模具旋轉凸輪相關的專利2項。

減小模具外形尺寸，精簡模具機構，對企業降低成本，提高利潤有著重要的意義。傳統子母斜楔機構占用空間大，運動復雜，調試困難，為了解決這些問題，行業內創新使用了一種新的斜楔機構：旋轉凸輪。與傳統子母斜楔相比具有：結構緊湊，受力好，精度高，利于零件定位等優點,因此在車身模具開發中具有廣泛的使用前景。

隨著汽車工業的不斷發展，車型變得復雜而多樣，對汽車沖壓件的質量要求也越來越高，模具結構變得越來越復雜，模具制造周期不斷縮短，模具質量也隨之不斷提升。汽車覆蓋件是組成汽車車身的關鍵零部件，質量高、精度嚴，覆蓋件模具的開發能力很大程度上決定著企業的技術水平。因此，一些新技術、新結構、新工藝的應用在某些特殊的模具結構中會起到簡化結構、方便制造等諸多優點。在20世紀末，行業內開始出現了一種全新的斜楔機構：旋轉凸輪機構。

模具的旋轉凸輪機構是在過去側修、側整子母斜楔基礎上，通過技術創新而采取的一種新的斜楔機構。該斜楔機構在解決汽車覆蓋件產品沖壓負角翻邊問題中，將翻邊凸模對產品負角區域的直線避讓轉化為旋轉避讓，原則上采用斜楔加工的成形類工序都可以采用旋轉凸輪機構來代替，這對減小模具外形尺寸、降低成本和提高利潤具有重大的意義。旋轉凸輪分為轉軸式和外置式兩種，本文主要介紹轉軸式旋轉凸輪在汽車覆蓋件模具中的應用。

工作原理

模具旋轉凸輪機構能夠在汽車覆蓋件產品沖壓負角翻邊時，將需要側向加工的負角區域的凸模按照一定直徑做成圓柱形，使其能夠繞一個軸心旋轉，且旋轉過程不會與制件發生干涉，實現凸模對產品負角區域的直線避讓轉化為旋轉避讓。

旋轉凸輪的設計

軸心的選取

過旋轉區域各斷面線的最遠點分別做垂線，則幾條垂線在制件外會有一個開放的交集，凸輪的旋轉中心應設定在這個區域內，避免凸輪在旋轉過程中與制件發生干涉，如圖1中陰影部分所示。

圖1 軸心的選取

直徑的設定

直徑的大小與軸心位置密切相關，同時也與加工部位的形狀和輪廓有關，合理的凸輪直徑至少應滿足a≥25mm，b≥50mm，c≥70mm，如圖2所示。

圖2 直徑的設定

凸輪的工藝性

⑴結構工藝性。凸輪強度不足時除調整軸心位置、加大凸輪直徑外還可以采用將凸輪軸向兩端圍起來進行強度的優化，如圖3所示。

圖3 結構工藝性

⑵加工工藝性。凸輪裝配后加工型面時為防止發生轉動，凸輪與凸輪座之間增加緊固螺釘（圖4），將凸輪固定于凸輪座上，并在軸向兩端面增加防轉銷，對其進行可靠定位。

⑶起吊方式。為方便裝配和工序間的傳遞，凸輪本體需設計起吊螺孔，空間允許時可以采用鑄入螺紋套，起吊孔盡量設計在重心位置以使起吊平穩，凸輪長度大于400mm時，起吊孔原則上應設計兩處，起吊螺孔的間距不得小于凸輪長度的60%，吊環安裝面尺寸要求如圖5所示。吊環設計要求見表1。

圖4 加工工藝性

圖5 起吊方式

表1 吊環設計要求

斜楔驅動方式

安裝于凸輪上的斜楔驅動導板是專用的，其下部的螺栓將導板固定在凸輪上，上部的螺栓用于凸輪在加工和運輸時的緊固連接，模具工作過程中此螺栓不連接；導板安裝時應確保凸輪的強度不削弱，同時要能夠對側翻邊（側整形）鑲塊起到可靠的反側作用，使翻整部位的受力能夠直接作用到導板上；其次保證加工的可行性，確保導板安裝面能夠加工，螺紋孔加工方向無障礙；在螺紋孔不能加工時可用鍵將導板擠住以固定導板，如圖6所示。

圖6 螺紋孔不能加工時導板固定形式

凸輪的旋轉角度和公差

凸輪的旋轉角度可以是任何角度，但是實際設計一般以1°為單位，最終的旋轉角度應盡量小，同時必須能夠滿足制件取出所需的必要空間，如圖7所示。旋轉凸輪直徑方向的公差配合屬間隙配合，但間隙比較小，屬于轉合的范疇，通常采用基孔制表示，一般選用的公差配合為H7/g6。

圖7 旋轉角度確定

凸輪座的設計

凸輪安裝方式

凸輪裝配方式有側面推入和垂直裝入兩種，側面推入一般用于短小的凸輪，凸輪座可以采用整體方式；垂直裝入時凸輪座需采用分體的裝配形式，以滿足凸輪的安裝，如圖8所示。

圖8 凸輪安裝方式

基座的定位及材質

基座應采用“擋墻+擋鍵”的形式精確定位，四面鑲死，以確保凸輪機構的定位準確可靠，防止裝配時造成偏差。基座一般采用QT600，蓋板不帶整形內容的采用HT300，反之，采用MoCr鑄鐵。

圖9 驅動方式

驅動方式

轉軸式旋轉凸輪由鉸軸式擺動氣缸驅動，氣缸與凸輪的連接方式有端面安裝、底部安裝和外側安裝三種主要形式。其中端面安裝方式常用于回程力較小的小凸輪，底部安裝方式和外側安裝方式能夠提供比較大的驅動力，適合于大凸輪，如圖9所示。

旋轉凸輪普遍采用氣缸作為動力源，負荷效率一般是65%～70%，但考慮凸輪重量載荷，一般按50%考慮。對于自動化生產的模具，氣缸效率要滿足設備節拍需求，提高效率的兩種常用方法為：⑴增大流量Q（即增加空壓機）；⑵縮小氣缸面積A。

凸輪的導向和潤滑

⑴徑向旋轉的導滑。凸輪導滑面的長度要求凸輪軸上全加工，凸輪座上分段加工背空，非導滑區域降低5mm，減少研合量。

⑵軸向的導滑和限位。凸輪軸向的導滑和限位使用兩端的凸輪限位板來完成。

⑶凸輪的潤滑。為了減小凸輪和凸輪座之間的滑動摩擦阻力，要在凸輪座上設計油路，并且要保證油路貫通，常采用自動加油器。

結束語

模具的旋轉凸輪機構在企業技術開發環節的廣泛應用，提高了三維實體設計效率，其結構簡單，外形尺寸小，加工、制造方便，避免了傳統子母斜楔、鏈式傳動機構復雜、龐大、加工成本高等不足，充分顯示出該結構的優越性。本文通過對其設計流程及注意事項進行闡述，以此能夠給同行提供一定的借鑒和參考，共同促進國內汽車模具行業的技術發展與提升。