氣路系統在冷沖模具中的應用

文／張應生，杜亮·長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心

在現代生活中汽車已經成為人類生活中不可或缺的工具，而隨著人們審美的不斷提升，大眾對汽車造型的要求也越發挑剔，正是基于這種需求，當前階段汽車沖壓件造型更加多樣，傳統的工序排布及結構設計已遠不能解決模具設計及生產過程中的問題，而氣動部件的加入則能很好地解決此類問題。

沖壓模具中的單向自鎖氣路

現階段各種車型、配置版本多樣，由于成本控制，工藝布置多數采用模具共用方案，對于各版本差異點，則通過模具中的選擇性工作部件實現。其中應用最多的則是以氣缸作為力源的氣路系統。其結構簡圖如圖1 所示，但是在生產過程中，由于振動、重力等原因斜楔經常出現自回程現象，導致所生產制件無翻邊、無沖孔等異常情況頻繁發生(圖2)，制件批量報廢。

圖1 浮動選修機構工作原理示意圖

圖2 生產過程中沖頭凸出導致制件批量報廢

單向閥原理概述

單向閥外部有3 個氣路口，分別是先導口、接氣線口、接管口，內部由閥體，閥芯，復位彈簧，鋼球組成。壓縮空氣從進口處進入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥口開啟，壓縮空氣從P 流至A；當P 口無壓縮空氣時，在彈簧力和A 口(腔)余氣力作用下，閥口處于關閉狀態，使從A 至P 氣流不通；當先導口通入壓縮空氣時，A 口(腔)余氣力和壓縮空氣克服彈簧力和摩擦力打開單向閥閥口，使氣流從A 流至P，如圖3 所示。

圖3 單向閥結構圖及其氣路連接圖

當需要頂出氣缸活塞桿時，氣源與紅色氣管連通后，壓縮空氣從進口處進入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥閥口開啟，壓縮氣體通過接管接頭進入氣缸腔體(密閉空間)，腔體的氣體體積膨脹，推動活塞頂出，確認活塞頂到位后，切斷氣源，此時ASP 單向閥閥口處于關閉狀態，氣缸腔體內部的壓縮氣體無法反向流通，氣缸腔體的壓縮氣體處于飽和，達到保壓狀態，如圖4 所示，可以保證氣缸活塞始終處于頂出狀態，保持穩定，實現氣缸活塞頂出自鎖的功能。

圖4 單向閥氣路中氣缸保壓狀態

當需要收縮氣缸活塞桿時，氣源與藍色氣線連通后，三通接頭一側和單向閥的先導口連接，壓縮空氣通過先導口進入到單向閥，氣缸腔體氣流和先導頭氣流克服彈簧力和摩擦力打開單向閥閥口，使氣體可通過氣路排出氣缸，從而使氣缸活塞后部保壓氣體卸壓，此時壓縮空氣通過三通接頭另一側進入氣缸腔體活塞前端推動活塞開始回程運動。當氣源斷開，單向閥關閉，使氣缸活塞后側處于負壓狀態，如圖5 所示，實現氣缸回退自鎖的功能。

圖5 單向閥氣路中氣缸負壓狀態

單向自鎖氣路對單向閥與氣缸間的密封性提出較高的要求，故在生產前應對整個氣路進行接通，保證該批次生產過程中氣缸內始終處于壓力狀態，從而保證其所連接斜楔在生產過程中的穩定性。

斜楔驅動氣路設計

斜楔驅動氣路基本構成如圖6 所示。

圖6 斜楔驅動氣路基本構成

⑴氣路接頭，連接機床與模具氣路系統，采用快插結構，按功能通常分為常通氣源接頭和控制氣源接頭。常通氣源通過增壓閥連接至氣罐，保證在生產過程中時刻補充生產消耗，控制氣源接頭依托滑塊角度設置實現進氣口的氣源通斷，從而控制換向閥切換氣缸進氣路徑，驅動氣缸運動進行切換。

⑵增壓閥，氣缸用于斜楔驅動時，為保證氣缸能夠提供足夠的驅動力，可以增大氣缸氣源的壓力。要達到這樣的目的，可以使用增壓閥。增壓閥一般選用氣動結構，其優點是不需要電源，占用空間相對較小，增壓比在2 倍左右。主要作用是保證氣缸的驅動力穩定輸出。

⑶儲氣罐，采用氣缸力源驅動斜楔，氣路中氣缸存在間歇性動作，此時如僅僅依靠機床自身的自動化控制氣源會導致空氣消耗量超過供給能力，由此會導致氣缸輸出力不足，運動過程緩慢等問題，故在以氣缸作為力源的氣路系統中需要采用將集中消耗的空氣存在儲氣罐中的方式來解決此問題。儲氣罐除了存儲加壓后的氣體，還可以緩和增壓閥出口的壓力波動。儲氣罐也可以單獨應用到氣路中，用于保持氣路中壓力的穩定，使氣缸驅動順暢。需要注意的是儲氣罐的外形尺寸較大，除缸體外還需考慮附件如安全閥/壓力計組件、排水閥、氣管接頭等的安裝空間，因此在設計使用中需預留充足的空間(圖7)。

圖7 儲氣罐及其相關附件

⑷氣動換向閥(兩位雙氣控閥)，當氣路中使用了增壓閥和儲氣罐后，需配合使用氣動換向閥才能實現氣路系統和機床的聯動，它的作用就是通過機床自動化氣源的通斷來控制氣罐內增壓氣體與驅動氣缸進氣口的相對連接位置，機床每合模一次，當其滑塊運動到已設定的角度時，其控制氣源即進行一次切換，從而帶動氣動換向閥將氣罐與驅動氣缸之間的進氣路徑進行一次切換，以此來保證驅動氣缸所帶動的斜楔部件往返運動(圖8)。

圖8 氣動換向閥工作原理圖

⑸快速排氣閥。

想要提高氣缸的運動速度，除了保證氣源壓力、供氣量之外，還需加大氣缸的排氣速率，當氣缸用于斜楔機構驅動力源時，為保證斜楔位置的快速切換，需要在氣缸的兩個接頭處均設計快速排氣閥。快速排氣閥首選安裝在氣缸的接口上，如空間受限時可使用接頭和氣管將快速排氣閥設置在氣路中，但要求排氣閥需離氣缸接口盡可能近，否則會失去快速排氣的效果。

在斜楔驅動氣路中，為保證運動順暢，應遵循以下幾個原則，①氣路系統中接通氣缸氣管直徑優選16mm 及以上氣管，保證壓縮空氣流量充足。氣控閥控制氣管可以選擇12mm。②氣罐容量可根據氣缸直徑進行選用，不宜過大或過小，需要結合氣缸每次消耗的空氣量及機床充氣速度共同確認，同時在氣罐前端設計氣動增壓閥。③機床每條常通氣路單獨接入一組驅動氣缸，避免對驅動氣缸進行并聯，防止氣壓不足情況出現。④斜楔蓋板在現場研合調試過程中，壓緊后著虛色即可，防止出現壓板間隙過緊，大幅度抵消氣缸推力的情況。對于氣缸選用、斜楔需要推力等相關參數可以從公開資料上進行查閱計算，本文不再詳述。⑤氣路設計保證穿管長度最短，減少氣管彎曲次數，同時保證鑄造穿管孔最窄位置大于穿管直徑2倍以上。

結束語

本文主要介紹了2 種在沖壓模具中經常用到的氣路系統結構及其相關設計要點，在模具設計過程中還可根據不同制件特點、需要實現的功能、生產設備條件等合理選擇。通過氣動部件的組合運用，可以有效地簡化模具結構，降低制作成本，協助解決生產現場存在的問題，如利用真空閥實現料渣吸附，利用渦流管實現模具局部降溫等，同時針對一些制件的特殊工藝需求，普通沖壓模具不能實現的場景，氣動部件也為其提供了實現的可能。