沖壓模具中快換機構的選擇與設計

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

隨著傳統燃油車輛飽和以及新能源汽車發展受到關鍵技術的制約，單一車型市場銷售數據逐年減少，為了搶占先機，贏得市場，車企不斷加大技術創新的投入，超前啟動新車型開發換代，打破以前坐、等、要的傳統觀念，主動開始從個性化、定制化等服務特定群體的汽車市場中尋求新的經濟增長點，研發小眾化特定車型變得十分必要。為了實現同一平臺下多個車型生產，降低汽車開發成本，這就必然增加了模具設計與制造的難度，如何從眾多的快換結構中選擇一款適合車型開發相匹配的機構，在保證模具快換功能的前提下，實現模具生產制造成本可控，是模具結構設計者必須面臨的抉擇。本文就快換機構功能性，經濟性，安全性，好維護等方面進行介紹，方便設計者選用合理的快換機構。

2 標準快換機構種類

（1）球鎖緊快換凸模機構，是一種經濟性，穩定可靠的機構，如圖1所示。

圖1 球鎖緊快換凸模機構

這種快換凸模適用于中大批量及手動生產方式。好設計，需要空間小，易于實現多個凸?？鞊Q，該機構日常生產維護時，撤卸壓料板上的側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。這種機構每次更換時間較短，每個均是標準件，采購成本低，易于維護與制造，是目前被廣泛采用結構。

圖2 球鎖緊快換凸模機構設計與維護

（2）手動型切換式凸模機構，該凸模使用的是臺階式凸模，機構相對復雜，是一種緊湊型的非標標準件，如圖3 所示，其原理就是手動旋轉手輪，帶動楔形板1 運動，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，設計需要手動操作空間大，此種結構適用于非球鎖凸模要求情況下，批量小，手動生產方式，由于是標準件，方便采購與維護，也一種經濟性，穩定可靠的機構。日常維護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構

（3）氣動型切換式凸模機構，該凸模使用的是臺階式凸模，機構相對復雜，也是一種緊湊型的非標標準件，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，機構尺寸進一步加大，設計需要考慮空間多，同時需要落實機床上氣路是否有無，機床上有氣路，可以在線切換，沒有需要線下切換。此種結構適用于非球鎖凸模要求情況下，批量中大，手動與自動生產方式均可，切換要求快速響應，這也是目前使用較多的快換機構。由于是標準件，方便采購與維護，也一種經濟性，穩定可靠的機構。日常維護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供氣穩定性進行檢查。

圖4 氣動型切換式凸模機構

對于需要大行程與大的安裝面的氣動型切換式凸模機構，可以選擇SANKYO 或JOUDER 標準的氣動型切換式凸模機構中對應的標準件，如圖5 所示，就是SANKYO 標準中的一種結構，行程有8mm 與12mm兩種尺寸形式。JOUDER可以接受非標準行程與安裝大小的定制標準件，這在實際模具設計中被廣泛采用。

圖5 大行程大臺面氣動型切換式凸模機構

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3 非標快換機構

由于非標機構因為制件不同，工序安排的差異，模具空間限制等綜合因素考慮，其結構設計形式多種多樣，基于目前使用結構中，推薦兩種被廣泛采用的在線氣動快換結構形式，具有使用方便，切換可靠，運動平穩等特點，具體結構見下。

（1）氣缸推動剛性驅動的快換機構，如圖6 所示，圖中氣缸推動支撐滑塊往復運動，實現工作內容的有無。圖6所示狀態為氣缸拉回時沖壓狀態，當不需要沖壓時，氣缸推動支撐滑塊前行，當快換滑塊與支撐滑塊間的斜導板直線段分離后，氣缸推動支撐塊 繼續前行，上面的斜導板與剛性限位座上的斜導板才接觸，在氣缸推力作用下，剛性限位座往上拉動快換滑塊向上運動，直到斜導板運動到直線段，氣缸才停止，這時工作鑲塊已經遠離工作區域，實現了不工作狀態。反之，氣缸拉動支撐滑塊運動一定行程，實現工作鑲塊沖壓狀態。

對于圖6 中的剛性驅動快換機構，它具有限位可靠，工作平穩，幾乎沒有沖擊噪音等優點，同時具有斜導板磨損厲害，驅動支撐滑塊的氣缸力量需要很大，設計行程協調困難，容易產生干涉等缺點。所以，選擇剛性快換機構時，需要注意工廠的機床是否具有穩定的氣源提供足夠氣缸推力，模具設計空間是否足夠大，能夠安置足夠推拉動滑塊的氣缸，來實現切換功能。這是設計者選擇剛性驅動快換的基本要求。

圖6 氣缸推動剛性驅動的快換機構

（2）氣缸推動柔性驅動的快換機構，如圖7 所示，圖7 中氣缸推動支撐滑塊往復運動，實現工作內容的有無。圖7 所示狀態為氣缸推出時沖壓狀態，當不需要沖壓時，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，這時工作鑲塊已經遠離工作區域，當機床再次沖壓制件時，快換滑塊在壓料器內支撐氮缸的作用下，始終把快換滑塊頂起，實現了不工作狀態。反之，氣缸推動支撐滑塊運動一定行程，填充了支撐滑塊與快換滑塊之間的距離，達到工作鑲塊有支撐，能夠實現沖壓狀態。

圖7中的柔性驅動快換機構具有限位可靠，工作平穩，推動支撐滑塊的氣缸力量小等優點，同時具有在不沖壓制件狀態下沖壓，會有快換滑塊沖擊支撐滑塊的噪音，甚至當支撐氮缸的力量較小時，快換滑塊受到沖壓振動，當振動能量大于支撐氮缸力量時，會造成不沖壓制件狀態的制件受到擠壓變形；當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，正確設計支撐氮缸的力量與行程就變得較為關鍵。基于上述分析，在結構空間受限，工廠氣源不穩定狀態下，選擇柔性快換機構是一個非常好的解決方案，這種機構目前被大家廣泛接受并采用。下面就這種非標柔性快換機構設計注意點進行介紹。

圖7 氣缸推動柔性驅動的快換機構

4 非標柔性驅動快換機構設計注意點

（1）結構要點。如圖8 所示，圖中的支撐氮缸，一定設計在主壓料器中，通過主壓料器的反作用力，把快換滑塊托舉起來，遠離沖壓工作區域。同時快換滑塊需要設計與模座間的導向與限位，有側向力時需要在主壓料器與快換滑塊之間設計防側導板。

圖8 氣缸推動柔性驅動的快換機構結構要點

（2）行程設計。如圖9 所示，首先確定快換滑塊上的零件自由狀態下的行程，需要保證在不沖壓狀態下最小10mm 的安全距離來設計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，優先考慮與主壓料器的行程相當，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，就需要適當增加卸料螺釘直徑，此時螺釘就會受到沖壓沖擊載荷。最后確定安全螺釘的安全行程a，當主壓料器與快換滑塊行程一樣時，模具在閉合狀態下，安全行程a=5mm。方保證螺釘不受力，僅是起安全作用。當快換滑塊的支撐氮缸的行程與主壓料器的行程不一樣時，安全螺釘的行程a=兩者的行程差+5mm。此時，螺釘要受力，需要承載快換滑塊的機構重量與沖壓時振動載荷。

圖9 氣缸推動柔性驅動的快換機構行程設計

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

（4）其它設計，快換滑塊與上模座之間需要設計導柱導向，安全螺釘限位，快換滑塊與主壓料器之間優先設計導板導向，可以避免沖壓過程中側向力的影響。支撐滑塊設計需要上下設計導板，減小運動中的磨檫，如果沖壓有整形工序，優先設計剛性導板接觸，避免材質差異導致制件精度影響。支撐滑塊推拉氣缸設計，需要考慮前后行程預留5mm，同時前后增加緩沖，減少切換過程中噪音，注意氣路系統設計中需要設計換向閥來切換與鎖死滑塊。

5 結束語

通過對各種快換機構的特點與使用場景的分析，幫助設計員正確選擇與設計，維護快換機構，當遇到機構有問題時，能夠正確分析與判斷，找到相應的處理辦法，提升設計效率，縮短維護時間。