淺析一種深喉口液壓沖孔機設計

尹占雄

（寧夏六盤山水務有限公司，寧夏 固原 756000）

本設計基于工程機械駕駛室蒙皮和機身覆蓋件等鈑金件，零件為已經過模具壓制成型的工序件，有些形狀較為復雜，最顯著的特點是零件尺寸較大，用普通沖壓設備無法完成沖孔加工，若此類工件在沖壓成型過程中一次完成沖孔，雖然具有效率高、定位精確、成孔質量高等優點，但是，沖壓設備壓力增大，模具結構復雜，開發周期延長，制造成本劇增；手工鉆孔效率低、質量不高，腰形孔加工難度大且質量差。為此專門設計了一種深喉口液壓沖孔機以滿足生產需要，且該設備具有體積小、造價低、結構簡單緊湊、運行平穩、效率高、成孔質量高、操作簡單，同時具有沖裁速度可調、行程可控、過載保護等顯著特點，適宜小批量、多品種、較大尺寸鈑金工序件圓形孔、腰形孔的沖裁加工。

1 液壓缸設計

液壓缸設計是按鈑金件負載情況、行程、安裝距等確定液壓缸的主要尺寸，并進行強度和穩定性計算、校核，最后進行結構設計。本液壓沖孔機液壓缸活塞桿只受軸向壓力作用，因此，活塞桿具有良好的縱向穩定性。

液壓缸的結構主要由缸筒組件、活塞桿組件和密封件3大部分組成。液壓缸的密封一是活塞桿密封，即外密封，防止液壓油外漏，二是活塞密封即內密封，防止液壓油內泄漏（即有桿腔和無桿腔之間的滲漏）。本設計所采用的液壓系統工作壓力為16MPa，按照有關技術規范，缸筒材質選用熱軋或冷軋無縫鋼管，缸筒與缸蓋采用焊接連接?；钊突钊麠U、缸筒和導向套均采用螺紋連接，便于拆裝和維護。

1.1 液壓缸性能參數計算

（1）沖裁力計算。

式中，K為安全系數，一般取1.3；L為切邊線的長度，mm；t為板材厚度，mm；σb為板材抗拉強度，MPa；τ板材抗剪強度，MPa。

（2）液壓缸輸出力計算。

式中，F（N）為液壓缸的推（或拉力），N；P為工作壓力，MPa；A為作用面積，mm2。

本設計是活塞桿式雙作用液壓缸，單活塞桿作用面積A（mm2），受壓縮時A=0.7854D2，受拉伸力時A=0.7854（D2-d2）。有效面積按工作腔的有效面積計算。

1.2 液壓缸主要幾何尺寸計算

（1）液壓缸缸筒內徑D的計算。

根據負載（即沖裁力）的大小和所采用的系統壓力（即工作壓力）經過計算得出。

根據負載的大小和選定的工作壓力計算

式中，D為液壓缸的內徑，mm；F為液壓缸的推力，kN；P為液壓缸的工作壓力，MPa。

將計算出的缸筒內徑，按GB/T2348-2018液壓缸的缸筒內徑尺寸系列圓整成標準值。

（2）活塞桿直徑d的計算。

根據速度比計算活塞桿直徑d

式中，d為活塞桿直徑，m；D為液壓缸缸徑，m；?為速度比。

式中，μ1為活塞桿的伸出速度，m/min；μ2為活塞桿的縮入速度，m/min。

按照GB/T2348-2018液壓缸活塞桿外徑尺寸系列，以及不同速度比時活塞桿直徑d和液壓缸內徑D的關系，根據工作壓力P的大小，可參考選用的速度比?值。

（3）液壓缸行程S的確定。

液壓缸行程S主要依據機構的運動要求而定，盡量采用GB2349-1980液壓缸活塞行程第一系列表中給出的標準系列值。

（4）缸體外徑計算。

式中，1D為缸體外徑。

1.3 本沖孔機液壓缸設計

依據液壓缸的設計步驟及性能參數公式，結合本文研究對象，設計出本沖孔機所用的液壓缸，主要技術參數，見表1。

表1 液壓缸技術參數表

2 模具設計

2.1 沖裁件工藝性分析

本文所述鈑金工序件材質為ST14（DC04）的冷軋鋼板，其化學成分為：C<0.08，Mn<0.40，P<0.020， S<0.030，Al>0.015，主要物理性能為屈服強度=130～210MPa，抗拉強度≥270MPa，斷后伸長率≥34%，屬于深拉伸級冷軋鋼板，因此，其沖裁工藝性良好；沖裁孔為圓孔或腰圓孔，直徑多為φ8.5mm～φ27mm，沒有尖銳的轉角，且R>0.5t（t為板料厚度），所以模具設計較為簡單，使用壽命長，沖孔質量高，尺寸精度等級達IT10級及以上。

2.2 刃口尺寸計算

沖孔以凸模為基準件，即先計算凸模的刃口尺寸，確定凸模的制造偏差。由于凸模在磨損后尺寸將變小，沖出孔的尺寸會隨之減小，故沖孔凸模尺寸取工件孔尺寸公差范圍內的較大尺寸。沖孔時刃口尺寸計算公式：

凸模尺寸：

凹模尺寸：

式中，dp為沖孔凸模刃口設計尺寸，mm；dd為沖孔凹模刃口設計尺寸，mm；dmin為工件孔允許最小尺寸，mm。

2.3 凸模結構設計

凸模在工作過程中其軸線不允許發生任何方向的移位，否則，將造成沖裁間隙不均勻，降低模具壽命，嚴重時可造成啃模。凸模安裝到連接套上，連接套再安裝到液壓缸活塞桿端部，因安裝面均為錐面，因此凸模的定位可靠，工作過程中無偏差。液壓缸活塞桿回程時，卸料力對凸模產生拉伸作用，凸模有被拔出的趨勢，為了防止這種趨勢，在連接套上設置螺紋孔，用來安裝緊定螺釘，防止凸模在卸料時拔出脫落。擰緊緊定螺釘，保證凸模在工作過程中不發生轉動。

依據凸模結構要素及鈑金件結構等因素，選擇凸模材料為Cr12MoV，熱處理為淬火處理，洛氏硬度HRC60～62。沖裁板厚≤4mm，且孔較大（φ8.5mm～φ27mm），沖孔直徑d遠大于板厚t，根據經驗，凸模強度是足夠的，沒有必要進行強度校核。只有當凸模特別細長，或凸模的截面尺寸相對于板厚很小時，才進行強度校核。

為使沖孔機結構簡單，凸模通過中間連接套直接與液壓缸活塞桿連接，設計導向和限位裝置，便于電氣元件（行程開關）安裝和電氣控制。

2.4 凹模結構設計

凹模機構設計包括確定凹模的結構和外形尺寸以及凹模連接（固定）件的結構和外形尺寸，并根據沖裁件的結構和尺寸確定凹模的結構和尺寸。凹模材料亦選用Cr12MoV，淬火處理，洛氏硬度HRC60～62。

2.5 凹模連接（固定）件設計

凹模連接（固定）件是固定凹模的重要部件，不僅使凹模準確定位，又能使凹模有效連接，使沖裁過程定位可靠。其材質分別是Q345-B，t14熱軋鋼板和45#D90熱軋圓鋼，經機械加工后焊接而成。模套中的內圓錐面呈60°±0.1°，與凹模下外圓錐配合，內外圓錐配合緊密，定位可靠。凹模連接（固定）件與固定在機架上的T形槽可靠連接，保證了凹模在沖裁過程中的剛性和可靠性。

3 床身設計

液壓沖孔機床身是整臺設備的基體結構，具有足夠的剛性，支撐和連接各個部件。因該設備為加工較大尺寸工序件的沖壓機床，故設計成深喉口，以滿足大尺寸零件的沖孔需要，因此，其自身的穩定性和剛性顯得尤為重要。本設計基于美國AUTODESK公司的三維可視化實體模擬軟件Inventor進行三維建模設計。機床床身選用Q235熱軋鋼板t25mm數控火焰下料焊接而成，經過Inventor軟件的受力分析可見，其結構設計合理，受力可靠，具有足夠的剛性和穩定性，滿足生產要求。見圖1。

圖1 床身結構及受力分析

4 液壓系統設計

4.1 液壓系統設計

本機床的工作循環即“工進→工退→停止”。液壓系統圖見圖2。

圖2 液壓系統圖

本液壓系統采用兩位四通常開型的電磁換向閥作為卸荷閥，形成卸荷回路，這種回路避免了液壓泵電機長時間負荷運行，使液壓泵在零壓力狀態下運行，減少了功率消耗，降低了系統發熱，延長了液壓泵和電機的使用壽命。

4.2 主要液壓元件選型

本液壓系統選用液壓泵為軸向柱塞泵，可手動調節流量，調節范圍0～10ml/rer。三位四通電磁換向閥，中位機能為Y型，該閥的特點是一口封閉，三口相通，活塞浮動，在外力（油液壓力或彈簧彈力）作用下可移動，與兩位四通電磁換向閥和溢流閥配合使用。

4.3 電氣控制及液壓傳動原理

打開總電源開關啟動電機，液壓泵轉動，油液通過兩位四通液控換向閥卸荷；腳踩腳踏開關，1YA得電，推動閥芯移動，卸荷回路關閉，同時2YA得電，推動閥芯移動，三位四通換向閥左位接通，油液進入液壓缸上腔，推動活塞快速移動，當移動到一定位置時，安裝在導向桿上的行程開關動作，2YA失電，3YA得電，推動閥芯移動，右位接通，油液進入液壓缸下腔，此時，上腔壓力升高，打開液控單向閥，油液進入油箱，活塞桿向上移動，當移動到一定位置時，觸碰到安裝在單向桿上端的行程開關時，3YA和1YA同時失電，液壓缸停止移動，泵卸荷，即完成了一次沖裁動作。綜上，腳踩一次腳踏開關即完成一次沖裁動作，設計合理，操作簡便，有效防止誤操作，安全可靠。

完成一次沖裁動作時，活塞桿下行，系統中的油液流動情況為：進油路：液壓泵→三位四通換向閥左位→液壓缸上腔?；赜吐罚阂簤焊紫虑弧嚎貑蜗蜷y→三位四通換向閥左位→油箱。完成沖裁后，活塞桿上行時油液流動情況為：進油路：液壓泵→三位四通換向閥右位→液控單向閥→液壓缸下腔?；赜吐罚阂簤焊咨锨弧凰耐〒Q向閥右位→油箱。

5 結語

工程機械覆蓋件屬于鈑金件，品種多，批量小，近年來，人們對產品質量、性能及外觀要求越來越高，模具開發投入巨大，結構復雜，不僅要拉伸出復雜的曲面造型，還要沖裁出各類安裝孔位。如果全部開發這樣的模具，工程機械生產企業需要很大的資金投入，應綜合考慮其經濟性，并能滿足市場需求，因此應選擇采用結構簡單、造價低廉的模具沖壓成型，再配合其它設備加工各種孔洞，這款深喉口液壓沖孔機的成功設計，滿足了該企業的生產需求，同時，減少了開發模具的投入。