一種螺旋葉片插接刀陣模具的設計和應用

王文 程曉東 曲永樂 王光明

摘要：混凝土攪拌運輸車攪拌筒內部螺旋葉片是由多組葉片拼接而成，葉片成形模具種類較多，生產過程需要多次更換模具，以調整油壓機壓合行程、壓緊力、保壓時間等參數，效率低下。為適應品種多、換代快的葉片生產，以及減少新開模具數量和費用，設計了一種新型插接刀片陣列模具（簡稱刀陣模具），該模具取消傳統的整體鑄鍛結構，采用插接刀陣結構。不同葉片模具采用相同的上下模底座，通過更換不同組對的刀片，形成不同曲率的模壓曲面，實現不同模具的切換。該種模具有換裝簡便快捷多變，模具開發(fā)成本低、周期短等優(yōu)點；并且通過調整刀片陣列的方向，同時具備了壓型左旋、右旋葉片的能力，模具數量縮減一倍。實際應用中，能低成本、高效率地研制新模具，以適應葉片形狀的不斷變化。該種新型模具方案為多品種、小批量、成形精度較低的產品的模具設計提供了新的方向，具有一定的指導意義。

關鍵詞：攪拌車；插接；刀片；陣列；模具

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.024

1 前言

混凝土攪拌車攪拌筒螺旋葉片具有復雜的空間形狀且具有不規(guī)則性[1]，因此，一條完整的螺旋葉片需要由多套葉片壓型模具將螺旋葉片進行分段壓型拼接而成。近年來，由于市場形勢的快速變化，混凝土攪拌車攪拌筒的設計變化也越來越頻繁，導致各大廠家需要不斷更新葉片模具，研發(fā)成本不斷提高。傳統的螺旋葉片模具生產工藝，采用一體鑄造或拼板焊接的上下模，壓型面采用CNC加工或人工打磨的生產方式。工藝復雜、費用高，周期長[2-3]。針對該難題，本文設計開發(fā)了一種新型插接式刀片陣列模具（以下簡稱插接刀陣模具），采用1套模具上下基座，通過設計4組不同刀片，便可以壓制整個罐體內所有葉片，進一步降低模具開發(fā)周期和成本。而且，若后期螺旋線改變，或葉片材質、厚度改變，均可通過新增、更換若干對刀片，在同一套上下模座形成不同的壓型曲面，達到壓制新型葉片的目的。

2 模具結構

插接刀陣模具結構如圖1所示。模具由模具底板、插接刀片、頂部連接板、插接刀片、側向定位板、限位板、聯接螺栓7個部分組成。將上下模底板固定在油壓機上，通過更換不同的刀片，組成不同的葉片壓型模具，實現不同葉片的壓型[4]。傳統葉片壓型模具體積較大、比較笨重，需要相關設備進行拆裝，效率低下。插接刀陣模具只需人工更換、組裝刀片，解決了對專用設備過度依賴的問題，顯著提升了模具的更換速度[5]。

2.1 刀片結構

2.1.1 “刀陣”形式的選擇

“刀陣模具”中，刀片排列陣型可以根據壓型件外廓形狀進行設計，常用的陣型有方陣、矩形陣、傘骨陣、扇骨陣、橢圓陣、八卦陣等多種陣列[6]。攪拌筒葉片外廓形狀類似扇形，采用扇骨陣比較合理，壓型過程中葉片相對刀片產生的滑移最少，刀陣結構如圖2所示。

2.1.2 刀片根部與底板插接方式的選擇

刀片根部與底板插接結構是本次模具設計的重點，其結構的好壞直接影響操作的難易程度及模具的壽命[7]。插接刀片的安裝牢固和更換難易，主要看模具底板與刀片根部插接端方式，根據陣列形狀、刀片受力大小和方向，運用對比分析法，選取T形槽、燕尾槽、單邊開槽、矩形槽4種插接和焊接，共5種結構進行綜合對比分析，各類型槽的特點如圖3所示。

圖3中，加工難度、插接難度的數值與模具性能的好壞成負相關，數值越小，性能越好；牢固程度、承受壓力的數值與模具的好壞成正相關，數值越大，性能越好。綜合分析，T形槽結構的加工難度低、成本低、安裝牢固、承受壓力高，因此選取T形槽結構作為刀片與底板插接方式，其結構如圖4所示。

2.1.3 刀片頂端設計

為了實現一組模具同時具備壓制左旋、右旋葉片的能力，本文將葉片的頂端設計成弧面結構，如圖5所示。當刀片順向安裝時，壓制左旋葉片，反向安裝時，壓制右旋葉片。采用圓弧面設計可以避免反向安裝時葉片與模具僅有一條邊接觸，加大模具葉片之間的壓力，導致葉片該位置產生起皺、壓痕，并且加劇了模具的磨損[8]。

2.2 頂部連接板

為增加上下模具整體的剛性，防止長期壓合因側向力而產生的壓刀歪斜，把壓刀頂部連接固定成一體。采用對比分析法，根據陣列形式、切片受力大小和方向，選取T形槽、燕尾槽、單邊鋸齒、鋸齒交互、焊接等5種結構，綜合對比分析，各類型槽的特點如圖6所示。

圖6中，加工難度、插接難度的數值與模具性能的好壞成負相關，數值越小，性能越好；牢固程度、適應性的數值與模具的好壞成正相關，數值越大，性能越好。綜合分析，鋸齒互咬結構的加工難度低、成本低、安裝牢固、承受壓力高，因此選取鋸齒互咬結構作為頂部固定結構，鋸齒咬合頂部采用內六角螺栓固定。其結構如圖7所示。

2.3 側向定位板設計

通過Dynaform有限元分析軟件，對300TP高強耐磨板葉片的成形過程進行數值模擬分析，得出葉片的形變云圖（圖8）。明顯看出，葉片在成形過程中有嚴重的滑移現象。葉片邊端與模具邊端最大偏差為38.3 mm（葉片超出模具部分），將嚴重影響葉片成形精度。

根據上面葉片成形模擬結果，為解決葉片成形過程中的滑移問題，本文選擇了4種定位方式進行了研究分析，如圖9所示。

4種定位方式下，葉片沖壓成形模擬結果如表1所示，4種方案都能較好地完成葉片定位，其中，D方案定位效果最好，與模具擬合度最高，葉片邊端和模具邊端最大偏差僅7.3 mm。

3 模具使用方法

3.1 油壓機選擇

根據葉片材質和外形尺寸，分析計算、設計模具參數：Dynaform計算壓型壓力理論值為32 T、模具底板長寬1 600 mm×750 mm、高度650 mm（經驗值）。對照油壓機參數進行選擇，具體參照表2。

以往根據經驗，葉片壓型大多選擇在1000T大型油壓機上進行，此次通過軟件分析計算（壓力），完全可以在315T小型油壓機上生產，不同噸位油壓機生產成本詳見表3。

按年產3 000輛攪拌車核算，采用315 T油壓機壓制葉片比用1 000 T油壓機，壓型直接生產成本可降低近80萬元。

3.2 葉片壓制

葉片壓制時，其模具各分組對應表如表4所示。a.第一組刀片及底板、連接板、定位板等研制：按模具研發(fā)步驟設計完成第一組葉片壓型模具后，進行二維圖設計、零部件加工生產、組裝模具、試模、三坐標測量成形件，對照原葉片三維數模各點數值，找出差異值和變量規(guī)律，修整差異大的刀片嚙合線帶，再壓型、再測量、再修整，直到壓出合格產品。

b.后三組刀片研制：參照第一組葉片模具刀片最終嚙合線帶數值與葉片三維數模對應曲線差異值和修整參數、曲率變化規(guī)律等，對剩余3組葉片對應的模具刀片組，編制分組零件號、單件設計、加工、試模、修模等。

c.整車葉片生產：按表4插接和更換4組刀片，實現整車22種葉片的壓型生產。

刀片、頂板、側板編號標識：均采用激光打碼，統一刻字于零件固定且易查看位置；刀片防呆標識：采用在刀片外端面（扇骨陣列大弧端）不同高度處鉆孔顯示。

4 成本分析

根據葉片年產量、更新頻率，以及材料規(guī)格、外形尺寸，確定可否開模生產，制作哪種類型的模具，以及模具設計制作周期和成本；模具類型主要包括一體鑄造、鑲塊組合、拼板焊接、插接刀陣等模具，其各項性能、指標、參數等對比分析如表5所示。

附注：★的多少定性地表示模具承壓能力的大小，或壓制產品質量的高度。

葉片為中型件、月產量在2 000～5 000件間、2年左右會更新換代、承壓能力和質量要求不是很高、預算成本在5萬元/套以下、研制周期在3個月以內、大型CNC加工能力差等，所以選擇插接刀陣模具。

5 結語

本文采用插接刀陣模具壓型工藝方法，生產攪拌車罐體內部葉片，具體落實在12方攪拌罐新螺旋線、300TP材質葉片的壓制，因該罐體整套葉片為22種，若采用一體鑄造沖壓模具壓制，雖然葉片壓型精度和質量高，但模具數量也是22套、費用達200多萬元，并且，設計和制作周期至少半年，還很難改制更新。經過技術和經濟分析，決定設計開發(fā)1套4組插接刀片、扇骨陣列模具。

在生產同一組葉片時，可以通過葉片定位不同，以及油壓機參數的調整，就可以壓制同組的多種葉片，而且也能壓制不同材質和板厚的同組葉片；當生產另外分組的葉片時，可更換相應的一組插接刀片和頂部連接板，就轉化成另一套模具。

整套模具研制費用不足3萬元，生產周期僅月余。整套新型葉片的研發(fā)、生產按此研制模具和工藝方法進行，最后達到了產品圖紙要求。整體研發(fā)思路科學清晰，模具設計手段準確嚴謹，模具結構巧妙新穎，設備數控改造和參數調整實用，能很好地滿足攪拌車研發(fā)和產能提升的要求。

參考文獻：

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作者簡介：

王文，男，1964年生，高級工程師，研究方向為專用車、客車和底盤研發(fā)，以及工裝模具設計。