文／張應(yīng)生，杜亮·長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

在現(xiàn)代生活中汽車已經(jīng)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(duì)汽車造型的要求也越發(fā)挑剔，正是基于這種需求，當(dāng)前階段汽車沖壓件造型更加多樣，傳統(tǒng)的工序排布及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已遠(yuǎn)不能解決模具設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，而氣動(dòng)部件的加入則能很好地解決此類問(wèn)題。

沖壓模具中的單向自鎖氣路

現(xiàn)階段各種車型、配置版本多樣，由于成本控制，工藝布置多數(shù)采用模具共用方案，對(duì)于各版本差異點(diǎn)，則通過(guò)模具中的選擇性工作部件實(shí)現(xiàn)。其中應(yīng)用最多的則是以氣缸作為力源的氣路系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，但是在生產(chǎn)過(guò)程中，由于振動(dòng)、重力等原因斜楔經(jīng)常出現(xiàn)自回程現(xiàn)象，導(dǎo)致所生產(chǎn)制件無(wú)翻邊、無(wú)沖孔等異常情況頻繁發(fā)生(圖2)，制件批量報(bào)廢。

圖1 浮動(dòng)選修機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

圖2 生產(chǎn)過(guò)程中沖頭凸出導(dǎo)致制件批量報(bào)廢

單向閥原理概述

單向閥外部有3 個(gè)氣路口，分別是先導(dǎo)口、接氣線口、接管口，內(nèi)部由閥體，閥芯，復(fù)位彈簧，鋼球組成。壓縮空氣從進(jìn)口處進(jìn)入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥口開(kāi)啟，壓縮空氣從P 流至A；當(dāng)P 口無(wú)壓縮空氣時(shí)，在彈簧力和A 口(腔)余氣力作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，使從A 至P 氣流不通；當(dāng)先導(dǎo)口通入壓縮空氣時(shí)，A 口(腔)余氣力和壓縮空氣克服彈簧力和摩擦力打開(kāi)單向閥閥口，使氣流從A 流至P，如圖3 所示。

圖3 單向閥結(jié)構(gòu)圖及其氣路連接圖

當(dāng)需要頂出氣缸活塞桿時(shí)，氣源與紅色氣管連通后，壓縮空氣從進(jìn)口處進(jìn)入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥閥口開(kāi)啟，壓縮氣體通過(guò)接管接頭進(jìn)入氣缸腔體(密閉空間)，腔體的氣體體積膨脹，推動(dòng)活塞頂出，確認(rèn)活塞頂?shù)轿缓?，切斷氣源，此時(shí)ASP 單向閥閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，氣缸腔體內(nèi)部的壓縮氣體無(wú)法反向流通，氣缸腔體的壓縮氣體處于飽和，達(dá)到保壓狀態(tài)，如圖4 所示，可以保證氣缸活塞始終處于頂出狀態(tài)，保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)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(tài)

當(dāng)需要收縮氣缸活塞桿時(shí)，氣源與藍(lán)色氣線連通后，三通接頭一側(cè)和單向閥的先導(dǎo)口連接，壓縮空氣通過(guò)先導(dǎo)口進(jìn)入到單向閥，氣缸腔體氣流和先導(dǎo)頭氣流克服彈簧力和摩擦力打開(kāi)單向閥閥口，使氣體可通過(guò)氣路排出氣缸，從而使氣缸活塞后部保壓氣體卸壓，此時(shí)壓縮空氣通過(guò)三通接頭另一側(cè)進(jìn)入氣缸腔體活塞前端推動(dòng)活塞開(kāi)始回程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣源斷開(kāi)，單向閥關(guān)閉，使氣缸活塞后側(cè)處于負(fù)壓狀態(tài)，如圖5 所示，實(shí)現(xiàn)氣缸回退自鎖的功能。

圖5 單向閥氣路中氣缸負(fù)壓狀態(tài)

單向自鎖氣路對(duì)單向閥與氣缸間的密封性提出較高的要求，故在生產(chǎn)前應(yīng)對(duì)整個(gè)氣路進(jìn)行接通，保證該批次生產(chǎn)過(guò)程中氣缸內(nèi)始終處于壓力狀態(tài)，從而保證其所連接斜楔在生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

斜楔驅(qū)動(dòng)氣路設(shè)計(jì)

斜楔驅(qū)動(dòng)氣路基本構(gòu)成如圖6 所示。

圖6 斜楔驅(qū)動(dòng)氣路基本構(gòu)成

⑴氣路接頭，連接機(jī)床與模具氣路系統(tǒng)，采用快插結(jié)構(gòu)，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(guò)增壓閥連接至氣罐，保證在生產(chǎn)過(guò)程中時(shí)刻補(bǔ)充生產(chǎn)消耗，控制氣源接頭依托滑塊角度設(shè)置實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣口的氣源通斷，從而控制換向閥切換氣缸進(jìn)氣路徑，驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切換。

⑵增壓閥，氣缸用于斜楔驅(qū)動(dòng)時(shí)，為保證氣缸能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，可以增大氣缸氣源的壓力。要達(dá)到這樣的目的，可以使用增壓閥。增壓閥一般選用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要電源，占用空間相對(duì)較小，增壓比在2 倍左右。主要作用是保證氣缸的驅(qū)動(dòng)力穩(wěn)定輸出。

⑶儲(chǔ)氣罐，采用氣缸力源驅(qū)動(dòng)斜楔，氣路中氣缸存在間歇性動(dòng)作，此時(shí)如僅僅依靠機(jī)床自身的自動(dòng)化控制氣源會(huì)導(dǎo)致空氣消耗量超過(guò)供給能力，由此會(huì)導(dǎo)致氣缸輸出力不足，運(yùn)動(dòng)過(guò)程緩慢等問(wèn)題，故在以氣缸作為力源的氣路系統(tǒng)中需要采用將集中消耗的空氣存在儲(chǔ)氣罐中的方式來(lái)解決此問(wèn)題。儲(chǔ)氣罐除了存儲(chǔ)加壓后的氣體，還可以緩和增壓閥出口的壓力波動(dòng)。儲(chǔ)氣罐也可以單獨(dú)應(yīng)用到氣路中，用于保持氣路中壓力的穩(wěn)定，使氣缸驅(qū)動(dòng)順暢。需要注意的是儲(chǔ)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(jì)組件、排水閥、氣管接頭等的安裝空間，因此在設(shè)計(jì)使用中需預(yù)留充足的空間(圖7)。

圖7 儲(chǔ)氣罐及其相關(guān)附件

⑷氣動(dòng)換向閥(兩位雙氣控閥)，當(dāng)氣路中使用了增壓閥和儲(chǔ)氣罐后，需配合使用氣動(dòng)換向閥才能實(shí)現(xiàn)氣路系統(tǒng)和機(jī)床的聯(lián)動(dòng)，它的作用就是通過(guò)機(jī)床自動(dòng)化氣源的通斷來(lái)控制氣罐內(nèi)增壓氣體與驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)氣口的相對(duì)連接位置，機(jī)床每合模一次，當(dāng)其滑塊運(yùn)動(dòng)到已設(shè)定的角度時(shí)，其控制氣源即進(jìn)行一次切換，從而帶動(dòng)氣動(dòng)換向閥將氣罐與驅(qū)動(dòng)氣缸之間的進(jìn)氣路徑進(jìn)行一次切換，以此來(lái)保證驅(qū)動(dòng)氣缸所帶動(dòng)的斜楔部件往返運(yùn)動(dòng)(圖8)。

圖8 氣動(dòng)換向閥工作原理圖

⑸快速排氣閥。

想要提高氣缸的運(yùn)動(dòng)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(dāng)氣缸用于斜楔機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力源時(shí)，為保證斜楔位置的快速切換，需要在氣缸的兩個(gè)接頭處均設(shè)計(jì)快速排氣閥?？焖倥艢忾y首選安裝在氣缸的接口上，如空間受限時(shí)可使用接頭和氣管將快速排氣閥設(shè)置在氣路中，但要求排氣閥需離氣缸接口盡可能近，否則會(huì)失去快速排氣的效果。

在斜楔驅(qū)動(dòng)氣路中，為保證運(yùn)動(dòng)順暢，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則，①氣路系統(tǒng)中接通氣缸氣管直徑優(yōu)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(jù)氣缸直徑進(jìn)行選用，不宜過(guò)大或過(guò)小，需要結(jié)合氣缸每次消耗的空氣量及機(jī)床充氣速度共同確認(rèn)，同時(shí)在氣罐前端設(shè)計(jì)氣動(dòng)增壓閥。③機(jī)床每條常通氣路單獨(dú)接入一組驅(qū)動(dòng)氣缸，避免對(duì)驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)行并聯(lián)，防止氣壓不足情況出現(xiàn)。④斜楔蓋板在現(xiàn)場(chǎng)研合調(diào)試過(guò)程中，壓緊后著虛色即可，防止出現(xiàn)壓板間隙過(guò)緊，大幅度抵消氣缸推力的情況。對(duì)于氣缸選用、斜楔需要推力等相關(guān)參數(shù)可以從公開(kāi)資料上進(jìn)行查閱計(jì)算，本文不再詳述。⑤氣路設(shè)計(jì)保證穿管長(zhǎng)度最短，減少氣管彎曲次數(shù)，同時(shí)保證鑄造穿管孔最窄位置大于穿管直徑2倍以上。

結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了2 種在沖壓模具中經(jīng)常用到的氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中還可根據(jù)不同制件特點(diǎn)、需要實(shí)現(xiàn)的功能、生產(chǎn)設(shè)備條件等合理選擇。通過(guò)氣動(dòng)部件的組合運(yùn)用，可以有效地簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，降低制作成本，協(xié)助解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題，如利用真空閥實(shí)現(xiàn)料渣吸附，利用渦流管實(shí)現(xiàn)模具局部降溫等，同時(shí)針對(duì)一些制件的特殊工藝需求，普通沖壓模具不能實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景，氣動(dòng)部件也為其提供了實(shí)現(xiàn)的可能。