多工位冷鐓成形機專用離線換模裝置

肖志玲，劉百宣，汪金保，孫紅星，劉 華

（1.鄭州機械研究所，河南 鄭州450001；2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州450001；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安710049）

0 引言

隨著市場多樣化的發(fā)展，單件小批量訂單生產(chǎn)模式將占據(jù)塑性成形加工領(lǐng)域的重要地位。相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備也需隨產(chǎn)品類型頻繁更換模具，使換模時間控制顯得尤為重要。為了減少模具更換時間，豐田汽車工程師Shigeo Shingo 博士于1969年初次提出快速換模系統(tǒng)后，國內(nèi)很多知名科研院校在快速換模方向上從換模裝置及配件等“硬件”方面[1-3]，以及車間管理制度、換模流程優(yōu)化等“軟件”方面做了大量研究，并取得了顯著的效果，促使快速換模技術(shù)在我國大型機床設(shè)備[4]上得到廣泛推廣應(yīng)用。但對某些機床如多工位冷鐓成形機的換模系統(tǒng)研究的較少。

目前，國內(nèi)冷鐓成形存在設(shè)備模具更換耗時長的問題，一次換模需要停機4h～6h，嚴重影響冷鐓精密成形生產(chǎn)節(jié)拍（60～250min-1）的高效率要求。鑒于冷鐓成形技術(shù)以其精密、高效、高質(zhì)的特點在航空、船舶、汽車、鐵路等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，冷鐓成形設(shè)備上迫切需要一套快速換模裝置，減少機器設(shè)備的停機時間。本文針對存在的問題，設(shè)計了多工位冷鐓機配套的離線換模裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，換模時間短，定位可靠，是未來冷鐓成形機結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高的發(fā)展方向。

1 離線換模裝置的特點

目前，國內(nèi)冷鐓機的模具組件大多采用螺栓單獨分散的方式與床身連接鎖緊，如六工位冷鐓機，有12 件模具組件，換模時需長時間停機且分別裝卸更換，耗時費力。與之相比，本文設(shè)計的離線換模裝置有如下特點：①模具組件集成化，實現(xiàn)整體放入和吊離。離線換模裝置把多個動模組件集成到一塊滑板上，且不減少各個組件功能，換模時集成組塊整體吊離。②實現(xiàn)機外模具更換調(diào)整，減少換模時間。離線換模裝置突出優(yōu)點是模塊的整體吊離，機外安裝調(diào)整。每臺機床設(shè)備配備兩套模具，舊模具需要更換時，整體吊離舊模具，隨之吊入機外安裝調(diào)整好的新模具，大大減少停機操作時間。③實現(xiàn)快速松緊和精準定位。在模具與床身的連接上，采用小型液壓缸驅(qū)動斜塊，依靠斜面自鎖方式鎖緊，取代多個螺栓鎖緊。液壓缸能夠?qū)崿F(xiàn)快速松緊，與裝卸螺栓相比，將大大減少換模時間。在凸凹模組塊與床身的連接處，各設(shè)有兩組定位銷及相配的定位槽，具有導(dǎo)柱導(dǎo)套的作用，以便快速精準定位。

2 離線換模裝置的結(jié)構(gòu)

離線換模裝置有動模組塊、定模組塊、液壓缸斜塊夾持器和定位方形銷四部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)整體吊離、機外調(diào)整、快速鎖緊及精準定位等功能。

2.1 動模組塊及鎖緊定位結(jié)構(gòu)

動模離線換模組塊是由動模模座、動模和滑板組成。新舊模具更換時，只需吊出離換模組塊，實現(xiàn)機外整體換模。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

動模組塊與床身滑臺部分的鎖緊連接是通過墊板內(nèi)嵌的的液壓缸及斜勾塊實現(xiàn)鎖緊。動模組塊的快速定位和模具認口是通過墊板上設(shè)有的方形銷導(dǎo)柱和滑板上相配的導(dǎo)軌實現(xiàn)。既能保證模具組塊裝模時的快速認模，又能保證動模在床身上的精準定位。

圖1 動?？焖贀Q模結(jié)構(gòu)示意圖

在模具更換拆卸吊離時，只需液壓缸進程，解除對動模組塊的鎖緊，就可以吊離動模組塊，實現(xiàn)機外調(diào)整。

2.2 定模組塊的鎖緊定位結(jié)構(gòu)

因多工位冷鐓機原有的定模結(jié)構(gòu)是集中安放到定模體內(nèi)，所以離線換模裝置只需要解決定模組塊的鎖緊和定位問題。

離線換模裝置在定模部分，主要通過如圖2 所示的定模體下方、左右兩側(cè)和后方的液壓缸及大小斜塊實現(xiàn)鎖緊，所用小型液壓缸均嵌在機身內(nèi)。定模體采用專用方銷與機身精準定位。

圖2 定模組塊示意圖

定模組塊吊離動作是：①水平液壓缸卸載，松開對定模組塊的夾緊；②左右兩個側(cè)缸回程，拉動小斜塊縮回機身內(nèi)部；③大斜塊由后方液壓缸進程推出一定間隙；④豎直液壓缸進程把定模體頂出放置槽如圖3 所示，最后整體吊離。

圖3 定模組塊剖切示意圖

3 離線換模裝置主要零件強度分析

材料的許用應(yīng)力：

式中：[σ]——許用應(yīng)力；

σb——抗拉極限強度；

n——安全系數(shù)，其值為2～5，取3。

經(jīng)計算得表1 所示許用應(yīng)力。

表1 不同零部件的許用應(yīng)力

對上述離線換模裝置，采用Ansys 軟件進行力學(xué)分析。因定模部分脫模時頂出力較大，本文重點對定模組件結(jié)構(gòu)脫模時進行力學(xué)討論。在實際工況下當單只保險銷釘達極限頂出力15t（廠家根據(jù)實際工況提供的數(shù)據(jù)）時，保險銷頂桿斷裂，冷鐓機停機修正。為模擬實際的工況和減少計算量，選擇1、3、6 三個工位分別單工位施加頂出力15t時的受力情況。邊界條件設(shè)置如圖4 所示，具體參數(shù)如表2 所示。根據(jù)工況設(shè)小斜塊的正面（A 面）為固定約束面；為簡化計算，只畫出示意的液壓缸活塞桿作為力的加載體，且每個缸加載3.36t 的力；定模體左右側(cè)面（B 面）沿著力的方向可移動。

圖4 邊界條件示意圖

表2 受力符號表示

通過模擬計算，1、3、6 三個工位頂出力達極限時的應(yīng)力云圖如圖5 所示。從圖中可以看出，定模體受到的應(yīng)力較小，在0～34.06MPa范圍內(nèi)；左右兩側(cè)小斜塊受到的應(yīng)力在0～61.57MPa 范圍內(nèi)；液壓缸活塞桿結(jié)構(gòu)處受到的應(yīng)力最大達265.58MPa。由表1 可得，定模體、小斜塊和液壓缸活塞桿的受力均在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，由此可見定模離線換模結(jié)構(gòu)在頂出力達到極限值15t 時受到的應(yīng)力符合許用應(yīng)力的要求。

4 結(jié)論

離線換模裝置采用液壓缸與斜塊共同作用的方式實現(xiàn)快速裝夾和吊離；動、定模部分各設(shè)置有相應(yīng)的方形銷精準定位；將模具機內(nèi)更換轉(zhuǎn)為機外更換調(diào)整，減少停機時間；通過仿真計算，該裝置重要零件的強度滿足要求。總之，離線換模裝置的研制能夠解決冷鐓機新舊模具更換時間長的問題，為冷鐓設(shè)備行業(yè)提供了一種較為經(jīng)濟實用的換模方式，將在生產(chǎn)實踐中顯現(xiàn)出較高的使用價值。

圖5 不同工位受力后應(yīng)力云圖分布（定模體正反兩面）

[1]陽 林，何德譽.新型手動快速換模裝置[J].鍛壓技術(shù)，1993，（3）：47-48.

[2]尹綏玉，常治斌，劉 強，等.可調(diào)式電動快速換模車研制[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，23（4）：44-47.

[3]解育男，王春梅，張冠武.壓力機快速換模裝置[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2000，35（3）:16-19.

[4]王衛(wèi)剛，周炳海.快速換模技術(shù)的實踐研究[J].機床與液壓，2007，35（5）：4-7.

[5]朱承華，雷黨輝，薛盛智.全自動模具更換系統(tǒng)在大型沖壓線上的應(yīng)用[J].模具技術(shù)，2010，（3）：151-153.

[6]王洪廣，張麗麗，王勝利.快速換模技術(shù)在大中型客車行業(yè)沖壓加工的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2009，（4）：139-141.