模具旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文／曹偉，李樹新，張明揚(yáng)，張旭·山東濰坊福田模具有限責(zé)任公司

模具旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文／曹偉，李樹新，張明揚(yáng)，張旭·山東濰坊福田模具有限責(zé)任公司

曹偉，模具車間副主任，工程師，從事沖壓模具設(shè)計(jì)10年、模具制造管理3年，具備豐富的沖壓模具理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，獲得10項(xiàng)實(shí)用新型專利及發(fā)明專利，其中與模具旋轉(zhuǎn)凸輪相關(guān)的專利2項(xiàng)。

減小模具外形尺寸，精簡(jiǎn)模具機(jī)構(gòu)，對(duì)企業(yè)降低成本，提高利潤有著重要的意義。傳統(tǒng)子母斜楔機(jī)構(gòu)占用空間大，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，為了解決這些問題，行業(yè)內(nèi)創(chuàng)新使用了一種新的斜楔機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)凸輪。與傳統(tǒng)子母斜楔相比具有：結(jié)構(gòu)緊湊，受力好，精度高，利于零件定位等優(yōu)點(diǎn),因此在車身模具開發(fā)中具有廣泛的使用前景。

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，車型變得復(fù)雜而多樣，對(duì)汽車沖壓件的質(zhì)量要求也越來越高，模具結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，模具制造周期不斷縮短，模具質(zhì)量也隨之不斷提升。汽車覆蓋件是組成汽車車身的關(guān)鍵零部件，質(zhì)量高、精度嚴(yán)，覆蓋件模具的開發(fā)能力很大程度上決定著企業(yè)的技術(shù)水平。因此，一些新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新工藝的應(yīng)用在某些特殊的模具結(jié)構(gòu)中會(huì)起到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、方便制造等諸多優(yōu)點(diǎn)。在20世紀(jì)末，行業(yè)內(nèi)開始出現(xiàn)了一種全新的斜楔機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)。

模具的旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)是在過去側(cè)修、側(cè)整子母斜楔基礎(chǔ)上，通過技術(shù)創(chuàng)新而采取的一種新的斜楔機(jī)構(gòu)。該斜楔機(jī)構(gòu)在解決汽車覆蓋件產(chǎn)品沖壓負(fù)角翻邊問題中，將翻邊凸模對(duì)產(chǎn)品負(fù)角區(qū)域的直線避讓轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)避讓，原則上采用斜楔加工的成形類工序都可以采用旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)來代替，這對(duì)減小模具外形尺寸、降低成本和提高利潤具有重大的意義。旋轉(zhuǎn)凸輪分為轉(zhuǎn)軸式和外置式兩種，本文主要介紹轉(zhuǎn)軸式旋轉(zhuǎn)凸輪在汽車覆蓋件模具中的應(yīng)用。

工作原理

模具旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)能夠在汽車覆蓋件產(chǎn)品沖壓負(fù)角翻邊時(shí)，將需要側(cè)向加工的負(fù)角區(qū)域的凸模按照一定直徑做成圓柱形，使其能夠繞一個(gè)軸心旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)過程不會(huì)與制件發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)凸模對(duì)產(chǎn)品負(fù)角區(qū)域的直線避讓轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)避讓。

旋轉(zhuǎn)凸輪的設(shè)計(jì)

軸心的選取

過旋轉(zhuǎn)區(qū)域各斷面線的最遠(yuǎn)點(diǎn)分別做垂線，則幾條垂線在制件外會(huì)有一個(gè)開放的交集，凸輪的旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)設(shè)定在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，避免凸輪在旋轉(zhuǎn)過程中與制件發(fā)生干涉，如圖1中陰影部分所示。

圖1 軸心的選取

直徑的設(shè)定

直徑的大小與軸心位置密切相關(guān)，同時(shí)也與加工部位的形狀和輪廓有關(guān)，合理的凸輪直徑至少應(yīng)滿足a≥25mm，b≥50mm，c≥70mm，如圖2所示。

圖2 直徑的設(shè)定

凸輪的工藝性

⑴結(jié)構(gòu)工藝性。凸輪強(qiáng)度不足時(shí)除調(diào)整軸心位置、加大凸輪直徑外還可以采用將凸輪軸向兩端圍起來進(jìn)行強(qiáng)度的優(yōu)化，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)工藝性

⑵加工工藝性。凸輪裝配后加工型面時(shí)為防止發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪與凸輪座之間增加緊固螺釘（圖4），將凸輪固定于凸輪座上，并在軸向兩端面增加防轉(zhuǎn)銷，對(duì)其進(jìn)行可靠定位。

⑶起吊方式。為方便裝配和工序間的傳遞，凸輪本體需設(shè)計(jì)起吊螺孔，空間允許時(shí)可以采用鑄入螺紋套，起吊孔盡量設(shè)計(jì)在重心位置以使起吊平穩(wěn)，凸輪長度大于400mm時(shí)，起吊孔原則上應(yīng)設(shè)計(jì)兩處，起吊螺孔的間距不得小于凸輪長度的60%，吊環(huán)安裝面尺寸要求如圖5所示。吊環(huán)設(shè)計(jì)要求見表1。

圖4 加工工藝性

圖5 起吊方式

表1 吊環(huán)設(shè)計(jì)要求

斜楔驅(qū)動(dòng)方式

安裝于凸輪上的斜楔驅(qū)動(dòng)導(dǎo)板是專用的，其下部的螺栓將導(dǎo)板固定在凸輪上，上部的螺栓用于凸輪在加工和運(yùn)輸時(shí)的緊固連接，模具工作過程中此螺栓不連接；導(dǎo)板安裝時(shí)應(yīng)確保凸輪的強(qiáng)度不削弱，同時(shí)要能夠?qū)?cè)翻邊（側(cè)整形）鑲塊起到可靠的反側(cè)作用，使翻整部位的受力能夠直接作用到導(dǎo)板上；其次保證加工的可行性，確保導(dǎo)板安裝面能夠加工，螺紋孔加工方向無障礙；在螺紋孔不能加工時(shí)可用鍵將導(dǎo)板擠住以固定導(dǎo)板，如圖6所示。

圖6 螺紋孔不能加工時(shí)導(dǎo)板固定形式

凸輪的旋轉(zhuǎn)角度和公差

凸輪的旋轉(zhuǎn)角度可以是任何角度，但是實(shí)際設(shè)計(jì)一般以1°為單位，最終的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)盡量小，同時(shí)必須能夠滿足制件取出所需的必要空間，如圖7所示。旋轉(zhuǎn)凸輪直徑方向的公差配合屬間隙配合，但間隙比較小，屬于轉(zhuǎn)合的范疇，通常采用基孔制表示，一般選用的公差配合為H7/g6。

圖7 旋轉(zhuǎn)角度確定

凸輪座的設(shè)計(jì)

凸輪安裝方式

凸輪裝配方式有側(cè)面推入和垂直裝入兩種，側(cè)面推入一般用于短小的凸輪，凸輪座可以采用整體方式；垂直裝入時(shí)凸輪座需采用分體的裝配形式，以滿足凸輪的安裝，如圖8所示。

圖8 凸輪安裝方式

基座的定位及材質(zhì)

基座應(yīng)采用“擋墻+擋鍵”的形式精確定位，四面鑲死，以確保凸輪機(jī)構(gòu)的定位準(zhǔn)確可靠，防止裝配時(shí)造成偏差?；话悴捎肣T600，蓋板不帶整形內(nèi)容的采用HT300，反之，采用MoCr鑄鐵。

圖9 驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)方式

轉(zhuǎn)軸式旋轉(zhuǎn)凸輪由鉸軸式擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，氣缸與凸輪的連接方式有端面安裝、底部安裝和外側(cè)安裝三種主要形式。其中端面安裝方式常用于回程力較小的小凸輪，底部安裝方式和外側(cè)安裝方式能夠提供比較大的驅(qū)動(dòng)力，適合于大凸輪，如圖9所示。

旋轉(zhuǎn)凸輪普遍采用氣缸作為動(dòng)力源，負(fù)荷效率一般是65%～70%，但考慮凸輪重量載荷，一般按50%考慮。對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)的模具，氣缸效率要滿足設(shè)備節(jié)拍需求，提高效率的兩種常用方法為：⑴增大流量Q（即增加空壓機(jī)）；⑵縮小氣缸面積A。

凸輪的導(dǎo)向和潤滑

⑴徑向旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)滑。凸輪導(dǎo)滑面的長度要求凸輪軸上全加工，凸輪座上分段加工背空，非導(dǎo)滑區(qū)域降低5mm，減少研合量。

⑵軸向的導(dǎo)滑和限位。凸輪軸向的導(dǎo)滑和限位使用兩端的凸輪限位板來完成。

⑶凸輪的潤滑。為了減小凸輪和凸輪座之間的滑動(dòng)摩擦阻力，要在凸輪座上設(shè)計(jì)油路，并且要保證油路貫通，常采用自動(dòng)加油器。

結(jié)束語

模具的旋轉(zhuǎn)凸輪機(jī)構(gòu)在企業(yè)技術(shù)開發(fā)環(huán)節(jié)的廣泛應(yīng)用，提高了三維實(shí)體設(shè)計(jì)效率，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形尺寸小，加工、制造方便，避免了傳統(tǒng)子母斜楔、鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、龐大、加工成本高等不足，充分顯示出該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。本文通過對(duì)其設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)進(jìn)行闡述，以此能夠給同行提供一定的借鑒和參考，共同促進(jìn)國內(nèi)汽車模具行業(yè)的技術(shù)發(fā)展與提升。