淺析一種深喉口液壓沖孔機(jī)設(shè)計

尹占雄

（寧夏六盤山水務(wù)有限公司，寧夏 固原 756000）

本設(shè)計基于工程機(jī)械駕駛室蒙皮和機(jī)身覆蓋件等鈑金件，零件為已經(jīng)過模具壓制成型的工序件，有些形狀較為復(fù)雜，最顯著的特點(diǎn)是零件尺寸較大，用普通沖壓設(shè)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(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但是，沖壓設(shè)備壓力增大，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)周期延長，制造成本劇增；手工鉆孔效率低、質(zhì)量不高，腰形孔加工難度大且質(zhì)量差。為此專門設(shè)計了一種深喉口液壓沖孔機(jī)以滿足生產(chǎn)需要，且該設(shè)備具有體積小、造價低、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高、成孔質(zhì)量高、操作簡單，同時具有沖裁速度可調(diào)、行程可控、過載保護(hù)等顯著特點(diǎn)，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(shè)計

液壓缸設(shè)計是按鈑金件負(fù)載情況、行程、安裝距等確定液壓缸的主要尺寸，并進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算、校核，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。本液壓沖孔機(jī)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(wěn)定性。

液壓缸的結(jié)構(gòu)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(nèi)密封，防止液壓油內(nèi)泄漏（即有桿腔和無桿腔之間的滲漏）。本設(shè)計所采用的液壓系統(tǒng)工作壓力為16MPa，按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范，缸筒材質(zhì)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(dǎo)向套均采用螺紋連接，便于拆裝和維護(hù)。

1.1 液壓缸性能參數(shù)計算

（1）沖裁力計算。

式中，K為安全系數(shù)，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(qiáng)度，MPa；τ板材抗剪強(qiáng)度，MPa。

（2）液壓缸輸出力計算。

式中，F(xiàn)（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(shè)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(nèi)徑D的計算。

根據(jù)負(fù)載（即沖裁力）的大小和所采用的系統(tǒng)壓力（即工作壓力）經(jīng)過計算得出。

根據(jù)負(fù)載的大小和選定的工作壓力計算

式中，D為液壓缸的內(nèi)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(nèi)徑，按GB/T2348-2018液壓缸的缸筒內(nèi)徑尺寸系列圓整成標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）活塞桿直徑d的計算。

根據(jù)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(nèi)徑D的關(guān)系，根據(jù)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(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)系列值。

（4）缸體外徑計算。

式中，1D為缸體外徑。

1.3 本沖孔機(jī)液壓缸設(shè)計

依據(jù)液壓缸的設(shè)計步驟及性能參數(shù)公式，結(jié)合本文研究對象，設(shè)計出本沖孔機(jī)所用的液壓缸，主要技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 液壓缸技術(shù)參數(shù)表

2 模具設(shè)計

2.1 沖裁件工藝性分析

本文所述鈑金工序件材質(zhì)為ST14（DC04）的冷軋鋼板，其化學(xué)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(qiáng)度=130～210MPa，抗拉強(qiáng)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(zhuǎn)角，且R>0.5t（t為板料厚度），所以模具設(shè)計較為簡單，使用壽命長，沖孔質(zhì)量高，尺寸精度等級達(dá)IT10級及以上。

2.2 刃口尺寸計算

沖孔以凸模為基準(zhǔn)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(nèi)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(shè)計尺寸，mm；dd為沖孔凹模刃口設(shè)計尺寸，mm；dmin為工件孔允許最小尺寸，mm。

2.3 凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計

凸模在工作過程中其軸線不允許發(fā)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(yán)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(chǎn)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(shè)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(fā)生轉(zhuǎn)動。

依據(jù)凸模結(jié)構(gòu)要素及鈑金件結(jié)構(gòu)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(yuǎn)大于板厚t，根據(jù)經(jīng)驗，凸模強(qiáng)度是足夠的，沒有必要進(jìn)行強(qiáng)度校核。只有當(dāng)凸模特別細(xì)長，或凸模的截面尺寸相對于板厚很小時，才進(jìn)行強(qiáng)度校核。

為使沖孔機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，凸模通過中間連接套直接與液壓缸活塞桿連接，設(shè)計導(dǎo)向和限位裝置，便于電氣元件（行程開關(guān)）安裝和電氣控制。

2.4 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計

凹模機(jī)構(gòu)設(shè)計包括確定凹模的結(jié)構(gòu)和外形尺寸以及凹模連接（固定）件的結(jié)構(gòu)和外形尺寸，并根據(jù)沖裁件的結(jié)構(gòu)和尺寸確定凹模的結(jié)構(gòu)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(shè)計

凹模連接（固定）件是固定凹模的重要部件，不僅使凹模準(zhǔn)確定位，又能使凹模有效連接，使沖裁過程定位可靠。其材質(zhì)分別是Q345-B，t14熱軋鋼板和45#D90熱軋圓鋼，經(jīng)機(jī)械加工后焊接而成。模套中的內(nèi)圓錐面呈60°±0.1°，與凹模下外圓錐配合，內(nèi)外圓錐配合緊密，定位可靠。凹模連接（固定）件與固定在機(jī)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(shè)計

液壓沖孔機(jī)床身是整臺設(shè)備的基體結(jié)構(gòu)，具有足夠的剛性，支撐和連接各個部件。因該設(shè)備為加工較大尺寸工序件的沖壓機(jī)床，故設(shè)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(wěn)定性和剛性顯得尤為重要。本設(shè)計基于美國AUTODESK公司的三維可視化實體模擬軟件Inventor進(jìn)行三維建模設(shè)計。機(jī)床床身選用Q235熱軋鋼板t25mm數(shù)控火焰下料焊接而成，經(jīng)過Inventor軟件的受力分析可見，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，受力可靠，具有足夠的剛性和穩(wěn)定性，滿足生產(chǎn)要求。見圖1。

圖1 床身結(jié)構(gòu)及受力分析

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計

4.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

本機(jī)床的工作循環(huán)即“工進(jìn)→工退→停止”。液壓系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 液壓系統(tǒng)圖

本液壓系統(tǒng)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(jī)長時間負(fù)荷運(yùn)行，使液壓泵在零壓力狀態(tài)下運(yùn)行，減少了功率消耗，降低了系統(tǒng)發(fā)熱，延長了液壓泵和電機(jī)的使用壽命。

4.2 主要液壓元件選型

本液壓系統(tǒng)選用液壓泵為軸向柱塞泵，可手動調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)范圍0～10ml/rer。三位四通電磁換向閥，中位機(jī)能為Y型，該閥的特點(diǎn)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(guān)啟動電機(jī)，液壓泵轉(zhuǎn)動，油液通過兩位四通液控?fù)Q向閥卸荷；腳踩腳踏開關(guān)，1YA得電，推動閥芯移動，卸荷回路關(guān)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(jìn)入液壓缸上腔，推動活塞快速移動，當(dāng)移動到一定位置時，安裝在導(dǎo)向桿上的行程開關(guān)動作，2YA失電，3YA得電，推動閥芯移動，右位接通，油液進(jìn)入液壓缸下腔，此時，上腔壓力升高，打開液控單向閥，油液進(jìn)入油箱，活塞桿向上移動，當(dāng)移動到一定位置時，觸碰到安裝在單向桿上端的行程開關(guān)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(guān)即完成一次沖裁動作，設(shè)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(tǒng)中的油液流動情況為：進(jìn)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(jìn)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(jié)語

工程機(jī)械覆蓋件屬于鈑金件，品種多，批量小，近年來，人們對產(chǎn)品質(zhì)量、性能及外觀要求越來越高，模具開發(fā)投入巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅要拉伸出復(fù)雜的曲面造型，還要沖裁出各類安裝孔位。如果全部開發(fā)這樣的模具，工程機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)需要很大的資金投入，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性，并能滿足市場需求，因此應(yīng)選擇采用結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉的模具沖壓成型，再配合其它設(shè)備加工各種孔洞，這款深喉口液壓沖孔機(jī)的成功設(shè)計，滿足了該企業(yè)的生產(chǎn)需求，同時，減少了開發(fā)模具的投入。