汽车模具非标准斜楔机构设计要点及力学分析

汽车模具非标准斜楔机构设计要点及力学分析

安萌萌

吉利汽车宁波杭州湾第二制造基地 浙江省 315336

摘要：随着人们生活水平和生活质量的不断提高，对于出行要求与日俱增。汽车零部件冲模设计一般要用到斜冲机构（或称斜楔组件，camunit），复杂的冲模还要设计非标准斜冲机构。要设计合格的汽车冲模非标准斜冲机构，需要充分了解冲压工艺、斜冲机构，能对斜冲机构运动特性、受力状况进行全面、正确的分析，并判断其合理性。

关键词：汽车模具；非标准斜楔机构设计

引言

汽车作为我国现代化建设的特殊产物，给人们带来非常大的便利。随着汽车工业的不断发展，对模具的精度、寿命、硬度、耐磨损、防腐蚀及抗高温性等方面提出了更高的要求。

1斜冲机构构成

斜冲机构种类繁多，根据滑块的位置，可以分为下置式斜冲机构和悬吊式斜冲机构；根据需要自己设计还是直接从标准件供应商采购，可以分为非标准斜冲机构和标准斜冲机构；根据斜冲机构复杂程度：1个斜冲机构1个滑块为单一斜冲机构（cam），1个斜冲机构2个滑块（1个滑块用于冲压，1个滑块用于模具局部复位并作为另一滑块的滑动轨道）为复合斜冲机构（doublecams）。对于标准斜冲机构，设计中按标准件手册的介绍进行选取，不需要设计具体的结构，只需要根据冲压功能、冲压方向和行程要求、力的大小、安装要求等进行选取，导入到模具设计中即可。现主要讨论汽车冲模常用到的非标准斜冲机构。单一斜冲机构由1套斜楔滑块组成，完成切边、翻边、冲孔、整形等冲压工作。相对于单一斜冲机构，复合斜冲机构有2个滑块，由1个斜楔驱动2个滑块运动，下滑块同时也是上滑块的底座（或为滑动轨道）。下滑块用于模具零件的复位，上滑块用于冲压成形，也有将下滑块设计成气缸活塞驱动。采用气缸活塞驱动下滑块的目的是为了让下滑块的复位不需要依靠上模的下行（使斜楔锲入），采用气缸活塞驱动，模具零件能在待冲零件成形前复位，有利于待冲零件充分贴合模具零件型面，避免冲压件变形，也有利于模具维修调试成形。复杂零件尤其是成形外板件的模具复合斜冲机构最好采用气缸活塞驱动。采用斜楔驱动下滑块的不足之处在于模具局部复位或调试只能在上模下行的情况下进行，给模具调试尤其是模具在冲压线上调试及维修带来困难。

2汽车模具研合现状

模具零件型面的研合精度直接影响外覆盖件的表面成形质量及尺寸精度，故主机厂对模具验收的研合要求也是模具移交的重要指标之一，合资及国产品牌主机厂对重要的模具零件型面要求研合率均要大于95%。行业的高标准、高要求促使模具制造企业不得不投入更大的人力、物力和财力去提升企业的技术水平，缩短模具的研合工时，减少模具制造成本是提高企业在模具行业中竞争力的重要途径。

3斜楔工作力矩的平衡

（1）对于翻边、整形斜冲机构。当开始翻边、整形时，可能会产生一个向下较大的力矩，为确保平衡，零件在开始翻边整形时，斜楔支承面与驱动力交叉点到支承面末端距离必须≥10mm。如果翻边、整形力较大，距离应适当加大，否则斜楔易损坏。（2）对于切边斜冲机构。当开始切边时，理论上切边力是沿切边面法线方向，基本上与切边方向一致，但实际上由于零件变形，在切断时仍然会产生向下的力矩，在切断后斜楔到达下止点的过程中也可能产生向下较大的作用力矩。为确保力矩平衡，零件在开始切边时，斜楔支承面与驱动力交叉点到支承面末端距离必须≥10mm，切边线较长时，距离应该适当加大。（3）对于冲孔斜冲机构。冲孔理论上不会产生向下的力矩，但是为保证力矩平衡，在斜楔到达下止点时，斜楔支承面与驱动力交叉点到支承面末端距离必须≤10mm。以上经验值是为了确保斜冲机构受力平衡，避免由于力矩无法平衡而使压板螺钉、滑动面等造成损坏，设计中还要考虑工作力与承压面的大小等因素。

4汽车模具磨损

汽车模具的磨损是多种因素相互作用的结果，根据产生磨损的不同机制，磨损形式主要归纳为4种:①磨粒磨损，工件表面的硬突起物或外来硬质颗粒存在于工件与模具的接触面之间，刮擦模具表面形成划痕或犁沟，引起模具表面出现损伤;②粘着磨损，当工件与模具表面发生相对运动时，因为两表面均存在凸凹不平的地方，导致部分接触点的局部应力超过材料本身的屈服强度，产生粘合，当相对运动继续发生时，粘合的结点会因受力加大而发生剪切断裂，使模具部分表面的材料移动到工件上或发生脱落;③疲劳磨损，工件与模具相互滑动的两接触表面，在交变接触应力反复作用下产生重复变形，导致模具表层材料出现微观裂缝并分离出磨粒或碎片而剥落;④腐蚀磨损，工件与模具相对滑动时，表面材料与周围介质发生化学反应，在机械作用下引起材料损失的现象。

5斜冲机构的结构设计

（1）回程（滑块复位）。为确保斜冲机构工作后能够可靠回程，回程弹簧的弹力必须能推动3倍滑块的质量。回程弹簧的位置、模具结构设计不能影响斜冲机构的拆装。理论上所有斜冲机构都应设置强制回程机构，以保证回程弹簧损坏或有其他异常时滑块能够正常回程，避免损坏。大型斜冲机构、复合斜冲机构一旦复位异常可能造成模具结构零件破损，因此斜冲机构必须设置强制回程。滑块3上加工一个槽，槽与强制回程块4构成滑块强制回程机构，当弹簧2损坏时，随着上模上行，滑块3在强制回程块4及滑块3侧面槽的作用下被强制复位。（2）斜楔背面支撑。斜冲机构的斜楔设置背面支撑，以改善冲压时的受力状态，尤其是工作力较大的翻边、整形斜冲机构。需要背面支撑的斜冲机构，在斜楔开始接触滑块时，背面支撑的支承面接触长度必须≥30mm。3）斜冲机构滑块的停靠位置。当斜冲机构中滑块处于等待状态时，凸模工作部位到对应凹模工作部位的距离应≥30mm，当冲制较大零件时此距离要≥50mm。斜冲机构处于待冲件范围内的部分高度要低于待冲件局部高度，避免影响待冲件贴合模具零件型面。4）安全限位。正装斜冲机构（下置式斜冲机构）可以不设置安全限位，吊装斜冲机构（悬吊式斜冲机构）为防止斜楔意外落下，要在压板上设置安全限位。安全限位可以根据需要自行设计，也可以选取标准件，当悬吊式斜冲机构的滑块运行异常，压板安装螺钉被拉断，如果没有安全限位，滑块和压板可能会在重力作用下掉落，造成安全事故或损坏模具。如果有安全限位，即使螺钉断裂，滑块和压板在安全限位螺钉的保护下只会松脱而不会掉落。（5）导向板的导向面积。斜冲机构导向板的导向面积大小必须确保工作时导向板的压力在其可承受范围内，如果导向面积设定过小，斜冲机构容易损坏。非水平方向的导向板最好设计支撑，设计时还必须考虑冲压时产生的铁屑可能会进入斜冲机构各导向面，损坏导向板。一般情况下，导向板材质为铸铁+石墨（FC+Gr），适用压强≤5kN/mm2，材质为铜合金+石墨（KM+Gr），适用压强≤10kN/mm2，设计时将压强控制在70%~80%内比较合适。

结语

在模具设计中如果需要设计非标准斜冲机构，通过上述力学分析，举一反三，不管斜冲机构的结构如何都可以进行核算。实际工作中经常遇到设计不合理的非标准斜冲机构，有的无法维修调试只能进行结构改进，结构改进后通过上述分析方法进行力学核算，可为设计非标准斜冲机构提供参考。

参考文献

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[2]李森.旋转斜楔机构使用安全性的改进与研究[J].模具工业,2018,44(3):26-29.

[3]马宝顺.液压斜锲机构及其在汽车冲压模具中的应用[J].锻压技术,2016(10):11-16.