高節(jié)拍和大批量生產(chǎn)條件下沖壓模具存放裝置的設(shè)計(jì)

寧海濤，密思斌，張振杰

（一汽大眾汽車有限公司天津分公司，天津 300457）

1 引言

汽車覆蓋件沖壓模具設(shè)計(jì)時(shí)需用到大量彈性元件進(jìn)行壓、退料、提供成形力以及斜楔回程等。為延長(zhǎng)上述彈性元件的使用壽命，通常在模具不工作時(shí)采用模具存放裝置限制上下模合入深度，使模具彈性元件行程完全釋放，提升彈性元件的使用壽命。常用存放裝置有剛性存放限制器、聚氨酯存模塊、存放氮?dú)飧椎龋鐖D1所示。

模具存放時(shí)通常雙層或3 層摞放，摞放的模具重量使得以往單純?cè)谀＞咚慕窃O(shè)置4 個(gè)聚氨酯存模塊（見圖1b）或氮?dú)飧祝ㄒ妶D1c）的做法無法完全釋放內(nèi)部彈性元件。隨著沖壓自動(dòng)化程度提高及內(nèi)換模時(shí)間的優(yōu)化，單純的剛性存放（見圖1a）和聚氨酯存模塊+剛性存放裝置的組合（圖1a、圖1b）已不能滿足內(nèi)換模時(shí)間的要求，加之聚氨酯存模塊受最大壓縮量限制，通常只能使用在小行程的模具中，目前存放氮?dú)飧?剛性存放的組合（圖1a、圖1c）已成為絕大多數(shù)汽車覆蓋件沖壓模具存放裝置設(shè)計(jì)首選。

圖1 常用模具存放裝置

2 高節(jié)拍和大產(chǎn)量給汽車覆蓋件模具存放裝置帶來的新挑戰(zhàn)

隨著沖壓線節(jié)拍越來越快，而外換模時(shí)間壓縮空間有限，導(dǎo)致模具單批次產(chǎn)量也在逐漸增大，氮?dú)鈴椈晒ぷ鬟^程中的發(fā)熱問題逐漸凸顯。

2.1 氮?dú)鈴椈晒ぷ髟砗蜏厣?/h3>

氮?dú)飧讓⒏邏旱獨(dú)饷荛]在缸體中，外力通過柱塞桿將氮?dú)鈮嚎s，當(dāng)外力去除時(shí)靠被壓縮的高壓氮?dú)馀蛎泚慝@得一定的彈力[1]。氮?dú)鈴椈杀粔嚎s過程中，壓機(jī)對(duì)氮?dú)鈴椈勺龉?，氮?dú)鈴椈蓛?nèi)能升高，氮?dú)鈴椈呻S壓機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)同步釋放的過程中，不考慮摩擦生熱的情況下，氮?dú)鈴椈傻膬?nèi)能又傳遞回壓機(jī)[2]。但在高沖程節(jié)拍和連續(xù)生產(chǎn)的條件下，氮?dú)鈴椈杀粔嚎s時(shí)增大的內(nèi)能傳遞的熱量以及活塞快速摩擦產(chǎn)生的熱量積聚在氣缸活塞桿和缸壁上，缸壁和活塞桿溫度升高后，通過熱傳導(dǎo)使氮?dú)飧變?nèi)部的氣體升溫。

根據(jù)對(duì)我司正常生產(chǎn)中某SPM65，氮?dú)飧讓?shí)際使用行程55mm的落料模具存放氮?dú)飧譛.2600.063在線測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，連續(xù)沖壓1,800次時(shí)，氮?dú)飧赘妆诘臏囟葟拈_始生產(chǎn)時(shí)25.2℃升高到了65.6℃。已經(jīng)接近了該型號(hào)氮?dú)鈴椈?1℃的最高設(shè)計(jì)使用溫度極限[3]。

2.2 溫升對(duì)氮?dú)鈴椈擅芊庑阅艿挠绊?/h3>

由克拉勃龍氣體狀態(tài)方程pV=nRT可知，體積不變的情況下，當(dāng)?shù)獨(dú)飧變?nèi)氣體溫度升高時(shí)，壓強(qiáng)P也隨之升高。氮?dú)鈴椈蓢?guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出了體積不變的情況下[4]，氮?dú)鈮毫﹄S溫度升高而增大的計(jì)算公式：

式中Pt——氮?dú)庠跍囟萾時(shí)的壓力，MPa

P0——氮?dú)庠趨⒖紲囟葧r(shí)的壓力，MPa

△t——溫度的變量，℃

氮?dú)鈴椈沙錃鈮毫?0℃條件下的15MPa，由公式1可知，當(dāng)?shù)獨(dú)鈴椈蓽囟葹?5.6℃時(shí)，氮?dú)鈴椈尚谐滩粔嚎s的狀態(tài)下，內(nèi)部實(shí)際的氮?dú)鈮毫?huì)上升為

即，因溫度升高導(dǎo)致氮?dú)鈴椈蓛?nèi)部氣體壓力增大了16.42%。

而氮?dú)飧妆旧砉ぷ鬟^程被壓縮過程中，內(nèi)部氣壓也會(huì)隨之增大。

仍以前文中提到的U.2600.063規(guī)格氮?dú)飧诪槔幢粔嚎s時(shí)，內(nèi)部氮?dú)鈮毫槌跏級(jí)毫0（15MPa），初始彈力為F0，工作中被壓縮55mm后，內(nèi)部氮?dú)怏w積變?yōu)閂2，此時(shí)的內(nèi)部氮?dú)鈮毫镻2，彈力為F2，查壓力曲線可知[4]，不考慮溫度升高的前提下，F(xiàn)0為23.86kN，F(xiàn)2約為37.5kN，因F=PS（S為活塞面積），則

若考慮溫度升高時(shí)，結(jié)合公式一推導(dǎo)結(jié)論，可粗略估算溫度升高后的內(nèi)部氮?dú)鈮毫Γ?/p>

可知此時(shí)氮?dú)飧變?nèi)部壓力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始充氣壓力，密封元件的工作條件遠(yuǎn)比初始狀態(tài)更惡劣。

氮?dú)鈴椈赏ǔＭㄟ^密封圈/活塞/壓力隔膜等元件進(jìn)行密封[5]，氣缸壁和活塞溫度升高時(shí)，密封圈與氣缸活塞/缸壁的接觸應(yīng)力增大[6]，同時(shí)隨著溫度升高，氣缸活塞處潤(rùn)滑油脂黏度下降，潤(rùn)滑性能降低。上述因素均導(dǎo)致氮?dú)鈴椈擅芊饽途眯越档停?dǎo)致漏氣或爆炸事故幾率增加[5]。加上本身溫度增高后氮?dú)鈴椈蓛?nèi)部氮?dú)獾膲簭?qiáng)增大，進(jìn)一步導(dǎo)致彈簧密封效果下降。實(shí)際生產(chǎn)中也經(jīng)常遇到氮?dú)鈴椈晒ぷ鬟^程中漏氣的情況。以某30萬產(chǎn)能的主機(jī)廠標(biāo)準(zhǔn)沖壓車間為例，因?qū)嶋H生產(chǎn)節(jié)拍高，每批次連續(xù)生產(chǎn)數(shù)量大，一年中因密封損壞更換的模具存放氮?dú)飧缀托毙ɑ爻痰獨(dú)飧讛?shù)量達(dá)到了87個(gè)。

存放氮?dú)飧茁鈺?huì)導(dǎo)致?lián)Q模前剛性存放限制器無法取下，影響外換模時(shí)間，模具四角支撐氮?dú)飧讐毫Σ黄胶鈺r(shí)，換模過程中滑塊偏載卸荷，我司處理一次壓機(jī)卸荷至少會(huì)導(dǎo)致27min 沖壓線停臺(tái)，每次卸荷的直接經(jīng)濟(jì)損失約5,670元。

3 高沖程節(jié)拍和大批量生產(chǎn)條件下汽車覆蓋件模具存放裝置改善思路

為應(yīng)對(duì)高沖程節(jié)拍和大產(chǎn)量生產(chǎn)條件下模具存放氮?dú)飧装l(fā)熱導(dǎo)致的氮?dú)庑孤?、密封元件使用壽命降低問題，建議從以下幾個(gè)方向來改善模具存放裝置設(shè)計(jì)。

3.1 工作行程小的模具采用聚氨酯存模塊

一般聚氨酯許用壓縮行程為原始高度的25%，其標(biāo)準(zhǔn)高度一般為140mm，因此，工作行程小的模具，可用聚氨酯存模塊代替氮?dú)鈴椈?剛性存放的方案。為避免模具多層摞放導(dǎo)致的支撐力不足問題，可相應(yīng)增加使用的聚氨酯存模塊數(shù)量。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免存放氮?dú)飧坠ぷ鬟^程中發(fā)熱。

（2）降低模具制造成本（聚氨酯存模塊價(jià)格僅為存放氮?dú)飧椎?5%）。

（3）取消剛性存放裝置后，減少了生產(chǎn)前人為取下剛性存放裝置的動(dòng)作，減少了因人員忘取或漏取導(dǎo)致模具損壞的可能。

（4）使用壽命長(zhǎng)。筆者曾有某車型側(cè)圍落料模使用聚氨酯存模塊，沖壓200萬次無需更換的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

但該方案也有以下問題，需要在設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮：聚氨酯工作次數(shù)增加后產(chǎn)生塑性變形，全長(zhǎng)變短，彈力曲線變化。如圖2 所示，聚氨酯工作10 萬次后，全長(zhǎng)比初始狀態(tài)有5～7mm的縮短，彈力曲線也發(fā)生變化，但在10萬次以后基本保持穩(wěn)定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮初始狀態(tài)和塑性變形后兩種彈力曲線。

圖2 存放聚氨酯彈力-壓縮量曲線[7]

3.2 減小壓縮比

由波意爾定律可知，等溫條件下，理想氣體體積被壓縮的比例越大，壓強(qiáng)增大的比例也越大。通過給存放氮?dú)飧状?lián)儲(chǔ)氣罐，減小存放氮?dú)飧妆粔嚎s時(shí)內(nèi)部氣體的壓縮比，可同時(shí)起到減小氮?dú)飧變?nèi)部氮?dú)庾畲髩毫蜏p小氮?dú)飧妆粔嚎s過程中增大的氣體內(nèi)能的作用。有助于減少氮?dú)飧坠ぷ鳒厣蛪毫υ龃髮?duì)密封元件的影響，提升存放氮?dú)飧酌芊庠氖褂脡勖?/p>

3.3 改善存放氮?dú)飧赘妆谏釛l件

模具存放氮?dú)飧捉?jīng)常被設(shè)計(jì)成前法蘭安裝方式，此時(shí)氮?dú)飧赘左w穿過模座上的加工孔，處于壓機(jī)工作臺(tái)（或上滑塊臺(tái)面）與模具立筋構(gòu)成的相對(duì)封閉空間內(nèi)。不利于氮?dú)飧赘妆谏?，影響密封元件使用壽命。通過將存放氮?dú)飧赘左w設(shè)計(jì)在與外界空氣聯(lián)通性好的位置（例如后法蘭安裝），通過上下模相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的空氣流動(dòng)自然散熱，或利用壓縮空氣、冷卻風(fēng)扇等手段進(jìn)行輔助散熱，有助于在高速連續(xù)生產(chǎn)的條件下提高存放氮?dú)飧椎氖褂脡勖?/p>

3.4 可動(dòng)氮?dú)飧字螇K技術(shù)[8]

上海宏旭模具的曹勤華設(shè)計(jì)了一種可動(dòng)的存放氮?dú)飧醉攭K來提升模具存放氮?dú)飧资褂脡勖⑸暾?qǐng)了專利，如圖3所示。

圖3 用于沖壓模具的氮?dú)鈴椈纱娣畔拗破餮b置

圖3 所示氮?dú)飧醉攭K5 為可移動(dòng)式，模具安裝在壓機(jī)上，上下模分開后，將氮?dú)飧醉攭K5移開，沖壓生產(chǎn)過程中，氮?dú)飧?隨上模下行時(shí)，氮?dú)飧谆钊麠U進(jìn)入下模的預(yù)留孔4中，從而使氮?dú)飧?實(shí)際不工作，有效提高存放氮?dú)飧椎膲勖?/p>

但此方式也存在以下缺點(diǎn)：

（1）存放氮?dú)飧淄耆还ぷ鳎チ舜娣诺獨(dú)飧讓?duì)上下模起到的緩沖和整體平衡作用。

（2）每批次沖壓生產(chǎn)開始前及結(jié)束時(shí)，人員進(jìn)入沖壓線內(nèi)部移動(dòng)頂塊5，產(chǎn)生工藝停臺(tái)。

3.5 采用模具存放緩沖型氮?dú)飧?/h3>

國(guó)內(nèi)某公司設(shè)計(jì)的模具存放緩沖型氮?dú)鈴椈?，減少了回程速率（約為1mm/s）。該氮?dú)飧子米髂＞叽娣艜r(shí)，隨著上模下行，氮?dú)飧妆粔嚎s后，活塞桿以1mm/s的速度緩慢回程，以SPM12 次的沖壓生產(chǎn)為例，氮?dú)飧谆钊麠U剛剛回程不到5mm時(shí)，即再次被壓縮到最大壓縮量。由于每個(gè)沖壓循環(huán)的行程減少，從而顯著降低了氮?dú)飧缀蜎_壓組件的損耗。其行程圖與普通氮?dú)飧讓?duì)比如圖4所示。

圖4 模具存放緩沖型氮?dú)鈴椈膳c普通氮?dú)鈴椈蓪?duì)比

3.6 運(yùn)用可控延時(shí)氮?dú)飧准夹g(shù)

可控延時(shí)氮?dú)飧滓话阌糜跒榉菢?biāo)斜楔、夾持翻邊壓料圈以及拉伸模內(nèi)部的獨(dú)立壓料芯壓料等提供壓力源，與上面提到的存放緩沖型氮?dú)飧最愃疲煽匮訒r(shí)氮?dú)飧妆粔嚎s至下死點(diǎn)后，通過氮?dú)飧椎撞孔詭У牟逖b閥將氮?dú)飧谆钊麠U鎖住，插裝閥收到控制信號(hào)后，才將活塞桿釋放進(jìn)行回程?？煽匮訒r(shí)氮?dú)飧紫到y(tǒng)相對(duì)普通氣缸價(jià)格昂貴，但用于存放緩沖氣缸時(shí)，可簡(jiǎn)化掉系統(tǒng)中的“消回彈裝置”和“冷卻裝置”，從而減少模具制造成本?？煽匮訒r(shí)氮?dú)飧子米鞔娣啪彌_氣缸時(shí)，與上面的存放緩沖型氮?dú)飧自硐嗤?，但?yōu)點(diǎn)是在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)可以通過換模的PLC 信號(hào)控制氮?dú)飧谆钊焖倩匚?，避免因工作結(jié)束合模后存放緩沖氮?dú)飧醉斊鹧訒r(shí)導(dǎo)致的導(dǎo)向部件偏載磨損問題。

4 總結(jié)

結(jié)合汽車覆蓋件模具存放氮?dú)飧自谏a(chǎn)中發(fā)熱導(dǎo)致密封元件頻繁損壞問題，從存放裝置種類、氮?dú)飧讐嚎s比、氮?dú)飧咨釛l件、新型模具結(jié)構(gòu)、專用氮?dú)飧?、可控延時(shí)氮?dú)飧椎?個(gè)方面提出了改善該問題的解決思路。有助于提升高沖程節(jié)拍和大批量生產(chǎn)條件下模具存放裝置的使用壽命，降低維護(hù)成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率。