氣路系統(tǒng)在冷沖模具中的應(yīng)用

文／張應(yīng)生，杜亮·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

在現(xiàn)代生活中汽車已經(jīng)成為人類生活中不可或缺的工具，而隨著人們審美的不斷提升，大眾對汽車造型的要求也越發(fā)挑剔，正是基于這種需求，當(dāng)前階段汽車沖壓件造型更加多樣，傳統(tǒng)的工序排布及結(jié)構(gòu)設(shè)計已遠不能解決模具設(shè)計及生產(chǎn)過程中的問題，而氣動部件的加入則能很好地解決此類問題。

沖壓模具中的單向自鎖氣路

現(xiàn)階段各種車型、配置版本多樣，由于成本控制，工藝布置多數(shù)采用模具共用方案，對于各版本差異點，則通過模具中的選擇性工作部件實現(xiàn)。其中應(yīng)用最多的則是以氣缸作為力源的氣路系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，但是在生產(chǎn)過程中，由于振動、重力等原因斜楔經(jīng)常出現(xiàn)自回程現(xiàn)象，導(dǎo)致所生產(chǎn)制件無翻邊、無沖孔等異常情況頻繁發(fā)生(圖2)，制件批量報廢。

圖1 浮動選修機構(gòu)工作原理示意圖

圖2 生產(chǎn)過程中沖頭凸出導(dǎo)致制件批量報廢

單向閥原理概述

單向閥外部有3 個氣路口，分別是先導(dǎo)口、接氣線口、接管口，內(nèi)部由閥體，閥芯，復(fù)位彈簧，鋼球組成。壓縮空氣從進口處進入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥口開啟，壓縮空氣從P 流至A；當(dāng)P 口無壓縮空氣時，在彈簧力和A 口(腔)余氣力作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，使從A 至P 氣流不通；當(dāng)先導(dǎo)口通入壓縮空氣時，A 口(腔)余氣力和壓縮空氣克服彈簧力和摩擦力打開單向閥閥口，使氣流從A 流至P，如圖3 所示。

圖3 單向閥結(jié)構(gòu)圖及其氣路連接圖

當(dāng)需要頂出氣缸活塞桿時，氣源與紅色氣管連通后，壓縮空氣從進口處進入，克服彈簧力和摩擦力使單向閥閥口開啟，壓縮氣體通過接管接頭進入氣缸腔體(密閉空間)，腔體的氣體體積膨脹，推動活塞頂出，確認活塞頂?shù)轿缓?，切斷氣源，此時ASP 單向閥閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，氣缸腔體內(nèi)部的壓縮氣體無法反向流通，氣缸腔體的壓縮氣體處于飽和，達到保壓狀態(tài)，如圖4 所示，可以保證氣缸活塞始終處于頂出狀態(tài)，保持穩(wěn)定，實現(xiàn)氣缸活塞頂出自鎖的功能。

圖4 單向閥氣路中氣缸保壓狀態(tài)

當(dāng)需要收縮氣缸活塞桿時，氣源與藍色氣線連通后，三通接頭一側(cè)和單向閥的先導(dǎo)口連接，壓縮空氣通過先導(dǎo)口進入到單向閥，氣缸腔體氣流和先導(dǎo)頭氣流克服彈簧力和摩擦力打開單向閥閥口，使氣體可通過氣路排出氣缸，從而使氣缸活塞后部保壓氣體卸壓，此時壓縮空氣通過三通接頭另一側(cè)進入氣缸腔體活塞前端推動活塞開始回程運動。當(dāng)氣源斷開，單向閥關(guān)閉，使氣缸活塞后側(cè)處于負壓狀態(tài)，如圖5 所示，實現(xiàn)氣缸回退自鎖的功能。

圖5 單向閥氣路中氣缸負壓狀態(tài)

單向自鎖氣路對單向閥與氣缸間的密封性提出較高的要求，故在生產(chǎn)前應(yīng)對整個氣路進行接通，保證該批次生產(chǎn)過程中氣缸內(nèi)始終處于壓力狀態(tài)，從而保證其所連接斜楔在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性。

斜楔驅(qū)動氣路設(shè)計

斜楔驅(qū)動氣路基本構(gòu)成如圖6 所示。

圖6 斜楔驅(qū)動氣路基本構(gòu)成

⑴氣路接頭，連接機床與模具氣路系統(tǒng)，采用快插結(jié)構(gòu)，按功能通常分為常通氣源接頭和控制氣源接頭。常通氣源通過增壓閥連接至氣罐，保證在生產(chǎn)過程中時刻補充生產(chǎn)消耗，控制氣源接頭依托滑塊角度設(shè)置實現(xiàn)進氣口的氣源通斷，從而控制換向閥切換氣缸進氣路徑，驅(qū)動氣缸運動進行切換。

⑵增壓閥，氣缸用于斜楔驅(qū)動時，為保證氣缸能夠提供足夠的驅(qū)動力，可以增大氣缸氣源的壓力。要達到這樣的目的，可以使用增壓閥。增壓閥一般選用氣動結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是不需要電源，占用空間相對較小，增壓比在2 倍左右。主要作用是保證氣缸的驅(qū)動力穩(wěn)定輸出。

⑶儲氣罐，采用氣缸力源驅(qū)動斜楔，氣路中氣缸存在間歇性動作，此時如僅僅依靠機床自身的自動化控制氣源會導(dǎo)致空氣消耗量超過供給能力，由此會導(dǎo)致氣缸輸出力不足，運動過程緩慢等問題，故在以氣缸作為力源的氣路系統(tǒng)中需要采用將集中消耗的空氣存在儲氣罐中的方式來解決此問題。儲氣罐除了存儲加壓后的氣體，還可以緩和增壓閥出口的壓力波動。儲氣罐也可以單獨應(yīng)用到氣路中，用于保持氣路中壓力的穩(wěn)定，使氣缸驅(qū)動順暢。需要注意的是儲氣罐的外形尺寸較大，除缸體外還需考慮附件如安全閥/壓力計組件、排水閥、氣管接頭等的安裝空間，因此在設(shè)計使用中需預(yù)留充足的空間(圖7)。

圖7 儲氣罐及其相關(guān)附件

⑷氣動換向閥(兩位雙氣控閥)，當(dāng)氣路中使用了增壓閥和儲氣罐后，需配合使用氣動換向閥才能實現(xiàn)氣路系統(tǒng)和機床的聯(lián)動，它的作用就是通過機床自動化氣源的通斷來控制氣罐內(nèi)增壓氣體與驅(qū)動氣缸進氣口的相對連接位置，機床每合模一次，當(dāng)其滑塊運動到已設(shè)定的角度時，其控制氣源即進行一次切換，從而帶動氣動換向閥將氣罐與驅(qū)動氣缸之間的進氣路徑進行一次切換，以此來保證驅(qū)動氣缸所帶動的斜楔部件往返運動(圖8)。

圖8 氣動換向閥工作原理圖

⑸快速排氣閥。

想要提高氣缸的運動速度，除了保證氣源壓力、供氣量之外，還需加大氣缸的排氣速率，當(dāng)氣缸用于斜楔機構(gòu)驅(qū)動力源時，為保證斜楔位置的快速切換，需要在氣缸的兩個接頭處均設(shè)計快速排氣閥?？焖倥艢忾y首選安裝在氣缸的接口上，如空間受限時可使用接頭和氣管將快速排氣閥設(shè)置在氣路中，但要求排氣閥需離氣缸接口盡可能近，否則會失去快速排氣的效果。

在斜楔驅(qū)動氣路中，為保證運動順暢，應(yīng)遵循以下幾個原則，①氣路系統(tǒng)中接通氣缸氣管直徑優(yōu)選16mm 及以上氣管，保證壓縮空氣流量充足。氣控閥控制氣管可以選擇12mm。②氣罐容量可根據(jù)氣缸直徑進行選用，不宜過大或過小，需要結(jié)合氣缸每次消耗的空氣量及機床充氣速度共同確認，同時在氣罐前端設(shè)計氣動增壓閥。③機床每條常通氣路單獨接入一組驅(qū)動氣缸，避免對驅(qū)動氣缸進行并聯(lián)，防止氣壓不足情況出現(xiàn)。④斜楔蓋板在現(xiàn)場研合調(diào)試過程中，壓緊后著虛色即可，防止出現(xiàn)壓板間隙過緊，大幅度抵消氣缸推力的情況。對于氣缸選用、斜楔需要推力等相關(guān)參數(shù)可以從公開資料上進行查閱計算，本文不再詳述。⑤氣路設(shè)計保證穿管長度最短，減少氣管彎曲次數(shù)，同時保證鑄造穿管孔最窄位置大于穿管直徑2倍以上。

結(jié)束語

本文主要介紹了2 種在沖壓模具中經(jīng)常用到的氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)設(shè)計要點，在模具設(shè)計過程中還可根據(jù)不同制件特點、需要實現(xiàn)的功能、生產(chǎn)設(shè)備條件等合理選擇。通過氣動部件的組合運用，可以有效地簡化模具結(jié)構(gòu)，降低制作成本，協(xié)助解決生產(chǎn)現(xiàn)場存在的問題，如利用真空閥實現(xiàn)料渣吸附，利用渦流管實現(xiàn)模具局部降溫等，同時針對一些制件的特殊工藝需求，普通沖壓模具不能實現(xiàn)的場景，氣動部件也為其提供了實現(xiàn)的可能。