一種螺旋葉片插接刀陣模具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

王文 程曉東 曲永樂(lè) 王光明

摘要：混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)攪拌筒內(nèi)部螺旋葉片是由多組葉片拼接而成，葉片成形模具種類(lèi)較多，生產(chǎn)過(guò)程需要多次更換模具，以調(diào)整油壓機(jī)壓合行程、壓緊力、保壓時(shí)間等參數(shù)，效率低下。為適應(yīng)品種多、換代快的葉片生產(chǎn)，以及減少新開(kāi)模具數(shù)量和費(fèi)用，設(shè)計(jì)了一種新型插接刀片陣列模具（簡(jiǎn)稱(chēng)刀陣模具），該模具取消傳統(tǒng)的整體鑄鍛結(jié)構(gòu)，采用插接刀陣結(jié)構(gòu)。不同葉片模具采用相同的上下模底座，通過(guò)更換不同組對(duì)的刀片，形成不同曲率的模壓曲面，實(shí)現(xiàn)不同模具的切換。該種模具有換裝簡(jiǎn)便快捷多變，模具開(kāi)發(fā)成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)；并且通過(guò)調(diào)整刀片陣列的方向，同時(shí)具備了壓型左旋、右旋葉片的能力，模具數(shù)量縮減一倍。實(shí)際應(yīng)用中，能低成本、高效率地研制新模具，以適應(yīng)葉片形狀的不斷變化。該種新型模具方案為多品種、小批量、成形精度較低的產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)提供了新的方向，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：攪拌車(chē)；插接；刀片；陣列；模具

中圖分類(lèi)號(hào)：U462? 收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.024

1 前言

混凝土攪拌車(chē)攪拌筒螺旋葉片具有復(fù)雜的空間形狀且具有不規(guī)則性[1]，因此，一條完整的螺旋葉片需要由多套葉片壓型模具將螺旋葉片進(jìn)行分段壓型拼接而成。近年來(lái)，由于市場(chǎng)形勢(shì)的快速變化，混凝土攪拌車(chē)攪拌筒的設(shè)計(jì)變化也越來(lái)越頻繁，導(dǎo)致各大廠家需要不斷更新葉片模具，研發(fā)成本不斷提高。傳統(tǒng)的螺旋葉片模具生產(chǎn)工藝，采用一體鑄造或拼板焊接的上下模，壓型面采用CNC加工或人工打磨的生產(chǎn)方式。工藝復(fù)雜、費(fèi)用高，周期長(zhǎng)[2-3]。針對(duì)該難題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型插接式刀片陣列模具（以下簡(jiǎn)稱(chēng)插接刀陣模具），采用1套模具上下基座，通過(guò)設(shè)計(jì)4組不同刀片，便可以壓制整個(gè)罐體內(nèi)所有葉片，進(jìn)一步降低模具開(kāi)發(fā)周期和成本。而且，若后期螺旋線改變，或葉片材質(zhì)、厚度改變，均可通過(guò)新增、更換若干對(duì)刀片，在同一套上下模座形成不同的壓型曲面，達(dá)到壓制新型葉片的目的。

2 模具結(jié)構(gòu)

插接刀陣模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。模具由模具底板、插接刀片、頂部連接板、插接刀片、側(cè)向定位板、限位板、聯(lián)接螺栓7個(gè)部分組成。將上下模底板固定在油壓機(jī)上，通過(guò)更換不同的刀片，組成不同的葉片壓型模具，實(shí)現(xiàn)不同葉片的壓型[4]。傳統(tǒng)葉片壓型模具體積較大、比較笨重，需要相關(guān)設(shè)備進(jìn)行拆裝，效率低下。插接刀陣模具只需人工更換、組裝刀片，解決了對(duì)專(zhuān)用設(shè)備過(guò)度依賴(lài)的問(wèn)題，顯著提升了模具的更換速度[5]。

2.1 刀片結(jié)構(gòu)

2.1.1 “刀陣”形式的選擇

“刀陣模具”中，刀片排列陣型可以根據(jù)壓型件外廓形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，常用的陣型有方陣、矩形陣、傘骨陣、扇骨陣、橢圓陣、八卦陣等多種陣列[6]。攪拌筒葉片外廓形狀類(lèi)似扇形，采用扇骨陣比較合理，壓型過(guò)程中葉片相對(duì)刀片產(chǎn)生的滑移最少，刀陣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 刀片根部與底板插接方式的選擇

刀片根部與底板插接結(jié)構(gòu)是本次模具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的好壞直接影響操作的難易程度及模具的壽命[7]。插接刀片的安裝牢固和更換難易，主要看模具底板與刀片根部插接端方式，根據(jù)陣列形狀、刀片受力大小和方向，運(yùn)用對(duì)比分析法，選取T形槽、燕尾槽、單邊開(kāi)槽、矩形槽4種插接和焊接，共5種結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，各類(lèi)型槽的特點(diǎn)如圖3所示。

圖3中，加工難度、插接難度的數(shù)值與模具性能的好壞成負(fù)相關(guān)，數(shù)值越小，性能越好；牢固程度、承受壓力的數(shù)值與模具的好壞成正相關(guān)，數(shù)值越大，性能越好。綜合分析，T形槽結(jié)構(gòu)的加工難度低、成本低、安裝牢固、承受壓力高，因此選取T形槽結(jié)構(gòu)作為刀片與底板插接方式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.1.3 刀片頂端設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)一組模具同時(shí)具備壓制左旋、右旋葉片的能力，本文將葉片的頂端設(shè)計(jì)成弧面結(jié)構(gòu)，如圖5所示。當(dāng)?shù)镀樝虬惭b時(shí)，壓制左旋葉片，反向安裝時(shí)，壓制右旋葉片。采用圓弧面設(shè)計(jì)可以避免反向安裝時(shí)葉片與模具僅有一條邊接觸，加大模具葉片之間的壓力，導(dǎo)致葉片該位置產(chǎn)生起皺、壓痕，并且加劇了模具的磨損[8]。

2.2 頂部連接板

為增加上下模具整體的剛性，防止長(zhǎng)期壓合因側(cè)向力而產(chǎn)生的壓刀歪斜，把壓刀頂部連接固定成一體。采用對(duì)比分析法，根據(jù)陣列形式、切片受力大小和方向，選取T形槽、燕尾槽、單邊鋸齒、鋸齒交互、焊接等5種結(jié)構(gòu)，綜合對(duì)比分析，各類(lèi)型槽的特點(diǎn)如圖6所示。

圖6中，加工難度、插接難度的數(shù)值與模具性能的好壞成負(fù)相關(guān)，數(shù)值越小，性能越好；牢固程度、適應(yīng)性的數(shù)值與模具的好壞成正相關(guān)，數(shù)值越大，性能越好。綜合分析，鋸齒互咬結(jié)構(gòu)的加工難度低、成本低、安裝牢固、承受壓力高，因此選取鋸齒互咬結(jié)構(gòu)作為頂部固定結(jié)構(gòu)，鋸齒咬合頂部采用內(nèi)六角螺栓固定。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3 側(cè)向定位板設(shè)計(jì)

通過(guò)Dynaform有限元分析軟件，對(duì)300TP高強(qiáng)耐磨板葉片的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出葉片的形變?cè)茍D（圖8）。明顯看出，葉片在成形過(guò)程中有嚴(yán)重的滑移現(xiàn)象。葉片邊端與模具邊端最大偏差為38.3 mm（葉片超出模具部分），將嚴(yán)重影響葉片成形精度。

根據(jù)上面葉片成形模擬結(jié)果，為解決葉片成形過(guò)程中的滑移問(wèn)題，本文選擇了4種定位方式進(jìn)行了研究分析，如圖9所示。

4種定位方式下，葉片沖壓成形模擬結(jié)果如表1所示，4種方案都能較好地完成葉片定位，其中，D方案定位效果最好，與模具擬合度最高，葉片邊端和模具邊端最大偏差僅7.3 mm。

3 模具使用方法

3.1 油壓機(jī)選擇

根據(jù)葉片材質(zhì)和外形尺寸，分析計(jì)算、設(shè)計(jì)模具參數(shù)：Dynaform計(jì)算壓型壓力理論值為32 T、模具底板長(zhǎng)寬1 600 mm×750 mm、高度650 mm（經(jīng)驗(yàn)值）。對(duì)照油壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行選擇，具體參照表2。

以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，葉片壓型大多選擇在1000T大型油壓機(jī)上進(jìn)行，此次通過(guò)軟件分析計(jì)算（壓力），完全可以在315T小型油壓機(jī)上生產(chǎn)，不同噸位油壓機(jī)生產(chǎn)成本詳見(jiàn)表3。

按年產(chǎn)3 000輛攪拌車(chē)核算，采用315 T油壓機(jī)壓制葉片比用1 000 T油壓機(jī)，壓型直接生產(chǎn)成本可降低近80萬(wàn)元。

3.2 葉片壓制

葉片壓制時(shí)，其模具各分組對(duì)應(yīng)表如表4所示。a.第一組刀片及底板、連接板、定位板等研制：按模具研發(fā)步驟設(shè)計(jì)完成第一組葉片壓型模具后，進(jìn)行二維圖設(shè)計(jì)、零部件加工生產(chǎn)、組裝模具、試模、三坐標(biāo)測(cè)量成形件，對(duì)照原葉片三維數(shù)模各點(diǎn)數(shù)值，找出差異值和變量規(guī)律，修整差異大的刀片嚙合線帶，再壓型、再測(cè)量、再修整，直到壓出合格產(chǎn)品。

b.后三組刀片研制：參照第一組葉片模具刀片最終嚙合線帶數(shù)值與葉片三維數(shù)模對(duì)應(yīng)曲線差異值和修整參數(shù)、曲率變化規(guī)律等，對(duì)剩余3組葉片對(duì)應(yīng)的模具刀片組，編制分組零件號(hào)、單件設(shè)計(jì)、加工、試模、修模等。

c.整車(chē)葉片生產(chǎn)：按表4插接和更換4組刀片，實(shí)現(xiàn)整車(chē)22種葉片的壓型生產(chǎn)。

刀片、頂板、側(cè)板編號(hào)標(biāo)識(shí)：均采用激光打碼，統(tǒng)一刻字于零件固定且易查看位置；刀片防呆標(biāo)識(shí)：采用在刀片外端面（扇骨陣列大弧端）不同高度處鉆孔顯示。

4 成本分析

根據(jù)葉片年產(chǎn)量、更新頻率，以及材料規(guī)格、外形尺寸，確定可否開(kāi)模生產(chǎn)，制作哪種類(lèi)型的模具，以及模具設(shè)計(jì)制作周期和成本；模具類(lèi)型主要包括一體鑄造、鑲塊組合、拼板焊接、插接刀陣等模具，其各項(xiàng)性能、指標(biāo)、參數(shù)等對(duì)比分析如表5所示。

附注：★的多少定性地表示模具承壓能力的大小，或壓制產(chǎn)品質(zhì)量的高度。

葉片為中型件、月產(chǎn)量在2 000～5 000件間、2年左右會(huì)更新?lián)Q代、承壓能力和質(zhì)量要求不是很高、預(yù)算成本在5萬(wàn)元/套以下、研制周期在3個(gè)月以?xún)?nèi)、大型CNC加工能力差等，所以選擇插接刀陣模具。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用插接刀陣模具壓型工藝方法，生產(chǎn)攪拌車(chē)罐體內(nèi)部葉片，具體落實(shí)在12方攪拌罐新螺旋線、300TP材質(zhì)葉片的壓制，因該罐體整套葉片為22種，若采用一體鑄造沖壓模具壓制，雖然葉片壓型精度和質(zhì)量高，但模具數(shù)量也是22套、費(fèi)用達(dá)200多萬(wàn)元，并且，設(shè)計(jì)和制作周期至少半年，還很難改制更新。經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，決定設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)1套4組插接刀片、扇骨陣列模具。

在生產(chǎn)同一組葉片時(shí)，可以通過(guò)葉片定位不同，以及油壓機(jī)參數(shù)的調(diào)整，就可以壓制同組的多種葉片，而且也能壓制不同材質(zhì)和板厚的同組葉片；當(dāng)生產(chǎn)另外分組的葉片時(shí)，可更換相應(yīng)的一組插接刀片和頂部連接板，就轉(zhuǎn)化成另一套模具。

整套模具研制費(fèi)用不足3萬(wàn)元，生產(chǎn)周期僅月余。整套新型葉片的研發(fā)、生產(chǎn)按此研制模具和工藝方法進(jìn)行，最后達(dá)到了產(chǎn)品圖紙要求。整體研發(fā)思路科學(xué)清晰，模具設(shè)計(jì)手段準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)，模具結(jié)構(gòu)巧妙新穎，設(shè)備數(shù)控改造和參數(shù)調(diào)整實(shí)用，能很好地滿(mǎn)足攪拌車(chē)研發(fā)和產(chǎn)能提升的要求。

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作者簡(jiǎn)介：

王文，男，1964年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閷?zhuān)用車(chē)、客車(chē)和底盤(pán)研發(fā)，以及工裝模具設(shè)計(jì)。