气路系统在冷冲模具中的应用

文／张应生，杜亮·长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心

在现代生活中汽车已经成为人类生活中不可或缺的工具，而随着人们审美的不断提升，大众对汽车造型的要求也越发挑剔，正是基于这种需求，当前阶段汽车冲压件造型更加多样，传统的工序排布及结构设计已远不能解决模具设计及生产过程中的问题，而气动部件的加入则能很好地解决此类问题。

冲压模具中的单向自锁气路

现阶段各种车型、配置版本多样，由于成本控制，工艺布置多数采用模具共用方案，对于各版本差异点，则通过模具中的选择性工作部件实现。其中应用最多的则是以气缸作为力源的气路系统。其结构简图如图1 所示，但是在生产过程中，由于振动、重力等原因斜楔经常出现自回程现象，导致所生产制件无翻边、无冲孔等异常情况频繁发生(图2)，制件批量报废。

图1 浮动选修机构工作原理示意图

图2 生产过程中冲头凸出导致制件批量报废

单向阀原理概述

单向阀外部有3 个气路口，分别是先导口、接气线口、接管口，内部由阀体，阀芯，复位弹簧，钢球组成。压缩空气从进口处进入，克服弹簧力和摩擦力使单向阀口开启，压缩空气从P 流至A；当P 口无压缩空气时，在弹簧力和A 口(腔)余气力作用下，阀口处于关闭状态，使从A 至P 气流不通；当先导口通入压缩空气时，A 口(腔)余气力和压缩空气克服弹簧力和摩擦力打开单向阀阀口，使气流从A 流至P，如图3 所示。

图3 单向阀结构图及其气路连接图

当需要顶出气缸活塞杆时，气源与红色气管连通后，压缩空气从进口处进入，克服弹簧力和摩擦力使单向阀阀口开启，压缩气体通过接管接头进入气缸腔体(密闭空间)，腔体的气体体积膨胀，推动活塞顶出，确认活塞顶到位后，切断气源，此时ASP 单向阀阀口处于关闭状态，气缸腔体内部的压缩气体无法反向流通，气缸腔体的压缩气体处于饱和，达到保压状态，如图4 所示，可以保证气缸活塞始终处于顶出状态，保持稳定，实现气缸活塞顶出自锁的功能。

图4 单向阀气路中气缸保压状态

当需要收缩气缸活塞杆时，气源与蓝色气线连通后，三通接头一侧和单向阀的先导口连接，压缩空气通过先导口进入到单向阀，气缸腔体气流和先导头气流克服弹簧力和摩擦力打开单向阀阀口，使气体可通过气路排出气缸，从而使气缸活塞后部保压气体卸压，此时压缩空气通过三通接头另一侧进入气缸腔体活塞前端推动活塞开始回程运动。当气源断开，单向阀关闭，使气缸活塞后侧处于负压状态，如图5 所示，实现气缸回退自锁的功能。

图5 单向阀气路中气缸负压状态

单向自锁气路对单向阀与气缸间的密封性提出较高的要求，故在生产前应对整个气路进行接通，保证该批次生产过程中气缸内始终处于压力状态，从而保证其所连接斜楔在生产过程中的稳定性。

斜楔驱动气路设计

斜楔驱动气路基本构成如图6 所示。

图6 斜楔驱动气路基本构成

⑴气路接头，连接机床与模具气路系统，采用快插结构，按功能通常分为常通气源接头和控制气源接头。常通气源通过增压阀连接至气罐，保证在生产过程中时刻补充生产消耗，控制气源接头依托滑块角度设置实现进气口的气源通断，从而控制换向阀切换气缸进气路径，驱动气缸运动进行切换。

⑵增压阀，气缸用于斜楔驱动时，为保证气缸能够提供足够的驱动力，可以增大气缸气源的压力。要达到这样的目的，可以使用增压阀。增压阀一般选用气动结构，其优点是不需要电源，占用空间相对较小，增压比在2 倍左右。主要作用是保证气缸的驱动力稳定输出。

⑶储气罐，采用气缸力源驱动斜楔，气路中气缸存在间歇性动作，此时如仅仅依靠机床自身的自动化控制气源会导致空气消耗量超过供给能力，由此会导致气缸输出力不足，运动过程缓慢等问题，故在以气缸作为力源的气路系统中需要采用将集中消耗的空气存在储气罐中的方式来解决此问题。储气罐除了存储加压后的气体，还可以缓和增压阀出口的压力波动。储气罐也可以单独应用到气路中，用于保持气路中压力的稳定，使气缸驱动顺畅。需要注意的是储气罐的外形尺寸较大，除缸体外还需考虑附件如安全阀/压力计组件、排水阀、气管接头等的安装空间，因此在设计使用中需预留充足的空间(图7)。

图7 储气罐及其相关附件

⑷气动换向阀(两位双气控阀)，当气路中使用了增压阀和储气罐后，需配合使用气动换向阀才能实现气路系统和机床的联动，它的作用就是通过机床自动化气源的通断来控制气罐内增压气体与驱动气缸进气口的相对连接位置，机床每合模一次，当其滑块运动到已设定的角度时，其控制气源即进行一次切换，从而带动气动换向阀将气罐与驱动气缸之间的进气路径进行一次切换，以此来保证驱动气缸所带动的斜楔部件往返运动(图8)。

图8 气动换向阀工作原理图

⑸快速排气阀。

想要提高气缸的运动速度，除了保证气源压力、供气量之外，还需加大气缸的排气速率，当气缸用于斜楔机构驱动力源时，为保证斜楔位置的快速切换，需要在气缸的两个接头处均设计快速排气阀。快速排气阀首选安装在气缸的接口上，如空间受限时可使用接头和气管将快速排气阀设置在气路中，但要求排气阀需离气缸接口尽可能近，否则会失去快速排气的效果。

在斜楔驱动气路中，为保证运动顺畅，应遵循以下几个原则，①气路系统中接通气缸气管直径优选16mm 及以上气管，保证压缩空气流量充足。气控阀控制气管可以选择12mm。②气罐容量可根据气缸直径进行选用，不宜过大或过小，需要结合气缸每次消耗的空气量及机床充气速度共同确认，同时在气罐前端设计气动增压阀。③机床每条常通气路单独接入一组驱动气缸，避免对驱动气缸进行并联，防止气压不足情况出现。④斜楔盖板在现场研合调试过程中，压紧后着虚色即可，防止出现压板间隙过紧，大幅度抵消气缸推力的情况。对于气缸选用、斜楔需要推力等相关参数可以从公开资料上进行查阅计算，本文不再详述。⑤气路设计保证穿管长度最短，减少气管弯曲次数，同时保证铸造穿管孔最窄位置大于穿管直径2倍以上。

结束语

本文主要介绍了2 种在冲压模具中经常用到的气路系统结构及其相关设计要点，在模具设计过程中还可根据不同制件特点、需要实现的功能、生产设备条件等合理选择。通过气动部件的组合运用，可以有效地简化模具结构，降低制作成本，协助解决生产现场存在的问题，如利用真空阀实现料渣吸附，利用涡流管实现模具局部降温等，同时针对一些制件的特殊工艺需求，普通冲压模具不能实现的场景，气动部件也为其提供了实现的可能。