冲压模具中快换机构的选择与设计

李 用，金 华，徐 洪

（四川成飞集成科技股份有限公司，四川成都 610091）

1 引言

随着传统燃油车辆饱和以及新能源汽车发展受到关键技术的制约，单一车型市场销售数据逐年减少，为了抢占先机，赢得市场，车企不断加大技术创新的投入，超前启动新车型开发换代，打破以前坐、等、要的传统观念，主动开始从个性化、定制化等服务特定群体的汽车市场中寻求新的经济增长点，研发小众化特定车型变得十分必要。为了实现同一平台下多个车型生产，降低汽车开发成本，这就必然增加了模具设计与制造的难度，如何从众多的快换结构中选择一款适合车型开发相匹配的机构，在保证模具快换功能的前提下，实现模具生产制造成本可控，是模具结构设计者必须面临的抉择。本文就快换机构功能性，经济性，安全性，好维护等方面进行介绍，方便设计者选用合理的快换机构。

2 标准快换机构种类

（1）球锁紧快换凸模机构，是一种经济性，稳定可靠的机构，如图1所示。

图1 球锁紧快换凸模机构

这种快换凸模适用于中大批量及手动生产方式。好设计，需要空间小，易于实现多个凸模快换，该机构日常生产维护时，撤卸压料板上的侧销或压料板上小卸料板，让凸模外露出来，使用图2中专用工具，挤压钢球，取出损坏的凸模，更换新的凸模，如图2所示。这种机构每次更换时间较短，每个均是标准件，采购成本低，易于维护与制造，是目前被广泛采用结构。

图2 球锁紧快换凸模机构设计与维护

（2）手动型切换式凸模机构，该凸模使用的是台阶式凸模，机构相对复杂，是一种紧凑型的非标标准件，如图3 所示，其原理就是手动旋转手轮，带动楔形板1 运动，凸模及凸模固定块4在弹簧5 作用下上升一定行程，通常是8mm切换行程保证有无冲切。由于尺寸偏大，设计需要手动操作空间大，此种结构适用于非球锁凸模要求情况下，批量小，手动生产方式，由于是标准件，方便采购与维护，也一种经济性，稳定可靠的机构。日常维护需要把压料器撤卸开，取下快换座，耗时相对较长。

图3 手动型切换式凸模机构

（3）气动型切换式凸模机构，该凸模使用的是台阶式凸模，机构相对复杂，也是一种紧凑型的非标标准件，如图4 所示，其原理是气缸3 在空气作用下带动楔形板1运动，凸模及凸模固定块5 在弹簧6 作用下上升一定行程，通常是8mm切换行程保证有无冲切。由于增加气缸及管路，机构尺寸进一步加大，设计需要考虑空间多，同时需要落实机床上气路是否有无，机床上有气路，可以在线切换，没有需要线下切换。此种结构适用于非球锁凸模要求情况下，批量中大，手动与自动生产方式均可，切换要求快速响应，这也是目前使用较多的快换机构。由于是标准件，方便采购与维护，也一种经济性，稳定可靠的机构。日常维护需要把压料器撤卸开，取下快换座，耗时相对较长，而且日常需要对气路系统供气稳定性进行检查。

图4 气动型切换式凸模机构

对于需要大行程与大的安装面的气动型切换式凸模机构，可以选择SANKYO 或JOUDER 标准的气动型切换式凸模机构中对应的标准件，如图5 所示，就是SANKYO 标准中的一种结构，行程有8mm 与12mm两种尺寸形式。JOUDER可以接受非标准行程与安装大小的定制标准件，这在实际模具设计中被广泛采用。

图5 大行程大台面气动型切换式凸模机构

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3 非标快换机构

由于非标机构因为制件不同，工序安排的差异，模具空间限制等综合因素考虑，其结构设计形式多种多样，基于目前使用结构中，推荐两种被广泛采用的在线气动快换结构形式，具有使用方便，切换可靠，运动平稳等特点，具体结构见下。

（1）气缸推动刚性驱动的快换机构，如图6 所示，图中气缸推动支撑滑块往复运动，实现工作内容的有无。图6所示状态为气缸拉回时冲压状态，当不需要冲压时，气缸推动支撑滑块前行，当快换滑块与支撑滑块间的斜导板直线段分离后，气缸推动支撑块 继续前行，上面的斜导板与刚性限位座上的斜导板才接触，在气缸推力作用下，刚性限位座往上拉动快换滑块向上运动，直到斜导板运动到直线段，气缸才停止，这时工作镶块已经远离工作区域，实现了不工作状态。反之，气缸拉动支撑滑块运动一定行程，实现工作镶块冲压状态。

对于图6 中的刚性驱动快换机构，它具有限位可靠，工作平稳，几乎没有冲击噪音等优点，同时具有斜导板磨损厉害，驱动支撑滑块的气缸力量需要很大，设计行程协调困难，容易产生干涉等缺点。所以，选择刚性快换机构时，需要注意工厂的机床是否具有稳定的气源提供足够气缸推力，模具设计空间是否足够大，能够安置足够推拉动滑块的气缸，来实现切换功能。这是设计者选择刚性驱动快换的基本要求。

图6 气缸推动刚性驱动的快换机构

（2）气缸推动柔性驱动的快换机构，如图7 所示，图7 中气缸推动支撑滑块往复运动，实现工作内容的有无。图7 所示状态为气缸推出时冲压状态，当不需要冲压时，气缸拉动支撑滑块后退，快换滑块在支撑氮缸推力作用下，始终与支撑滑块接触，直到支撑滑块回退到位，空开一定空间，同时快换滑块向上运动一定距离后停止，直到二者安全但不接触，这时工作镶块已经远离工作区域，当机床再次冲压制件时，快换滑块在压料器内支撑氮缸的作用下，始终把快换滑块顶起，实现了不工作状态。反之，气缸推动支撑滑块运动一定行程，填充了支撑滑块与快换滑块之间的距离，达到工作镶块有支撑，能够实现冲压状态。

图7中的柔性驱动快换机构具有限位可靠，工作平稳，推动支撑滑块的气缸力量小等优点，同时具有在不冲压制件状态下冲压，会有快换滑块冲击支撑滑块的噪音，甚至当支撑氮缸的力量较小时，快换滑块受到冲压振动，当振动能量大于支撑氮缸力量时，会造成不冲压制件状态的制件受到挤压变形；当快换滑块行程小于压料器行程时，安全螺钉不断受到快缓滑块冲击，螺钉容易断裂失效。所以，正确设计支撑氮缸的力量与行程就变得较为关键。基于上述分析，在结构空间受限，工厂气源不稳定状态下，选择柔性快换机构是一个非常好的解决方案，这种机构目前被大家广泛接受并采用。下面就这种非标柔性快换机构设计注意点进行介绍。

图7 气缸推动柔性驱动的快换机构

4 非标柔性驱动快换机构设计注意点

（1）结构要点。如图8 所示，图中的支撑氮缸，一定设计在主压料器中，通过主压料器的反作用力，把快换滑块托举起来，远离冲压工作区域。同时快换滑块需要设计与模座间的导向与限位，有侧向力时需要在主压料器与快换滑块之间设计防侧导板。

图8 气缸推动柔性驱动的快换机构结构要点

（2）行程设计。如图9 所示，首先确定快换滑块上的零件自由状态下的行程，需要保证在不冲压状态下最小10mm 的安全距离来设计支撑滑块的厚度与躲避空间。其次就是确定支撑滑块的支撑氮缸行程b，优先考虑与主压料器的行程相当，可以小0.5mm，这样可以最大限度减少冲击噪音与方便在线切换，如果主压料器与快换滑块的行程不一样，就需要适当增加卸料螺钉直径，此时螺钉就会受到冲压冲击载荷。最后确定安全螺钉的安全行程a，当主压料器与快换滑块行程一样时，模具在闭合状态下，安全行程a=5mm。方保证螺钉不受力，仅是起安全作用。当快换滑块的支撑氮缸的行程与主压料器的行程不一样时，安全螺钉的行程a=两者的行程差+5mm。此时，螺钉要受力，需要承载快换滑块的机构重量与冲压时振动载荷。

图9 气缸推动柔性驱动的快换机构行程设计

（3）支撑氮缸力量设计，快换滑块的支撑氮缸的力量，是决定快换滑块设计成功的关键一个因素。如果力量设计偏小，就会在高速冲压过程中，对没有冲压的制件产生撞击与损伤。因此，正确选择与设计支撑氮缸的位置与力量大小是非常关键的，按照经验，氮缸力量选择是快换机构整理重量的3~5 倍。

（4）其它设计，快换滑块与上模座之间需要设计导柱导向，安全螺钉限位，快换滑块与主压料器之间优先设计导板导向，可以避免冲压过程中侧向力的影响。支撑滑块设计需要上下设计导板，减小运动中的磨檫，如果冲压有整形工序，优先设计刚性导板接触，避免材质差异导致制件精度影响。支撑滑块推拉气缸设计，需要考虑前后行程预留5mm，同时前后增加缓冲，减少切换过程中噪音，注意气路系统设计中需要设计换向阀来切换与锁死滑块。

5 结束语

通过对各种快换机构的特点与使用场景的分析，帮助设计员正确选择与设计，维护快换机构，当遇到机构有问题时，能够正确分析与判断，找到相应的处理办法，提升设计效率，缩短维护时间。