浅析一种深喉口液压冲孔机设计

尹占雄

（宁夏六盘山水务有限公司，宁夏 固原 756000）

本设计基于工程机械驾驶室蒙皮和机身覆盖件等钣金件，零件为已经过模具压制成型的工序件，有些形状较为复杂，最显著的特点是零件尺寸较大，用普通冲压设备无法完成冲孔加工，若此类工件在冲压成型过程中一次完成冲孔，虽然具有效率高、定位精确、成孔质量高等优点，但是，冲压设备压力增大，模具结构复杂，开发周期延长，制造成本剧增；手工钻孔效率低、质量不高，腰形孔加工难度大且质量差。为此专门设计了一种深喉口液压冲孔机以满足生产需要，且该设备具有体积小、造价低、结构简单紧凑、运行平稳、效率高、成孔质量高、操作简单，同时具有冲裁速度可调、行程可控、过载保护等显著特点，适宜小批量、多品种、较大尺寸钣金工序件圆形孔、腰形孔的冲裁加工。

1 液压缸设计

液压缸设计是按钣金件负载情况、行程、安装距等确定液压缸的主要尺寸，并进行强度和稳定性计算、校核，最后进行结构设计。本液压冲孔机液压缸活塞杆只受轴向压力作用，因此，活塞杆具有良好的纵向稳定性。

液压缸的结构主要由缸筒组件、活塞杆组件和密封件3大部分组成。液压缸的密封一是活塞杆密封，即外密封，防止液压油外漏，二是活塞密封即内密封，防止液压油内泄漏（即有杆腔和无杆腔之间的渗漏）。本设计所采用的液压系统工作压力为16MPa，按照有关技术规范，缸筒材质选用热轧或冷轧无缝钢管，缸筒与缸盖采用焊接连接。活塞和活塞杆、缸筒和导向套均采用螺纹连接，便于拆装和维护。

1.1 液压缸性能参数计算

（1）冲裁力计算。

式中，K为安全系数，一般取1.3；L为切边线的长度，mm；t为板材厚度，mm；σb为板材抗拉强度，MPa；τ板材抗剪强度，MPa。

（2）液压缸输出力计算。

式中，F（N）为液压缸的推（或拉力），N；P为工作压力，MPa；A为作用面积，mm2。

本设计是活塞杆式双作用液压缸，单活塞杆作用面积A（mm2），受压缩时A=0.7854D2，受拉伸力时A=0.7854（D2-d2）。有效面积按工作腔的有效面积计算。

1.2 液压缸主要几何尺寸计算

（1）液压缸缸筒内径D的计算。

根据负载（即冲裁力）的大小和所采用的系统压力（即工作压力）经过计算得出。

根据负载的大小和选定的工作压力计算

式中，D为液压缸的内径，mm；F为液压缸的推力，kN；P为液压缸的工作压力，MPa。

将计算出的缸筒内径，按GB/T2348-2018液压缸的缸筒内径尺寸系列圆整成标准值。

（2）活塞杆直径d的计算。

根据速度比计算活塞杆直径d

式中，d为活塞杆直径，m；D为液压缸缸径，m；ϕ为速度比。

式中，μ1为活塞杆的伸出速度，m/min；μ2为活塞杆的缩入速度，m/min。

按照GB/T2348-2018液压缸活塞杆外径尺寸系列，以及不同速度比时活塞杆直径d和液压缸内径D的关系，根据工作压力P的大小，可参考选用的速度比ϕ值。

（3）液压缸行程S的确定。

液压缸行程S主要依据机构的运动要求而定，尽量采用GB2349-1980液压缸活塞行程第一系列表中给出的标准系列值。

（4）缸体外径计算。

式中，1D为缸体外径。

1.3 本冲孔机液压缸设计

依据液压缸的设计步骤及性能参数公式，结合本文研究对象，设计出本冲孔机所用的液压缸，主要技术参数，见表1。

表1 液压缸技术参数表

2 模具设计

2.1 冲裁件工艺性分析

本文所述钣金工序件材质为ST14（DC04）的冷轧钢板，其化学成分为：C<0.08，Mn<0.40，P<0.020， S<0.030，Al>0.015，主要物理性能为屈服强度=130～210MPa，抗拉强度≥270MPa，断后伸长率≥34%，属于深拉伸级冷轧钢板，因此，其冲裁工艺性良好；冲裁孔为圆孔或腰圆孔，直径多为φ8.5mm～φ27mm，没有尖锐的转角，且R>0.5t（t为板料厚度），所以模具设计较为简单，使用寿命长，冲孔质量高，尺寸精度等级达IT10级及以上。

2.2 刃口尺寸计算

冲孔以凸模为基准件，即先计算凸模的刃口尺寸，确定凸模的制造偏差。由于凸模在磨损后尺寸将变小，冲出孔的尺寸会随之减小，故冲孔凸模尺寸取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。冲孔时刃口尺寸计算公式：

凸模尺寸：

凹模尺寸：

式中，dp为冲孔凸模刃口设计尺寸，mm；dd为冲孔凹模刃口设计尺寸，mm；dmin为工件孔允许最小尺寸，mm。

2.3 凸模结构设计

凸模在工作过程中其轴线不允许发生任何方向的移位，否则，将造成冲裁间隙不均匀，降低模具寿命，严重时可造成啃模。凸模安装到连接套上，连接套再安装到液压缸活塞杆端部，因安装面均为锥面，因此凸模的定位可靠，工作过程中无偏差。液压缸活塞杆回程时，卸料力对凸模产生拉伸作用，凸模有被拔出的趋势，为了防止这种趋势，在连接套上设置螺纹孔，用来安装紧定螺钉，防止凸模在卸料时拔出脱落。拧紧紧定螺钉，保证凸模在工作过程中不发生转动。

依据凸模结构要素及钣金件结构等因素，选择凸模材料为Cr12MoV，热处理为淬火处理，洛氏硬度HRC60～62。冲裁板厚≤4mm，且孔较大（φ8.5mm～φ27mm），冲孔直径d远大于板厚t，根据经验，凸模强度是足够的，没有必要进行强度校核。只有当凸模特别细长，或凸模的截面尺寸相对于板厚很小时，才进行强度校核。

为使冲孔机结构简单，凸模通过中间连接套直接与液压缸活塞杆连接，设计导向和限位装置，便于电气元件（行程开关）安装和电气控制。

2.4 凹模结构设计

凹模机构设计包括确定凹模的结构和外形尺寸以及凹模连接（固定）件的结构和外形尺寸，并根据冲裁件的结构和尺寸确定凹模的结构和尺寸。凹模材料亦选用Cr12MoV，淬火处理，洛氏硬度HRC60～62。

2.5 凹模连接（固定）件设计

凹模连接（固定）件是固定凹模的重要部件，不仅使凹模准确定位，又能使凹模有效连接，使冲裁过程定位可靠。其材质分别是Q345-B，t14热轧钢板和45#D90热轧圆钢，经机械加工后焊接而成。模套中的内圆锥面呈60°±0.1°，与凹模下外圆锥配合，内外圆锥配合紧密，定位可靠。凹模连接（固定）件与固定在机架上的T形槽可靠连接，保证了凹模在冲裁过程中的刚性和可靠性。

3 床身设计

液压冲孔机床身是整台设备的基体结构，具有足够的刚性，支撑和连接各个部件。因该设备为加工较大尺寸工序件的冲压机床，故设计成深喉口，以满足大尺寸零件的冲孔需要，因此，其自身的稳定性和刚性显得尤为重要。本设计基于美国AUTODESK公司的三维可视化实体模拟软件Inventor进行三维建模设计。机床床身选用Q235热轧钢板t25mm数控火焰下料焊接而成，经过Inventor软件的受力分析可见，其结构设计合理，受力可靠，具有足够的刚性和稳定性，满足生产要求。见图1。

图1 床身结构及受力分析

4 液压系统设计

4.1 液压系统设计

本机床的工作循环即“工进→工退→停止”。液压系统图见图2。

图2 液压系统图

本液压系统采用两位四通常开型的电磁换向阀作为卸荷阀，形成卸荷回路，这种回路避免了液压泵电机长时间负荷运行，使液压泵在零压力状态下运行，减少了功率消耗，降低了系统发热，延长了液压泵和电机的使用寿命。

4.2 主要液压元件选型

本液压系统选用液压泵为轴向柱塞泵，可手动调节流量，调节范围0～10ml/rer。三位四通电磁换向阀，中位机能为Y型，该阀的特点是一口封闭，三口相通，活塞浮动，在外力（油液压力或弹簧弹力）作用下可移动，与两位四通电磁换向阀和溢流阀配合使用。

4.3 电气控制及液压传动原理

打开总电源开关启动电机，液压泵转动，油液通过两位四通液控换向阀卸荷；脚踩脚踏开关，1YA得电，推动阀芯移动，卸荷回路关闭，同时2YA得电，推动阀芯移动，三位四通换向阀左位接通，油液进入液压缸上腔，推动活塞快速移动，当移动到一定位置时，安装在导向杆上的行程开关动作，2YA失电，3YA得电，推动阀芯移动，右位接通，油液进入液压缸下腔，此时，上腔压力升高，打开液控单向阀，油液进入油箱，活塞杆向上移动，当移动到一定位置时，触碰到安装在单向杆上端的行程开关时，3YA和1YA同时失电，液压缸停止移动，泵卸荷，即完成了一次冲裁动作。综上，脚踩一次脚踏开关即完成一次冲裁动作，设计合理，操作简便，有效防止误操作，安全可靠。

完成一次冲裁动作时，活塞杆下行，系统中的油液流动情况为：进油路：液压泵→三位四通换向阀左位→液压缸上腔。回油路：液压缸下腔→液控单向阀→三位四通换向阀左位→油箱。完成冲裁后，活塞杆上行时油液流动情况为：进油路：液压泵→三位四通换向阀右位→液控单向阀→液压缸下腔。回油路：液压缸上腔→三位四通换向阀右位→油箱。

5 结语

工程机械覆盖件属于钣金件，品种多，批量小，近年来，人们对产品质量、性能及外观要求越来越高，模具开发投入巨大，结构复杂，不仅要拉伸出复杂的曲面造型，还要冲裁出各类安装孔位。如果全部开发这样的模具，工程机械生产企业需要很大的资金投入，应综合考虑其经济性，并能满足市场需求，因此应选择采用结构简单、造价低廉的模具冲压成型，再配合其它设备加工各种孔洞，这款深喉口液压冲孔机的成功设计，满足了该企业的生产需求，同时，减少了开发模具的投入。