球锁式快换凸模的结构与改进

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【摘 要】在企业实际的生产过程中，不可避免地会发生模具零件的失效，模具零件能否快速更换直接关系到企业的经济效益。本文介绍了传统冲压结构与快换结构的特点，对比了两者的优缺点，阐述了快换结构的优势，并对球锁式快换凸模的结构进行了分析，提出了一种结构改进的思路，对模具设计人员具有一定的借鉴作用。

【关键词】快换模具 凸模 球锁式 改进

1 前言

在利用模具进行加工的过程中，不可避免的会出现模具零部件的失效[1]。为了保证生产的连续性，人们很早就开始研究在线检修更换技术。早在20世纪50年代初期，日本丰田集团在汽车的生产过程中，采用了SMED方法，以应对模具零件更换时间过长，缩短设备停滞时间，提高生产效率。SMED的全称是“六十秒即时换模”（Single Minute Exchange of Die），是一种快速和有效的切换方法，快速换模法使得原本需要1个小时更换模具的时间，减少至10分钟以内。基于这种快速更换模具的思路，技术人员从模具自身的结构和标准件入手，通过改变易损件局部的配合方式，并将其标准化，以期达到快速更换的目的。冲裁模具中的凸模与凹模，在实际使用过程中，由于需要与工件直接接触，会产生磨损，造成尺寸超差，容易发生磨损或者断裂，属于加工过程中的易损零件，在生产过程中经常需要更换。每当对模具进行更换时，则会造成生产的停滞，并对企业的运营造成连锁反应，直接影响企业的收益。

2 传统冲压凸模的结构

传统的凸模往往采用带肩凸模，如图1所示，这种凸模往往是安装在凸模固定板上，用凸模模板夹住，两块模板利用螺钉连接，再利用圆锥销定位。当带肩凸模发生磨损或断裂，需要进行更换时，需要先将内六角螺钉和圆锥销卸下，再从反面敲击凸模固定板，使失效的凸模脱出，然后对凸模进行更换，重新安装各个模板，并进行连接和定位，完成更换工作费时费力。

在进行备件凸模的安装过程中，由于与凸模配合的模板的前期磨损，拆卸的不便，造成安装时间长，且精度下降，对企业生产造成一定的影响[2]。更换凸模的过程就是一个动模部分的拆装过程，每进行一次更换就会造成一次精度的降低，模具越大，更换的周期就越长，人力物力投入也就越大。对于最求时间价值、降低生产成本的企业来说，可谓不可承受之重。

3 快换凸模的结构与改进

快换凸模就是指用简单工具即可实现快速装卸和更换的凸模[3]。钢球锁紧式快换凸模简称球锁式凸模，是目前较为常见的快换凸模的形式。传统的快换凸模是采利用被弹簧施压的钢球，对凸模进行锁紧、定位的一种典型结构的凸模，如图2所示。

为了实现利用钢球锁住凸模，凸模侧面的柄部被加工了一个水滴状的球窝。当凸模插入模孔时，只需稍加转动，钢球在弹簧的作用下就会滑入球窝，从而实现对凸模的锁紧。在实际装配过程中，固定座上的斜孔中心线与凸模球窝的中心线之间会形成12°的自锁角度，同时由于球窝的半径小于钢球的，其与柄部外圆之间形成的两条相关边缘线支撑在钢球的两点上，使得快换凸模能够可靠地锁紧并精确的定位。由于弹簧孔方向对模具的拆装有直接的影响，技术人员可以采用图3所示三种不同弹簧孔方向结构的快锁凸模，并利用螺栓堵头进行紧固，从而构成了较为可靠的锁紧结构。

图3（a）所示为底斜孔固定式结构，螺栓的轴线与快换凸模的轴线夹角为12°的自锁角度，从而使得弹簧提供的弹力能够使钢球锁住快换凸模。此时快换凸模的冲裁力由动模底板承担，卸料力由螺栓传递给凸模固定板。但由于动模底部固定在压力机上，无法直接松开螺栓，这种方式无法直接实现快换。图3（b）所示为侧孔固定式，螺栓的轴线与快换凸模的轴线夹角为90°直角，这种方式可以实现凸模的快换，在加工时凸模产生的卸料力通过钢球传导给螺栓。同时当侧面有其他结构干涉时，也无法直接实现快换。图3（c）所示为顶斜孔固定式，螺栓的轴线与快换凸模的轴线夹角为12°的自锁角度，这种方式能够实现凸模的快换，并且平面占位较少。但是在工作过程中产生的卸料力通过钢球传递给螺栓，由螺纹连接承受卸料力。如果不增加止回结构，可能导致螺栓松动，造成凸模的冲裁精度降低，影响生产。

考虑到弹簧在实际生产过程中容易发生失效，导致钢珠无法锁紧凸模，造成凸模的滑落，通过对球锁式凸模结构的改进，可以使得快换凸模的可靠性提高。但由于高弹态下的橡胶在发生弹性形变时，会将内摩擦力转换为热能，在工作中会产生一定的热量。而弹簧在被压缩时，外界对它做功，能够转变为势能，当卸载后，势能转变为动能，弹簧回复，来回的整个过程没有热能的转换。因此对于需要较大冲裁力的生产环境，还需要将橡胶替换为弹簧。

4 结语

球锁式快换凸模结构具有加工方便、结构紧凑、锁紧牢固、定位精确、更换方便、成本低廉等特点，被广泛用于汽车制造、机械电子、精密加工等冲压流水线作业的生产线。对传统的球锁式快换结构进行改进，可以增加模具在使用过程中的可靠性。快换模具的结构对于流水作业的批量生产具有非常明显的优势，当需要更换易损件时，只需要利用专用工具压入钢球，取下受损件，再换入新备件，则可以实现快速更换，整个过程通常不超过5分钟，大大节约了人力物力财力，从而实现了模具的在线检修。除了球锁式快换结构，为了进一步提高模具零件在更换后的精度，降低快换零件的加工成本，随着模具生产技术的发展，新的快换结构被设计出来，例如采用螺纹紧固式快换结构、螺栓紧固式快换结构、键锁式快换结构、挂槽式的快换结构等方式，均能实现在线快速更换易损备件的目的[4]。随着技术的不断发展，越来越多的快换技术将会出现，模具的设计过程也在考虑更多的快换结构，除了冲裁模具之外，冲压件的局部翻遍、修边、切缝、穿透、推件、顶料、导正等工序的结构件，也开始采用这种快换结构。目前国内已经实现了许多种快换结构的标准化，客观上为模具的设计提供了更为多样的思路与方案。

参考文献：

[1]王常在，魏兆芹.冲压模具的失效形式分析与思考[J].中国机械，2013（4）：119-120.

[2]李耀辉.快换冲头冷冲压模具装置设计[J].锻压装备与制造技术，2015（1）：83-84.

[3]安文宝，李宏荣，朱文科，等.快换凸模的结构特点与设计应用[J].模具工业，2001（6）：30-34.

[4]李大鑫，张秀棉.模具技术现状与发展趋势综述[J].模具制造，2005（2）：1-4.