模具旋转凸轮机构设计要点

文／曹伟，李树新，张明扬，张旭·山东潍坊福田模具有限责任公司

模具旋转凸轮机构设计要点

文／曹伟，李树新，张明扬，张旭·山东潍坊福田模具有限责任公司

曹伟，模具车间副主任，工程师，从事冲压模具设计10年、模具制造管理3年，具备丰富的冲压模具理论知识和现场管理经验，获得10项实用新型专利及发明专利，其中与模具旋转凸轮相关的专利2项。

减小模具外形尺寸，精简模具机构，对企业降低成本，提高利润有着重要的意义。传统子母斜楔机构占用空间大，运动复杂，调试困难，为了解决这些问题，行业内创新使用了一种新的斜楔机构：旋转凸轮。与传统子母斜楔相比具有：结构紧凑，受力好，精度高，利于零件定位等优点,因此在车身模具开发中具有广泛的使用前景。

随着汽车工业的不断发展，车型变得复杂而多样，对汽车冲压件的质量要求也越来越高，模具结构变得越来越复杂，模具制造周期不断缩短，模具质量也随之不断提升。汽车覆盖件是组成汽车车身的关键零部件，质量高、精度严，覆盖件模具的开发能力很大程度上决定着企业的技术水平。因此，一些新技术、新结构、新工艺的应用在某些特殊的模具结构中会起到简化结构、方便制造等诸多优点。在20世纪末，行业内开始出现了一种全新的斜楔机构：旋转凸轮机构。

模具的旋转凸轮机构是在过去侧修、侧整子母斜楔基础上，通过技术创新而采取的一种新的斜楔机构。该斜楔机构在解决汽车覆盖件产品冲压负角翻边问题中，将翻边凸模对产品负角区域的直线避让转化为旋转避让，原则上采用斜楔加工的成形类工序都可以采用旋转凸轮机构来代替，这对减小模具外形尺寸、降低成本和提高利润具有重大的意义。旋转凸轮分为转轴式和外置式两种，本文主要介绍转轴式旋转凸轮在汽车覆盖件模具中的应用。

工作原理

模具旋转凸轮机构能够在汽车覆盖件产品冲压负角翻边时，将需要侧向加工的负角区域的凸模按照一定直径做成圆柱形，使其能够绕一个轴心旋转，且旋转过程不会与制件发生干涉，实现凸模对产品负角区域的直线避让转化为旋转避让。

旋转凸轮的设计

轴心的选取

过旋转区域各断面线的最远点分别做垂线，则几条垂线在制件外会有一个开放的交集，凸轮的旋转中心应设定在这个区域内，避免凸轮在旋转过程中与制件发生干涉，如图1中阴影部分所示。

图1 轴心的选取

直径的设定

直径的大小与轴心位置密切相关，同时也与加工部位的形状和轮廓有关，合理的凸轮直径至少应满足a≥25mm，b≥50mm，c≥70mm，如图2所示。

图2 直径的设定

凸轮的工艺性

⑴结构工艺性。凸轮强度不足时除调整轴心位置、加大凸轮直径外还可以采用将凸轮轴向两端围起来进行强度的优化，如图3所示。

图3 结构工艺性

⑵加工工艺性。凸轮装配后加工型面时为防止发生转动，凸轮与凸轮座之间增加紧固螺钉（图4），将凸轮固定于凸轮座上，并在轴向两端面增加防转销，对其进行可靠定位。

⑶起吊方式。为方便装配和工序间的传递，凸轮本体需设计起吊螺孔，空间允许时可以采用铸入螺纹套，起吊孔尽量设计在重心位置以使起吊平稳，凸轮长度大于400mm时，起吊孔原则上应设计两处，起吊螺孔的间距不得小于凸轮长度的60%，吊环安装面尺寸要求如图5所示。吊环设计要求见表1。

图4 加工工艺性

图5 起吊方式

表1 吊环设计要求

斜楔驱动方式

安装于凸轮上的斜楔驱动导板是专用的，其下部的螺栓将导板固定在凸轮上，上部的螺栓用于凸轮在加工和运输时的紧固连接，模具工作过程中此螺栓不连接；导板安装时应确保凸轮的强度不削弱，同时要能够对侧翻边（侧整形）镶块起到可靠的反侧作用，使翻整部位的受力能够直接作用到导板上；其次保证加工的可行性，确保导板安装面能够加工，螺纹孔加工方向无障碍；在螺纹孔不能加工时可用键将导板挤住以固定导板，如图6所示。

图6 螺纹孔不能加工时导板固定形式

凸轮的旋转角度和公差

凸轮的旋转角度可以是任何角度，但是实际设计一般以1°为单位，最终的旋转角度应尽量小，同时必须能够满足制件取出所需的必要空间，如图7所示。旋转凸轮直径方向的公差配合属间隙配合，但间隙比较小，属于转合的范畴，通常采用基孔制表示，一般选用的公差配合为H7/g6。

图7 旋转角度确定

凸轮座的设计

凸轮安装方式

凸轮装配方式有侧面推入和垂直装入两种，侧面推入一般用于短小的凸轮，凸轮座可以采用整体方式；垂直装入时凸轮座需采用分体的装配形式，以满足凸轮的安装，如图8所示。

图8 凸轮安装方式

基座的定位及材质

基座应采用“挡墙+挡键”的形式精确定位，四面镶死，以确保凸轮机构的定位准确可靠，防止装配时造成偏差。基座一般采用QT600，盖板不带整形内容的采用HT300，反之，采用MoCr铸铁。

图9 驱动方式

驱动方式

转轴式旋转凸轮由铰轴式摆动气缸驱动，气缸与凸轮的连接方式有端面安装、底部安装和外侧安装三种主要形式。其中端面安装方式常用于回程力较小的小凸轮，底部安装方式和外侧安装方式能够提供比较大的驱动力，适合于大凸轮，如图9所示。

旋转凸轮普遍采用气缸作为动力源，负荷效率一般是65%～70%，但考虑凸轮重量载荷，一般按50%考虑。对于自动化生产的模具，气缸效率要满足设备节拍需求，提高效率的两种常用方法为：⑴增大流量Q（即增加空压机）；⑵缩小气缸面积A。

凸轮的导向和润滑

⑴径向旋转的导滑。凸轮导滑面的长度要求凸轮轴上全加工，凸轮座上分段加工背空，非导滑区域降低5mm，减少研合量。

⑵轴向的导滑和限位。凸轮轴向的导滑和限位使用两端的凸轮限位板来完成。

⑶凸轮的润滑。为了减小凸轮和凸轮座之间的滑动摩擦阻力，要在凸轮座上设计油路，并且要保证油路贯通，常采用自动加油器。

结束语

模具的旋转凸轮机构在企业技术开发环节的广泛应用，提高了三维实体设计效率，其结构简单，外形尺寸小，加工、制造方便，避免了传统子母斜楔、链式传动机构复杂、庞大、加工成本高等不足，充分显示出该结构的优越性。本文通过对其设计流程及注意事项进行阐述，以此能够给同行提供一定的借鉴和参考，共同促进国内汽车模具行业的技术发展与提升。