某型轿车座椅扭力管冷挤压模具设计

陈学健

0 引言

作为汽车内饰的重要组成部分，座椅一直是舒适驾乘的关键环节，受到很大的重视。在汽车座椅的制造过程中，需要用到带有凸包的圆管，在现有技术中，这种圆管一般通过专门的加工机床制作而成，而专门的加工机床价格昂贵，增加了轿车座椅扭力管乃至汽车座椅的制造成本。由于冷挤压技术具有最有效的节约材料、提高生产效率、提高机械产品性能、适合大批量生产的优点而应用广泛[1-3]。

某型轿车座椅扭力管冷挤压模具的研制，由于其管件成型时变形抗力非常高，设备采用何种方式作为执行元件是需要解决的问题；冷挤压技术中的空心件冷镦挤压，目前可供参考的数据不多[4-6]；冷挤压工艺对设备的整体结构和模具也提出了更高的要求，设备不仅要能承受较大的强度，还需要具备一定的刚度[7-9]；模具设计需要能提高模具寿命，并满足装配尺寸及强度要求，这样的冷挤压模具技术实施难度大[10-11]。为了解决所面临的技术问题，急需提供一种轿车座椅扭力管冷挤压模具的技术方案。

1 零件分析

某型轿车座椅扭力管为一根壁厚为 1.8mm的空心圆管制件，其中扭力管上要求冷挤压出一个一定形状尺寸的凸包，凸包左侧面为轴向安装基准面，该基准至扭力管左、右两端有较严格的尺寸公差要求；扭力管的两端40mm范围为安装面，左端为径向安装基准，右端对安装基准具有位置度公差要求，具体尺寸及形位公差要求见图1。

图1 某型轿车座椅扭力管零件图

2 毛坯制备及处理

毛坯制备，是从毛坯的下料开始到制备出符合冷挤压工艺要求的毛坯为止的过程。制备价廉、质量良好的毛坯对挤压质量、生产率和生产成本有很大影响。扭力管毛坯采用直径为25mm的碳钢钢管进行剪切下料。根据中性层尺寸不变的原则，可以通过计算扭力管凸包中性层长度（如图2所示）来估算下料毛坯的尺寸，为保证估算的可靠性所有尺寸均取公差中间值。

图2 扭力管凸包放大图

坯料的长度尺寸L计算如下：

r1=2.1-1.8/2=1.2mm

L2=πr2+πr1+2(4.8-1.2)=11.68mm

L=L1+L2+L3=334.7+95.3-4.2+11.68=437.48mm

式中：r1、r2分别为凸包伸张处中性层半径、凸包压缩处中性层半径，r2取凹模挤压圆角半径1mm。

L、L1、L2、L3分别为坯料总长度、凸包左侧长度、凸包中性层长度以及凸包右侧长度。通过计算，L取437.5mm。

为了降低冷挤压件与冷挤压模具工作部分的摩擦力，降低冷挤压的单位挤压压力，提高冷挤压的表面质量，减少模具的磨损，对冷挤压毛坯进行磷化表面处理和皂化润滑处理。

3 冷挤压模具结构设计与工作原理

3.1 模具结构简图

冷挤压模具结构应用斜楔运动机构达到传力的挤压成形的原理设计，其结构简图如图 3（a）所示，轿车座椅扭力管结构示意图包括上模板3和下模板6，第一上凹模11通过氮气弹簧1与上模板3连接，第一下凹模9与下模板6抵接，待加工的扭力管10被第一上凹模11、第一下凹模9夹持在中间。其传动系统包括上模板3以及斜楔机构，斜楔机构由驱动块4和侧滑块5组成，驱动块4与上模板3固连，驱动块4的右下角设置斜面，该斜面与梯形的侧滑块5的斜面抵接，侧滑块5的下底面与下模板6抵接，其右侧面与芯轴12以及第二上凹模2、第二下凹模7固连，侧滑块5与第一上凹模 11之间抵持有氮气弹簧 8。图 3（b），芯轴12设置轴肩14，芯轴12的尺寸根据扭力管10的尺寸设定，使其轴肩14右部恰好可以伸入圆管9的内壁，同时轴肩14与扭力管10的左端面配合抵接。芯轴 11、圆管 9的部分外壁由第二上凹模 2和第二下凹模7夹持在中间。

3.2 模具工作原理

在实际加工过程中，先将芯轴12插入扭力管10，可以防止扭力管10的非挤压处产生变形，扭力管10在第一上凹模11与第二上凹模2、第二下凹模7与第一下凹模9之间的空隙处加工凸包13，第一上凹模11给予扭力管10一个压紧力F3，同时芯轴12向左运动，轴肩14给予扭力管10水平向左的力F2，在垂直的压紧力F1以及水平向左力F2的合力下，前述空隙处形成凸包13。芯轴12表面经过镀钛处理，可以防止加工过程中扭力管或芯轴12被拉毛。

挤压运动开始，上模板3在压力机滑块的带动下向下运动，通过斜楔将垂直向下的力F1转为水平向右的力F2，并通过芯轴11传递给圆管9，上模板2同时通过弹簧4将向下的压紧力传递给扭力管10。氮气弹簧1及氮气弹簧8起到复位作用。

3.3 模具结构设计

上模组件结构的设计主要取决于模板结构与上凹模的紧固方法。合理的紧固方法可以确保冷挤压件的挤压精度，延长模具的使用寿命，并便于模具的安装、调整及迅速地更换零件。本设计中的上模组件主要由定位键 1、限位柱2、固定柱 3、卸料板4、剥料钩5、大导套组件6、上模板7、第三上凹模8、上定位板9、第二上凹模10、第一上凹模11、垫脚12、凸包成型组件上模部分A零部件组成，各零部件的具体安装位置，如图4所示。

图4 上模组件的结构示意图

图5 下模组件的结构示意图

如图6所示，凸包成形组件主要取决于挤压力与挤压方向的设计方案，也是冷挤压模具设计的核心部分。本设计方案采用了4个垂直氮气弹簧配合卸料板与上凹模压住坯料，用4个垂直导向导柱维持压料方向的运动精度；2个水平氮气弹簧提供挤压力，用1个水平导向导柱维持挤压方向的运动精度。

图6 凸包成形组件结构图

轿车座椅扭力管装配图包括上模组件A、凸包成型组件B、下模组件C，其装配图如图7所示。

图7 轿车座椅扭力管装配图

4 结论

（1）轿车座椅扭力管冷挤压模具结构设计前期主要任务是制件毛坯的制备、模具结构简图的构思与工作原理分析；制件被挤压表面的软化与润滑和挤压成形凹模的表面强度处理是能否挤压出合格的制件及延长模具使用寿命的关键因素。

（2）论文提供一种轿车座椅扭力管冷挤压模具，包括上模组件、凸包成型组件、下模组件。本设计方案解决了管件成型时变形抗力、空心管件凸包成形精度、方便卸料以及模具寿命问题。模具具有易实施，易推广等特点，具有良好的应用前景。

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