一种螺旋叶片插接刀阵模具的设计和应用

王文 程晓东 曲永乐 王光明

摘要：混凝土搅拌运输车搅拌筒内部螺旋叶片是由多组叶片拼接而成，叶片成形模具种类较多，生产过程需要多次更换模具，以调整油压机压合行程、压紧力、保压时间等参数，效率低下。为适应品种多、换代快的叶片生产，以及减少新开模具数量和费用，设计了一种新型插接刀片阵列模具（简称刀阵模具），该模具取消传统的整体铸锻结构，采用插接刀阵结构。不同叶片模具采用相同的上下模底座，通过更换不同组对的刀片，形成不同曲率的模压曲面，实现不同模具的切换。该种模具有换装简便快捷多变，模具开发成本低、周期短等优点；并且通过调整刀片阵列的方向，同时具备了压型左旋、右旋叶片的能力，模具数量缩减一倍。实际应用中，能低成本、高效率地研制新模具，以适应叶片形状的不断变化。该种新型模具方案为多品种、小批量、成形精度较低的产品的模具设计提供了新的方向，具有一定的指导意义。

关键词：搅拌车；插接；刀片；阵列；模具

中图分类号：U462  收稿日期：2023-05-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.024

1 前言

混凝土搅拌车搅拌筒螺旋叶片具有复杂的空间形状且具有不规则性[1]，因此，一条完整的螺旋叶片需要由多套叶片压型模具将螺旋叶片进行分段压型拼接而成。近年来，由于市场形势的快速变化，混凝土搅拌车搅拌筒的设计变化也越来越频繁，导致各大厂家需要不断更新叶片模具，研发成本不断提高。传统的螺旋叶片模具生产工艺，采用一体铸造或拼板焊接的上下模，压型面采用CNC加工或人工打磨的生产方式。工艺复杂、费用高，周期长[2-3]。针对该难题，本文设计开发了一种新型插接式刀片阵列模具（以下简称插接刀阵模具），采用1套模具上下基座，通过设计4组不同刀片，便可以压制整个罐体内所有叶片，进一步降低模具开发周期和成本。而且，若后期螺旋线改变，或叶片材质、厚度改变，均可通过新增、更换若干对刀片，在同一套上下模座形成不同的压型曲面，达到压制新型叶片的目的。

2 模具结构

插接刀阵模具结构如图1所示。模具由模具底板、插接刀片、顶部连接板、插接刀片、侧向定位板、限位板、联接螺栓7个部分组成。将上下模底板固定在油压机上，通过更换不同的刀片，组成不同的叶片压型模具，实现不同叶片的压型[4]。传统叶片压型模具体积较大、比较笨重，需要相关设备进行拆装，效率低下。插接刀阵模具只需人工更换、组装刀片，解决了对专用设备过度依赖的问题，显著提升了模具的更换速度[5]。

2.1 刀片结构

2.1.1 “刀阵”形式的选择

“刀阵模具”中，刀片排列阵型可以根据压型件外廓形状进行设计，常用的阵型有方阵、矩形阵、伞骨阵、扇骨阵、椭圆阵、八卦陣等多种阵列[6]。搅拌筒叶片外廓形状类似扇形，采用扇骨阵比较合理，压型过程中叶片相对刀片产生的滑移最少，刀阵结构如图2所示。

2.1.2 刀片根部与底板插接方式的选择

刀片根部与底板插接结构是本次模具设计的重点，其结构的好坏直接影响操作的难易程度及模具的寿命[7]。插接刀片的安装牢固和更换难易，主要看模具底板与刀片根部插接端方式，根据阵列形状、刀片受力大小和方向，运用对比分析法，选取T形槽、燕尾槽、单边开槽、矩形槽4种插接和焊接，共5种结构进行综合对比分析，各类型槽的特点如图3所示。

图3中，加工难度、插接难度的数值与模具性能的好坏成负相关，数值越小，性能越好；牢固程度、承受压力的数值与模具的好坏成正相关，数值越大，性能越好。综合分析，T形槽结构的加工难度低、成本低、安装牢固、承受压力高，因此选取T形槽结构作为刀片与底板插接方式，其结构如图4所示。

2.1.3 刀片顶端设计

为了实现一组模具同时具备压制左旋、右旋叶片的能力，本文将叶片的顶端设计成弧面结构，如图5所示。当刀片顺向安装时，压制左旋叶片，反向安装时，压制右旋叶片。采用圆弧面设计可以避免反向安装时叶片与模具仅有一条边接触，加大模具叶片之间的压力，导致叶片该位置产生起皱、压痕，并且加剧了模具的磨损[8]。

2.2 顶部连接板

为增加上下模具整体的刚性，防止长期压合因侧向力而产生的压刀歪斜，把压刀顶部连接固定成一体。采用对比分析法，根据阵列形式、切片受力大小和方向，选取T形槽、燕尾槽、单边锯齿、锯齿交互、焊接等5种结构，综合对比分析，各类型槽的特点如图6所示。

图6中，加工难度、插接难度的数值与模具性能的好坏成负相关，数值越小，性能越好；牢固程度、适应性的数值与模具的好坏成正相关，数值越大，性能越好。综合分析，锯齿互咬结构的加工难度低、成本低、安装牢固、承受压力高，因此选取锯齿互咬结构作为顶部固定结构，锯齿咬合顶部采用内六角螺栓固定。其结构如图7所示。

2.3 侧向定位板设计

通过Dynaform有限元分析软件，对300TP高强耐磨板叶片的成形过程进行数值模拟分析，得出叶片的形变云图（图8）。明显看出，叶片在成形过程中有严重的滑移现象。叶片边端与模具边端最大偏差为38.3 mm（叶片超出模具部分），将严重影响叶片成形精度。

根据上面叶片成形模拟结果，为解决叶片成形过程中的滑移问题，本文选择了4种定位方式进行了研究分析，如图9所示。

4种定位方式下，叶片冲压成形模拟结果如表1所示，4种方案都能较好地完成叶片定位，其中，D方案定位效果最好，与模具拟合度最高，叶片边端和模具边端最大偏差仅7.3 mm。

3 模具使用方法

3.1 油压机选择

根据叶片材质和外形尺寸，分析计算、设计模具参数：Dynaform计算压型压力理论值为32 T、模具底板长宽1 600 mm×750 mm、高度650 mm（经验值）。对照油压机参数进行选择，具体参照表2。

以往根据经验，叶片压型大多选择在1000T大型油压机上进行，此次通过软件分析计算（压力），完全可以在315T小型油压机上生产，不同吨位油压机生产成本详见表3。

按年产3 000辆搅拌车核算，采用315 T油压机压制叶片比用1 000 T油压机，压型直接生产成本可降低近80万元。

3.2 叶片压制

叶片压制时，其模具各分组对应表如表4所示。a.第一组刀片及底板、连接板、定位板等研制：按模具研发步骤设计完成第一组叶片压型模具后，进行二维图设计、零部件加工生产、组装模具、试模、三坐标测量成形件，对照原叶片三维数模各点数值，找出差异值和变量规律，修整差异大的刀片啮合线带，再压型、再测量、再修整，直到压出合格产品。

b.后三组刀片研制：参照第一组叶片模具刀片最终啮合线带数值与叶片三维数模对应曲线差异值和修整参数、曲率变化规律等，对剩余3组叶片对应的模具刀片组，编制分组零件号、单件设计、加工、试模、修模等。

c.整车叶片生产：按表4插接和更换4组刀片，实现整车22种叶片的压型生产。

刀片、顶板、侧板编号标识：均采用激光打码，统一刻字于零件固定且易查看位置；刀片防呆标识：采用在刀片外端面（扇骨阵列大弧端）不同高度处钻孔显示。

4 成本分析

根据叶片年产量、更新频率，以及材料规格、外形尺寸，确定可否开模生产，制作哪种类型的模具，以及模具设计制作周期和成本；模具类型主要包括一体铸造、镶块组合、拼板焊接、插接刀阵等模具，其各项性能、指标、参数等对比分析如表5所示。

附注：★的多少定性地表示模具承压能力的大小，或压制产品质量的高度。

叶片为中型件、月产量在2 000～5 000件间、2年左右会更新换代、承压能力和质量要求不是很高、预算成本在5万元/套以下、研制周期在3个月以内、大型CNC加工能力差等，所以选择插接刀阵模具。

5 结语

本文采用插接刀阵模具压型工艺方法，生产搅拌车罐体内部叶片，具体落实在12方搅拌罐新螺旋线、300TP材质叶片的压制，因该罐体整套叶片为22种，若采用一体铸造冲压模具压制，虽然叶片压型精度和质量高，但模具数量也是22套、费用达200多万元，并且，设计和制作周期至少半年，还很难改制更新。经过技术和经济分析，决定设计开发1套4组插接刀片、扇骨阵列模具。

在生产同一组叶片时，可以通过叶片定位不同，以及油压机参数的调整，就可以压制同组的多种叶片，而且也能压制不同材质和板厚的同组叶片；当生产另外分组的叶片时，可更换相应的一组插接刀片和顶部连接板，就转化成另一套模具。

整套模具研制费用不足3万元，生产周期仅月余。整套新型叶片的研发、生产按此研制模具和工艺方法进行，最后达到了产品图纸要求。整体研发思路科学清晰，模具设计手段准确严谨，模具结构巧妙新颖，设备数控改造和参数调整实用，能很好地满足搅拌车研发和产能提升的要求。

参考文献：

[1]李斌，王凯威，柯安娜.混凝土搅拌车螺旋叶片参数化设计方法[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2015，31（2）：335-343.

[2]邢普，赵敬云.搅拌车搅拌叶片快速模具制造[J].机械设计与制造，2010（9）：227-229.

[3]杨笋，魏德才.混凝土搅拌车叶片冲压成形工艺研究[J].精密制造与自动化，2015（2）：62-64.

[4]邢普，赵敬云.搅拌车搅拌叶片快速模具制造[J].机械设计与制造，2019（9）：95-99.

[5]勋建国，王锦红.基于VMT的叶片模具曲面加工技术研究[J].机床与液压，2003（2）：35～36.

[6]杨忠炯，袁宏亮，周立強，等.复杂空间曲面薄板冲压成形回弹预测[J].长安大学学报（自然科学版），2016，36（4）：119-126.

[7]吴磊.高强度钢板扭曲回弹特性及控制方法研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[8]徐看，吕彦明，黄艳玲.基于Dynaform的空心叶片冲压回弹影响因素分析[J].热加工工艺，2014，43（3）：138-141.

作者简介：

王文，男，1964年生，高级工程师，研究方向为专用车、客车和底盘研发，以及工装模具设计。