本文主要介绍了冲压模具中常用的几种气动元件，主要包括增压泵、梭阀、控制阀、机械阀等气动元件，并针对气动元件在冲压模具中的应用及常见故障，及故障解析、修理对策、气路改善等进行简单的介绍。

冲压短工序化、模具轻量化是降低模具制造成本及量产加工能耗的重要因素，以侧围模具为例，某德系品牌的三厢轿车，侧围成形共6 工序，总重量约288t，平均单工序模具重量约48t；同等级丰田某车型，侧围成形共4 工序，总重量约124t，平均单工序模具重量约31t。其中，由于产品差异及工艺标准理念差异的因素，孰优孰劣无法盖棺定论。本文介绍几种典型的气动元件在冲压模具中的应用，从一个侧面展示气动元件对冲压短工序化及模具轻量化的贡献。

气动元件简介

增压泵：当气缸作为执行元件时，如驱动大型斜楔的场合，气缸需要输出的驱动力越大，需选择相应更大尺寸的气缸，在模具上也就相应需要更大的安装面积。当模具尺寸受限或者追求模具轻量化而需要控制模具尺寸的场合，可使用增压泵(图1)，其通过增加气缸的输入气压，实现气缸输出更大的驱动力。增压泵的增压比常见为2 ～4 倍，像丰田常用型号D-VBA-A1 系列的增压比为2 倍。

图1 增压泵示意及代表符号

梭阀：目前，国内外工厂的冲压生产线是向模具提供间歇性换向压缩空气，供气时机根据压力机滑块角度和机械手信号决定，如图2 所示。当需选用持续供应压缩空气的场合，可在冲压模具气动控制系统中添加梭阀来实现，丰田常用型号包括D-CVT-A 系列。梭阀及代表符号见图3。

图2 冲压生产线压缩空气供给示意图

图3 梭阀及代表符号

控制阀：通过信号气源的输入控制，实现输入口、输出口、排气口按照不同时机导通，达成气路控制作用。丰田常用控制阀型号包括D-OPV 系列，为一种5 通气控阀。控制阀及代表符号见图4。

图4 控制阀及代表符号

机械阀：通过外部机械接触完成机械阀内部导通或阻断，实现气路通断控制。丰田常用机械阀型号包括D-MV 系列，机械阀及代表符号见图5。

图5 机械阀及代表符号

其他：除以上介绍的气动元件外，冲压模具气动控制系统中，还经常使用用于提高排气效率、简化气路作用的快速排气阀(图6)，用于调节气体流速的流速控制阀(图7)，用于保全维修时释放管路及增压泵内残压的残压释放阀(图8)等。

图6 快速排气阀代表符号

图7 流速控制阀代表符号

图8 残压释放阀代表符号

以上介绍的气动元件的应用，结合执行元件(气缸、气爪等)组成了冲压模具气动控制系统，尤其是以控制阀与机械阀常作为气动控制系统的核心控制元件，对实现冲压模具短工序化、轻量化起到优化作用。下面将以两个具体应用场景为例进行介绍。

侧围上边梁翻边应用

丰田车型传统侧围工艺标准为4 工序，近年来陆续出现3 工序、3.5 工序侧围工艺，模具轻量化在前文已提到，单工序模具重量可实现约30t 水平。模具气动控制系统的应用，使侧围的上边梁3 ～4 段翻边、整形等的加工内容在一个工序中得以实现，同时使得模具尺寸最小化。气动控制系统主要围绕控制阀、机械阀、快速排气阀进行编制，下面举例说明两个动作单元先后动作的气动控制编制示意，如图9 所示。

图9 动作单元先后动作的气动控制系统示意图

当由搬送位置向加工位置运动时，动作单元B 先动作，到达预定位置后触碰机械阀B，机械阀B 导通，信号气输入至控制阀A 后，动作单元A 开始动作；反之，由加工位置退回到搬送位置时，动作单元A 先动作，到达预定位置后触碰机械阀A，机械阀A导通，信号气输入至控制阀B 后，动作单元B 开始动作。当使用3 ～4 个动作单元的场合，可根据需要将若干个需要同时动作的动作单元相对应的机械阀进行串联，即可实现3 ～4 个动作单元按照希望的动作顺序进行动作，完成制品的加工。

顶盖天窗部翻边顶出与制品整体举升应用

推进短工序化及模具轻量化，丰田顶盖一般3 序成形，其中2 工序模具加工内容为全周切边及天窗部切边、翻边一体加工成形。制件加工后，天窗部翻边顶出与制品、天窗部废料同时利用气缸进行举升，便于制品搬送，如图10 所示。其中，天窗部翻边顶出用零部件总重约60kg，为控制模具尺寸，选择小尺寸的气缸，并设定了增压泵，使气缸举升力满足翻边顶出反作用力及相关部品自身重量。

图10 顶盖2 工序翻边顶出与制品托起示意图

为了实现该部分功能，模具气动控制系统初步选定为增压泵和执行元件气缸，如图11 所示。但却存在一个最大问题，是为增压泵在间歇性供气的外部气源下无法保压，每次外部气源转换供气方向，增压泵会存在1s 左右的充气时间，导致驱动翻边顶出气缸动作存在滞后，造成产品变形、生产速度受到影响。为解决该问题，进一步选用梭阀、控制阀对气动控制系统进行完善(图12)，保证增压泵时刻处于保压状态，通过控制阀控制翻边顶出气缸的动作时机。以上两种在想法上实现了功能，但在气路细节上，还存在局部不通的情况，还需进一步改进。

图11 顶盖2 工序气动控制系统(初版)

图12 顶盖2 工序气动控制系统(完善版)

图13 为完善后的气动控制系统，已具备实现该部分作业要求基本功能的雏形，在此基础上添加调整气缸动作同步性的流速控制阀、添加简化气路实现气缸快速动作的快速排气阀、添加保全维修时安全部件残压释放阀，形成最终的气动控制系统。

图13 顶盖2 工序气动控制系统示意图(最终版)

常见气路故障及解决方法

故障及改善举例1

图14 所示为一种在翻边工序后，先利用气缸对制件进行脱模，再进行举升的局部气路示意图。故障表现为气缸举升过程的上升阶段存在延迟，导致机械手搬送发生掉件现象。

图14 翻边脱模举升改善

故障原因分析：通过对气缸举升力的分析，由增压泵增压后的压缩空气经过气缸所提供的举升力完全能够满足制件脱模及举升的使用要求，但是存在气缸上升滞后的现象。经过分析发现，在增压泵供气端存在周期性的气体方向变换，因此在方向变换的瞬间需要一个短暂的过程对增压泵进行充气，导致对举升气缸的供气存在一定延迟，造成不良情况的发生。

改善对策：在增压泵进气端设置1 个梭阀，通过梭阀控制保证无论外界通过哪一侧供气，始终保持增压泵进气端一定的压力，故而实现增压泵始终对气缸供气，消除由于充气延迟带来的气缸动作延迟。

故障及改善举例2

图15 所示为一种通过增压泵驱动气缸，再带动旋转机构工作的示意图。故障表现为气缸活塞杆伸长阶段的动作过快，在下死点位置旋转机构冲击较大，反应在制件上表现为出现旋转机构段差压痕。

图15 旋转机构驱动改善

故障原因分析：气缸通过对增压泵增压后，驱动力得到满足，但由于速度快产生冲击较大，造成制品品质不良。

改善对策：通过气缸驱动力计算及试验验证增压泵设置的必要性，证明增压泵的安装目的只是为旋转机构驱动提供驱动力余裕量而设置的，试验将增压泵调整至增压比例1:1(即输出压力等于输出压力)，气缸完全能驱动旋转机构正常动作。故而考虑废除增压泵，同时，在气缸活塞杆端排气口与快速排气阀之间追加速度控制阀对气缸活塞杆伸出阶段排气速度进行控制，进而使气缸活塞杆伸出阶段的运动速度得到控制。减轻旋转机构的冲击，进而减少了由于冲击过大带来的品质不良。

结束语

本文共介绍了7 种丰田常用气动元件的功能，并结合应用示例进行说明。在模具设计中合理、巧妙地应用气动控制系统编程，对冲压短工序化、模具轻量化有着重大作用。缺点是以上气动元件及气动控制系统在国内冲压模具领域应用不是十分广泛，在模具制作阶段也往往存在模具气动控制系统配管接线错误情况。针对该现象需要生准技术人员熟练掌握气动元件、气动控制系统原理，当发生异常时能够针对原因进行及时排查、处理。