QDC-2氣動沖床(專機(jī))機(jī)械與電氣設(shè)計

王大勇 韓偉時

(恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 產(chǎn)品加工工藝介紹

鋁滑套是化纖卷繞設(shè)備中的一個零件，直徑123 mm、長度94 mm、壁厚3 mm的薄壁鋁制管件，用于繞絲筒管的支承，其兩端設(shè)計有多個等分(24個、48個6 mm×8 mm)供滑塊進(jìn)出的矩形孔，通過控制滑塊的進(jìn)出完成繞絲筒的松開與夾緊。鋁滑套上24個或48個矩形孔的加工是這個零件的一道重要工序。

2 設(shè)備設(shè)計背景

鋁滑套矩形孔的加工，多年來沿用線切割的方式加工，此方法先要在工件切矩形孔處打個小孔，穿過鉬絲，按線切割程序靠鉬絲往復(fù)運動放電完成矩形孔加工，手搖分度工裝旋轉(zhuǎn)工件實現(xiàn)矩形孔間的切換，24個矩形孔就需要穿12次鉬絲，為了提高產(chǎn)量，十幾臺線切割機(jī)同時工作，采用兩班倒的工作模式，加工中火花飛濺，工人勞動強(qiáng)度大，效率低，成本高。為降低勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高效率，降低成本，達(dá)到節(jié)能減排、降本增效的目的，急需要研發(fā)一種專用設(shè)備來完成鋁滑套矩形孔的加工。

現(xiàn)有市售的沖床皆無法滿足沖壓方式加工鋁滑套圓周矩形孔使用要求，其主要問題是沖速太低，包括一些專業(yè)廠家生產(chǎn)的高速沖床，由于受其傳動結(jié)構(gòu)的限制，沖頭在沖透工件時的實際運動速度一般都不會超過1 m/s，很難保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。再者，在現(xiàn)有沖床上增設(shè)工件的夾持及旋轉(zhuǎn)分度機(jī)構(gòu)亦非易事。因此，氣動自動沖床的研發(fā)便成了解決鋁滑套生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵。

3 設(shè)備功能組成和原理

3.1 功能組成

采用壓縮空氣驅(qū)動德國費斯托最新科技產(chǎn)品“氣動肌腱”為動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)備由5塊結(jié)構(gòu)組成：動力裝置、沖壓裝置、分度裝置、起模裝置和電氣控制系統(tǒng)。如圖1所示，分述如下：

(1)動力裝置：包含6根氣動肌健、配重塊、阻尼彈簧及儲氣罐。

(2)沖壓裝置：包含分別與沖模底座連接的起模裝置、沖頭、下模座和分度軸，其中，起模裝置位于動力裝置的下方，在沖壓鋁滑套孔時，起模裝置與動力裝置接觸。

(3)分度裝置：包含分度氣缸、撥叉棘輪、分度盤及插銷定位機(jī)構(gòu)，此裝置與分度軸連接。

(4)起模裝置：由兩套氣缸組成，用來拔出沖頭。

(5)電氣控制系統(tǒng)：包括硬件和功能兩部分。硬件：由臺達(dá)DVP-40EH可編程控制器、傳感器、直流電源、按鈕及電控氣閥組成。功能：PLC單元根據(jù)外部操作指令及傳感器返回信號驅(qū)動撥叉分度機(jī)構(gòu)、插銷、拔銷進(jìn)行分度盤分度定位與鎖定，肌腱單元推動沖頭機(jī)構(gòu)對工件沖孔，每沖一次，起模裝置進(jìn)行拔模使沖頭脫離下模，分度裝置分度下一沖孔位置，如此往復(fù)12次，完成單面矩形孔加工。電氣控制分為自動模式和手動模式。

3.2 工作原理

分度盤與分度軸以平鍵形式連接，撥叉通過逆止軸承與分度軸連接，撥叉與逆止軸承外圈以鍵連接，逆止軸承內(nèi)圈與分度軸以鍵連接。分度頭與夾具以螺栓和鍵連接，夾具及工件鋁滑套以螺栓連接。

分度氣缸帶動撥叉撥動分度盤，帶動工件鋁滑套在下模座上旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)1/12(分度盤圓周上有12等分的插孔)或1/24(分度盤上有24等分圓周的插孔)圓周角度后，定位插銷插入分度盤，完成機(jī)構(gòu)的定位操作。

Study on quality indexes and physicochemical properties of purple sweetpotato flour from different varieties

然后，氣動肌腱帶動壓塊向下做沖擊運動，沖擊沖頭后，沖頭再沖擊工件鋁滑套的表面，完成一次沖壓。

沖壓一次完成后氣動肌腱和配重在阻尼彈簧的作用下回到原位，同時起模裝置拔出沖頭。

分度撥叉在氣缸的帶動下回轉(zhuǎn)1/12圓周角度，在此期間因逆止軸承作用分度盤不旋轉(zhuǎn)(只有撥叉旋轉(zhuǎn))。同時，定位插柱汽缸帶動定位插柱脫離分度盤。重復(fù)上述分度及沖壓動作12次或24次，完成一個鋁滑套工件單端的加工。再翻轉(zhuǎn)工件重復(fù)上述動作，完成一個工件另一端的加工。

電氣控制流程如圖2所示。

3.3 設(shè)計關(guān)鍵

(1)如何保證沖孔成型質(zhì)量，將工件表面及整體變形量控制在設(shè)計要求范圍以內(nèi)，并最大程度的減小后繼加工工作量。

措施：因為沖床的工作特征，在沖壓工件時會產(chǎn)生局部塑性變形，造成工件膨脹變形，為了盡可能減小變形量，采取在沖孔位置預(yù)打直徑4 mm收縮孔，使變形量保證在工藝要求之內(nèi)。

措施：在下模座采取圓周環(huán)切的方式，保留小部分韌帶和工件接觸，環(huán)切形成的凹槽可以減小摩擦力，容納碎屑，減少工件的損傷。

(3)由于是沖切加工，震動是不可避免的，分度機(jī)構(gòu)又處在震動較強(qiáng)的部位，因此這部分裝置要著重考慮減震。而各部件本身，要具有較強(qiáng)的抗震能力。

措施：在下模周邊加裝三角筋用來加強(qiáng)機(jī)構(gòu)剛性及分散沖擊力，在行程限位塊上加裝減震墊，以及在設(shè)備下腔體填充沙粒用來降低設(shè)備重心和減小諧振，在設(shè)備地腳加裝減震墊等。

3.4 創(chuàng)新點

采用德國FESTO公司近期推出的“氣動肌腱”作為動力轉(zhuǎn)換器件，利用了“氣動肌腱”的動作特性，將其成功地用于沖床，通過兩只快速大流量閥控制壓縮空氣的充、排，直接驅(qū)動沖頭滑塊完成沖制，保證在沖透工件的瞬間，沖頭具有很高的運動速度(>5 m/s)。完全打破了傳統(tǒng)沖床的結(jié)構(gòu)模式，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、速度快、易控制等一系列優(yōu)點。

(1)特點：初始力最大可達(dá)相同缸徑普通氣缸的10倍，即使在高負(fù)載下也具備高動態(tài)響應(yīng)，無移動機(jī)械部件相互接觸和摩擦，使用最簡單的技術(shù)通過控制進(jìn)氣壓力和流量達(dá)到輸出力和位移的控制。

(2)工作模式：氣動肌腱(如圖3所示)是一種拉伸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模仿肌腱運動，由收縮系統(tǒng)和相應(yīng)的連接件組成，外面包有一層高強(qiáng)度纖維，纖維為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菱形編織，內(nèi)部有壓力時，軟管會向外膨脹，就會在肌腱的縱向產(chǎn)生拉伸力和收縮運動，拉伸力與行程形成函數(shù)關(guān)系，可用拉伸力在開始收縮時達(dá)到最大值，在有效工作范圍內(nèi)，收縮比最高達(dá)到額定長度的15%。

4 指標(biāo)計算

4.1 上、下模的配合間隙調(diào)整

沖孔上下模的配合間隙對沖孔斷面質(zhì)量和沖孔精度有極其重要的影響，模具的配合間隙還影響著模具的壽命、沖壓力及推料力，根據(jù)該零件方孔工藝要求，依據(jù)國家GB/T16743-1997金屬材料沖裁模具配合間隙類別，材料抗剪強(qiáng)度在65～255 MPa，上下模配合間隙類別選擇I類(小間隙)，I類初始單邊間隙取值在2%t～4%t(t為零件厚度)，對多套不同尺寸沖頭實際沖孔效果來比較，上下模配合間隙最終調(diào)整在0.1 mm。

4.2 動力裝置參數(shù)測算

(1)沖壓力的計算

P=L×T×S

式中：P為沖壓力，N；L為沖剪區(qū)域周長,mm；T為沖剪材料厚度，mm；S為抗剪切強(qiáng)度，MPa。

鋁滑套壁厚3 mm，6×8矩形孔周長28 mm，鋁滑套材料抗剪切強(qiáng)度取值100 MPa。

P=28×3×100=8 400 N

(2)沖頭配重測算

式中：F為動能，J；m為沖頭配重,kg；v為沖頭運行速度，m/s。

因為涉及到?jīng)_頭配重，所以利用動能公式計算反復(fù)實驗進(jìn)行驗證沖頭配重。沖頭運行速度根據(jù)肌腱收縮響應(yīng)速度5 m/s(估算值)，多次試驗沖頭配重重量，在取值150 kg時，沖孔動作干凈利索及加工表面(粗糙度、變形量)達(dá)到工藝要求。

F=0.5×150×52=1 875 kg·m2/s2=1 875 J

(3)肌腱選型

圖4為肌腱特性曲線。

沖頭工作行程20 mm，肌腱收縮比h取10%，根據(jù)圖表肌腱輸出收縮力在壓縮空氣0.6 MPa時為3 500 N，換算成噸力為：P=3 500 N=3.5 kN=0.357 tf

根據(jù)選型手冊選型為MAS-40-200N-AA-MO-O，內(nèi)徑40 mm，長度200 mm，6根肌腱輸出力為6×0.357=2.142 tf，用這6根肌腱做沖頭動能測試，在沖頭配重150 kg時達(dá)到了理想值。

5 結(jié)語

項目研制成功并投入生產(chǎn)后，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，年生產(chǎn)鋁滑套以8萬套計，年產(chǎn)值可達(dá)1 300萬元。同時，通過改進(jìn)工藝提高效率等手段可以節(jié)約人工成本，可年節(jié)約人工成本150萬元，節(jié)約占地面積300 m2。

項目實施后，將工人從繁瑣的旋轉(zhuǎn)分度工裝、穿鉬絲及對中心等多項體力勞動中解放出來，整潔了工作環(huán)境，減少了污染排放，該項目的加工工藝、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率均達(dá)到先進(jìn)水平。

[1]北京有色冶金設(shè)計研究總院，成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]王鵬駒，成虹：沖壓模具設(shè)計師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.