臥式氣門鎖夾自動成型機的結構設計

胡曉珍

(浙江海洋大學，浙江 舟山 316022)

氣門鎖夾為發動機中的關鍵部件，應用廣泛，其質量好壞直接影響發動機的使用壽命。氣門鎖夾如果出現故障，會造成發動機損壞或者氣門掉入氣缸，引起事故，造成經濟損失[1-2]。

國外的氣門鎖夾設備價格高，國內這個配件一般是用臺灣生產的專用成型機進行生產，價格高。國內生產成型機的廠家很多，但是專門生產氣門鎖夾自動成型機的廠家卻很少。國內許多廠家也在通過一些發明專利來開發自主知識產權的氣門鎖夾成型機設備，并取得了一定的成效，加工水平在不斷提高，但國內的氣門鎖夾成型機一般為立式成型機，仍存在生產效率低、工藝復雜和自動化程度低的缺陷；因此，開展具有獨立自主知識產權的氣門鎖夾加工設備的研發，為企業開發一種工藝步驟少、危險性低、結構簡單合理、生產效率高、加工過程自動化的氣門鎖夾生產設備，具有很高的社會經濟效益和現實意義。

氣門鎖夾的加工由最初的單件車削、單件銑削工藝改變成為沖壓成型工藝，現今主流廠商多采取冷擠壓成型技術加工氣門鎖夾[3]，一般通過退火、拉拔、冷軋精拔和沖壓成型。

分析國內十幾種關于氣門鎖夾專利的研究可知，鎖夾成型開始主要以普通沖壓機裝上氣門鎖夾模具來實現沖壓成型，如俞黎明研制的一種壓制氣門鎖用的模具[4]，專利號為CN 2282945Y。這種早期的成型機結構簡單，屬于半自動成型方法，成型精度較低。隨著研究的深入，專門用于生產鎖夾的成型機不斷地被開發出來，最典型的有蔣正啟、劉家法研制的全自動鎖夾冷壓機[5]，專利號為CN 102554030。該專利涉及到的全自動鎖夾冷壓機的主要結構包括機器本體，上、下2個模板，凹模，凸模，成型模和切邊凸模。這種結構的成型機能加工出各種型號的氣門鎖夾，只需要更換上下凹凸模的型號規格即可，具有加工設備體積較小、加工速度比較快、成型的工件精度比較高和運行比較穩定可靠的優點，是目前最常用的立式氣門鎖夾成型機。本文在該種成型機的基礎上，設計了一種結構和控制系統更合理、更高效的臥式氣門鎖夾成型機。

1 氣門鎖夾的加工工藝

要求生產的氣門鎖夾制品如圖1所示，其外形尺寸為1 220 mm×2 440 mm，厚度為8～32 mm。

圖1 氣門鎖夾

氣門鎖夾加工工藝為：原料棒材→退火拉拔→冷軋精拔→沖壓成型→拋光→淬火→鎖夾制品[6]。

2 臥式氣門鎖夾自動成型機的工作原理

本文設計的臥式氣門鎖夾自動沖壓成型機完成的加工工藝步驟如下：送料→切斷→沖壓成型→切邊→卸件(見圖2)。

圖2 氣門鎖夾自動沖壓成型工藝示意圖

根據臥式氣門鎖夾自動成型機的生產工藝，確定各個部分的工作原理如下[7]：氣門鎖夾異形窄鋼帶1在送料機構的帶動下進料，成型右側凹模2左壓，該成型右側凹模2左端一側固定有切塊，其與進料裝置4沖壓將鋼帶原料1壓斷，同時成型右側凹模2和成型左側凸模3相互沖壓將鋼帶原料1成型，然后切邊刀5向里壓切將多余的邊料切斷，即加工成氣門鎖夾7，隨后成型右側凹模2向右歸位，卸料臂6轉動，將加工完的鎖夾7從成型左側凸模3上撥掉，完成卸料。

3 臥式氣門鎖夾自動成型機的總體方案

本文要求設計一種生產效率高(70～80 件/min)，能自動完成送料、剪料、沖壓成型、切料、卸料全過程自動化的氣門鎖夾生產設備。為達到國外同類生產線的效率及產品質量，要求設計的臥式氣門鎖夾自動成型機達到如下性能：1)沖壓產量高而且穩定；2)整個加工過程簡單可靠，自動化程度高；3)高效節能，調整較方便；4)操作安全，控制方便，便于監控。

通過分析氣門鎖夾自動成型機加工原理及性能要求，制定臥式氣門鎖夾自動成型機的總體結構及控制方案(見表1)。

表1 臥式氣門鎖夾自動成型機的總體結構及控制方案

根據總體方案布置其各部分結構(見圖3)，該設備包括卷料架、送料裝置、剪料裝置、沖壓成型裝置、切邊裝置以及卸件裝置。

圖3 總體方案布置

4 臥式鎖夾自動成型機的結構設計

本文設計的臥式鎖夾自動成型機機械部分結構包括機體，送料裝置，成型左、右模，切斷、切邊模和卸件裝置。

4.1 送料裝置設計

送料裝置采用雙偏心輪來實現物料的定位夾緊間接送料。自動間歇送料裝置的結構主要包括偏心輪、氣缸和夾緊裝置等(見圖4)。整個設備的生產效率約為80件/min，因此每次進料間隔時間約為0.75 s。在氣缸的驅動作用下，安裝在軸上的可滑動裝置可以來回滑動。送料時，左偏心輪裝置先處于松開狀態，由右偏心輪裝置夾緊物料往加工工位處送料，等到異型窄鋼帶到達待加工位置后，右偏心輪裝置松開并向后做返程運動，行程約為5 mm，同時左偏心輪裝置則夾緊鋼帶防止鋼帶倒回，由此來實現間歇送料。整個過程只需要對氣缸進行控制，即可完成自動化送料。

圖4 自動間歇送料機構

4.2 切斷、成型、切邊模設計

4.2.1 切斷模設計

毛坯料是長條狀異型窄鋼帶，因此在成型之前，應將毛坯料切斷，成為一小塊鎖夾坯料，才能方便后續的成型。切斷模的作用就是對毛坯料進行切斷，為成型做準備[8]。

切斷模裝置的工作原理如下：送料機構間歇送進的鋼帶穿進料夾臺孔里以方便順利導入成型模具，右側凹模左端一側固定有切料刀，與進料夾臺形成0.3 mm的間隙，凹模隨液壓機驅動的沖壓臂左壓，切料刀與進料夾臺剪切將毛坯鋼帶壓斷，完成剪料。

4.2.2 成型模設計

成型模用于對已經下料的異形窄鋼帶進行沖壓成型。沖壓成型裝置主要由凸模和凹模組成(見圖5)。凸模固定在成型機的左側，凹模位于右側沖壓臂上，隨著沖壓臂瞬時高速運動，推動凹模向著凸模的位置運動，進而將毛坯擠壓成型，獲得成型鎖夾。成型凹模裝在沖壓臂上，位置可以調節。在成型凹模上面有一列孔，用來調節位置時與緊固螺釘相配合；另外，還可以利用液壓缸進行模具間距的微調。

圖5 成型模

4.2.3 切邊模設計

切邊模是指沖壓成型后對多余的毛坯料進行去除的裝置(見圖6)，其主要包括切料臂和切邊刀。切邊刀處于切料臂的末端位置，由液壓缸推動切料臂運動。切料臂末端斜面推動切邊刀完成瞬時切割。

圖6 切邊模

由于長時間加工會導致切邊刀的磨損，所以切邊刀結構采用切邊刀頭和切邊刀梁互嵌(見圖7)，這樣可以方便地更換和打磨切邊刀，保證該切邊裝置處于最佳的工作狀態。

圖7 切邊刀結構

4.3 卸件裝置設計

加工好的工件通過卸件裝置完成工件掉落，同時應保證鎖夾掉落在料槽中。卸件裝置上加裝一個吹氣管，使加工好的工件在卸件裝置和氣流的共同作用下，準確、快速地自動掉落到進料斗中。

卸件裝置采用齒輪齒條機構實現(見圖8)，氣缸向上運動，帶動齒條向上運動，齒條帶動齒輪順時針轉動一定的角度，齒輪軸帶動旋轉排料臂向下轉動一定的角度，從而實現卸件動作；氣缸向下運動，帶動齒條向下運動，齒條帶動齒輪逆時針轉動一定的角度，齒輪軸帶動旋轉排料臂向上轉動一定的角度，恢復到卸件前的位置。

圖8 卸件裝置

5 氣門鎖夾控制系統設計

分析臥式氣門鎖夾自動成型機各個動作，剪料、沖壓成型和切料動作需要的力較大，所以宜采用液壓裝置實現；而送料、卸料需要的力小，宜采用氣動裝置實現。由此設計臥式氣門鎖夾自動成型機控制系統的方案如圖9所示。

圖9 臥式氣門鎖夾自動成型機控制系統

圖9a為氣動控制系統，空氣壓縮機產生的氣源通過分流閥分3路各經過電磁閥輸送給氣缸1、氣缸2和導氣管，控制間歇送料機構的進退、卸料機構的齒條來回轉動及吹氣管的送氣。圖9b為液壓控制系統，液壓泵將壓力油通過分流閥分2路經電磁閥輸送給液壓缸1和液壓缸2，液壓缸1控制切料臂進退完成切邊，液壓缸2控制沖壓臂推動凹模完成切斷和成型工作。

6 結語

本文針對傳統氣門鎖夾加工設備存在的缺陷，通過對臥式氣門鎖夾自動成型機各部分運動進行分析，設計了符合工作要求的成型機各部分裝置的機械結構及可靠的控制系統，提高了氣門鎖夾加工設備的精度、穩定性、自動化性能及生產效率。以此設計制造出的臥式氣門鎖夾自動成型機具有如下良好的技術特征：鎖夾弧形誤差在0.05 mm以內，表面粗糙度為Ra1.6 μm，長度誤差為0.1 mm，沖壓速度≥70件/min。生產的氣門鎖夾質量性能可靠，成本低，能很好地滿足客戶的需求，達到了國外及我國臺灣的鎖夾成型機加工水平，實現了氣門鎖夾設備的國產化。