專用管材沖孔機(jī)的開發(fā)*

□ 董洪波 □ 孫成通 □ 田立學(xué) □ 蘇旬奇 □ 孫運(yùn)珍 □ 田 源

1.臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院 山東臨沂 276000 2.臨沂友誼機(jī)械有限公司 山東臨沂 276028

1 開發(fā)背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,各類管材,特別是不銹鋼管材、鋁合金管材,由于輕便美觀、堅(jiān)固耐用,在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中廣泛應(yīng)用。對(duì)于管壁上的孔加工,生產(chǎn)中可采用鉆、銑等機(jī)械加工方法,但是這些方法加工異形孔困難,加工效率較低,難以滿足大批量生產(chǎn)的要求。

近年來,廣泛采用沖壓方法來提高加工精度和材料利用率[1-2],數(shù)控技術(shù)[3-4]和快速換模技術(shù)[5-6]的應(yīng)用,進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。筆者針對(duì)圓管、方管、異型管等管材,開發(fā)一種專用管材沖孔機(jī),包括沖孔模具和數(shù)控系統(tǒng)兩部分。

2 沖孔模具設(shè)計(jì)

市場(chǎng)需求量較大的圓管、方管產(chǎn)品,管材厚度為0.3～3 mm,一次送料長(zhǎng)度不大于6 000 mm。圓管截面直徑不大于100 mm,加工孔直徑為6～60 mm。方管截面邊長(zhǎng)不大于100 mm,加工孔邊長(zhǎng)為6～60 mm。加工精度要求達(dá)到0.05 mm。

由于管材為空心筒狀毛坯,沖孔時(shí)凸、凹模接觸的管壁是弧面而不是平面,因此需采取特殊工藝措施及模具結(jié)構(gòu)。一般采用有芯模沖模和無芯模沖模兩類沖模來沖孔,也有采用半無芯模沖模工藝[7-8]。

由于加工精度要求較高,因此筆者采用有芯模沖模。沖孔模具主要由腔體、沖頭、中模、底模、定位尺等部分組成,如圖1所示。

腔體主要起保護(hù)管材及導(dǎo)向作用,不需要太高的硬度,一般采用45號(hào)鋼經(jīng)熱處理后精加工而成。沖頭、中模、底模作為主要刀具,需要較高的硬度及韌性。一般根據(jù)所加工的管材材質(zhì)、厚度等特點(diǎn),選用冷作模具鋼經(jīng)淬火、回火處理后精加工而成。也可以根據(jù)所需要的孔定制沖孔模具,擴(kuò)展加工范圍。刀口全封閉隱藏于模腔內(nèi),有效避免了人身傷害事故的發(fā)生。

中模是放置于管材中間的一個(gè)關(guān)鍵部件,能直接影響管材開孔的效果,起到防止管材因沖壓受力而變形的作用。中模下部開有漏料槽,能夠排放連續(xù)沖孔所產(chǎn)生的廢料。中模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖1 沖孔模具結(jié)構(gòu)

▲圖2 中模結(jié)構(gòu)

在沖孔模具上設(shè)置定位尺,可以實(shí)現(xiàn)等孔距沖孔。定位尺定位過程如圖3所示。根據(jù)所要加工的孔距調(diào)整定位尺與沖頭之間的距離,當(dāng)沖完一個(gè)孔后,管材向前送料,可上下移動(dòng)的定位卡刀從前一個(gè)孔中頂起,隨著管材前移,落入下一個(gè)孔,管材稍后移,定位尺卡住型孔,完成定位。

3 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

具有定位尺的管材沖孔機(jī)適合于半自動(dòng)生產(chǎn),為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn),開發(fā)了嵌入式數(shù)控系統(tǒng),采用微處理器作為核心[9-10],設(shè)計(jì)了等孔距、不等孔距、循環(huán)孔距等復(fù)雜條件的公式化程序算法,能夠在沖孔過程中按照程序設(shè)定控制送料和沖孔動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料、精準(zhǔn)沖孔。

數(shù)控系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互模塊、控制與數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊,其流程如圖4所示。人機(jī)交互模塊具有工藝參數(shù)計(jì)算與選擇、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、故障提示等功能。依據(jù)輸入的管材尺寸等參數(shù),計(jì)算加工工藝參數(shù),并將工件參數(shù)和工藝參數(shù)分別保存至數(shù)據(jù)庫中。也可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出已保存的工藝參數(shù),直接進(jìn)行加工。在控制面板中可以直接輸入孔距、送料速度、裁斷長(zhǎng)度等工藝參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能提供加工常用的參數(shù)值或極限值,可以根據(jù)具體情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和修改,保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。故障診斷功能可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的故障做出反饋,電壓、電流、相序、油溫等出現(xiàn)故障,會(huì)報(bào)警提示。也可以利用遠(yuǎn)程診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和修復(fù)。

▲圖3 定位尺定位過程

▲圖4 數(shù)控系統(tǒng)流程

4 設(shè)備研制

根據(jù)市場(chǎng)需求,研制了專用管材沖孔機(jī),實(shí)物如圖5所示,加工尺寸及精度滿足設(shè)計(jì)要求。專用管材沖孔機(jī)有單工位和多工位功能,可由人工送料,液壓沖孔。采用數(shù)控系統(tǒng),可以自動(dòng)送料、沖孔,能夠同時(shí)加工多根管材,實(shí)現(xiàn)單獨(dú)沖孔或切斷,先沖孔再切斷,以及四面沖孔加切斷等功能。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了專用管材沖孔機(jī),可以加工圓管、方管上的圓孔、方孔或異形孔,加工精度達(dá)到0.05 mm,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等特點(diǎn)。

采用嵌入式微處理器作為核心,設(shè)計(jì)開發(fā)了等孔距、不等孔距、循環(huán)孔距等復(fù)雜條件的公式化程序算法,避免了煩瑣的各項(xiàng)手工計(jì)算,可以自動(dòng)控制送料及沖孔動(dòng)作。

▲圖5 專用管材沖孔機(jī)實(shí)物

采用所設(shè)計(jì)的專用管材沖孔機(jī),可以實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化生產(chǎn)。