自動切澆道機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張 琰，賀 路，管天福

(湖北國土資源職業(yè)學(xué)院，武漢 430090)

0 引言

在注塑機(jī)中，將熔融狀態(tài)的塑料以高壓快速注射入閉合好的模腔內(nèi)，與蝸輪輪轂結(jié)合，經(jīng)固化定型后再脫模取出工件。通過注塑技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅降低生產(chǎn)成本，但是工件在注塑時(shí)產(chǎn)生的澆道需要單獨(dú)切除后才能滿足使用需求。企業(yè)之前采用人工加工的形式完成澆道的去除，如果能夠利用一種裝置自動切除澆道，使蝸輪質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)，將大幅提升成型蝸輪生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)量和效率[1]。

1 定位裝夾環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

工件的精準(zhǔn)定位是保障澆道切除質(zhì)量的重要因素，在澆道切除前必須將渦輪注塑件準(zhǔn)確定位。同時(shí)為了提升工作效率，減少人工成本，需要將普通人工操作機(jī)械式裝夾裝置由自動裝夾裝置替代。工作臺在裝夾時(shí)要滿足固定精準(zhǔn)、自動夾緊和松開、精準(zhǔn)控制的需求。為實(shí)現(xiàn)上述需求，設(shè)計(jì)氣動卡盤機(jī)構(gòu)，通過工廠氣源提供0.8 MPa，氣動回路控制換向，實(shí)現(xiàn)自動控制。根據(jù)渦輪注塑件的輪轂內(nèi)徑尺寸選擇KL110-TQ-3型立式氣動卡盤。渦輪注塑件尺寸如圖1所示。安裝時(shí)重新配置夾具卡爪，用于定位成型蝸輪，為保障精度，限定其技術(shù)要求中粗糙度為Ra1.6 μm，平面度0.01 mm。為保證夾緊蝸輪輪轂，且能使頂桿順利頂出澆道，三個(gè)夾具卡爪組合后的內(nèi)孔徑設(shè)計(jì)為16 mm，外圓直徑為24.9 mm，與爪行程組合，夾緊工件。

圖1 渦輪注塑件尺寸

2 澆道切除環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在澆道切除設(shè)計(jì)中核心要素是切削刀具類型的選擇和刀具運(yùn)動的控制。因?yàn)闇u輪澆道的高度為78 mm，安裝切削刀具的刀架需要留有中心孔，才能在切削加工中不與澆道本身發(fā)生干涉，而刀具在選擇時(shí)需要兩把合金切削刀分別用于粗、精加工，精加工刀具需要高于粗加工刀具1 mm，保障加工精度[2]。為了減輕刀架的重量同時(shí)更方便刀具的更換，達(dá)到更好的動平衡效果和加工效率，選擇V型刀架。

在對刀具運(yùn)動的控制中，主運(yùn)動為刀具的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)切削動作，同時(shí)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動，根據(jù)每轉(zhuǎn)切削深度需求控制刀具縱向進(jìn)給運(yùn)動。為滿足加工需求選擇MSR3P型動力頭，可以達(dá)到自動運(yùn)動控制要求。該型動力頭最大加工行程為95 mm，渦輪澆道需要加工深度為7.6 mm，滿足功能要求。

3 澆道頂出環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在對澆道切割完成后，需要設(shè)計(jì)對應(yīng)環(huán)節(jié)將澆道從渦輪上取下。考慮澆道本身質(zhì)量較輕，頂起所需力量小于50 N，同時(shí)頂桿運(yùn)動為直線往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動簡單控制容易，因此頂桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)選擇氣缸驅(qū)動，使用工廠現(xiàn)有氣泵即可滿足驅(qū)動需求。頂桿前端選擇7×30°倒角方便定位，頂桿設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 澆道頂桿設(shè)計(jì)

4 工件夾取環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在完成渦輪澆道切除環(huán)節(jié)后需要自動夾取功能，取走工件。夾取環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)選用倍得福氣動卡盤機(jī)構(gòu)，采用PLC電氣控制系統(tǒng)，控制氣動回路運(yùn)動，從而控制氣動卡盤運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工件的夾緊、松開，實(shí)現(xiàn)自動上下料。夾取環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 自動夾取裝置設(shè)計(jì)

5 工件移動方案設(shè)計(jì)

在澆道自動切除的過程中，對渦輪工件的位置有較高的要求，例如在上下料中氣動卡盤的裝夾，在切削動作中和刀架的位置配合，以及在澆道頂出時(shí)和頂桿位置的精確控制。為滿足定位需求同時(shí)兼顧工件運(yùn)送的效率，在工件運(yùn)送設(shè)計(jì)中選用氣動導(dǎo)軌的移動方案。利用氣動導(dǎo)軌帶動卡盤作直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)三工位高效轉(zhuǎn)移。同時(shí)在各工位安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)定位的準(zhǔn)確性，在澆道頂起環(huán)節(jié)使用機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，增加設(shè)備穩(wěn)定性。工件移動方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 工件移動方案設(shè)計(jì)

6 效果檢驗(yàn)

結(jié)合各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)結(jié)果，完成自動切澆道機(jī)的系統(tǒng)框架布局如圖5所示。

圖5 自動切澆道機(jī)系統(tǒng)框架布局

對設(shè)備進(jìn)行試運(yùn)行后，對澆道切除后的渦輪進(jìn)行觀察，所有工件澆道均已完成切除且無漏切件，切除部位光滑、無毛刺，輪輻外部無傷痕，工作連續(xù)不中斷。設(shè)備加工平均耗時(shí)12 s，包含上下料6 s和加工過程6 s，加工效率較高。利用游標(biāo)卡尺對1 000件工件的澆道切除直徑進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)如圖6所示，所有工件均滿足尺寸要求。在設(shè)備中同時(shí)采用急停按鈕、安全光柵、安全門3項(xiàng)措施，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全防護(hù)。

圖6 澆道切除直徑檢測數(shù)據(jù)

7 總結(jié)與展望

對渦輪注塑件自動澆道切除機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對工藝和四大核心環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，最終確定采用氣動滑軌方式實(shí)現(xiàn)工位的移動，利用氣動卡盤完成工件裝夾，采用多刀刃配合動力頭實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動完成澆道的切除，再利用氣缸驅(qū)動頂桿運(yùn)動配合感應(yīng)開關(guān)定位完成澆道頂出工作，最后采用氣動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件取出。解決了渦輪機(jī)構(gòu)實(shí)際生產(chǎn)中對澆道的切除要求滿足速度快、精度高、效率好的多方面需求。最終完成了設(shè)備的整體系統(tǒng)布局，試運(yùn)行設(shè)備后效果較理想，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。對相似注塑件的自動澆道切除機(jī)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

在該設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)還有一些細(xì)節(jié)可以繼續(xù)探究和優(yōu)化。1)在澆道切除環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中，對于切割刀具只有材料上選擇為合金刀頭，但是對于刀頭的工作尺寸沒有作進(jìn)一步的探究。針對澆道的尺寸應(yīng)該選擇相適應(yīng)的刀頭，刀頭尺寸設(shè)計(jì)對提升切割精度、延長刀頭使用壽命、提高動力頭的驅(qū)動效率都有較大幫助[3]。2)在工件移動方案設(shè)計(jì)中，僅采用傳感器檢測位置和機(jī)械限位機(jī)構(gòu)完成氣動卡盤的位置確定，在定位上手段較單一，精度不夠高，也導(dǎo)致了在試運(yùn)行工件測量時(shí)，澆道切除直徑存在較大的上下偏差。在后期設(shè)計(jì)改良中可以采用多形式更精確的定位結(jié)構(gòu)，提高多次裝配精度，同時(shí)降低因部分定位機(jī)構(gòu)故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)而出現(xiàn)加工不穩(wěn)定的幾率。