推進劑自動裝卸模系統設計

區(qū)漢東 謝曙釗 王 寧 白旭晶 胡志新

推進劑自動裝卸模系統設計

區(qū)漢東1謝曙釗1王 寧1白旭晶2胡志新1

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710000；2.輕工業(yè)西安機械設計研究院有限公司，陜西 西安 710086）

為了解決目前推進劑制備過程中的裝卸模過程存在的安全性差、現場操作人員多、勞動強度大等問題，文章研制了一套自動裝卸模系統。該系統在不改變當前推進劑制備方法的前提下，實現推進劑裝卸模全過程的自動操作，減少了人工的參與，提高了生產過程的安全性與效率。

推進劑；裝卸；模具；有限元分析

引言

目前某推進劑的生產主要采用螺旋擠壓成型工藝，生產過程主要包括裝模、擠藥及卸模三個過程。傳統裝模過程由操作人員在卸模間完成模具各個部分的組裝，隨后人工輔助吊具將模具轉運到壓伸間并人工關閉開夾器與插入保溫水管。在卸模過程中，仍然由人工輔助吊具進行拔保溫水管、切除前端藥、松開開夾器、頂出模具、轉運模與最后卸模取藥等拆卸步驟。模具組件采用螺紋、螺栓連接，操作繁瑣，生產效率低，勞動強度大，且卸模過程帶藥操作危險性高。可見傳統方法已不滿足日益增長的國防建設需求，亟需一個具有效率、快速、安全、可模塊化建設的生產方式。本文基于國內某推進劑裝模、擠藥、卸模全過程生產的技術需求，針對人工裝卸模工序存在安全性差、現場操作人員多、勞動強度大等問題，采用Q235材料研制自動裝卸模裝備，實現模具與壓伸機座自動安裝，全過程自動卸模，全部動作在30分鐘內完成。從而取代現有人工操作，提高生產過程安全性及效率，達到人機隔離的目的，實現高效及安全可靠的生產過程。

本文對系統組成與工作原理進行詳細描述；詳細介紹了所設計的裝模系統結構，并對關鍵部件進行數值仿真驗證；卸模系統主要裝置的結構并對關鍵部件進行數值仿真驗證。

1 系統組成與工作原理

針對無人化及快速化的生產需求，本文提出的自動裝卸模系統機械結構包括裝模工裝、自動開夾器、前后端切刀裝置、自動卸水管裝置、卸模取藥裝置等[1]，如圖1所示。本文通過對系統機械結構的重新設計，以實現生產過程的人機隔離，保證了操作員的安全。

圖1 系統總體組成

1.1 系統組成

1.1.1 裝模工裝

本文提出的裝模工裝結構設計能夠適用于斜8°及水平模具，主要保障模具各組件之間的相對位置并通過夾持器將組件夾持，以防止模具在輸送、擠藥過程中發(fā)生移位，影響正常生產。

1.1.2 自動開夾器

自動開夾器由電機帶動絲杠旋轉，從而實現卡箍的自動夾緊與松弛。主要功能是將模具進藥嘴與圧伸機出藥口連接，防止擠藥過程中壓力大使得裝模工裝發(fā)生移位，提高生產過程安全性。

1.1.3 前后端切刀裝置

前端切刀裝置置于模具末端，通過氣缸帶動刀片移動將多余藥切斷。后端切刀裝置置于圧伸機出藥口與模具進藥嘴連接處，主要用于當圧伸機在擠藥過程中出現故障時，后端切刀將藥切斷。

1.1.4 自動卸水管裝置

安裝在模具上方，該裝置對模具上保溫水管的4個進水口及4個出水口快速接頭進行拆卸。

1.1.5 軌道式輸送系統

將工房當前采用的人工輔助吊具改為地面軌道式輸送系統，由于模具較重，采用吊具存在模具從高空跌落的風險。軌道式輸送系統運行平穩(wěn)，安全性高，且定位較準，便于實現自動化、無人化。

1.1.6 卸模取藥裝置

該裝置主要包括機架、滑軌及水平輸送機構、機械手、夾持機構、頂藥機構等。由機械手將模具夾持器打開并推送至滑軌上，再由夾持、輸送、頂藥等機構配合工作，將模具各部件分離后并移動至指定位置，實現自動卸模取藥。

1.2 工作原理

為了實現裝卸模全過程的自動化，對目前傳統工藝流程進行重新設計，具體工作原理（圖2）如以下三個步驟。

（1）裝模：模具各部件組裝完成后由軌道式輸送系統送至圧伸間指定位置，進藥嘴與圧伸機出藥口通過開夾器連接，再將保溫水管連接到模具上并打開閥門；

（2）擠藥：圧伸機啟動開始擠藥，同時傳感器進行壓力測定，并對表盤指針數值進行圖像采集，輸送至控制室顯示并記錄；

（3）卸模：擠藥完成后關閉閥門并卸掉保溫水管，前端切刀裝置切斷藥，成品藥柱通過溜藥槽達到工房外，然后打開自動開夾器，圧伸機擠出剩余藥并頂出模具，最后將模具送至卸模間指定位置，完成卸模取藥。

圖2 工作原理

本文提出的工藝流程只需操作員在第一步將模具各部件進行組裝并啟動自動開夾器的電機，其余流程均實現無人化操作，實現了人機隔離，大大縮減了生產時間，提高了生產的安全性。

2 裝模系統設計

裝模系統作用是將模具固定并將模具進藥嘴和出藥口連接。目前傳統的結構存在以下兩個弊端：一是模具重量達450 kg，因為當前模具結構無便于轉運的連接結構，吊裝方式以人工綁帶為主，在轉運過程中存在掉落風險；二是在裝藥過程模具會發(fā)生振動，模具進藥口與壓縮機出藥口之間會發(fā)生偏移，導致推進劑會掉落在操作間內，存在嚴重的安全隱患。故針對當前裝模系統的缺陷，本文在不改變模具內腔結構的前提下，提出一種全新的模具結構與裝模工裝結構以實現自動化裝模的過程。

2.1 模具結構

如圖3所示，當前的裝藥模具結構上無合適的吊裝結構，不便于吊裝時吊具的安裝。

圖3 傳統模具結構

針對該問題，設計結構如圖4、圖5所示，其內腔結構未變，內表面加工為鏡面。外部兩側結構下端V型槽便于模具在滑軌上移動[2]，孔1用于卸模時水平橫移，孔2用于卸模過程中夾持。并且本文對進水口與出水口結構進行改動，以便于后續(xù)自動卸水管裝置對其連接以實現自動拆裝。

圖4 改進后的模具結構

圖5 改進后的模具結構剖視圖

2.2 裝模工裝設計

圖6 裝模工裝結構

如圖6所示，本文提出的裝模工裝的結構主要包括機架、轉軸、夾持器、滑軌等輔助件[3]。各部件的作用分別如下。

（1）機架用于支撐整個模具；

（2）轉軸設計主要使得工裝均適用于進藥嘴傾斜、水平的模具；

（3）夾持器主要是將模具各部件連接以保障在擠藥、輸送過程中不發(fā)生移位，提高自動化生產安全性；

（4）滑軌便于工裝與其它裝置對接后模具進行移動。

為了驗證本文設計結構的強度，將工裝結構模型導入仿真軟件中，通過定義材料參數、網格系統的構建、求解器的設定、載荷及邊界條件的設置與求解，以進行強度校核[4]。工裝材質為Q235鋼材，通過有限元分析，裝模工裝受夾持表面的擠壓力為35 MPa時，工裝夾持器最大應力為201 MPa小于材料的許用應力（235 MPa），最大變形量分別為0.341 mm，不會影響正常生產。工裝夾持表面受力-應力分布、表面受力-變形量分布如圖7所示。

圖7-a 工裝夾持表面受力-應力分布圖

圖7-b 工裝夾持表面受力-變形量分布圖

3 卸模系統設計

在目前傳統的卸模流程中，存在以下3個弊端：（1）需要人工打開開夾器，將模具和圧伸機分離的過程，可能出現摩擦、碰撞等誤操作，易造成模具型腔內的余藥爆燃；（2）為快速清理模具型腔內部的余藥，操作人員利用其它輔助工具進行切、扳、撬等操作，存在安全隱患；（3）擠藥完成后，模具表面的溫度較高，操作人員易燙傷。故針對以上問題，本文對卸模過程的主要裝置進行重新設計，實現全自動化，無需操作員進行操作，每個裝置結構及功能如下所示。

3.1 自動開夾器設計

本文設計自動開夾器結構如圖8所示。其工作原理為：模具進藥嘴和圧伸機的出藥口對接完成后，電機啟動，通過聯軸器帶動絲杠旋轉，同時，鎖緊螺母帶動卡箍將模具與圧伸機鎖緊。當擠藥完成后，電機反轉實現卡箍松弛[5]。

本文提出的設計很好地解決了裝卸模系統中人工使用開夾器的問題，提高了工作效率。另外，其整體機構簡單，制造方便成本低。

圖8 自動開夾器結構圖

圖9-a 開夾器夾持表面受力-應力分布圖

圖9-b 開夾器夾持表面受力-變形量分布圖

自動開夾器材質為Q235鋼材，通過有限元分析，開夾器受夾持平面擠壓力為35 MPa時，開夾器最大應力為174 MPa小于材料許用應力（235 MPa），且最大變形量為0.1385 mm，不會影響正常生產。開夾器夾持表面受力-應力分布、受力-變形量分布如圖9所示。

3.2 前后端切刀裝置設計

在目前的生產過程中，當擠藥完成后，需要人工用切刀切斷模具前端藥，容易造成模具型腔內的余藥爆燃，且當壓伸機出現故障時無法將藥切斷以分離壓伸機與模具。本文設計了一種切刀裝置，由機架、氣缸、切刀、直線軸承、導向桿等組成，如圖10所示。

圖10 切刀裝置結構

前端切刀裝置置于模具末端，通過氣缸帶動刀片移動將藥切斷，無需操作員在壓伸間內進行操作，降低了發(fā)生事故的可能。后端切刀裝置置于圧伸機出藥口與模具進藥嘴連接處，主要用于當圧伸機在擠藥過程中出現故障時，后端切刀將藥切斷。

3.3 自動卸水管裝置設計

針對擠藥完成后，模具表面的溫度較高，操作人員易燙傷問題，本文設計了一套自動卸水管裝置，由機架、氣缸、快速接頭、導軌等組成，該裝置能實現拆卸水管過程的自動化，如圖11所示。其中氣缸-1用于驅動快速接頭垂直移動，而氣缸-2驅動快速接頭水平移動。當擠藥完成后需要拆卸保溫水管時，氣缸-2先啟動，帶動快速接頭水平移動，拔出水管并到指定位置。再將氣缸-2啟動，整個平臺垂直向上移動到指定位置。

圖11 自動卸水管裝置結構

3.4 卸模取藥裝置

卸模取藥裝置（圖12）為該系統核心，主要由機架、自動卸工裝夾持器機構、推桿、滑軌、夾持機構、水平橫移機構、頂藥機構及其它等組成[6]。

圖12 卸模取藥裝置結構

（1）機架：整個裝置的支撐架，使得其它部件能夠平穩(wěn)運行。

（2）自動卸工裝夾持器機構：承載電機的平臺在兩個氣缸作用下可實現水平面X、Y方向的移動，達到指定位置后，電機啟動，帶動絲桿旋轉，實現模具與裝模工裝分離。

（3）推桿：將模具推送至卸模取藥裝置的滑軌上。

（4）滑軌：便于模具拆卸過程中部件移動。

（5）夾持機構：實現模具被卸部件的橫移，而其余部件需要夾持防止移動。

（6）水平橫移機構：主要實現模具各部件在滑軌上移動，從而取出內部藥。

（7）頂藥機構：該機構伸出到指定位置后，頂藥桿與模具部件同心，水平橫移機構帶動模具部件移動，實現取藥。

當裝模工裝在軌道車的拖拽下到達指定位置后，首先自動卸工裝夾持器機構將工裝上的夾持器打開，同時推桿將模具推至卸模取藥裝置的滑軌上。然后，夾持機構啟動將前錐體，針架座、后錐體夾持固定，水平橫移機構將進藥嘴移出約5 mm，切刀啟動將藥切斷后，再移動至指定位置。此時，頂藥機構伸出，橫移機構再反方向移動將腔內余藥頂出落入下部收集器中。后續(xù)依次將前錐體、針架座、后錐體中的余藥頂出，實現卸模。其中頂藥機構-2用于頂出針架座中的藥，而其余部件中的藥均由頂藥機構-1頂出。

4 結束語

本文以某推進劑藥型的裝卸模系統為主要設計對象，在分析了目前傳統人工裝卸模的工作流程以及綜合了軍工行業(yè)發(fā)展需求后，對現有裝卸模系統結構進行研究并且做出改進，完成了自動裝卸模系統的設計，針對裝模過程中需要對重量達到450公斤的模具進行轉運，容易引發(fā)掉落事故的問題，對裝藥模具結構進行重新設計，在不改變模具內腔結構的前提下，改進其外部結構使其便于轉運。針對傳統卸模過程中，需要人工帶藥操作容易引發(fā)爆炸事故的問題，設計了自動開夾器結構、前后端切藥結構、自動卸水管結構及卸模取藥裝置，實現了卸模全流程的無人化操作。該自動裝卸模系統在不改變藥型裝填方式及裝填質量的基礎上，實現了全自動化生產的需求，提高了產品質量與生產效率，有效改進了該推進劑藥型及同類產品的生產。

[1] 牟文杰，吳舜英. 注塑成型中的自動裝卸模裝置[J]. 輕工機械，2001(4): 19-21.

[2] 鄭再芳，馬飛龍，陳淼，等. 模具裝配參數對管狀推進劑成型質量的影響[J]. 爆破器材，2021(2): 45-49.

[3] Chen J, Xie B L, Chen L, et al. Application of procedural assessment in the practical course Disassembling and Assembling of Mould for Plastic Forming[J]. Die and Mould Industry, 2015(2): 18-20.

[4] 謝玉敏，董定福. 模具裝配過程的動態(tài)模擬及其應用[J]. 模具技術，2003(6): 53-54.

[5] Oliveira N D M. Advanced in mould assembling technologies for high precision polymer based optical components[D]. Minho: Universidade do Minho, 2014.

[6] 楊金嶺，楊荔. 車輪鍛造模具轉運、裝卸裝置的創(chuàng)新設計[J]. 模具技術，2016(5): 52-55.

Design of Automatic Propellant Assembling and Disassembling Mould System

In order to solve the problems of poor safety, many field operators and high labor intensity in the loading and unloading process of propellant preparation, an automatic loading and unloading system is developed. Without changing the current propellant preparation method, the system realizes the automatic operation of the whole process of propellant loading and unloading mould, reduces the participation of manual work, and improves the safety and efficiency of the production process.

propellant; assembling and disassembling; mould; finite element analysis

TP27

A

1008-1151(2022)09-0074-05

2022-06-11

區(qū)漢東（1997－），男，廣東肇慶人，長安大學工程機械學院在讀碩士研究生，研究方向為機械設備的結構設計與自動化控制系統的設計。