吳少華，石皋蓮，徐明龍，吳佃國

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215104;2.昆山立創(chuàng)工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇蘇州215300)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展，沖壓生產(chǎn)的手工送料已逐步被自動送料機(jī)構(gòu)所取代。然而沖壓模在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢料卻未有效實(shí)現(xiàn)自動排廢，沖壓模具內(nèi)的廢料清理始終困擾和制約著沖壓生產(chǎn)的效率［1－3］。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì):連續(xù)模每打1 h 須停機(jī)4.5 min清理廢料，因停機(jī)排廢料而浪費(fèi)的時(shí)間占整個(gè)作業(yè)時(shí)間的6.9% 以上。頻繁的停機(jī)對沖床的使用壽命也有很大的影響，特別是對電控系統(tǒng)的傷害很大。當(dāng)前業(yè)界一般都是通過人工手動方式將其排到廢料箱內(nèi)，制約了沖床的有效稼動率［4－5］。

針對沖壓機(jī)床模具內(nèi)的廢料清理存在的問題，以AC 交流伺服壓力機(jī)H1F 數(shù)控沖床為例，提出了惰輪式排廢料機(jī)構(gòu)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件NX CAD/CAE 為平臺，進(jìn)行設(shè)計(jì)、運(yùn)動分析與改進(jìn)［6］。通過實(shí)驗(yàn)比較，對排廢料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行效益評估。惰輪式模內(nèi)自動排廢料機(jī)構(gòu)對于延長沖床的使用壽命、提高沖床的有效稼動率、減輕員工的作業(yè)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)綠色制造、快速提升產(chǎn)能等具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 設(shè)計(jì)原理

借助沖床動力，利用惰輪壓合放大原理，將短行程的壓合動作通過鋼絲繩放大成長距直線運(yùn)動，從而達(dá)到自動排除廢料的目的［7］。惰輪式排廢料裝置設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示，其優(yōu)點(diǎn)是:使用壽命長，能耗低，排料效果好，適用于任何型號的機(jī)臺，解決了伺服沖床開模行程小的難點(diǎn)，調(diào)節(jié)方便，便于快速換裝，安全系數(shù)高;其缺點(diǎn)是:制作安裝要求相對較高。

圖1 惰輪式排廢料裝置設(shè)計(jì)方案圖

2 設(shè)計(jì)方案

惰輪壓合式排廢料機(jī)構(gòu)主要由可調(diào)式上壓桿、排廢主機(jī)、滑料板三部分組成，各機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下。

2.1 上壓桿設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，其結(jié)構(gòu)必須滿足以下要求:高度調(diào)節(jié)方便，具有安全防呆措施，具有自動平衡調(diào)節(jié)功能。

在高度調(diào)節(jié)方面，采用可調(diào)式螺紋緊固，高度采用模糊調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)到差不多位置即可，高度超出要求一定范圍不影響使用。同時(shí)，這也是一個(gè)安全防呆設(shè)計(jì)，利用彈簧過載回縮原理，當(dāng)下壓距離超出有效壓合距離的時(shí)候，即上壓桿下壓上壓板至限位塊時(shí)，由于沖床上臺盤還在繼續(xù)向下運(yùn)動，彈簧會壓縮，避免剛性撞擊，直至合模結(jié)束臺盤上升至有效壓合距離，彈簧恢復(fù)到原始狀態(tài)，彈簧保護(hù)載荷設(shè)計(jì)要求為必須大于排廢主機(jī)的驅(qū)動力1.5 倍以上，小于排廢主機(jī)的驅(qū)動力3 倍以下。另外下壓桿下壓時(shí)，由于加工安裝難免存在誤差，壓輥不一定能絕對和排廢主機(jī)的壓板保持在同一平面，主機(jī)的導(dǎo)柱有可能會卡死，或加速磨損，因而在其壓輥部位，設(shè)計(jì)了一個(gè)自調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓桿主體機(jī)構(gòu)

壓桿機(jī)構(gòu)主要由壓杠套、上固定架、壓桿軸、彈簧、壓輪、壓頭桶等組成，其中上固定架和壓桿軸、壓頭桶為焊接結(jié)構(gòu)件，壓頭框架安裝在壓桿軸上，框架設(shè)計(jì)成+5°的修正量，當(dāng)壓輥和排廢主機(jī)的上壓板不在同一平面時(shí)，+5°的修正量可以自動導(dǎo)正，使其在同一個(gè)平面，這樣可以保證壓輪能很好地貼合排廢主機(jī)上壓板，使上壓板受力均勻，平穩(wěn)下壓，減少磨損，提高使用壽命。壓輪的材質(zhì)為中硬優(yōu)力膠，具有緩震降噪的作用，可以避免與上壓板接觸時(shí)因碰觸產(chǎn)生噪聲，同時(shí)可以避免受力不均而導(dǎo)致的導(dǎo)柱卡死致快速磨損，高強(qiáng)度彈簧有效解決了過載保護(hù)問題。

2.2 排廢主機(jī)的設(shè)計(jì)

主要是利用惰輪壓合放大原理，其主體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主架體、壓合輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、座架等5 個(gè)部分組成。主架體主要是由上壓板、下壓板、4 根導(dǎo)柱組成。上下壓板設(shè)計(jì)有定位槽，用于安裝壓合輪構(gòu)件，壓合輪組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 排廢主機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

圖4 壓合輪組件結(jié)構(gòu)三維建模圖

在圖5 中，當(dāng)上壓輥壓下上壓板的時(shí)候，上壓板上兩個(gè)滑輪下壓鋼絲繩，鋼絲繩一端固定在緩沖器上，壓合的瞬間產(chǎn)生沖擊力，此時(shí)鋼絲繩拉動緩沖器連桿，連桿壓縮彈簧與鋼絲繩一起運(yùn)動一段距離，緩解了對鋼絲繩的沖擊力。

圖5 排廢主機(jī)主體結(jié)構(gòu)端面示意圖

另一端固定在曲柄惰輪的帶槽上，鋼絲繩下壓時(shí)，就會驅(qū)動曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動。由于采用的雙壓合結(jié)構(gòu)，所以下壓很短距離就能驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動。設(shè)計(jì)曲柄轉(zhuǎn)動角度為120°，并設(shè)有限位柱，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到120°時(shí)，下壓板被限位柱阻止。此時(shí)，上壓桿保護(hù)彈簧開始吸收余下的下壓量，直至上臺盤運(yùn)動至下死點(diǎn)彈簧一直在吸收余下的下壓量。當(dāng)上壓板回程時(shí)，壓合主機(jī)復(fù)位彈簧拉回曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，完成復(fù)位動作，且復(fù)位時(shí)的速度快于進(jìn)位速度，這樣機(jī)構(gòu)就具有一定的急回特性，更便于滑料板的排廢?；习逡欢搜b有滾輪，可以在沖模底座板上自由移動，另一端用快速換裝塊固定在一根鋼管上，鋼管套在滑塊構(gòu)件驅(qū)動軸上，從而實(shí)現(xiàn)自動排廢的動作。

2.3 滑料板的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)換模快速換裝滑料板，設(shè)計(jì)了一個(gè)快速換裝塊，如圖6所示，旋轉(zhuǎn)活動擋桿用彈性鋼珠定位，只要用力旋轉(zhuǎn)擋桿就可以快速取下滑料板，裝滑料板的時(shí)候只需將擋桿旋轉(zhuǎn)至快卡槽的彈性鋼珠中即可。

圖6 快速換裝實(shí)體圖

為了達(dá)到更好的排廢料效果，滑料板安裝角度的選定很重要，如果角度太小，廢料難以順利排出，如果角度過大，會占用很高的高度，那樣模腳就要求做得很高。而實(shí)際很多模具由于模板占用的高度很高，模腳會很低，一般模腳不會超過200 mm。那角度多大最合適呢?為了驗(yàn)證這一數(shù)據(jù)，建立了DOE 正交實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念來論證合理的角度［8］。設(shè)定的參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表1 DOE 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)合排廢料機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑料板傾角為5.5°時(shí)在很廣的工況條件下都能有很好的排廢料效果，排廢率達(dá)到98%以上，超過設(shè)計(jì)要求的95%的排廢率。這個(gè)角度適合絕大多數(shù)的沖壓模具的安裝，模腳最低高度為150 mm，所以滑料板設(shè)計(jì)安裝角度定為5.5°。

3 效益預(yù)估(不計(jì)人工節(jié)省費(fèi)用)

通過改善，沖床連續(xù)模每小時(shí)節(jié)省6 min 的停機(jī)時(shí)間，則每天節(jié)省時(shí)間(20 h/d):t1=20 ×6 =2 h，試驗(yàn)機(jī)臺300T 伺服沖床工費(fèi)率284.83 元/h，按每月26 個(gè)工作日計(jì)，月節(jié)省費(fèi)用C1=284.83 ×2 ×26 =14 811.16元。模內(nèi)自動排廢料裝置單機(jī)開發(fā)費(fèi)用為7 500 元，批量開發(fā)費(fèi)用會降低40%以上，折舊期以60 個(gè)月計(jì)，每月分?jǐn)偝杀綜2=7 500/60 =125 元，單臺沖床月節(jié)省成本:C =C1－C2=14 811.16－125 =14 686.16，連續(xù)模平均年稼動率為60%，單臺300T伺服沖床年節(jié)省費(fèi)用為14 686.16 × 12 × 60% =105 740 元。

4 結(jié)束語

針對H1F 數(shù)控沖床生產(chǎn)中排廢料工作存在的實(shí)際問題，提出了惰輪壓合式模內(nèi)排廢料機(jī)構(gòu)的開發(fā)方案，采用NX 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、運(yùn)動分析與改進(jìn);通過實(shí)驗(yàn)比較，對排廢料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行效益預(yù)評估。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和開發(fā)的排廢料機(jī)構(gòu)能達(dá)到高效能、自動化、沖床通用性良好、使用壽命長、排廢料效果好、節(jié)能環(huán)保等設(shè)計(jì)改善目標(biāo)，且不需要用電或氣源，可以直接用機(jī)械驅(qū)動，因此，在五金沖壓產(chǎn)業(yè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

【1】南雷英，戚春曉，孫友松.沖壓生產(chǎn)自動送料技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展概況［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006(2):18－21.

【2】孫友松，張宏超.金屬板材加工設(shè)備發(fā)展新動向:2004上海國際金屬板材加工設(shè)備展覽會［J］.鍛壓技術(shù)，2004，29(4):1－4.

【3】朱吉良，沙永柏，趙曉影.陸地鉆機(jī)立柱式鉆桿自動傳送系統(tǒng)研究［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(2):1－3.

【4】劉玉彩.輪胎設(shè)備稼動率分析和改善初探［J］.橡塑技術(shù)與裝備，2008，34(4):33－38.

【5】張英芝，賈亞洲，杜慶林，等.數(shù)控沖床故障分析［J］.機(jī)床與液壓，2004(9):187－188.

【6】石皋蓮，吳少華.UGNXCAD 應(yīng)用案例教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【7】機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

【8】茆詩松，周紀(jì)薌，陳穎.試驗(yàn)設(shè)計(jì):學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題［M］.北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2005.