QDC-2氣動沖床(專機)機械與電氣設計

王大勇 韓偉時

(恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450001)

1 產品加工工藝介紹

鋁滑套是化纖卷繞設備中的一個零件，直徑123 mm、長度94 mm、壁厚3 mm的薄壁鋁制管件，用于繞絲筒管的支承，其兩端設計有多個等分(24個、48個6 mm×8 mm)供滑塊進出的矩形孔，通過控制滑塊的進出完成繞絲筒的松開與夾緊。鋁滑套上24個或48個矩形孔的加工是這個零件的一道重要工序。

2 設備設計背景

鋁滑套矩形孔的加工，多年來沿用線切割的方式加工，此方法先要在工件切矩形孔處打個小孔，穿過鉬絲，按線切割程序靠鉬絲往復運動放電完成矩形孔加工，手搖分度工裝旋轉工件實現矩形孔間的切換，24個矩形孔就需要穿12次鉬絲，為了提高產量，十幾臺線切割機同時工作，采用兩班倒的工作模式，加工中火花飛濺，工人勞動強度大，效率低，成本高。為降低勞動強度，改善工作環境，提高效率，降低成本，達到節能減排、降本增效的目的，急需要研發一種專用設備來完成鋁滑套矩形孔的加工。

現有市售的沖床皆無法滿足沖壓方式加工鋁滑套圓周矩形孔使用要求，其主要問題是沖速太低，包括一些專業廠家生產的高速沖床，由于受其傳動結構的限制，沖頭在沖透工件時的實際運動速度一般都不會超過1 m/s，很難保證產品的加工質量。再者，在現有沖床上增設工件的夾持及旋轉分度機構亦非易事。因此，氣動自動沖床的研發便成了解決鋁滑套生產質量和產量的關鍵。

3 設備功能組成和原理

3.1 功能組成

采用壓縮空氣驅動德國費斯托最新科技產品“氣動肌腱”為動力執行機構。設備由5塊結構組成：動力裝置、沖壓裝置、分度裝置、起模裝置和電氣控制系統。如圖1所示，分述如下：

(1)動力裝置：包含6根氣動肌健、配重塊、阻尼彈簧及儲氣罐。

(2)沖壓裝置：包含分別與沖模底座連接的起模裝置、沖頭、下模座和分度軸，其中，起模裝置位于動力裝置的下方，在沖壓鋁滑套孔時，起模裝置與動力裝置接觸。

(3)分度裝置：包含分度氣缸、撥叉棘輪、分度盤及插銷定位機構，此裝置與分度軸連接。

(4)起模裝置：由兩套氣缸組成，用來拔出沖頭。

(5)電氣控制系統：包括硬件和功能兩部分。硬件：由臺達DVP-40EH可編程控制器、傳感器、直流電源、按鈕及電控氣閥組成。功能：PLC單元根據外部操作指令及傳感器返回信號驅動撥叉分度機構、插銷、拔銷進行分度盤分度定位與鎖定，肌腱單元推動沖頭機構對工件沖孔，每沖一次，起模裝置進行拔模使沖頭脫離下模，分度裝置分度下一沖孔位置，如此往復12次，完成單面矩形孔加工。電氣控制分為自動模式和手動模式。

3.2 工作原理

分度盤與分度軸以平鍵形式連接，撥叉通過逆止軸承與分度軸連接，撥叉與逆止軸承外圈以鍵連接，逆止軸承內圈與分度軸以鍵連接。分度頭與夾具以螺栓和鍵連接，夾具及工件鋁滑套以螺栓連接。

分度氣缸帶動撥叉撥動分度盤，帶動工件鋁滑套在下模座上旋轉，旋轉1/12(分度盤圓周上有12等分的插孔)或1/24(分度盤上有24等分圓周的插孔)圓周角度后，定位插銷插入分度盤，完成機構的定位操作。

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然后，氣動肌腱帶動壓塊向下做沖擊運動，沖擊沖頭后，沖頭再沖擊工件鋁滑套的表面，完成一次沖壓。

沖壓一次完成后氣動肌腱和配重在阻尼彈簧的作用下回到原位，同時起模裝置拔出沖頭。

分度撥叉在氣缸的帶動下回轉1/12圓周角度，在此期間因逆止軸承作用分度盤不旋轉(只有撥叉旋轉)。同時，定位插柱汽缸帶動定位插柱脫離分度盤。重復上述分度及沖壓動作12次或24次，完成一個鋁滑套工件單端的加工。再翻轉工件重復上述動作，完成一個工件另一端的加工。

電氣控制流程如圖2所示。

3.3 設計關鍵

(1)如何保證沖孔成型質量，將工件表面及整體變形量控制在設計要求范圍以內，并最大程度的減小后繼加工工作量。

措施：因為沖床的工作特征，在沖壓工件時會產生局部塑性變形，造成工件膨脹變形，為了盡可能減小變形量，采取在沖孔位置預打直徑4 mm收縮孔，使變形量保證在工藝要求之內。

措施：在下模座采取圓周環切的方式，保留小部分韌帶和工件接觸，環切形成的凹槽可以減小摩擦力，容納碎屑，減少工件的損傷。

(3)由于是沖切加工，震動是不可避免的，分度機構又處在震動較強的部位，因此這部分裝置要著重考慮減震。而各部件本身，要具有較強的抗震能力。

措施：在下模周邊加裝三角筋用來加強機構剛性及分散沖擊力，在行程限位塊上加裝減震墊，以及在設備下腔體填充沙粒用來降低設備重心和減小諧振，在設備地腳加裝減震墊等。

3.4 創新點

采用德國FESTO公司近期推出的“氣動肌腱”作為動力轉換器件，利用了“氣動肌腱”的動作特性，將其成功地用于沖床，通過兩只快速大流量閥控制壓縮空氣的充、排，直接驅動沖頭滑塊完成沖制，保證在沖透工件的瞬間，沖頭具有很高的運動速度(>5 m/s)。完全打破了傳統沖床的結構模式，具有結構簡單、效率高、速度快、易控制等一系列優點。

(1)特點：初始力最大可達相同缸徑普通氣缸的10倍，即使在高負載下也具備高動態響應，無移動機械部件相互接觸和摩擦，使用最簡單的技術通過控制進氣壓力和流量達到輸出力和位移的控制。

(2)工作模式：氣動肌腱(如圖3所示)是一種拉伸執行機構，模仿肌腱運動，由收縮系統和相應的連接件組成，外面包有一層高強度纖維，纖維為三維網狀結構，菱形編織，內部有壓力時，軟管會向外膨脹，就會在肌腱的縱向產生拉伸力和收縮運動，拉伸力與行程形成函數關系，可用拉伸力在開始收縮時達到最大值，在有效工作范圍內，收縮比最高達到額定長度的15%。

4 指標計算

4.1 上、下模的配合間隙調整

沖孔上下模的配合間隙對沖孔斷面質量和沖孔精度有極其重要的影響，模具的配合間隙還影響著模具的壽命、沖壓力及推料力，根據該零件方孔工藝要求，依據國家GB/T16743-1997金屬材料沖裁模具配合間隙類別，材料抗剪強度在65～255 MPa，上下模配合間隙類別選擇I類(小間隙)，I類初始單邊間隙取值在2%t～4%t(t為零件厚度)，對多套不同尺寸沖頭實際沖孔效果來比較，上下模配合間隙最終調整在0.1 mm。

4.2 動力裝置參數測算

(1)沖壓力的計算

P=L×T×S

式中：P為沖壓力，N；L為沖剪區域周長,mm；T為沖剪材料厚度，mm；S為抗剪切強度，MPa。

鋁滑套壁厚3 mm，6×8矩形孔周長28 mm，鋁滑套材料抗剪切強度取值100 MPa。

P=28×3×100=8 400 N

(2)沖頭配重測算

式中：F為動能，J；m為沖頭配重,kg；v為沖頭運行速度，m/s。

因為涉及到沖頭配重，所以利用動能公式計算反復實驗進行驗證沖頭配重。沖頭運行速度根據肌腱收縮響應速度5 m/s(估算值)，多次試驗沖頭配重重量，在取值150 kg時，沖孔動作干凈利索及加工表面(粗糙度、變形量)達到工藝要求。

F=0.5×150×52=1 875 kg·m2/s2=1 875 J

(3)肌腱選型

圖4為肌腱特性曲線。

沖頭工作行程20 mm，肌腱收縮比h取10%，根據圖表肌腱輸出收縮力在壓縮空氣0.6 MPa時為3 500 N，換算成噸力為：P=3 500 N=3.5 kN=0.357 tf

根據選型手冊選型為MAS-40-200N-AA-MO-O，內徑40 mm，長度200 mm，6根肌腱輸出力為6×0.357=2.142 tf，用這6根肌腱做沖頭動能測試，在沖頭配重150 kg時達到了理想值。

5 結語

項目研制成功并投入生產后，為企業帶來巨大的經濟效益，年生產鋁滑套以8萬套計，年產值可達1 300萬元。同時，通過改進工藝提高效率等手段可以節約人工成本，可年節約人工成本150萬元，節約占地面積300 m2。

項目實施后，將工人從繁瑣的旋轉分度工裝、穿鉬絲及對中心等多項體力勞動中解放出來，整潔了工作環境，減少了污染排放，該項目的加工工藝、產品質量以及生產效率均達到先進水平。

[1]北京有色冶金設計研究總院，成大先. 機械設計手冊[M].4版.北京：化學工業出版社，2002.

[2]王鵬駒，成虹：沖壓模具設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.