模具自動化改造分析與應用

文/梁芳，周康·南京依維柯汽車有限公司

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展進步，沖壓件的生產(chǎn)方式由原來的手工上料生產(chǎn)逐漸轉為自動化生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)方式大大節(jié)省了人工成本，在生產(chǎn)效率以及操作安全方面也優(yōu)勢明顯。近年來，各大汽車主機廠以及代加工廠紛紛引入了沖壓自動化生產(chǎn)線，那么就出現(xiàn)了原有的手動線老模具將無法直接匹配自動線生產(chǎn)使用的問題，重新開發(fā)自動化模具投資大且周期長，所以如何將現(xiàn)有手動線模具進行自動化改造滿足自動線生產(chǎn)要求尤為必要。

改造可行性分析

沖壓產(chǎn)品的形狀、工藝以及原始的模具結構會直接影響自動化改造后生產(chǎn)的通過性與效率。并不是所有的手工上料模具都適合進行自動化改造。在決定是否改造前，需了解自動化改造對產(chǎn)品和模具的基本要求，進行可行性分析，避免盲目投資帶來的損失。

產(chǎn)品形狀分析

一般情況下大中型的外覆蓋件、表面形狀相對平緩的中大型結構件比較適合自動化改造。而一些框架件、中小結構件，由于表面鏤空多、形狀面狹窄復雜，不便布置端拾器吸盤，易抓取不穩(wěn)。還有一些拉延深度較深的件，易造成取件空間不足，影響自動化正常生產(chǎn)節(jié)拍，所以此類零件不建議進行自動化改造。

自動線設備分析

以某車企一條自動化線為例，全線5臺壓機，首臺雙動1500t，后序4臺800t。線首含板料拆垛、自動涂油、自動對中工藝，工件傳輸由8臺ABB六軸機器人實現(xiàn)自動化。

產(chǎn)品工藝分析

⑴考慮工序數(shù)量，案例自動線為5工位，改造零件工序數(shù)最好與自動化線布置的機床工位數(shù)相等，如果改造零件小于5序，需考慮投入配套空工位架，如果大于5序，則需要考慮分序轉線生產(chǎn)。

⑵考慮沖壓方向，自動線生產(chǎn)中工件在每一序模膛中的沖壓方向盡量一致，不能有太大的旋轉，相鄰工序零件傾斜角度的變化不能過大，控制繞Y軸旋轉在±10°內，繞X軸旋轉在±15°內(X向為物流方向)；如果是雙件生產(chǎn)時，左右零件相鄰工序傾斜角度的變化必須一致，否則對整線節(jié)拍會有極大影響，甚至無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

模具空間結構分析

需要結合自動線機床參數(shù)考慮，在噸位、封高及工作臺尺寸等都滿足的前提下，重點考慮壓機行程。壓機行程與模具結構共同決定了零件在上下模之間的轉動空間，也就是有效的開口高度，即下模最高點到上模最低點的距離。有效開口高度直接影響端拾器送取料的靈活度與整線的生產(chǎn)節(jié)拍，其相互關系如圖1所示。

圖1 模具示意圖

從圖1中可以看出，取件空間G=2A+B+C+D，自動化改造要求壓機行程必須大于G值，機床行程越大，有效開口空間越大，越有利于自動化生產(chǎn)節(jié)拍。這里需要注意的是，模具前后兩側盡量不要有大型的導向機構，斜楔、吊楔裝置，會影響機器人取件軌跡。如果有，可以將此結構的高度等同于零件深度加入計算，如果計算得出取件所需空間G值過大，大于機床行程，則不具備取件空間，不建議自動化改造。

模具改造

模具安裝方式改造

⑴模具對中結構改造。

自動化模具的安裝較普通模具有更嚴格的要求，必須保證每次安裝模具與機床臺面的相對位置穩(wěn)定一致，這樣才能保證機器人能準確地重復抓取工件，所以自動化模具安裝方式必須考慮模具對中性。對中方式一般有兩種，對中鍵槽形式和圓柱形定位銷形式。本案為某自動化改造模具采用對中鍵槽方式，加工尺寸寬32mm、深20mm貫穿式通槽設計。在實際改造中，對中槽位置可能正好在模具主筋上或者底面正好有氮氣彈簧干涉，不能強制加工破壞原模具功能與強度，可以降低要求，不加工通槽，保證兩端鍵槽有效長度大于60mm，也能滿足對中功能，但是在使用上需要人工調整對中鍵的使用位置。

也可采取在模具上下平面增加墊板的方式，在墊板上加工對中槽來解決。如果改造模具為雙動拉延模，還應考慮上模以及壓邊圈的對中槽改造加工，以匹配雙動機床內外滑塊墊板安裝快速對中的需求。對中鍵加工尺寸，長120mm，淬火硬度38～42HRC，用沉頭螺栓進行鎖緊。具體要求如圖2所示。

圖2 對中鍵圖

⑵模具壓板槽改造。

自動化線模具夾緊裝置采用自動快速夾緊模式，在改造中需考慮幾點：1)壓板槽附近的模具空間結構需避開夾緊器最大外形尺寸，同時留有一定空間保證夾緊器自由進出不干涉；2)壓板槽深度需與夾緊器夾持厚度一致；3)需加工上模夾緊器感應面，確保感應到位。在實際改造中，模具壓板槽的改造很可能找不到合適的空間位置，需要銑去加強筋，加大安裝空間，勢必影響模具強度，這時需要根據(jù)模具的具體結構綜合考慮影響的大小，增加輔助加強措施，如增加整體模具墊板等。

⑶模具F向變更。

根據(jù)沖壓自動線機械手的不同，模具的進出料方向會有變化，這與機械手的行程旋轉角度不同有關，在模具改造中需要加以考慮，改變模具原有標記，防止生產(chǎn)時裝模方向錯誤。案例中自動線為五工位，首臺為雙動機床，所以OP10與OP20之間有工件翻轉需求(繞Y軸旋轉180度)，所以設置兩臺機器人對接送料，全線配備的是6軸機器人，每臺機器人進行工件傳遞時會繞Z軸旋轉180度，那么模具改造時，OP30與OP50的模具F向需要改變，也就是原有進出料方向需打反，如圖3所示。F向變更后需注意相應的電氣路接頭同時也需要調整到靠近機床氣源和電源側。

模具定位方式改造

自動化模具的定位，不僅要求能準確定位工件，還必須有可靠導向功能，確保機器人放料時能自動找正，確保工件頂出時空間位置的一致性。所以在自動化改造中需加裝定位桿。定位桿布置緊湊高度適中，上半部有導向R角，角度在35°～45°度之間。

模具自動化電氣改造

電氣改造需在模具上增加信號檢測與傳輸功能，改造中需要加裝傳感器，航空插頭。

⑴傳感器安裝位置的選擇。

盡量選擇在模具對角位置，相距盡可能遠，信號線走線盡量選用原模具結構中的減重孔，原有氣路通過孔，實在沒有可以選合適的地方開槽，注意布線不能與廢料槽干涉。OP10傳感器選用標準件，投料檢測開關如圖4所示，安裝在坯料相鄰兩邊的對角位置，距離盡量遠，才能準確檢測坯料是否擺放到位。OP20以后工序選用接近開關如圖5所示，一般布置在零件最低處并且是工件非鏤空的平面下，安裝支架可選用不小于2.3mm厚的鋼板，安裝必須牢固可靠。

⑵傳感器數(shù)量的要求。

一副模具中只有一個零件時，至少布置2個傳感器。一副模具中有2個零件時（合拉件、雙模膛件等），分情況定，如果兩件還未分離至少布置2個傳感器，并且確保每個零件上有1個，如果兩件已經(jīng)分離需要布置至少4個傳感器，每個零件上2個。

⑶航空插頭的位置安裝。

模具通過航空插頭與機床電纜連接，從而達到識別模具和制件的目的，根據(jù)壓力機本身提供的不同電源選用不同的航空插座。安裝位置放置在下模座靠近機床電源接口一側，與模具氣動接口類似，不能凸出模體。防止吊運和存放過程中磕碰損壞。

模具廢料的處理

模具的廢料排出問題是自動化改造中的重難點，自動化生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)廢料下滑不暢，堆積后將無法正常排出機床臺面外，需要臨時停機進行人工干預，影響生產(chǎn)節(jié)拍，嚴重時還會損壞零件和模具造成生產(chǎn)事故。下面介紹幾種廢料排出的改進方式。

⑴改造廢料滑板輔助排出。

1)增大廢料滑板的傾斜角度。在模具結構允許的條件下盡可能增大傾斜角，一般角度大于25度就能保證廢料依靠自重順利下滑。

2)增加二級滑板。有些模具的廢料能順利滑出模具外，但不能滑出到機床臺面外，這時考慮增加二級滑板，二級滑板的角度一般要求大于20度。

3)在滑板處增加輔助下滑機構。例如更換網(wǎng)紋板，減少下滑摩擦系數(shù)。加裝滾輪、圓鋼棒、滾珠等(圖6)。

圖6 滾輪輔助排出實例圖

⑵增加彈頂銷輔助卸料。

⑶采用氣缸強制排出(圖7)。

⑷采用倒鉤強制排出（慎用，不容易控制廢料的彈出方向）。

⑸采用電動皮帶機強制排出(圖8)。

圖7 氣缸強制排出實例圖

圖8 皮帶機強制排出實例圖

⑹采用振動方式輔助排出，在廢料滑板下加裝振動裝置，通過振動減小摩擦，加速廢料下滑排出。

結束語

模具的自動化改造不同于模具制造，改造模具是在已經(jīng)成形的模具上實施更改，模具結構沒有新設計制造的靈活性大，改造模具受限制的條件比較多，而且要盡量不影響模具原有強度以及使用壽命。在工期方面，改造的模具都是正常生產(chǎn)銷售的車型，工期要求比較緊張，需要提前考慮好改造周期及在制建儲，不能影響正常的生產(chǎn)供貨。模具改造難度大風險大，但是帶來的收益也大，一副模具改造成功，可以為公司節(jié)省新增模具的設計制造成本，本文中案例項目共完成224副老模具自動化改造，如果換算成新模具制造成本將是一筆巨大的費用。所以老模具自動化改造，在功能上、工期上和成本上對沖壓企業(yè)有重要意義。