組合壓裝式濾清器蓋板多工位自動壓裝用模具及控制系統開發

湯輝 吳立新 姚運張 張清 王遠志 張翰林

摘要：汽車濾清器作為雜質或氣體過濾的配件，在保證發動機進氣潔凈、機油和燃油清潔以及發動機正常工作等方面起著十分重要的作用。在機油濾清器和燃油濾清器中，蓋板是保證車輛在復雜振動工況下能夠穩定安裝、正常工作的重要保障。特別是組合壓裝式蓋板，傳統的采用人工壓裝的生產方式存在效率低、質量一致性差、廢品率高的問題。基于此，研發了濾清器組合式蓋板多工位自動壓裝用成套模具，并通過自動壓裝設備的開發實現了組合式蓋板的連續壓裝。該濾清器蓋板多工位自動壓裝設備在降低工人勞動強度的同時，顯著地提高了生產效率及產品的質量一致性，為濾清器乃至發動機的正常工作提供了堅實保障。

關鍵詞：濾清器;蓋板;自動壓裝;模具

0 引言

濾清器是汽車保養維修中更換頻率較高的配件，市場需求量大。作為雜質或氣體過濾的配件，汽車濾清器在保證發動機進氣潔凈、機油和燃油清潔以及發動機正常工作等方面起著十分重要的作用。在機油濾清器和燃油濾清器中，蓋板是保證車輛在復雜振動工況下能夠穩定安裝、正常工作的重要保障。組合壓裝式蓋板是機油濾清器和燃油濾清器中常用的蓋板形式[1-3]，其生產所采用的傳統人工壓裝生產方式存在效率低、質量一致性差、廢品率高的問題，嚴重影響濾清器的可靠性以及生產企業的效益[4]。

本文對組合壓裝式蓋板的多工位自動裝配工藝進行了研究，設計了各工位的模具壓頭，并開發了自動壓裝設備。濾清器蓋板多工位自動壓裝設備在降低工人勞動強度的同時，顯著地提高了生產效率及產品的質量一致性，為此類蓋板的自動化生產提供了一定的參考。

1 組合式濾清器蓋板

濾清器蓋板的種類較多，組合式通常采用焊接或鉚接結構。如圖1所示，組合式濾清器蓋板由螺紋蓋板和薄蓋板組成，為鉚合結構。濾清器的工況條件存在振動、溫度變化等多種情況，要求蓋板的連接具有較高的強度、耐熱性，在螺紋蓋板和薄蓋板壓合過程中不應產生斷裂等問題。為了保證鉚接的質量，薄蓋板的鉚接齒和螺紋蓋板的鉚接槽之間需采用過盈配合，以提高工作可靠性，因此對蓋板零件的形狀、尺寸精度等提出了較高的要求。針對產品的壓裝工藝，不能采用一次成型壓裝，而是需分三個工位實現產品的鉚合，具體包括：（1）初步鉚合;（2）預成型鉚合;（3）成型-完成蓋板壓裝鉚合。

2 各工位壓裝模具設計

確定工位后，根據各工位的要求進行相關模具的設計。如圖2所示，由于鉚接齒和螺紋蓋板的鉚接槽之間為過盈配合，所以在自然放置狀態下，螺紋蓋板和薄蓋板之間存在一縫隙。考慮壓合過程，將壓合的模具設計了模頭和卡盤兩部分，卡盤部分定位固定零件，模頭部分用來壓彎鉚接齒，從而實現定位和壓裝。自動化壓裝工藝包括多個工位同時進行不同步驟的壓裝，為此通過分析設計了各工位的壓頭和定位卡盤，保證壓裝的質量和工藝連續性。

2.1 ? ?模頭設計

蓋板壓裝是通過初步鉚合、預成型、成型三個工位實現。其中初步鉚合模頭將薄蓋板的鉚接齒由內向外壓至一定傾斜度，預成型模頭將鉚接齒卡緊螺紋蓋板，成型模頭將薄蓋板和螺紋蓋板完全鉚合。模頭朝向卡槽的端面為壓合平面，壓合平面的邊緣分別設有倒角。經過分析和工藝試驗后，初步鉚合模頭、預成型模頭及成型模頭上的倒角與壓合平面之間的夾角分別為60°、30°、2°，如圖3所示。

2.2 ? ?卡盤設計

卡盤結構如圖4所示，其形狀是根據薄蓋板底部形狀設計的，能夠與薄蓋板底部良好貼合，承受鉚合過程中的壓力，避免因壓力過大而造成蓋板斷裂、損壞等問題。

3 自動壓裝系統設計

3.1 ? ?控制流程及控制策略

自動壓裝系統采用回轉托盤結構，采用步進切換工位。系統主要由進料、定位、壓裝、出料四部分組成。

詳細流程步驟如下：

（1）將蓋板零件放入回轉托盤上的定位裝置中，零件隨著托盤旋轉到壓裝工位;

（2）當轉到固定工位后，由控制程序對壓力缸輸入命令，各工位同時進行蓋板的壓裝;

（3）蓋板通過多個工位完成壓裝后轉到移出位置，再由移出裝置將蓋板移出。

控制系統主要包含控制機構、傳感機構、驅動機構、人機界面。控制機構是實現動作的關鍵，常采用PLC作為控制機構的核心。傳感機構的作用是感應零件是否到達準確位置、各氣缸是否處于原位還是到位狀態等，并將這些信號輸入到控制機構PLC中。驅動機構主要采用伺服電機驅動旋轉托盤進行回轉驅動實現托盤回轉;壓力缸由氣體系統驅動氣缸實現模頭的下行壓裝，其控制閥選用三位五通閥。人機界面采用按鈕結合面板的形式，便于操作和控制。

3.2 ? ?控制系統硬件設計

濾清器蓋板自動壓裝系統中有11個輸入信號，包括4個氣缸上的8個限位傳感器（分前傳感器和后傳感器兩類）、2個開關按鈕和1個轉盤的角位移傳感器;輸出信號有6個，包括氣缸的伸出和退回信號、轉盤回轉電機的信號、傳送電機的正反轉信號和上下料電磁鐵通電產生的磁力信號。針對控制要求，選用臺達DVP24ES200R/T可編程控制器，其PLC具有高速、穩定可靠的特點，且輸入點數為16，輸出點數為8，能夠滿足控制的要求[5]。

控制系統的I/O輸入輸出分配如表1所示。

3.3 ? ?設備控制策略

濾清器蓋板自動壓裝系統軟件設計分為兩大部分：自動壓裝程序和自動零件移出程序。當啟動開關打開臺面，電機轉動，角位移傳感器轉動到固定的角度時，所有氣缸伸出壓裝零件，同時回轉電機停止轉動，電磁鐵通電使之產生磁力將零件吸住。在氣缸伸出到最低位置的前傳感器時，所有氣缸退回，回轉電機轉動，傳送電機正轉。當氣缸退回到氣缸后傳感器時，電磁鐵斷電，傳送電機反轉，從而實現整個系統的控制。

4 結語

為了提高鉚接組合式濾清器蓋板的裝配效率，本文開展了該產品的自動壓裝設備的研究開發工作。首先對組合式濾清器蓋板的自動壓裝工藝進行了分析，規劃了通過三工位完成壓裝的方案;然后進行了壓裝用模具壓頭和定位卡盤的設計;最后完成了自動壓裝設備控制系統的硬件和軟件設計。通過項目實踐，實現了鉚接組合式濾清器蓋板的多工位自動壓裝，在降低操作人員勞動強度的同時，生產效率及產品的質量和穩定性都得到了大幅度提升。

[參考文獻]

[1] 周毅，吳江.濾清器螺紋蓋板沖壓模具設計[J].機械工程與自動化，2012（2）：87，90.

[2] 吳一敏.車用空氣濾清器的現狀及其發展趨勢[J].汽車研究與開發，1999（4）：42-51.

[3] 張振龍.電液伺服閥銜鐵組件自動壓裝機的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[4] 王立志，李元伶.數控輪對自動壓裝機研制[J].鐵道技術監督，2009，37（6）：57-59.

[5] 張亞鋒，孟飛，張美鳳，等.基于汽車起動行星軸的壓裝機設計與實現[J].組合機床與自動化加工技術，2016（11）：134-137.

收稿日期：2020-08-14

作者簡介：湯輝（1997—），男，安徽滁州人，研究方向：機械設計制造及其自動化。