鋼卷打捆機的鎖緊鎖扣機構設計

溫佳明，王紅軍，3，康運江，付爽寧

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2.機科發展科技股份有限公司，北京 100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國際科技合作基地，北京 100192）

0 引言

打捆頭是鋼材打捆機中最重要的部分，它負責對捆帶驅動以及做扣切斷等工作。而打捆頭中的鎖扣機構更是重中之重，它負責對鎖緊后的捆帶進行沖壓做扣和切斷工作。以鋼帶為捆扎材料的鎖扣形式分為免扣式、鎖扣式、焊接式3 種，國內對鎖扣式的研究已經十分充分，焊接式由于材料原因，并不是大多數企業采用的鎖扣形式。免扣式鎖扣因其不需要多余耗材、可防脫扣等優越性能被多數鋼材生產企業選用。但是由于美國擁有免扣式防脫扣鎖扣的專利，導致我國在鋼材打捆和免扣式鎖扣技術方面一直受制于人。

國內的大部分學者針對鎖扣式鎖扣進行了充分的研究，但是針對免扣式的研究并不多。免扣式比鎖扣式的鎖緊力大，并且可設計出防脫扣鎖扣形式，對鋼材的打捆包裝有著很大的意義。

1 免扣式鎖扣設計

免扣式鎖扣方法采用對重疊的上下層捆帶沖壓做扣，使上下兩層捆帶產生缺口或凹槽等結構，使上下兩側捆帶可互相擠壓來抵抗鎖緊力。美國免扣式專利對捆帶沖壓切斷出“L”形切口，使上下兩層捆帶的“L”形頂角處相互擠壓，形成鎖扣。

而此設計采取與美國專利不同的沖壓形式，對沖壓的“L”形改為平行四邊形鎖扣，以四邊形兩側邊來抵抗預緊力。具體形式如圖1 所示。

圖1 鎖扣形式三維展示

在鎖扣形式三維展示中，淺色為上層捆帶，深色為下層捆帶，顯示效果為子鎖扣成型效果。由于三維建模要設定厚度，但實際工作中，由于鎖緊力的周向分力會將下層捆帶的平行四邊形切料壓緊，使上層捆帶接觸部分產生向上的凸起，故在三維建模中對多余切料隱藏處理。

沖壓時采用上方為凸模，下方為凹模的方式，沖壓后上層切料因沖壓變形進入下層捆帶的切口內部。由于鎖緊力的因素，在沖壓模具收回之后，捆帶會回彈，回彈量為自鎖扣平行四邊形寬度。因為鎖扣完成后，上層捆帶的平行四邊形切料會夾在下層捆帶和鋼卷之間，會對平行四邊形切料上方的捆帶擠壓凸起，故在捆帶被平行四邊形切料擠壓部分沖壓時沖壓出向上的一個隆起，以容納平行四邊形切料。由于三維建模的客觀因素，必須將隆起高度設置為捆帶寬的0.8 mm，但在實際加工生產時，可減小隆起高度，以保證可對平行四邊形切料壓緊，使鎖扣強度提高。

子鎖扣在捆帶上的排列方式采用雙列排布，每列有3 個子鎖扣，共6 個子鎖扣，分布如圖2 所示。

圖2 子鎖扣分布示意圖

子鎖扣寬度為3 mm，捆帶寬度為32 mm，鎖扣連接強度為81.25%，高于行業標準的80%。

針對鎖扣形式進行有限元分析，鎖緊力為15 kN，捆帶寬度32 mm，捆帶厚度0.8 mm，捆帶材質為Q235。分析結果如圖3 所示。

圖3 鎖扣有限元分析結果

根據有限元分析可知，鎖扣受力主要分布在上捆帶平行四邊形切料與下捆帶平行四邊形切口的接觸線上，最大應力在上捆帶切口頂角處，但最大應力不超過捆帶材質Q235 的屈服應力，可保證鎖扣的強度，并且不會產生較大變形。

2 鎖扣機構設計

針對上一章節設計的鎖扣形式設計打捆頭鎖扣機構。市面上常見的鎖扣機構采用兩側勾爪向上沖壓，在捆帶上側有抵塊充當凹模的作用。但是此方式是沖壓時對捆帶有翹起，會對待捆物有刮傷，并且鎖扣所沖壓出的部分遠離捆帶，并不是上一章鎖扣方式貼緊捆帶，所以這種鎖扣機構存在很大缺陷。

2.1 鎖扣機構方案設計

針對此種鎖扣形式，采用上側凸模，下側凹模的沖壓做扣方式，將6 個上模放置在同一個零件上，下模分別放在6 個零件上。

針對兩側勾爪的鎖扣機構將捆帶翹起，設計了兩側支撐零件帶動下模插入到下層捆帶與鋼卷之間，避免對待捆物的刮擦。鎖扣機構簡圖如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 鎖扣機構結構示意圖主視圖

圖5 鎖扣機構結構示意圖側視圖狀態一

圖6 鎖扣機構結構示意圖側視圖狀態二

2.2 關鍵零部件分析

為保證良好運行不產生故障和保證零件不因受力過大產生變形或斷裂，對重要受力零件進行校核。

2.2.1 兩側下模底座受力分析

沖壓力計算：

沖壓切斷長度為10.35 mm，捆帶厚度為0.8 mm，故沖壓面積為：

查閱機械設計師手冊得到Q235 捆帶的相關參數，σs=235 MPa，σb=390 MPa，

沖壓力為：

鎖扣共有6 孔，故：

取整，F沖壓取31 kN。兩側鎖扣繞軸旋轉，與鋼帶接觸沖壓側，受力為F1=5166.72 N。根據幾何關系，杠桿原理，兩側力乘力矩相等，取兩側中間為受力點進行計算。

解得F2=5707.25 N。

根據F2受力三角關系，得出兩側凹模與中間凸模接觸側豎直方向受力為：

摩擦傳動效率取0.95

同一側共有3 個兩側凹模，故中間凸模受到的向上的力為：

兩側支撐撤回受力分析。鎖扣機構在鋼帶與鋼卷之間的面積為93 mm×32 mm，厚度為9 mm，鋼卷直徑為2000 mm。兩側使鋼帶與鋼卷相切。得出鋼帶與兩側支撐夾角為80.10°。

根據圖形，反向繪制受力圖，鋼卷周向鎖緊力為15 kN，取線段長度為15 mm，兩側支撐受力與鋼卷垂直，得出右側經向受力為Fj1=2845.565 25N，左側徑向受力為Fj2=2765.4 742 N 故兩側支撐受力為：

計摩擦因數為0.2，故單側的兩側支撐裝置回收時的受力為：

螺桿直徑為17 mm，螺距為5 mm。

共有兩個兩側支撐裝置，每個重0.8 kg，故：

考慮螺紋摩擦力，Fn總記為1500 N

螺桿直徑為17 mm，故扭矩為：

2.2.2 下模支撐零件強度校核級有限元分析

下模支撐零件受壓面積為S=9×11=99 mm2

下模支撐零件豎直方向受力為218.4 N

下模支撐零件軸孔件擠壓部分面積為：

下模支撐零件軸孔水平方向受力為1702 N

下模支撐零件材料為Q456，屈服強度為456 MPa，下側支撐零件的水平受壓應力和下模支撐零件軸孔擠壓應力遠小于材料的屈服強度。

對下模支撐零件進行SolidWorks 建模，采用simulation 模塊進行有限元分析。按照具體工作情況孔與軸連接，下模凹槽安放下模對捆帶進行沖壓，沖壓力5166.72 N，兩側與上模底座壓緊固定。約束為對接觸上模底座面固定約束，軸孔內部進行鉸鏈約束，對安放下模槽口受力為5166.72 N。劃分網格，進行有限元分析，結果如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 下模支撐零件有限元分析結果—應力

圖8 下模支撐零件有限元分析結果—位移

圖9 下模支撐零件有限元分析結果—應變

多次試驗結果可知，應力最大的地方在放置下模平面靠近與上模底座接觸面一側的一條線，變形最大的地方是放置下模平面的最外側。通過應力展示圖了解到，應力最大的兩個點在應力受力線的兩頂點，應力約為517 MPa，不超過Q456 的破壞應力極限。其余所受應力均小于Q456 的屈服極限，不會造成下模支撐零件的損壞。變形最大位移量為0.027 32 mm，在水平方向最外側，而放置下模的凹槽邊側最大變形為0.002 276 mm，遠小于捆帶寬度，在對捆帶沖壓做扣時不會造成影響。

針對這種應力集中結果可設置圓角減小應力的集中，但不設計的主要因素有兩個。其一，設計圓角后分析，應力絕大部分集中在圓角處，且應力大小大于不設計圓角20%左右，水平方向變形也略大于不設計圓角的方式。其二，不設計圓角方式易于對捆帶進行定位，保證捆帶不會在抽送帶和沖壓做扣時錯位。若改成圓角后為實現此功能，需要對下模支撐采用其他更復雜的方式定位，并且不設計圓角方式可以滿足強度要求，故對下模支撐零件采用直角設計。

2.2.3 螺桿校核

螺桿直徑為12 mm，螺紋螺距為5 mm，螺紋為梯形，螺紋軸所受軸向力為1334.24 N。

螺紋副擠壓強度校核，將數據代入公式計算為：

故螺紋副擠壓強度滿足要求。

自鎖性能校核。螺紋摩擦角Ψv=75°，導程S=5 mm，d=12 mm。

滿足自鎖條件。

對所有受力較大零件進行校核或有限元分析，均滿足使用要求。

2.3 鎖扣機構總體結構

計算鎖扣機構自由度，機構自由度公式為：

式中 F——機構自由度

n——機構的剛體構件數

P1——機構低副數

Ph——機構高副數

單組沖壓做扣機構的數據為：

根據公式，單組沖壓做扣扣機構自由度為：

需要一個動力源為上模底座壓桿。

整個鎖扣機構由3 組沖壓做扣機構組成，由于3 組沖壓做扣機構下模零件按線性排列在兩側支撐零件上，且結構尺寸、材料完全相同，其運動方式、運動時間、運動路線完全一致。使整個鎖扣機構與單個鎖扣機構的自由度相同為1。只需要上模底座主動運動就可以帶動鎖扣機構運行。

優化設計后的打捆頭鎖扣機構如圖10 所示。

圖10 優化設計后的鎖扣機構

鎖扣機構工作原理為：捆帶在打捆頭相應位置產生上下重疊后，螺桿旋轉，帶動兩側支撐零件對中移動，對齊上下兩層捆帶。壓緊帶頭后，反向回收多余捆帶并施加預緊力，鎖扣機構上模底座下降，對下模底座擠壓，使其繞旋轉軸旋轉，配合鎖扣，在上模底座尾部的切斷刀對多余捆帶進行切斷。做扣完成后，上模底座回收，下模底座被彈簧彈力所收回，捆帶由于預緊力回彈形成鎖扣，螺桿旋轉帶動兩側支撐零件1 向兩側運動，所有零部件歸位，準備下次打捆做扣工作。

3 方案特點及總結

設計的打捆頭鎖扣機構與其他同類產品不同之處在于可通過兩側支撐零件實現下模底座（兩側勾爪）的水平運動，且可使其受到上模底座（抵塊）的擠壓而繞旋轉軸旋轉，凹凸模具配合完成對鎖扣的沖壓。這種運動方式防止因下模底座（兩側勾爪）的旋轉運動而造成待捆物表面的破壞和捆帶接頭處翹起。

鎖扣機構機械結構較為簡單，并且機構內所有零部件結構較為簡單，降低了打捆頭的生產加工成本。沖壓鎖扣所用的模具采用粘合劑粘合在上模底座和下模支撐零件上。對與沖壓模具這種易損件設計了可更換方式，增大了打捆頭整體的使用時間。而且沖壓模具尺寸較小，結構并不復雜，生產加工比較方便，縮減成本。

4 結束語

設計的打捆頭鎖扣機構可以針對設計的新型免扣式鎖扣進行良好的沖壓做扣，并且做扣質量滿足行業要求，不會對待捆物造成刮傷。整體結構較為簡單，零件生產成本低，可滿足大部分鋼材打捆要求。