自動切澆道機的設計與應用

張 琰，賀 路，管天福

(湖北國土資源職業學院，武漢 430090)

0 引言

在注塑機中，將熔融狀態的塑料以高壓快速注射入閉合好的模腔內，與蝸輪輪轂結合，經固化定型后再脫模取出工件。通過注塑技術的應用能夠大幅降低生產成本，但是工件在注塑時產生的澆道需要單獨切除后才能滿足使用需求。企業之前采用人工加工的形式完成澆道的去除，如果能夠利用一種裝置自動切除澆道，使蝸輪質量標準達標，將大幅提升成型蝸輪生產企業的產量和效率[1]。

1 定位裝夾環節設計

工件的精準定位是保障澆道切除質量的重要因素，在澆道切除前必須將渦輪注塑件準確定位。同時為了提升工作效率，減少人工成本，需要將普通人工操作機械式裝夾裝置由自動裝夾裝置替代。工作臺在裝夾時要滿足固定精準、自動夾緊和松開、精準控制的需求。為實現上述需求，設計氣動卡盤機構，通過工廠氣源提供0.8 MPa，氣動回路控制換向，實現自動控制。根據渦輪注塑件的輪轂內徑尺寸選擇KL110-TQ-3型立式氣動卡盤。渦輪注塑件尺寸如圖1所示。安裝時重新配置夾具卡爪，用于定位成型蝸輪，為保障精度，限定其技術要求中粗糙度為Ra1.6 μm，平面度0.01 mm。為保證夾緊蝸輪輪轂，且能使頂桿順利頂出澆道，三個夾具卡爪組合后的內孔徑設計為16 mm，外圓直徑為24.9 mm，與爪行程組合，夾緊工件。

圖1 渦輪注塑件尺寸

2 澆道切除環節設計

在澆道切除設計中核心要素是切削刀具類型的選擇和刀具運動的控制。因為渦輪澆道的高度為78 mm，安裝切削刀具的刀架需要留有中心孔，才能在切削加工中不與澆道本身發生干涉，而刀具在選擇時需要兩把合金切削刀分別用于粗、精加工，精加工刀具需要高于粗加工刀具1 mm，保障加工精度[2]。為了減輕刀架的重量同時更方便刀具的更換，達到更好的動平衡效果和加工效率，選擇V型刀架。

在對刀具運動的控制中，主運動為刀具的圓周旋轉運動實現切削動作，同時進行進給運動，根據每轉切削深度需求控制刀具縱向進給運動。為滿足加工需求選擇MSR3P型動力頭，可以達到自動運動控制要求。該型動力頭最大加工行程為95 mm，渦輪澆道需要加工深度為7.6 mm，滿足功能要求。

3 澆道頂出環節設計

在對澆道切割完成后，需要設計對應環節將澆道從渦輪上取下。考慮澆道本身質量較輕，頂起所需力量小于50 N，同時頂桿運動為直線往復運動，運動簡單控制容易，因此頂桿驅動機構選擇氣缸驅動，使用工廠現有氣泵即可滿足驅動需求。頂桿前端選擇7×30°倒角方便定位，頂桿設計如圖2所示。

圖2 澆道頂桿設計

4 工件夾取環節設計

在完成渦輪澆道切除環節后需要自動夾取功能，取走工件。夾取環節設計選用倍得福氣動卡盤機構，采用PLC電氣控制系統，控制氣動回路運動，從而控制氣動卡盤運動，實現工件的夾緊、松開，實現自動上下料。夾取環節設計如圖3所示。

圖3 自動夾取裝置設計

5 工件移動方案設計

在澆道自動切除的過程中，對渦輪工件的位置有較高的要求，例如在上下料中氣動卡盤的裝夾，在切削動作中和刀架的位置配合，以及在澆道頂出時和頂桿位置的精確控制。為滿足定位需求同時兼顧工件運送的效率，在工件運送設計中選用氣動導軌的移動方案。利用氣動導軌帶動卡盤作直線運動，實現三工位高效轉移。同時在各工位安裝傳感器，實現定位的準確性，在澆道頂起環節使用機械限位機構，增加設備穩定性。工件移動方案設計如圖4所示。

圖4 工件移動方案設計

6 效果檢驗

結合各環節設計結果，完成自動切澆道機的系統框架布局如圖5所示。

圖5 自動切澆道機系統框架布局

對設備進行試運行后，對澆道切除后的渦輪進行觀察，所有工件澆道均已完成切除且無漏切件，切除部位光滑、無毛刺，輪輻外部無傷痕，工作連續不中斷。設備加工平均耗時12 s，包含上下料6 s和加工過程6 s，加工效率較高。利用游標卡尺對1 000件工件的澆道切除直徑進行檢測，檢測數據如圖6所示，所有工件均滿足尺寸要求。在設備中同時采用急停按鈕、安全光柵、安全門3項措施，實現設備的安全防護。

圖6 澆道切除直徑檢測數據

7 總結與展望

對渦輪注塑件自動澆道切除機進行設計，通過對工藝和四大核心環節的設計，最終確定采用氣動滑軌方式實現工位的移動，利用氣動卡盤完成工件裝夾，采用多刀刃配合動力頭實現切削運動完成澆道的切除，再利用氣缸驅動頂桿運動配合感應開關定位完成澆道頂出工作，最后采用氣動控制系統實現工件取出。解決了渦輪機構實際生產中對澆道的切除要求滿足速度快、精度高、效率好的多方面需求。最終完成了設備的整體系統布局，試運行設備后效果較理想，實現了設計目標。對相似注塑件的自動澆道切除機設計具有一定的參考價值和借鑒意義。

在該設備的設計過程中發現還有一些細節可以繼續探究和優化。1)在澆道切除環節設計中，對于切割刀具只有材料上選擇為合金刀頭，但是對于刀頭的工作尺寸沒有作進一步的探究。針對澆道的尺寸應該選擇相適應的刀頭，刀頭尺寸設計對提升切割精度、延長刀頭使用壽命、提高動力頭的驅動效率都有較大幫助[3]。2)在工件移動方案設計中，僅采用傳感器檢測位置和機械限位機構完成氣動卡盤的位置確定，在定位上手段較單一，精度不夠高，也導致了在試運行工件測量時，澆道切除直徑存在較大的上下偏差。在后期設計改良中可以采用多形式更精確的定位結構，提高多次裝配精度，同時降低因部分定位機構故障發現不及時而出現加工不穩定的幾率。