H1F数控冲床惰轮式模内自动排废机构的设计和开发

吴少华，石皋莲，徐明龙，吴佃国

(1.苏州工业职业技术学院，江苏苏州215104;2.昆山立创工业技术服务有限公司，江苏苏州215300)

随着现代制造业的迅猛发展，冲压生产的手工送料已逐步被自动送料机构所取代。然而冲压模在生产过程中产生的大量废料却未有效实现自动排废，冲压模具内的废料清理始终困扰和制约着冲压生产的效率［1－3］。据现场统计:连续模每打1 h 须停机4.5 min清理废料，因停机排废料而浪费的时间占整个作业时间的6.9% 以上。频繁的停机对冲床的使用寿命也有很大的影响，特别是对电控系统的伤害很大。当前业界一般都是通过人工手动方式将其排到废料箱内，制约了冲床的有效稼动率［4－5］。

针对冲压机床模具内的废料清理存在的问题，以AC 交流伺服压力机H1F 数控冲床为例，提出了惰轮式排废料机构，以现代设计软件NX CAD/CAE 为平台，进行设计、运动分析与改进［6］。通过实验比较，对排废料机构的设计参数进行优化，并对整个设计进行效益评估。惰轮式模内自动排废料机构对于延长冲床的使用寿命、提高冲床的有效稼动率、减轻员工的作业强度、实现绿色制造、快速提升产能等具有现实意义。

1 设计原理

借助冲床动力，利用惰轮压合放大原理，将短行程的压合动作通过钢丝绳放大成长距直线运动，从而达到自动排除废料的目的［7］。惰轮式排废料装置设计方案图如图1所示，其优点是:使用寿命长，能耗低，排料效果好，适用于任何型号的机台，解决了伺服冲床开模行程小的难点，调节方便，便于快速换装，安全系数高;其缺点是:制作安装要求相对较高。

图1 惰轮式排废料装置设计方案图

2 设计方案

惰轮压合式排废料机构主要由可调式上压杆、排废主机、滑料板三部分组成，各机构具体设计细节如下。

2.1 上压杆设计

根据使用要求，其结构必须满足以下要求:高度调节方便，具有安全防呆措施，具有自动平衡调节功能。

在高度调节方面，采用可调式螺纹紧固，高度采用模糊调节，也就是调节到差不多位置即可，高度超出要求一定范围不影响使用。同时，这也是一个安全防呆设计，利用弹簧过载回缩原理，当下压距离超出有效压合距离的时候，即上压杆下压上压板至限位块时，由于冲床上台盘还在继续向下运动，弹簧会压缩，避免刚性撞击，直至合模结束台盘上升至有效压合距离，弹簧恢复到原始状态，弹簧保护载荷设计要求为必须大于排废主机的驱动力1.5 倍以上，小于排废主机的驱动力3 倍以下。另外下压杆下压时，由于加工安装难免存在误差，压辊不一定能绝对和排废主机的压板保持在同一平面，主机的导柱有可能会卡死，或加速磨损，因而在其压辊部位，设计了一个自调节结构，其主体结构如图2所示。

图2 压杆主体机构

压杆机构主要由压杠套、上固定架、压杆轴、弹簧、压轮、压头桶等组成，其中上固定架和压杆轴、压头桶为焊接结构件，压头框架安装在压杆轴上，框架设计成+5°的修正量，当压辊和排废主机的上压板不在同一平面时，+5°的修正量可以自动导正，使其在同一个平面，这样可以保证压轮能很好地贴合排废主机上压板，使上压板受力均匀，平稳下压，减少磨损，提高使用寿命。压轮的材质为中硬优力胶，具有缓震降噪的作用，可以避免与上压板接触时因碰触产生噪声，同时可以避免受力不均而导致的导柱卡死致快速磨损，高强度弹簧有效解决了过载保护问题。

2.2 排废主机的设计

主要是利用惰轮压合放大原理，其主体结构如图3所示，主要由主架体、压合轮机构、曲柄滑块机构、缓冲机构、座架等5 个部分组成。主架体主要是由上压板、下压板、4 根导柱组成。上下压板设计有定位槽，用于安装压合轮构件，压合轮组件结构如图4所示。

图3 排废主机主体结构图

图4 压合轮组件结构三维建模图

在图5 中，当上压辊压下上压板的时候，上压板上两个滑轮下压钢丝绳，钢丝绳一端固定在缓冲器上，压合的瞬间产生冲击力，此时钢丝绳拉动缓冲器连杆，连杆压缩弹簧与钢丝绳一起运动一段距离，缓解了对钢丝绳的冲击力。

图5 排废主机主体结构端面示意图

另一端固定在曲柄惰轮的带槽上，钢丝绳下压时，就会驱动曲柄顺时针转动。由于采用的双压合结构，所以下压很短距离就能驱动曲柄转动。设计曲柄转动角度为120°，并设有限位柱，当曲柄转到120°时，下压板被限位柱阻止。此时，上压杆保护弹簧开始吸收余下的下压量，直至上台盘运动至下死点弹簧一直在吸收余下的下压量。当上压板回程时，压合主机复位弹簧拉回曲柄滑块机构，完成复位动作，且复位时的速度快于进位速度，这样机构就具有一定的急回特性，更便于滑料板的排废。滑料板一端装有滚轮，可以在冲模底座板上自由移动，另一端用快速换装块固定在一根钢管上，钢管套在滑块构件驱动轴上，从而实现自动排废的动作。

2.3 滑料板的设计

为了实现换模快速换装滑料板，设计了一个快速换装块，如图6所示，旋转活动挡杆用弹性钢珠定位，只要用力旋转挡杆就可以快速取下滑料板，装滑料板的时候只需将挡杆旋转至快卡槽的弹性钢珠中即可。

图6 快速换装实体图

为了达到更好的排废料效果，滑料板安装角度的选定很重要，如果角度太小，废料难以顺利排出，如果角度过大，会占用很高的高度，那样模脚就要求做得很高。而实际很多模具由于模板占用的高度很高，模脚会很低，一般模脚不会超过200 mm。那角度多大最合适呢?为了验证这一数据，建立了DOE 正交实验模型，运用实验设计理念来论证合理的角度［8］。设定的参数见表1，实验设计数据见表2。

表1 DOE 正交实验设定参数

表2 实验设计数据

通过实验比较，结合排废料机的设计参数，发现当滑料板倾角为5.5°时在很广的工况条件下都能有很好的排废料效果，排废率达到98%以上，超过设计要求的95%的排废率。这个角度适合绝大多数的冲压模具的安装，模脚最低高度为150 mm，所以滑料板设计安装角度定为5.5°。

3 效益预估(不计人工节省费用)

通过改善，冲床连续模每小时节省6 min 的停机时间，则每天节省时间(20 h/d):t1=20 ×6 =2 h，试验机台300T 伺服冲床工费率284.83 元/h，按每月26 个工作日计，月节省费用C1=284.83 ×2 ×26 =14 811.16元。模内自动排废料装置单机开发费用为7 500 元，批量开发费用会降低40%以上，折旧期以60 个月计，每月分摊成本C2=7 500/60 =125 元，单台冲床月节省成本:C =C1－C2=14 811.16－125 =14 686.16，连续模平均年稼动率为60%，单台300T伺服冲床年节省费用为14 686.16 × 12 × 60% =105 740 元。

4 结束语

针对H1F 数控冲床生产中排废料工作存在的实际问题，提出了惰轮压合式模内排废料机构的开发方案，采用NX 软件进行设计、运动分析与改进;通过实验比较，对排废料机构的设计参数进行优化，并对整个设计进行效益预评估。结果表明，设计和开发的排废料机构能达到高效能、自动化、冲床通用性良好、使用寿命长、排废料效果好、节能环保等设计改善目标，且不需要用电或气源，可以直接用机械驱动，因此，在五金冲压产业具有非常广阔的应用前景。

【1】南雷英，戚春晓，孙友松.冲压生产自动送料技术的现状与发展概况［J］.锻压装备与制造技术，2006(2):18－21.

【2】孙友松，张宏超.金属板材加工设备发展新动向:2004上海国际金属板材加工设备展览会［J］.锻压技术，2004，29(4):1－4.

【3】朱吉良，沙永柏，赵晓影.陆地钻机立柱式钻杆自动传送系统研究［J］.机床与液压，2012，40(2):1－3.

【4】刘玉彩.轮胎设备稼动率分析和改善初探［J］.橡塑技术与装备，2008，34(4):33－38.

【5】张英芝，贾亚洲，杜庆林，等.数控冲床故障分析［J］.机床与液压，2004(9):187－188.

【6】石皋莲，吴少华.UGNXCAD 应用案例教程［M］.北京:机械工业出版社，2010.

【7】机械设计手册编委会.机械设计手册［M］.3 版.北京:机械工业出版社，2004.

【8】茆诗松，周纪芗，陈颖.试验设计:学习指导与习题［M］.北京:中国统计出版社，2005.