Σ立柱生產(chǎn)線的設(shè)計與應(yīng)用

張新利 朱志會

(江蘇國強控股集團(tuán)，江蘇213363)

Σ立柱生產(chǎn)線的設(shè)計與應(yīng)用

張新利 朱志會

(江蘇國強控股集團(tuán)，江蘇213363)

國內(nèi)第一條專業(yè)生產(chǎn)Σ立柱的生產(chǎn)線，雖然存在一定的實施風(fēng)險，但其定尺精度高，斷面切斷整齊，用工成本有較大的改善。

Σ立柱；生產(chǎn)線；伺服電機；遞送沖孔

Σ立柱形狀復(fù)雜，主要應(yīng)用在國外高速公路護(hù)欄系列產(chǎn)品領(lǐng)域。幾年來，公司外貿(mào)部門全力開發(fā)銷售，取得了較大的業(yè)績，市場占有額逐年遞增。特別是今年以來，該產(chǎn)品的訂單一再追加，交貨能力非常緊張。造成這種局面的原因，不僅是業(yè)務(wù)量增大，更多的是我們生產(chǎn)環(huán)節(jié)太原始，投入人工較多，除了冷彎成型外，切斷和沖孔均需離線完成，其生產(chǎn)效率可想而知，制造成本也很難控制。生產(chǎn)和銷售部門已經(jīng)疲于應(yīng)對，生產(chǎn)能力的提高迫在眉睫。Σ立柱如圖1所示。

圖1 Σ立柱示意圖

目前，公司生產(chǎn)外貿(mào)產(chǎn)品的主要生產(chǎn)線為750冷彎線，其涵蓋產(chǎn)品種類十多種，為了滿足外貿(mào)市場需要，必須經(jīng)常更換模具，每次換模時間需要兩個班，包括調(diào)試時間，無法控制其成材率和生產(chǎn)產(chǎn)能。并且這條冷彎線生產(chǎn)規(guī)格范圍較寬，帶鋼最大寬度為750 mm，而Σ產(chǎn)品所用帶寬為235 mm，因此，成型不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)截面尺寸不符合圖紙要求的現(xiàn)象。2016年1月公司立項建設(shè)Σ立柱生產(chǎn)線，6月投產(chǎn)運行。

1 設(shè)計思路

1.1 設(shè)計方案

采用先矯平，而后定尺沖孔，再連續(xù)成型，最后隨動定尺剪斷并輸出的連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)方式。確保沖孔定尺的準(zhǔn)確性，通過帶鋼的輸送確定沖孔位置，由伺服電機控制，并且在沖孔位置的前后設(shè)有活套，以保證前后帶鋼的自然張力狀態(tài)。

1.2 設(shè)計參數(shù)與設(shè)備

所有設(shè)備的選型以生產(chǎn)Σ產(chǎn)品為主，其動力參數(shù)和工藝設(shè)備確保能正常生產(chǎn)。包含開卷機、直頭機、矯平機、伺服送料裝置、沖孔設(shè)備、冷彎成型機、自動切斷機、全線自動控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)。為了充分應(yīng)用現(xiàn)有配套軋輥，要求有效成型架次為16道(水平輥)，生產(chǎn)Σ立柱開口朝下。

帶鋼最大展開寬度按500 mm設(shè)計，最大成型厚度按4.5 mm設(shè)計。

對于Σ立柱的在線連續(xù)生產(chǎn)，整線設(shè)計時按照最大生產(chǎn)速度20 m/min設(shè)計，以確保實際生產(chǎn)中能達(dá)到4塊/min(板長3 m)的生產(chǎn)速度。

1.3 設(shè)計先進(jìn)性

該生產(chǎn)線可有效提高生產(chǎn)效率，全線電氣實現(xiàn)自動控制，在正常生產(chǎn)過程中，整條生產(chǎn)線只需要3～4人即可完成全部工作工序。

該生產(chǎn)線的先進(jìn)之處在于：首先是帶鋼的連續(xù)式生產(chǎn)，既可以更好地保證板型的質(zhì)量及孔系位置尺寸的精度，又可以大幅度提高生產(chǎn)效率；其次是自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效降低操作工人的數(shù)量。

2 主要參數(shù)及工藝流程

完全按照Σ產(chǎn)品的制造工藝組織相關(guān)設(shè)備，形成了一條Σ產(chǎn)品專用的自動化生產(chǎn)線，從而簡化了工藝流程，大大減少了人工投入，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了穩(wěn)定提高。

1—自動落料及接料裝置 2—輸送輥道 3—跟蹤切斷機 4—冷彎成型機(主機) 5—伺服送料機 6—沖孔壓力機 7—抽料矯平機 8—籠式儲料倉 9—活套送料機 10—剪切對焊機 11—1#矯平機 12—直頭機 13—開卷機 14—車間地平 15—沖孔壓力機液壓站 16—矯平、剪切液壓站 17—開卷、直頭液壓站 18—主機及切斷操作臺 19—前準(zhǔn)備段操作臺

2.1 性能參數(shù)

原材質(zhì)屈服強度：≤350 MPa

原材料板寬：≤300 mm，公差0～-0.5 mm

原材料板厚：≤4.5 mm，公差±0.15 mm

縱剪直線度：0.5 mm/m

帶卷重量：≤5 t

帶卷外徑：≤1200 mm

帶卷內(nèi)徑：508～610 mm

運行效率：10 m/min

占地面積：30 m×4 m=120 m2

生產(chǎn)方式為半連續(xù)性生產(chǎn)，帶鋼頭尾停機對接。傳動型式為單電機集中傳動，齒輪箱為下軸傳動，上軸被動(根據(jù)需要可設(shè)立上下傳動架次)，產(chǎn)品長度和規(guī)格調(diào)整均采用觸摸屏實現(xiàn)，顯示均為數(shù)字。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

產(chǎn)品范圍：高精度Σ立柱、U型立柱等展開寬度不超過500 mm的冷彎型鋼

產(chǎn)品材質(zhì)：Q195～Q235B

產(chǎn)品壁厚：2.0～4.5 mm

定尺長度：1.5～10 m

定尺精度：±2 mm

成型方法：連續(xù)輥彎成型形式

進(jìn)料方向：左進(jìn)料

最大成型速度：20 m/min

2.3 工藝流程

Σ生產(chǎn)工藝流程為：上料→開卷→矯平→接頭焊接→成型→飛鋸切斷→二次定尺切割→去端面毛刺→沖孔。工藝流程圖見圖2。

由于飛鋸切斷產(chǎn)生毛刺嚴(yán)重，必須采用普通帶鋸進(jìn)行二次定尺切割，鋸條用量很大，并且需要大量人力周轉(zhuǎn)作業(yè)，同時物料消耗也無法控制。

3 設(shè)備組成

3.1 組成

該設(shè)備包括開卷機、帶鋼直頭機、雙夾送矯平機、剪切對焊機、伺服送料裝置、高速沖孔壓力機、冷彎成型機及在線隨動切斷設(shè)備八部分組成。為了保證切口端面符合要求，沖孔機安裝有預(yù)沖裝置，將型材彎角處預(yù)先沖出切口。

3.2 開卷機

開卷機采用主動式液壓單錐形式，用于支撐帶鋼卷，并具有主動放料、防散卷及制動功能。開卷機由底座、錐頭脹縮裝置、壓料防松裝置、驅(qū)動電機及液壓部件等組成。

3.3 帶鋼直頭機

帶鋼直頭機用于將彎曲的帶鋼頭部送進(jìn)矯平機的夾送輥，由壓頭、托板、伸縮鏟板、焊接機架等組成。壓頭主要用于壓住板卷料頭部，防止散卷，并壓平料頭，方便進(jìn)入校平機。托板可以上下擺動，用于托住料頭，便于展平，并且順利進(jìn)入校平機伸縮鏟板用于接住料頭，引入托板。

3.4 雙夾送矯平機

矯平機對帶鋼彎曲進(jìn)行全尺寸矯平，以便于順利進(jìn)行后續(xù)的伺服送料及沖孔。該矯平機可自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)矯平速度，與主機及伺服送料機自動同步。矯平機由前后兩套(共四組)對中立輥、兩對夾送輥、七輥矯平機構(gòu)及主傳動機等組成。對中立輥由人工手動調(diào)節(jié)；夾送輥為二輥式雙遞送，手動調(diào)節(jié)壓下；矯平輥為七輥式，上三輥下四輥，下輥主傳動。主傳動電機選用頻率為11 kW的變頻電機。

3.5 剪切對焊機

對焊機包括液壓剪板機、壓料焊接平臺、夾送機等幾部分組成。對焊機將帶鋼卷的頭部和尾部不合適的帶鋼沿垂直方向剪斷，將兩卷帶鋼的頭尾焊接連在一起，使后序的沖孔和成型能連續(xù)進(jìn)行。

3.6 伺服送料裝置

送料裝置由機架、壓緊系統(tǒng)、伺服電機及伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。送料裝置按照沖孔實際所需步距長度送進(jìn)板料，送料精度準(zhǔn)確無累積公差，一次性可設(shè)置多組送料參數(shù)，方便快捷。伺服送料機含有1對送料輥，使用彈簧壓料，采取氣動壓緊送料形式。伺服電機配合編碼器測長控制送料過程。

3.7 高速沖孔壓力機

該沖孔機所配液壓系統(tǒng)是專門為此液壓機開發(fā)的。該高速專用液壓機專為冷彎生產(chǎn)線在線沖孔設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)合理、速度快、使用壽命長、調(diào)整方便等優(yōu)點。液壓機采用泵、蓄能器控制方式，采用專用液壓控制模塊，具有沖裁速度快，噪音小等特點，并且配有冷卻器散熱，以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。

3.8 冷彎成型機

冷彎成型機水平輥架數(shù)量為16架；兩架水平輥架間距離為600 mm，機架的結(jié)構(gòu)形式為龍門式。機架的材質(zhì)為ZG35(或Q235鋼板焊接)，加工前去應(yīng)力退火處理。機架窗口寬為160 mm，窗口處有效厚度為78 mm，機架外寬為280 mm，機架與底座用M24螺栓固定。水平軸固定端軸承采用22215。軸承之間加8 mm厚墊，水平軸活動端軸承采用NU2215E。軸承之間加15 mm厚墊。機架的加工精度等級為7級，厚度尺寸用平面磨床保證精度為0～-0.04 mm，保證內(nèi)槽公差為0～+0.05 mm，垂直度公差≤±0.04 mm。機架所有定位孔的加工采用鉆模加工，保證全部具有互換性。各成型機架軸承座滑塊尺寸相同，在所有機架之間完全互換。機架上輥軸可通過調(diào)節(jié)絲杠上下調(diào)整，下輥軸高度靠墊塊調(diào)節(jié)保證。成型水平機架采用下軸主動、上軸被動。上下水平輥軸均預(yù)留同步齒輪位置。水平輥軸與傳動箱之間的連接為“解放141”萬向傳動軸連接，成型機架水平輥軸直徑90 mm，材質(zhì)為40Cr，熱處理為整體調(diào)質(zhì)處理220～250HBW，表面高頻淬火為52～55HRC。為適應(yīng)Σ立柱生產(chǎn)的特殊性，該機組的后四架采用快換式結(jié)構(gòu)及斜側(cè)輥成型。冷彎成型如圖3所示。

根據(jù)常規(guī)孔型，該沖孔模具一次沖出Σ立柱6個孔，伺服送料機一次送料沖所有孔，減少送料時間，提高效率，并確保孔位置尺寸精度的準(zhǔn)確性。沖孔模具采用專用快速沖模，具有回程快，更換沖頭方便等優(yōu)點，大大縮短了換模時間，提高了效率。該模具的凸模(沖頭)及凹模均采用SKD11材質(zhì)。

圖3 冷彎成型圖

3.9 在線隨動切斷設(shè)備

切斷設(shè)備的作用是將成型制件定尺切斷，整個工作過程不需要整線停止，隨動切斷。由插銷定位控制切斷，速度快，效率高，定尺準(zhǔn)確。切斷設(shè)備由床身、直線導(dǎo)軌，行走小車、剪切機架、定位系統(tǒng)以及切斷模具等組成。切刀模式采用雙刃落料剪切。

4 應(yīng)用分析

4.1 產(chǎn)能分析

Σ立柱產(chǎn)品長度不一，有1.95 m、2.45 m、2.7 m、2.9 m、3.3 m不等，相對來說長度尺寸變化不算很大，因此，如果采用在線完成沖孔切斷，機組運行速度必然受到限制，經(jīng)前期調(diào)研，其運行速度約為10 m/min，按照長度為3.3 m的成品估算，每分鐘生產(chǎn)3支成品，每班4個人生產(chǎn)產(chǎn)能為3×60×10=1800支。而目前生產(chǎn)同樣數(shù)量的產(chǎn)品，需要成型初切斷6人，二次切割6人，沖孔6人，共投入18人。因此，雖然產(chǎn)能上沒有提高，但物料消耗減少，用工情況節(jié)省很多，制造成本得到有效控制。

4.2 生產(chǎn)線優(yōu)點

該生產(chǎn)線定尺精度高，是一條端面切斷齊整的Σ產(chǎn)品專線。其優(yōu)點為：

(1)沖孔位置采用伺服電機控制。伺服電機采取遞送沖孔。沖孔機按要求變步距送料，滿足沖孔要求。在范圍內(nèi)可自由設(shè)定送料速度，可輸入多組不同的送料長度。送料精度為±0.2 mm/步。

(2)切斷方式采取在線切斷。為了保證切斷質(zhì)量，在沖孔機安裝預(yù)沖裝置，將型材彎角處預(yù)先沖出切口，以防止后切斷時產(chǎn)生拉伸變形，同時也為后切斷起定位作用。

(3)該液壓系統(tǒng)是專門為沖孔機開發(fā)的，液壓機采用泵、蓄能器控制方式，采用專用液壓控制模塊，具有沖裁速度快，噪音小等特點，并且配有冷卻器散熱，以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。

[1] 王先進(jìn). 冷彎型鋼生產(chǎn)及應(yīng)用[M] 北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[2] 林時憲. 國外冷彎型鋼[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

編輯 陳秀娟

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Design and Application of Σ Vertical Column Production Line

Zhang Xinli, Zhu Zhihui

The first Σ vertical column professional production line in domestic has been established, its higher size precision and trim fracture section cutting improved the production costs even though existing practice risk.

Σ vertical column; production line; servo motor; delivery of punching

2017—02—21

張新利(1975—)， 男，本科，機械工程師。

TG315.5+4

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