可換位沖槽定子圓片落料模的研制

陳 鋒，詹順余

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

硅鋼片有良好的磁導(dǎo)率，常用來制造電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心沖片。硅鋼片在軋制過程中受生產(chǎn)工藝和制造設(shè)備的限制，硅鋼片的板厚不可避免地存在一定偏差。在定子鐵心壓裝過程中，如果每一張定子沖片都按照同一個(gè)方向堆疊，將會(huì)造成定子鐵心在圓周上質(zhì)量分布不均勻、各處磁導(dǎo)率不相同，磁場(chǎng)強(qiáng)度相差較大，從而造成電機(jī)運(yùn)行中噪聲、振動(dòng)、溫升等指標(biāo)異常，影響電機(jī)的制造質(zhì)量。因此在沖片設(shè)計(jì)制造過程中，通常要求沖片循環(huán)換位沖制，克服硅鋼片厚度偏差，最大限度保證壓裝后定子鐵心質(zhì)量分布均勻、各個(gè)方向上力學(xué)性能相同、磁場(chǎng)分布均勻。

常規(guī)剪沖工藝，定子圓片沖制分為兩道工序：(1)圓形片落料；(2)沖片經(jīng)人工旋轉(zhuǎn)一定角度沖制定位鍵槽。按照該工藝方法，工作效率低，工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出錯(cuò)，不利于產(chǎn)品流轉(zhuǎn)。于是提出了將落料與沖槽兩道工序合并為一道工序，設(shè)計(jì)可換位沖槽定子圓片落料模。該模具在傳統(tǒng)落料模的基礎(chǔ)上，增加了可換位鍵槽凸模，文中主要介紹可換位鍵槽凸模模塊的設(shè)計(jì)。

1 模具鍵槽凸模的設(shè)計(jì)

1.1 鍵槽凸模設(shè)計(jì)方案

根據(jù)沖片工藝要求，提出模具設(shè)計(jì)思路：在復(fù)試落料模的基礎(chǔ)上，增加可換位鍵槽凸模模塊，相鄰兩個(gè)換位鍵槽的夾角設(shè)計(jì)為90°。模具工作時(shí)，第一張沖片鍵槽位于Y軸正方向，第二張沖片鍵槽位于X軸正方向，第三張沖片鍵槽位于Y軸負(fù)方向，第四張沖片鍵槽位于X軸負(fù)方向……(圖1)，如此實(shí)現(xiàn)循環(huán)換位沖制。沖片壓裝時(shí)，相鄰的兩張沖片相差90°，避免由于沖片板厚偏差而導(dǎo)致的質(zhì)量問題。

圖1 循環(huán)換位沖制示意圖

1.2 鍵槽凸模機(jī)械部分設(shè)計(jì)

1.2.1 鍵槽凸模模塊的結(jié)構(gòu)

鍵槽凸模模塊包括氣動(dòng)斜楔組件和凸模組件兩部分(圖2)，氣動(dòng)斜楔組件包括氣缸、氣缸固定板、斜楔等，凸模組件包括鍵槽凸模、固定板、彈簧、調(diào)節(jié)環(huán)等。氣缸頂出時(shí)，帶動(dòng)斜楔將凸模頂出，氣缸縮回時(shí)，帶動(dòng)斜楔縮回，凸模組件內(nèi)的壓簧將鍵槽凸模壓回至初始位置。壓簧存在一定的預(yù)壓力，鍵槽凸模(上模)不會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔枚袈洌瑫r(shí)更換修理鍵槽凸模也十分方便。

圖2 間歇工作原理

1.2.2 間歇工作原理

模具設(shè)計(jì)過程中，在中心線上四個(gè)方位加入四個(gè)鍵槽凸模，每一次沖制只有一個(gè)鍵槽凸模處于工作狀態(tài)。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，最重要的是實(shí)現(xiàn)鍵槽凸模的間歇工作(圖2)。鍵槽凸模的初始位置低于模具工作刃口平面，處于非工作狀態(tài)，當(dāng)機(jī)床滑塊下行，通過磁性傳感器觸發(fā)一次指令，控制打開氣閥，第一處氣缸頂出，同時(shí)頂出斜楔，斜楔作用于鍵槽凸模底部滑塊，將鍵槽凸模頂出，此時(shí)，鍵槽凸模在模具工作刃口平面內(nèi)，處于工作狀態(tài)，完成一次沖槽。當(dāng)機(jī)床滑塊第二次下行時(shí)，再次觸發(fā)指令，第一處氣缸活塞缸縮回，帶動(dòng)拉回斜楔，鍵槽凸模在凸模組件內(nèi)部彈簧作用下，使凸模回到原始位置，同時(shí)第二處氣缸頂出，第二處鍵槽凸模處于工作狀態(tài)，第一處鍵槽凸模處于非工作狀態(tài)。鍵槽凸模的工作狀態(tài)與非工作狀態(tài)存在6 mm高度差，兩次觸發(fā)實(shí)現(xiàn)了工藝鍵槽的間歇工作。

1.3 氣缸的選用

氣缸是實(shí)現(xiàn)鍵槽凸模間歇工作、換位的動(dòng)力元件，其作用是保證模具的正常換位而不影響其他各部分元件的正常工作。在試驗(yàn)時(shí)，上模座按圖3示意安裝放置，氣缸在推進(jìn)過程中，克服斜楔自重和壓簧壓力產(chǎn)生的摩擦阻力，達(dá)到最大行程。

圖3 氣缸調(diào)試圖

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：

斜楔質(zhì)量m=ρV=1.421 kg，

斜楔自重G=ρVg=14.21 N，

其中ρ為斜楔材料密度；V為斜楔體積；g為重力加速度。

斜楔工作時(shí)根據(jù)斜楔機(jī)構(gòu)力學(xué)矢量圖(圖4)，可以得到：

圖4 受力示意圖

彈簧的最大回復(fù)力P=44.1 N，滑塊斜面角度為α=30°，求得垂直于斜面的作用力Q=88.2 N。

斜楔斜面角度β=60°，可以求得水平推力F=76.4 N，底面支撐力V=44.1 N。

根據(jù)表1，選擇靜摩擦系數(shù)μ=0.15，最大靜摩擦力f=μ(G+V)=5.8 N。

表1 摩擦系數(shù)表[1]

模具觸發(fā)信號(hào)發(fā)出到執(zhí)行到位的時(shí)間間隔t=0.2 s，

氣缸需要提供推進(jìn)力F總=F+f+F動(dòng)=84.7 N。

根據(jù)公式：F總×S=P氣，因此可以求得：

在0.4 MPa的工作壓力下，忽略活塞桿的直徑d，計(jì)算得氣缸內(nèi)徑的理論值D=16.42 mm，氣缸的安全系數(shù)為1.5，因此，選用缸徑Φ25 mm的氣缸，能夠滿足工作要求[2]。

模具在實(shí)際工況下，上模座翻轉(zhuǎn)放置，彈簧回復(fù)力與斜楔自重抵消掉一部分，實(shí)際的氣缸推動(dòng)力將比試驗(yàn)時(shí)要小。

1.4 鍵槽凸模電氣部分設(shè)計(jì)

1.4.1 智能控制裝置范圍和用途

鍵槽凸模的間歇工作通過智能控制裝置來實(shí)現(xiàn)。智能控制裝置由氣動(dòng)執(zhí)行元件(氣缸)、磁性開關(guān)、氣源處理元件、氣動(dòng)控制元件(方向控制閥)、PLC、接近開關(guān)等元件組成， 實(shí)現(xiàn)可換位沖鍵槽定子圓片落料模在沖床沖次在25～30次/min情況下，完成4個(gè)鍵槽凸模循環(huán)連續(xù)沖制沖片，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模具狀態(tài)，出現(xiàn)故障及時(shí)停機(jī)。智能控制裝置的控制系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：(1)PLC程序，用來檢測(cè)1號(hào)到4號(hào)氣缸頂出和縮回時(shí)是否到位。(2)指示燈，用來循環(huán)顯示1號(hào)到4號(hào)氣缸的狀態(tài)。

1.4.2 智能控制裝置功能

智能控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)工作模式。具體要求見功能圖(圖5)。工作模式一：4只氣缸全部頂出，檢測(cè)氣缸與鍵槽凸模是否工作正常。工作模式二：4只氣缸全部縮回，檢測(cè)氣缸與鍵槽凸模是否工作正常。工作模式三，從1號(hào)氣缸至4號(hào)氣缸依次開始工作，能夠?qū)崿F(xiàn)異常報(bào)警。工作模式中氣缸動(dòng)作由接近開關(guān)或機(jī)床上死點(diǎn)信號(hào)觸發(fā)，也可以手動(dòng)按鈕觸發(fā)。為滿足不同機(jī)床的工作條件，智能控制裝置在“接近開關(guān)觸發(fā)或手動(dòng)按鈕觸發(fā)”與“機(jī)床上死點(diǎn)信號(hào)觸發(fā)或手動(dòng)按鈕觸發(fā)”這兩種不同的狀態(tài)下控制氣缸動(dòng)作。在機(jī)床滑塊上死點(diǎn)向下運(yùn)行時(shí)觸發(fā)接觸開關(guān)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)氣缸未到位時(shí)發(fā)出警報(bào)和機(jī)床急信號(hào)。

圖5 智能控制裝置工作模式

1.4.3 系統(tǒng)功能定義

(1) 系統(tǒng)控制I/O定義為

X0： 1號(hào)氣缸伸出， Y0： 1號(hào)氣缸伸出；

X1： 1號(hào)氣缸后退， Y1： 1號(hào)氣缸縮回；

X2： 2號(hào)氣缸伸出， Y2： 2號(hào)氣缸伸出；

X3： 2號(hào)氣缸后退， Y3： 2號(hào)氣缸縮回；

X4： 3號(hào)氣缸伸出， Y4： 3號(hào)氣缸伸出；

X5： 3號(hào)氣缸后退， Y5： 3號(hào)氣缸縮回；

X6： 4號(hào)氣缸伸出， Y6： 4號(hào)氣缸伸出；

X7： 4號(hào)氣缸后退， Y7： 4號(hào)氣缸縮回；

X10： 沖床下降， Y10： 故障報(bào)警；

Y11： 沖床下降。

(2) 電氣控制柜

控制柜內(nèi)部分為電路部分和氣路部分，能夠進(jìn)行手動(dòng)操作和柜上信號(hào)監(jiān)視。

(3) 系統(tǒng)操作方式的轉(zhuǎn)換

智能控制裝置中各個(gè)分系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，相互無邏輯連鎖，使手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換能順利進(jìn)行。正常運(yùn)行時(shí)均至自動(dòng)位，當(dāng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，將該分系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開關(guān)至手動(dòng)位，手動(dòng)起停相應(yīng)設(shè)備。其余設(shè)備仍自動(dòng)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

2 機(jī)床試沖

模具裝配完成并且完成智能控制裝置的調(diào)試后，在剪沖分廠龍門沖床上進(jìn)行了試沖(圖6)，氣動(dòng)元件通過沖床滑塊的上下移動(dòng)觸發(fā)，在4 kg壓力下，完成一個(gè)循環(huán)的沖制，其余各模塊能夠正常工作，沖片(圖7)各部分尺寸及毛刺均滿足工藝要求。

圖6 模具試沖

圖7 試沖沖片

3 結(jié)論

(1) 模具的成功研制，實(shí)現(xiàn)了一副新結(jié)構(gòu)的模具代替兩副傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模具，達(dá)到了定子圓片落料和沖槽合為一道工序目的，極大地降低了模具制造成本，減少了剪沖工序，加快了生產(chǎn)流轉(zhuǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

(2) 模具制造中，引入了PLC以及氣動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)了模具電氣自動(dòng)化，為以后新模具的研發(fā)提供了思路。

(3) 模具制造取得了一定的成功，但是由于新模塊的加入，在模具防銹，機(jī)械元件潤(rùn)滑等尚有不足之處，需要不斷完善，模具刃磨時(shí)需要增加防護(hù)措施。