模具自動化改造分析與應用

文/梁芳，周康·南京依維柯汽車有限公司

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展進步，沖壓件的生產(chǎn)方式由原來的手工上料生產(chǎn)逐漸轉為自動化生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)方式大大節(jié)省了人工成本，在生產(chǎn)效率以及操作安全方面也優(yōu)勢明顯。近年來，各大汽車主機廠以及代加工廠紛紛引入了沖壓自動化生產(chǎn)線，那么就出現(xiàn)了原有的手動線老模具將無法直接匹配自動線生產(chǎn)使用的問題，重新開發(fā)自動化模具投資大且周期長，所以如何將現(xiàn)有手動線模具進行自動化改造滿足自動線生產(chǎn)要求尤為必要。

改造可行性分析

沖壓產(chǎn)品的形狀、工藝以及原始的模具結構會直接影響自動化改造后生產(chǎn)的通過性與效率。并不是所有的手工上料模具都適合進行自動化改造。在決定是否改造前，需了解自動化改造對產(chǎn)品和模具的基本要求，進行可行性分析，避免盲目投資帶來的損失。

產(chǎn)品形狀分析

一般情況下大中型的外覆蓋件、表面形狀相對平緩的中大型結構件比較適合自動化改造。而一些框架件、中小結構件，由于表面鏤空多、形狀面狹窄復雜，不便布置端拾器吸盤，易抓取不穩(wěn)。還有一些拉延深度較深的件，易造成取件空間不足，影響自動化正常生產(chǎn)節(jié)拍，所以此類零件不建議進行自動化改造。

自動線設備分析

以某車企一條自動化線為例，全線5臺壓機，首臺雙動1500t，后序4臺800t。線首含板料拆垛、自動涂油、自動對中工藝，工件傳輸由8臺ABB六軸機器人實現(xiàn)自動化。

產(chǎn)品工藝分析

⑴考慮工序數(shù)量，案例自動線為5工位，改造零件工序數(shù)最好與自動化線布置的機床工位數(shù)相等，如果改造零件小于5序，需考慮投入配套空工位架，如果大于5序，則需要考慮分序轉線生產(chǎn)。

⑵考慮沖壓方向，自動線生產(chǎn)中工件在每一序模膛中的沖壓方向盡量一致，不能有太大的旋轉，相鄰工序零件傾斜角度的變化不能過大，控制繞Y軸旋轉在±10°內(nèi)，繞X軸旋轉在±15°內(nèi)(X向為物流方向)；如果是雙件生產(chǎn)時，左右零件相鄰工序傾斜角度的變化必須一致，否則對整線節(jié)拍會有極大影響，甚至無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

模具空間結構分析

需要結合自動線機床參數(shù)考慮，在噸位、封高及工作臺尺寸等都滿足的前提下，重點考慮壓機行程。壓機行程與模具結構共同決定了零件在上下模之間的轉動空間，也就是有效的開口高度，即下模最高點到上模最低點的距離。有效開口高度直接影響端拾器送取料的靈活度與整線的生產(chǎn)節(jié)拍，其相互關系如圖1所示。

圖1 模具示意圖

從圖1中可以看出，取件空間G=2A+B+C+D，自動化改造要求壓機行程必須大于G值，機床行程越大，有效開口空間越大，越有利于自動化生產(chǎn)節(jié)拍。這里需要注意的是，模具前后兩側盡量不要有大型的導向機構，斜楔、吊楔裝置，會影響機器人取件軌跡。如果有，可以將此結構的高度等同于零件深度加入計算，如果計算得出取件所需空間G值過大，大于機床行程，則不具備取件空間，不建議自動化改造。

模具改造

模具安裝方式改造

⑴模具對中結構改造。

自動化模具的安裝較普通模具有更嚴格的要求，必須保證每次安裝模具與機床臺面的相對位置穩(wěn)定一致，這樣才能保證機器人能準確地重復抓取工件，所以自動化模具安裝方式必須考慮模具對中性。對中方式一般有兩種，對中鍵槽形式和圓柱形定位銷形式。本案為某自動化改造模具采用對中鍵槽方式，加工尺寸寬32mm、深20mm貫穿式通槽設計。在實際改造中，對中槽位置可能正好在模具主筋上或者底面正好有氮氣彈簧干涉，不能強制加工破壞原模具功能與強度，可以降低要求，不加工通槽，保證兩端鍵槽有效長度大于60mm，也能滿足對中功能，但是在使用上需要人工調(diào)整對中鍵的使用位置。

也可采取在模具上下平面增加墊板的方式，在墊板上加工對中槽來解決。如果改造模具為雙動拉延模，還應考慮上模以及壓邊圈的對中槽改造加工，以匹配雙動機床內(nèi)外滑塊墊板安裝快速對中的需求。對中鍵加工尺寸，長120mm，淬火硬度38～42HRC，用沉頭螺栓進行鎖緊。具體要求如圖2所示。

圖2 對中鍵圖

⑵模具壓板槽改造。

自動化線模具夾緊裝置采用自動快速夾緊模式，在改造中需考慮幾點：1)壓板槽附近的模具空間結構需避開夾緊器最大外形尺寸，同時留有一定空間保證夾緊器自由進出不干涉；2)壓板槽深度需與夾緊器夾持厚度一致；3)需加工上模夾緊器感應面，確保感應到位。在實際改造中，模具壓板槽的改造很可能找不到合適的空間位置，需要銑去加強筋，加大安裝空間，勢必影響模具強度，這時需要根據(jù)模具的具體結構綜合考慮影響的大小，增加輔助加強措施，如增加整體模具墊板等。

⑶模具F向變更。

根據(jù)沖壓自動線機械手的不同，模具的進出料方向會有變化，這與機械手的行程旋轉角度不同有關，在模具改造中需要加以考慮，改變模具原有標記，防止生產(chǎn)時裝模方向錯誤。案例中自動線為五工位，首臺為雙動機床，所以OP10與OP20之間有工件翻轉需求(繞Y軸旋轉180度)，所以設置兩臺機器人對接送料，全線配備的是6軸機器人，每臺機器人進行工件傳遞時會繞Z軸旋轉180度，那么模具改造時，OP30與OP50的模具F向需要改變，也就是原有進出料方向需打反，如圖3所示。F向變更后需注意相應的電氣路接頭同時也需要調(diào)整到靠近機床氣源和電源側。

模具定位方式改造

自動化模具的定位，不僅要求能準確定位工件，還必須有可靠導向功能，確保機器人放料時能自動找正，確保工件頂出時空間位置的一致性。所以在自動化改造中需加裝定位桿。定位桿布置緊湊高度適中，上半部有導向R角，角度在35°～45°度之間。

模具自動化電氣改造

電氣改造需在模具上增加信號檢測與傳輸功能，改造中需要加裝傳感器，航空插頭。

⑴傳感器安裝位置的選擇。

盡量選擇在模具對角位置，相距盡可能遠，信號線走線盡量選用原模具結構中的減重孔，原有氣路通過孔，實在沒有可以選合適的地方開槽，注意布線不能與廢料槽干涉。OP10傳感器選用標準件，投料檢測開關如圖4所示，安裝在坯料相鄰兩邊的對角位置，距離盡量遠，才能準確檢測坯料是否擺放到位。OP20以后工序選用接近開關如圖5所示，一般布置在零件最低處并且是工件非鏤空的平面下，安裝支架可選用不小于2.3mm厚的鋼板，安裝必須牢固可靠。

⑵傳感器數(shù)量的要求。

一副模具中只有一個零件時，至少布置2個傳感器。一副模具中有2個零件時（合拉件、雙模膛件等），分情況定，如果兩件還未分離至少布置2個傳感器，并且確保每個零件上有1個，如果兩件已經(jīng)分離需要布置至少4個傳感器，每個零件上2個。

⑶航空插頭的位置安裝。

模具通過航空插頭與機床電纜連接，從而達到識別模具和制件的目的，根據(jù)壓力機本身提供的不同電源選用不同的航空插座。安裝位置放置在下模座靠近機床電源接口一側，與模具氣動接口類似，不能凸出模體。防止吊運和存放過程中磕碰損壞。

模具廢料的處理

模具的廢料排出問題是自動化改造中的重難點，自動化生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)廢料下滑不暢，堆積后將無法正常排出機床臺面外，需要臨時停機進行人工干預，影響生產(chǎn)節(jié)拍，嚴重時還會損壞零件和模具造成生產(chǎn)事故。下面介紹幾種廢料排出的改進方式。

⑴改造廢料滑板輔助排出。

1)增大廢料滑板的傾斜角度。在模具結構允許的條件下盡可能增大傾斜角，一般角度大于25度就能保證廢料依靠自重順利下滑。

2)增加二級滑板。有些模具的廢料能順利滑出模具外，但不能滑出到機床臺面外，這時考慮增加二級滑板，二級滑板的角度一般要求大于20度。

3)在滑板處增加輔助下滑機構。例如更換網(wǎng)紋板，減少下滑摩擦系數(shù)。加裝滾輪、圓鋼棒、滾珠等(圖6)。

圖6 滾輪輔助排出實例圖

⑵增加彈頂銷輔助卸料。

⑶采用氣缸強制排出(圖7)。

⑷采用倒鉤強制排出（慎用，不容易控制廢料的彈出方向）。

⑸采用電動皮帶機強制排出(圖8)。

圖7 氣缸強制排出實例圖

圖8 皮帶機強制排出實例圖

⑹采用振動方式輔助排出，在廢料滑板下加裝振動裝置，通過振動減小摩擦，加速廢料下滑排出。

結束語

模具的自動化改造不同于模具制造，改造模具是在已經(jīng)成形的模具上實施更改，模具結構沒有新設計制造的靈活性大，改造模具受限制的條件比較多，而且要盡量不影響模具原有強度以及使用壽命。在工期方面，改造的模具都是正常生產(chǎn)銷售的車型，工期要求比較緊張，需要提前考慮好改造周期及在制建儲，不能影響正常的生產(chǎn)供貨。模具改造難度大風險大，但是帶來的收益也大，一副模具改造成功，可以為公司節(jié)省新增模具的設計制造成本，本文中案例項目共完成224副老模具自動化改造，如果換算成新模具制造成本將是一筆巨大的費用。所以老模具自動化改造，在功能上、工期上和成本上對沖壓企業(yè)有重要意義。