凈化隔斷板面板成型裝置設(shè)計(jì)

?；⒗?，王 淵，張嘉鈺

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

凈化隔斷板是一種新型的建材產(chǎn)品，具有輕質(zhì)、環(huán)保、保溫效果好、便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，凈化隔斷板主要應(yīng)用于生物醫(yī)藥、電子、新能源等領(lǐng)域的潔凈車間的構(gòu)建，年需求量多達(dá)5 000萬(wàn)m2。它是一種類似于三明治結(jié)構(gòu)的建筑板材，由上下面板、邊框和芯材填充物層層膠粘而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 凈化隔斷板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of purification partition board

目前，凈化隔斷板自動(dòng)生產(chǎn)線中面板的成型工位沒有自動(dòng)成型裝置，仍采用人工作業(yè)，具有費(fèi)事費(fèi)力、效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足目前市場(chǎng)的需求[1]。針對(duì)上述問題，凈化隔斷板面板的生產(chǎn)需要一種自動(dòng)成型裝置，以提高凈化隔斷板的生產(chǎn)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)該行業(yè)的發(fā)展[2-3]。本文研究的凈化隔斷板面板成型裝置適于生產(chǎn)長(zhǎng)度為1.5～3 m的凈化隔斷板，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。凈化隔斷板裝置的設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一體化程度強(qiáng)、易于控制的原則[7-8]。在建模完成后通過循環(huán)圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算，能更加形象直觀地展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)[9-11]。設(shè)計(jì)的凈化隔斷板面板成型裝置對(duì)推動(dòng)凈化隔斷板生產(chǎn)的自動(dòng)化和凈化設(shè)備行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，提高凈化隔斷板的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能生產(chǎn)，具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 整體方案設(shè)計(jì)

面板成型原理如圖2所示，其加工工藝流程：送料—整平—沖孔—成型—剪斷—折彎。采用流程式布置可大大提高工作效率和機(jī)械化水平[12]。面板原材料為寬1 200 m、厚0.6 mm的彩鋼卷，如圖3所示。將彩鋼卷加工成如圖4所示的“淺盒狀”，即為面板成型。根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要，選取合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)及合適的零件，完成整體方案的設(shè)計(jì)[13]，實(shí)現(xiàn)凈化隔斷板面板的自動(dòng)成型。凈化隔斷板面板成型裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖2 面板成型原理圖Fig.2 Schematic diagram of panel forming

圖3 彩鋼卷示意圖Fig.3 Schematic diagram of color steel coil

圖4 成型后面板示意圖Fig.4 Schematic diagram of formed panel

圖5 凈化隔斷板面板成型裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.5 Dverall structure of panel forming device for purification partition board

凈化隔斷板面板成型裝置由送料機(jī)構(gòu)、整平機(jī)構(gòu)、沖孔機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)、剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)組成，通過對(duì)彩鋼卷進(jìn)行整平、沖孔、滾壓成型、剪斷折彎，使其成為“淺盒狀”的面板，該裝置的主要參數(shù)如表1所示。

表1 面板成型裝置主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of panel forming device

2 關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1.1 整平機(jī)構(gòu)的分析

本文中面板的原材料為彩鋼卷，鋼板材質(zhì)較薄，易于整形。綜合考慮各種因素后，采用板材平行輥式整平機(jī)構(gòu)對(duì)彩鋼卷進(jìn)行整平，該整平機(jī)構(gòu)適用于厚度較薄的金屬板材的冷態(tài)整平。該整平機(jī)構(gòu)的工作原理：主要由上、下兩排輥?zhàn)咏M成，其原理圖如圖6所示。當(dāng)彩鋼板經(jīng)過上、下兩排輥?zhàn)拥目p隙之間時(shí)，由于上、下兩排輥?zhàn)邮墙诲e(cuò)排列的，彩鋼卷在上、下兩排輥?zhàn)邮┘拥耐饬ψ饔孟聲?huì)趨于平整,從而達(dá)到整平彩鋼板的目的。

圖6 整平機(jī)構(gòu)原理圖Fig.6 Schematic diagram of leveling mechanism

平行輥式整平機(jī)構(gòu)采用反復(fù)連續(xù)多次對(duì)整平對(duì)象施加外力的方式完成整平，這種機(jī)構(gòu)解決了一般整平機(jī)構(gòu)斷續(xù)加工的問題，使整平的效率大大提高，非常適用于連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)線[14]。

2.1.2 整平機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

整平機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：輥?zhàn)訑?shù)量、輥?zhàn)又睆健⑤佔(zhàn)庸?jié)距等[15-16]。綜合考慮彩鋼卷的性質(zhì)，計(jì)劃采用板材整平的常用輥系，配合上下輥固定的方案來(lái)整平彩鋼板，如圖7所示。由板材的厚度可確定出輥?zhàn)訑?shù)量和輥?zhàn)庸?jié)距等，其參考數(shù)量如表2和表3所示。

圖7 整平裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of leveling device

表2 整平機(jī)構(gòu)常用輥?zhàn)訑?shù)量列表Tab.2 Quatity list of common rollers of leveling machine

表3 整平機(jī)構(gòu)常用輥?zhàn)庸?jié)距列表Tab.3 Space list of common rollers of leveling machine

1)輥?zhàn)訑?shù)量、輥?zhàn)庸?jié)距、輥?zhàn)又睆降拇_定

板厚為0.6 mm，板材寬為1 200 mm，根據(jù)實(shí)際情況，選取輥?zhàn)訑?shù)量為5，輥?zhàn)庸?jié)距為125 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選取工作輥?zhàn)拥闹睆綖?00 mm，長(zhǎng)度為1 250 mm。出口間隙等于板片的厚度0.6 mm，入口間隙為0.6 mm。

2)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的確定

面板成型裝置的實(shí)際需求速度為≥8 m/min，本文設(shè)計(jì)的輥?zhàn)拥乃俣葹?0 m/min。

輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速為

2.1.3 整平機(jī)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)

輥式整平機(jī)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)包括整平力、整平轉(zhuǎn)矩及整平機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功率。在輥式整平機(jī)構(gòu)確定好壓彎方案后，便可確定各輥?zhàn)訉?duì)工件的壓彎程度(壓彎曲率)。在已知原始曲率的情況下可以計(jì)算總曲率變化，并進(jìn)一步計(jì)算矯直彎矩、矯直力、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動(dòng)功率。

1)矯直彎矩

曲率方程：

式中：Cw為反彎曲率；C0為原始曲率。

總曲率：

Cε=C0+Cw。

利用積分法可計(jì)算出彩鋼板的彎矩：

彈性極限彎矩：

式中：B為板寬；H為板厚；σt為彈性變量。

矯直彎矩：

2)整平力

整平力常處于2個(gè)零彎矩點(diǎn)的中央。整平輥上的壓力與彩鋼板所受的整平力大小相等?？梢愿鶕?jù)彎曲板材的外力力矩同內(nèi)力力矩的平衡這一條件來(lái)確定矯直力。

彈性彎曲時(shí)的內(nèi)力矩：

塑性彎曲時(shí)的內(nèi)力矩：

M=1.5Mω，

則作用于所有輥?zhàn)由系膲毫偤停?/p>

式中：t為輥?zhàn)庸?jié)數(shù)；m為輥?zhàn)訑?shù)量。

3)整平轉(zhuǎn)矩

整平輥在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)遇到一些阻力，這些阻力包括軸承摩擦阻力、輥面與工件間的滾動(dòng)摩擦阻力及工件塑性變形阻力等。

①需要克服的摩擦轉(zhuǎn)矩

式中：f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取f=0.000 2～0.000 4；μ為軸承摩擦系數(shù)，取μ=0.005～0.010；d為軸頸直徑。

②克服工件塑性變形阻力所需要轉(zhuǎn)矩

整平機(jī)構(gòu)用于整平變形的能量為uj：

彈性比：

若第n輥處的轉(zhuǎn)矩為Tjn，整平面板時(shí)產(chǎn)生變形所需的能量為μjn，則總矯直轉(zhuǎn)矩：

Tj=R∑μjn,

整平機(jī)構(gòu)所需的總轉(zhuǎn)矩：

T=Tm+Tj=40 N·mm,

式中R為輥?zhàn)又睆健?/p>

驅(qū)動(dòng)功率：

式中效率η=0.7～0.9，取0.75，計(jì)算得N=178 W。

根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)功率，整平機(jī)構(gòu)選用三相異步齒輪減速電機(jī)，型號(hào)為ZL18-0.2-15-90。功率為0.2 kW，減速比為50。

2.2 剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將彩鋼板進(jìn)行剪斷，并將剪斷的鋼板進(jìn)行前后2個(gè)邊的折彎[17]，折彎角度為90°，折彎鋼板表面面積為1 200 mm×10 mm，結(jié)構(gòu)原理如圖8所示，三維結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)原理圖Fig.8 Schematic diagram of shearing and bending mechanism

圖9 剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Three dimensional structure of cutting and bending mechanism

2.2.1 剪切力的計(jì)算與刀具的選擇

1)根據(jù)彩鋼板的參數(shù)，按照鋼板厚度計(jì)算所需的極限剪切力，即：tmax=0.8 mm。

剪切力計(jì)算公式：F=S×τ，式中：S為剪切截面面積；τ為抗剪切強(qiáng)度。剪斷鋼板所需的剪切力為120 000 N。

2)刀具的選擇

刀具需要將剪切強(qiáng)度≥125 MPa的鋼板切斷，作為直接接觸的零件，材料需要承受較大沖擊載荷以及具有變形小的特點(diǎn)。目前有兩種冷作模具鋼Cr12和Cr12MoV可供選擇。

Cr12是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼，具有較高的強(qiáng)度、良好的淬透性和良好的耐磨性，但是因?yàn)樘假|(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到2.30%，所以導(dǎo)致沖擊韌性較差，很難承受較大的沖擊載荷。

Cr12MoV經(jīng)過淬火后體積變小，因?yàn)楹剂勘菴r12低很多，并且加入了V，Mo兩種元素，所以，Cr12MoV的熱加工性能、沖擊性能和碳化物分布得到明顯改善，可以承受較大沖擊載荷，所以選擇它作為刀具材料[18]。

2.2.2 剪斷液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

在剪斷彩鋼板的過程中，剪板刀具(動(dòng)刀)的上下運(yùn)動(dòng)采用液壓傳動(dòng)，選用4個(gè)小型液壓缸作用于剪板刀上，即每個(gè)液壓缸所提供的最大剪切力為3 000 N，剪板刀做往復(fù)的上下直線運(yùn)動(dòng)，且行程較小，所以選擇單桿活塞液壓缸作為執(zhí)行部件即可符合工作需求。

1)確定液壓缸參數(shù)

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，預(yù)選每個(gè)液壓缸的設(shè)計(jì)壓力為p1=5 MPa，取液壓缸的機(jī)械效率為η=0.95，并將液壓缸的無(wú)桿腔作為主工作腔，則可計(jì)算液壓缸無(wú)桿腔的有效面積A1：

則可求出液壓缸內(nèi)徑D：

根據(jù)計(jì)算出的液壓缸內(nèi)徑，按照液壓缸內(nèi)徑選取標(biāo)準(zhǔn)，選取標(biāo)準(zhǔn)值D=90 mm，活塞桿直徑d=0.7D，即：

d=0.7D=63 mm,

因此，可以求得液壓缸的實(shí)際有效面積：

選取缸筒材料為鑄鋼ZG230-450，缸筒壁厚為δ，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：

δ=δ0+c1+c2,

式中：δ0為缸筒材料強(qiáng)度要求的最小值；c1為缸筒外徑公差余量；c2為腐蝕余量。

由薄壁缸筒的實(shí)用公式計(jì)算δ0：

即：

綜合考慮，取缸筒的壁厚δ=5 m，根據(jù)GB/T 2878—1993選取油口M33×2。

2)液壓泵的選取

根據(jù)液壓缸工作中各階段的壓力和流量計(jì)算可知，在剪板刀快速下降時(shí)，液壓缸的輸入流量最大，最大流量為qm：

qm=A1v1=15.27 L/min,

并根據(jù)最大流量qm估算液壓泵的最大供油量qp：

qp=K×qm,

式中K為泄露系數(shù)，取值1.1。

qp=K×qm=16.80 L/min。

剪板刀的最高工作壓力出現(xiàn)在加壓剪板結(jié)束時(shí)，此時(shí)最大工作腔壓力pm：

此時(shí)缸的輸入流量極小，且進(jìn)油路元件較少，故對(duì)泵至缸間的進(jìn)油路壓力損失值進(jìn)行估計(jì)時(shí)，取Δp=0.6 MPa，計(jì)算可得泵的最高工作壓力pp=20.44 MPa。綜合考慮選取相似規(guī)格的63ZCY14-1B斜盤式軸向柱塞泵，其額定壓力為32 MPa，排量為63 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

3)電機(jī)的選取

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率P：

由此可計(jì)算出：

即選取規(guī)格相近的Y160M-4型封閉式三相異步電機(jī)，電機(jī)的額定功率為11 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min。按照所選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的排量，可計(jì)算出液壓泵的最大理論流量qt：

qt=nV=91.98 L/min≥67.2 L/min,

滿足使用要求。

2.2.3 折彎力的計(jì)算

折彎力計(jì)算公式：

式中：F為折彎截面面積，根據(jù)彩鋼板的寬度b=1 200 mm，厚度tmax=0.8 mm，計(jì)算出截面積S=960 mm2；f為抗彎強(qiáng)度，鋼板卷的材料為普通碳鋼Q235，f=215 MPa，所以，折彎鋼板所需的折彎力為137 600 N。

2.2.4 折彎液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

在鋼板前后邊折彎過程中，機(jī)構(gòu)折彎壓頭做上下直線運(yùn)動(dòng)，擬將采用4個(gè)小型液壓缸作用于折彎滑頭上，即每個(gè)液壓缸所需提供的最大折彎力為34 400 N。折彎液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程與剪斷液壓系統(tǒng)的計(jì)算類似，不再詳細(xì)贅述。

液壓缸選取缸筒材料為鑄鋼ZG230-450，缸筒壁厚為δ=5 mm。根據(jù)GB/T 2878—1993選取油口M27×2；液壓泵的選取選用相似規(guī)格的63CCY14-1B斜盤式軸向柱塞泵，其額定壓力為32 MPa，排量為63 mL/r，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；電機(jī)選取規(guī)格相近的Y160M-4型封閉式三相異步電機(jī)，電機(jī)的額定功率為11 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min。

3 面板成型裝置工作時(shí)間分析

面板成型裝置的工作包括整平機(jī)構(gòu)對(duì)彩鋼卷的整平、沖孔、成型、剪斷折彎，各機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)如圖10所示。

圖10 各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.10 Mechanism motion cycle diagrams

圖10中，A點(diǎn)為整平機(jī)構(gòu)開始工作；B點(diǎn)為整平機(jī)構(gòu)停止工作，沖孔機(jī)構(gòu)開始工作；C點(diǎn)為沖孔機(jī)構(gòu)工作停止，整平機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作；D點(diǎn)為整平機(jī)構(gòu)和成型機(jī)構(gòu)停止工作，剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)開始工作；E點(diǎn)為剪斷動(dòng)作完成，折彎動(dòng)作開始；F點(diǎn)為折彎動(dòng)作完成。

工作時(shí)間分析如下。

1)整平時(shí)間

整平機(jī)構(gòu)是將彩鋼板進(jìn)行整平達(dá)到使用的要求，該過程所需時(shí)間為

T1=5+15=20 s。

2)沖孔時(shí)間

沖孔包括進(jìn)程和回程，一共所需的時(shí)間為

T2=0.5+0.5=1 s。

3)成型時(shí)間

成型過程是將彩鋼板的兩邊進(jìn)行90°的折邊，其過程所用的時(shí)間為

T3=15 s。

4)剪斷折彎時(shí)間

該過程分為剪斷和折彎成型，剪斷是將彩鋼板進(jìn)行剪斷使其不再是一個(gè)整體，折彎是將剪斷的那條邊進(jìn)行90°的折邊使其彩鋼板形成淺盒狀。這兩個(gè)過程所需的時(shí)間為

T4=2(0.5+0.5)=2 s。

該裝置加工一個(gè)面板所需時(shí)間T為

T=T2+T3+T4=18 s。

因此，凈化隔斷板面板成型裝置的效率滿足其使用要求，傳統(tǒng)的半自動(dòng)化作業(yè)生產(chǎn)一個(gè)面板所需的時(shí)間為85 s左右，該裝置的效率約為傳統(tǒng)工藝方式的4.7倍。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種凈化隔斷板面板自動(dòng)成型裝置，詳述了面板成型裝置的總體方案和整機(jī)結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)面板自動(dòng)成型關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)。凈化隔斷板面板成型裝置采用鋼板的冷彎成型方法，通過上料機(jī)構(gòu)、整平機(jī)構(gòu)、沖孔機(jī)構(gòu)、滾壓成型機(jī)構(gòu)、剪斷折彎?rùn)C(jī)構(gòu)，將傳統(tǒng)的半自動(dòng)化轉(zhuǎn)化為了機(jī)械自動(dòng)化加工，實(shí)現(xiàn)了凈化隔斷板面板的自動(dòng)成型。解決了傳統(tǒng)面板成型效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，面板成型速度約為傳統(tǒng)加工方式的4.7倍。該裝置的設(shè)計(jì)對(duì)推動(dòng)面板成型技術(shù)創(chuàng)新，解放企業(yè)的生產(chǎn)勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)高效節(jié)能生產(chǎn)，具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

該裝置研發(fā)的不足之處是現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，后期維護(hù)成本較高，雖實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化但是并未實(shí)現(xiàn)智能化。后續(xù)將著重簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并使其實(shí)現(xiàn)智能化，順應(yīng)當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展。