輸送用平頂鏈的鏈板鉸卷成形工藝改進(jìn)與模具設(shè)計(jì)

張可飛，邵 堅(jiān)

(安徽黃山恒久鏈傳動(dòng)有限公司 技術(shù)中心， 安徽 績(jī)溪 245300)

平頂鏈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、制造和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，能通過直輸與曲輸?shù)慕Y(jié)合，大大節(jié)省運(yùn)行軌跡不是直線的灌裝線生產(chǎn)設(shè)備的費(fèi)用，在既有直線輸送又有曲線輸送的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用[1]。輸送用平頂鏈?zhǔn)菍ｉT用于平頂式輸送機(jī)的輸送鏈條，也稱鉸卷式平頂鏈，可分為直行平頂鏈和側(cè)彎平頂鏈。輸送用平頂鏈常用來輸送玻璃瓶、金屬易拉罐、各種塑料容器及包裹，也可用來輸送自動(dòng)餐飲食品與機(jī)器零件[2]，它通過鏈節(jié)的鉸卷部分與鏈輪輪齒相嚙合來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)[3]，鉸卷圓度的優(yōu)劣決定鏈條嚙合運(yùn)行的平穩(wěn)性，同時(shí)還影響著銷軸與鉸卷的連接牢度。

近年來，國(guó)內(nèi)外啤酒、飲料等行業(yè)飛速發(fā)展，輸送線不斷加長(zhǎng)、運(yùn)行速度和產(chǎn)能不斷提升，世界上目前最先進(jìn)的吹連灌三位一體機(jī)，每臺(tái)產(chǎn)能可達(dá)72 000瓶/小時(shí)。輸送用平頂鏈在高速運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)因鉸卷圓度不夠、鏈板平面度低，導(dǎo)致鏈條的劇烈抖動(dòng)而造成倒瓶，甚至出現(xiàn)脫鏈、卡滯現(xiàn)象，影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。因此，提高平頂鏈鏈板鉸卷圓度和鏈板平面度是提高輸送用平頂鏈高速運(yùn)行平穩(wěn)性的有效途徑。本文主要對(duì)鏈板鉸卷的成形工藝進(jìn)行改進(jìn)，提升平頂鏈鏈板鉸卷的圓度，以及銷軸與鉸卷之間的連接牢度，從而達(dá)到輸送用平頂鏈高速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性要求，保證鏈條在高速生產(chǎn)線上的正常運(yùn)行。

1 輸送用平頂鏈及其鏈板

1.1 輸送用平頂鏈

輸送用平頂鏈由鏈板(即承載平板)和銷軸兩種基本零件組成。鏈板是兩側(cè)帶鉸卷的平板，其中一側(cè)鉸卷與銷軸固定連接，稱為固定鉸卷；另一側(cè)位于里檔的鉸卷與銷軸活動(dòng)連接，稱為活動(dòng)鉸卷。輸送用平頂鏈的結(jié)構(gòu)如圖1所示。平頂鏈的銷軸穿過兩鏈板相互交錯(cuò)的鉸卷孔，且在活動(dòng)鉸卷孔內(nèi)能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成平頂鏈的鉸鏈，而在固定鉸卷孔內(nèi)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能軸向竄動(dòng)[3]。

圖1 輸送用平頂鏈的結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)平頂鏈鏈板鉸卷的圓度、鏈板平面度相對(duì)于國(guó)外歐標(biāo)平頂鏈存在較大差距(對(duì)于鉸卷圓度，國(guó)內(nèi)約為0.6 mm,歐標(biāo)約為0.38 mm；對(duì)于鏈板平面度，國(guó)內(nèi)約為0.2 mm,歐標(biāo)約為0.12 mm)，導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)平頂鏈的允許線速度只能達(dá)到80 m/min。一旦超過這一速度，國(guó)產(chǎn)平頂鏈就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈抖動(dòng)，輸送的物品就容易發(fā)生傾斜、倒塌，同時(shí)傳動(dòng)噪聲會(huì)急劇增大。在高速情況下輸送較輕的物品時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯，而國(guó)外歐標(biāo)平頂鏈能夠在120 m/min的速度下平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 平頂鏈的鏈板

輸送用平頂鏈的鉸卷是卷制而成的，鉸卷層間存在縫隙，鏈板鉸卷圓度不易控制，在傳送載荷大時(shí)容易被拉開，是鉸卷的薄弱環(huán)節(jié)之一[1]?！遁斔陀闷巾旀満玩溳啞窐?biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鏈板固定鉸卷外徑的最大值，并指出：鏈板鉸鏈的間隙以該標(biāo)準(zhǔn)給出的鏈板厚度和鏈板固定鉸卷外徑的最大值為依據(jù)，計(jì)算獲得[4]。顯然，鏈板鉸卷圓度會(huì)直接影響鉸卷銷軸的連接牢度、鏈條鉸鏈的靈活性、鏈條傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖2所示為C13S輸送用平頂鏈鏈板的產(chǎn)品圖樣。

尺寸單位：mm圖2 C13S輸送用平頂鏈鏈板的產(chǎn)品圖樣

2 傳統(tǒng)成形工藝

輸送用平頂鏈鏈板的鉸卷類似于鉸鏈，而鉸鏈的傳統(tǒng)制作工藝為落料、預(yù)彎、彎管。這種制作工藝對(duì)于一般鉸鏈來說可以滿足要求，但制作圓度要求高的鉸鏈時(shí)就達(dá)不到要求[5]。鉸鏈件彎曲卷圓加工通常采用推圓法，它包括分立式卷圓和臥式卷圓兩種方法[6]。早期，傳統(tǒng)的輸送用平頂鏈鉸卷加工，采用鋼帶沖制后在壓力機(jī)上進(jìn)行立式卷圓，卷圓后再用鉆頭擴(kuò)孔的方法。平頂鏈鉸卷采用立式卷圓法的預(yù)彎和彎圓形狀如圖3所示。采用這種工藝時(shí)，鏈板承載面會(huì)受到成形力的作用，出現(xiàn)不平整；在鉸卷擴(kuò)孔時(shí)鉸卷區(qū)的厚度被切削較多，會(huì)導(dǎo)致鉸卷區(qū)的強(qiáng)度降低而直接影響鏈條的抗拉強(qiáng)度；鏈條在使用過程中會(huì)因鏈板鉸卷拉長(zhǎng)、銷軸脫落等而過早失效。

尺寸單位：mm圖3 平頂鏈鉸卷采用立式卷圓法的預(yù)彎和彎圓形狀

隨著現(xiàn)代設(shè)備輸送線的加長(zhǎng)、運(yùn)行速度的加快，采用傳統(tǒng)鉸卷加工方式生產(chǎn)的鏈板，平面度、鉸卷圓度已無法滿足當(dāng)今高速長(zhǎng)輸送線的平穩(wěn)性要求。針對(duì)傳統(tǒng)輸送用平頂鏈鉸卷加工方式的不足，在平頂鏈鏈板鉸卷彎圓成形后增加一道?？坠ば颍捎弥С行？状驺@頭擴(kuò)孔，以消除鉸卷區(qū)受到切削而厚度變薄，導(dǎo)致鉸卷強(qiáng)度降低的缺陷。但由于鏈板鉸卷的卷圓成形過程只有一道預(yù)彎工序，采用硬推圓方式強(qiáng)制成形時(shí)缺乏中間彎圓過渡，因此這種加工工藝只是提高了鏈板鉸卷強(qiáng)度，對(duì)鏈板鉸卷圓度和鏈板平面度的提升并不明顯，所生產(chǎn)鏈條還是滿足不了在高速運(yùn)行下保持平穩(wěn)的要求。

3 成形工藝改進(jìn)及模具設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次試驗(yàn)，本文將鉸卷立式卷圓方式改為臥式卷圓，并在預(yù)彎工序后增加二次彎曲工序，采用芯棒伸入鉸卷孔進(jìn)行卷圓校正，以消除傳統(tǒng)卷圓工藝存在的內(nèi)孔三角形與橢圓缺陷。采用這種工藝生產(chǎn)的鏈板平面度好，相應(yīng)的鉸鏈孔能達(dá)到準(zhǔn)確的孔徑尺寸和近乎完美的圓度水平，滿足鉸鏈孔與銷軸的表面接觸要求。

本文將輸送用平頂鏈鏈板的加工工藝升級(jí)為：落料→倒邊→端部預(yù)彎→二次彎曲→卷圓校正。升級(jí)后工藝從落料到卷圓校正的鏈板形態(tài)如圖4所示。該工藝方案與傳統(tǒng)的加工工藝相比，增加了二次彎曲工序。

圖4 升級(jí)后工藝從落料到卷圓校正的鏈板形態(tài)

3.1 預(yù)彎工序

傳統(tǒng)的預(yù)彎工序，所生產(chǎn)鏈板的鉸卷端部不是圓形而是扁平形，且該處的尺寸偏大。這十分影響卷圓后鉸卷的圓度，使得鏈條在嚙合傳動(dòng)過程中難以卡入，脫出鏈輪后容易引起抖動(dòng)。

一般情況下，輸送用平頂鏈鏈條平均節(jié)距伸長(zhǎng)的極限定在鏈條節(jié)距的3%為宜，超過此伸長(zhǎng)量的鏈條就需更換了。相對(duì)于鏈板，當(dāng)鉸卷張開1.15 mm(根據(jù)圖2中尺寸，由38.1×3%=1.15得出)時(shí)，該鏈板即失效。鏈板鉸卷端部呈無約束的開放狀態(tài)，不是使用過程的受力點(diǎn)。對(duì)于平頂鏈鏈板的開式結(jié)構(gòu)來說，鏈板鉸卷端部厚薄存在的微小差異對(duì)鏈板鉸卷強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

對(duì)鏈板進(jìn)行彎曲加工時(shí)，首先應(yīng)預(yù)彎其頭部，然后卷圓成形。在預(yù)彎工序中，鉸卷端部的彎曲圓弧量α=75°～80°時(shí)不易成形，故應(yīng)將凹模的圓弧中心向里偏移Δ值，使其局部材料處于擠壓狀態(tài)，以便進(jìn)行卷圓加工[6]。預(yù)彎存在的最大問題是彎曲角回彈，若回彈控制不好，則鉸卷孔的圓度會(huì)變差[7]。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，對(duì)一般的彎曲件來說，彎曲角回彈量為：

Δα=R(180°-α)(1/R凸-1/R)

(1)

式中：R為彎曲件的彎曲半徑；R凸為彎曲凸模半徑。

從式(1)可知，當(dāng)R一定時(shí)，Δα受到α和R凸的影響，α越小，Δα就越大。將平頂鏈鏈板鉸卷端部彎曲到與鏈板平面完全貼合的加工難度很大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)允許鏈板鉸卷間存在一定間隙，這就使得預(yù)彎工序中鉸卷端部的彎曲圓弧量α較小，在16°～29°之間(圖2)。在此前提下，要使Δα變小，就只有增大R凸，而增大R凸，勢(shì)必影響鉸卷的圓度，會(huì)影響鉸卷的加工質(zhì)量。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，彎曲角回彈量還可表示為：

Δα=3σSρα/(Et)

(2)

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度；ρ為中性層曲率半徑；E為材料的彈性模量；t為材料的厚度。

從式(2)可知，通過改變中性層曲率半徑ρ也可控制彎曲角回彈量Δα。因此，在預(yù)彎工序使鉸卷端部發(fā)生塑性變形，使其中性層發(fā)生改變，外層拉應(yīng)力增加、內(nèi)層壓應(yīng)力減小，能夠減小彎曲角回彈量Δα，達(dá)到控制鉸卷圓度的目的。

鏈板鉸卷端部預(yù)彎成形尺寸如圖5所示。相應(yīng)的預(yù)彎成形凸、凹模尺寸如圖6所示。

尺寸單位：mm圖5 鏈板鉸卷端部預(yù)彎成形尺寸

尺寸單位：mm圖6 預(yù)彎成形凸、凹模尺寸

3.2 二次彎曲工序

在平頂鏈鏈板加工中，當(dāng)銷軸半徑r/鏈板厚度t>0.5，且卷圓的質(zhì)量要求較高時(shí)，應(yīng)在預(yù)彎后設(shè)二次彎曲工序。通常，鉸鏈卷圓件的回彈量隨r/t值的增大而增大，因此卷圓的凹模尺寸應(yīng)比鉸鏈外徑小0.2～0.5 mm[9]。輸送用平頂鏈銷軸直徑為6.35 mm，鏈板厚度t為3.10 mm，r/t=3.175/3.10.=1.024>0.5。二次彎曲的形成區(qū)域在鉸卷與鏈板平面交接處。分析傳統(tǒng)立式卷圓工藝發(fā)現(xiàn)，在鉸卷與鏈板平面交接處做相切過渡加工是非常困難的，特別對(duì)于厚料，如果事先不做彎曲，則該處會(huì)在卷圓時(shí)形成三角形缺陷，導(dǎo)致鉸卷精度不合格，甚至是卷圓加工的失敗。而預(yù)彎曲則能為卷圓創(chuàng)造更好的條件，減小后續(xù)的卷圓成形壓力。

輸送用平頂鏈鏈板大多采用不銹鋼材料制作，為保證制作強(qiáng)度，制作鏈板的材料往往需經(jīng)過材料加工廠改制。在試驗(yàn)室對(duì)改制材料拉伸測(cè)試可得：σS=745 N/mm2。從材料手冊(cè)能夠查出，E=200 000 N/mm2。按上述計(jì)算值r/t=1.024，查文獻(xiàn)[9]可知，推卷鉸鏈的中性層系數(shù)為0.67?？蛇M(jìn)一步計(jì)算其中性層曲率半徑，即ρ=3.15+0.67×3.10=5.227(mm)。將相關(guān)數(shù)值代入式(2)，可計(jì)算二次彎曲工序的彎曲角回彈量，即

Δα=3×745×5.227×90/(200 000×3.10)=1.70(°)。

根據(jù)實(shí)踐，U型彎曲模的凸凹模間隙越大，卸載后零件的回彈也越大。這是因?yàn)?，過大的模具間隙，使材料與模具的貼合程度降低，同時(shí)也減小了對(duì)彎曲件直邊的徑向約束作用；在其他條件相同的情況下，間隙越大，彎曲件的塑性變形就越小，而卸載后零件的回彈量就越大。因此，對(duì)U型彎曲來說，其回彈量隨模具間隙的減小而相應(yīng)減小。對(duì)于精度高的彎曲工件，可以取彎曲單邊間隙值Z=t[10]。為了保證二次彎曲的加工精度，可同時(shí)采用補(bǔ)償法和校正法來克服彎曲加工后的工件回彈。根據(jù)工件可能產(chǎn)生的回彈量，在凸模兩側(cè)分別做出傾斜角度為1.70°的向上傾斜面，以補(bǔ)償工件卸載后的回彈；同時(shí)，將凹模做成中間帶頂塊的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)提高頂件力，使鏈板平面在預(yù)彎之初不發(fā)生圓弧變形，讓壓力集中于彎曲角部，加大彎曲區(qū)的變形程度，以解決工件回彈問題。

鏈板鉸卷端部二次彎曲成形尺寸如圖7所示。相應(yīng)的二次彎曲成形凸、凹模尺寸如圖8所示。

尺寸單位：mm圖7 鏈板鉸卷端部二次彎曲成形尺寸

尺寸單位：mm圖8 二次彎曲成形凸、凹模尺寸

3.3 卷圓校正工序

鉸卷精度主要表現(xiàn)為卷圓直徑的圓柱度和圓度誤差，鉸卷的精度要求決定了采用的卷圓方法[11]。卷圓方法按卷圓加工中是否采用芯棒進(jìn)行劃分，可分為有芯棒卷圓和無芯棒卷圓兩種。有芯棒卷圓加工方法適用于r/t≥4或?qū)韴A有較嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，其卷圓質(zhì)量較好[12]。輸送用平頂鏈對(duì)鏈長(zhǎng)、鉸卷內(nèi)孔和外圓的精度要求都較高。綜合考慮后，本文在卷圓工序采用有芯棒卷圓加工方法。

帶芯棒卷圓校正模具基本上是在原先支承校孔模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加預(yù)壓緊裝置，使經(jīng)過兩次彎曲的鏈板在壓緊狀態(tài)下進(jìn)行卷圓加工并抽拉芯棒，改變?cè)＞咴跓o壓緊狀態(tài)下通過縮小芯棒直徑達(dá)到方便抽拉芯棒目的的做法。顯然，原先的卷圓校正模具對(duì)保證成形鉸卷的圓度和圓柱度有不利影響。

良好的卷圓校正模具應(yīng)滿足下列要求：①芯軸直徑取零件鉸卷內(nèi)孔直徑的上限，固定鉸卷芯軸直徑為6.30 mm±0.01 mm，活動(dòng)鉸卷芯軸直徑為6.65 mm±0.01 mm；②芯軸的動(dòng)作由斜楔和滑塊橫推芯軸而產(chǎn)生，使芯軸在導(dǎo)向和保護(hù)機(jī)構(gòu)作用下預(yù)先進(jìn)入預(yù)彎工件內(nèi)部，待鉸卷卷圓成形后順利退出，這對(duì)卷圓校正模具有一點(diǎn)要求；③預(yù)彎工件進(jìn)入卷圓校正模內(nèi)時(shí)定位要可靠，以保證芯棒的進(jìn)退和卷圓成形、校正均在壓緊狀態(tài)下進(jìn)行。卷圓校正的模具結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.下模；2芯棒Ⅰ；3.壓緊塊；4.壓簧；5.工件；6.芯棒Ⅱ；7.上模；8.滑塊；9.導(dǎo)軌；10.斜楔；11.導(dǎo)向板圖9 卷圓校正的模具結(jié)構(gòu)

3.4 工藝改進(jìn)效果

改進(jìn)鉸卷成形工藝和模具后，對(duì)所生產(chǎn)鏈板的鉸卷圓度、鏈板平面度、鉸卷拉伸強(qiáng)度、銷軸擠出力進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下：鏈板鉸卷外圓跳動(dòng)最大值為0.3 mm；鏈板平面度跳動(dòng)最大值為0.1 mm；鏈板鉸卷拉伸強(qiáng)度達(dá)9 800 N；固定鉸卷與銷軸間的擠出力為1 670 N；銷軸外圓與固定鉸卷內(nèi)孔的接觸面積達(dá)85%。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：工藝和模具改進(jìn)后生產(chǎn)的鏈板鉸卷拉伸強(qiáng)度比改進(jìn)前的6 300 N提高50%以上；固定鉸卷與銷軸間的擠出力比改進(jìn)前的800 N提高一倍以上；鉸卷圓度、鏈板平面度均得到大幅度提高，達(dá)到了國(guó)外歐標(biāo)高端平頂鏈的質(zhì)量水準(zhǔn)。工藝和模具改進(jìn)后生產(chǎn)的輸送用平頂鏈鏈條被某大型制造企業(yè)用在6萬瓶/小時(shí)輸送量、傳送線速度達(dá)120 m/min的高速無壓力灌裝自動(dòng)生產(chǎn)線上，3年的運(yùn)行情況說明：鉸卷成形工藝改進(jìn)后的輸送用平頂鏈在高速時(shí)運(yùn)行順暢、平穩(wěn)可靠，具備高精度、無抖動(dòng)、低噪聲的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

鏈板相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)和鏈條現(xiàn)場(chǎng)使用實(shí)踐表明：在輸送用平頂鏈鏈板鉸卷成形工藝和模具改進(jìn)后，鏈板的精度、強(qiáng)度均得到不同程度的提高，效果明顯，能滿足市場(chǎng)對(duì)輸送用平頂鏈高速運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，在國(guó)內(nèi)平頂鏈產(chǎn)品中處于領(lǐng)先水平，達(dá)到了國(guó)外歐標(biāo)高端平頂鏈的質(zhì)量水準(zhǔn)。輸送用平頂鏈通過自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了自主品牌的品質(zhì)提升，并躋身于國(guó)際平頂鏈的高端市場(chǎng)，拉動(dòng)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、轉(zhuǎn)型與升級(jí)。同時(shí)，鉸卷的臥式卷制技術(shù)在套管彎曲卷制中得到了推廣應(yīng)用。