保險杠模具自動翻轉清洗系統(tǒng)結構設計及有限元分析

劉志東，呂冬慧，武 晉

（天津中德應用技術大學汽車與軌道交通學院，天津 300350）

1 引言

汽車保險杠是汽車最重要的外觀件之一，結構復雜[1]，搪塑成型已成為其主流的生產工藝。搪塑模具是搪塑成型的核心部件[2]，而金屬鎳由于具有硬度高、耐腐蝕、導熱性以及抗沖擊性能好等優(yōu)點，通常被選作用來制備搪塑模具[3-5]。

保險杠搪塑模具使用一段時間后，內表面會留有塑膠殘留物，為避免造成后續(xù)產品不良，需要定期清洗。傳統(tǒng)的清洗方式多采用人工現(xiàn)場清洗，由于清洗藥液為強堿性，容易造成人員灼傷，對于自動清洗的裝備需求越來越迫切。

模具清洗過程主要有藥液浸泡、風干，殘渣清除等步驟，過程中需要對模具進行各種角度的翻轉，便于操作。模具的翻轉運動要求相對平穩(wěn)[6]，使模具不致產生較大的沖擊，以免發(fā)生破壞[7]。以提高自動化水平為前提，需要針對模具的結構特點進行專用翻轉結構和清洗系統(tǒng)的設計，為了提升設計的效率與質量[8-10]，需要結合清洗工藝，進行設備關鍵部位的分析。

為了提高搪塑模具的清洗效率，減少強腐蝕性藥液對清洗人員造成危害[11]，設計了一種模具自動翻轉清洗系統(tǒng)，并分析了翻轉平臺的關鍵結構，進行了工程應用驗證。

2 清洗要求及整體結構

2.1 清洗要求

汽車保險杠搪塑模具的內部結構復雜不規(guī)則，在多次使用后，模具內表面會有高溫后的塑膠殘留物和污垢，如圖1所示。為了保證注塑產品的質量和統(tǒng)一性，需要應用強腐蝕性藥液對模具內壁殘留物進行定期的高溫浸泡清洗。

圖1 模具內表面Fig.1 Inner Surface of Bumper Mold

根據清洗現(xiàn)場要求，對模具自動翻轉清洗系統(tǒng)設計要求，如表1所示。

表1 模具自動翻轉清洗系統(tǒng)設計要求Tab.1 Design Requirements of Automatic Turnover and Cleaning System for Bumper Mold

2.2 整體結構

模具翻轉清洗系統(tǒng)由保溫蓋板、翻轉臺、鼓風系統(tǒng)、藥液托盤組成，如圖2所示。

圖2 模具清洗系統(tǒng)整體結構Fig.2 Integral Structure of System about Clearing Mold

工作過程為：模具由工作人員利用中轉臺車與初始0°姿態(tài)的翻轉臺對接鎖緊，打開防護裝置，手動推送模具在兩條平行的移載輪條上滾動平移至翻轉臺上，通過四周布局的加緊裝置固定模具；人員離開，啟動清洗室外側的控制系統(tǒng)，滑輪組原理的保溫蓋板進行下降運動，直至達到預設高度后，與蓋板隨動的藥液注入管向模具加注高溫藥液，蓋板上的液位傳感器實時檢測液位，達到浸泡液位后，停止藥液注入；達到浸泡時間后，藥液回收管啟動，回收模具內藥液；抽液結束后，自動翻轉臺進行180°翻轉，傾倒殘余藥液并使磨模具凹面朝向熱風管；熱風系統(tǒng)啟動，對模具內表面進行熱風烘干、并清除殘留雜質；烘干結束后，模具繼續(xù)單向翻轉至初始姿態(tài)，等待工作人員移載。

3 單元結構設計

3.1 翻轉臺結構設計

模具外表面為通用化結構，長、寬、高為1900mm、900mm、420mm，并且合模部分為平面結構，便于卡緊，依據模具結構特點，設計的模具翻轉臺結構，如圖3所示。

圖3 模具翻轉臺結構Fig.3 Structure of Turnover Unit about Mold

工作原理：翻轉框架初始姿態(tài)為水平，作為翻轉臺的旋轉0°位置，模具保持凹面朝下，由工作人員手動移至移載輪條2上，接觸特氟龍限位擋塊3，同時L型卡緊裝置4進行單側表面卡緊，手動調節(jié)加緊限位單元13，實現(xiàn)卡緊固定，氣動離合器8實現(xiàn)驅動傳動連接，驅動電機7啟動，通過蝸輪蝸桿減速機10、聯(lián)軸器11，帶動連接法蘭6轉動，從而使翻轉平臺進行順時針旋轉運動，旋轉模具180°后，凹面水平朝上，加注清洗藥液浸泡后進行藥液回收，翻轉臺繼續(xù)順時針旋轉至300°位置保持，進行熱風吹干，最后旋轉至360°，達到初始姿態(tài)。

模具順時針翻轉，定位保持角度分別為0°-180°-300°-360°，旋轉法蘭需要提供框架和模具共同翻轉時的扭矩。框架為對稱結構，重心G1與旋轉軸線始終重合。在0°和180°角度時，模具重心G2與旋轉軸線重合，其余過程，重心G2相對旋轉軸線處于偏心狀態(tài)，模具翻轉過程重心變化，如圖4所示。

圖4 模具翻轉重心變化圖Fig.4 Changing Gravity Diagram of Turnover Unit

順時針旋轉過程，旋轉法蘭需提供的扭矩由式（1）計算：

式中：T—旋轉法蘭的扭矩，Nm；G1—翻轉臺框架重力，為1817N；l1—翻轉臺框架重心與法蘭中心軸線的水平間距，為0m；G2—模具重力，為2500N；l2—模具重心與法蘭中心軸線間距，為0.33m；θ—模具翻轉角度。

根據式（1），利用matlab進行旋轉法蘭扭矩計算，扭矩變化，如圖5所示?？芍?，（0～180）°翻轉過程，扭矩值為負，表示需要反向力矩克服模具重力轉矩，傳動系統(tǒng)中使用的蝸輪蝸桿減速箱，具有自鎖功能，無需驅動電機提供制動力矩。由扭矩變化曲線可知，模具在翻轉至90°和270°時，旋轉法蘭所承受的扭矩最大，分別為（±825）Nm。

圖5 旋轉法蘭的扭矩變化圖Fig.5 Changing Torque Diagram of Rotating Flange

所選蝸輪蝸桿減速機傳動比i2=30：1，所選三相異步電機的額定轉速為n1=3000rpm，驅動電機一體的齒輪減速機的減速比可表示為：

式中：n2—翻轉臺轉速。

根據式（2），結合設計要求約束條件0≤n2≤3rpm，求得齒輪減速機的減速比i1≥33.3，取整數值40。

查閱《機械設計手冊》[12]，圓柱齒輪減速機的傳動效率η1=0.95～0.98，蝸桿頭數z=1的蝸輪蝸桿減速機傳動效率η2=0.7～0.75，驅動電機的輸出扭矩計算為：

將式（1）帶入到式（3），求得理想狀態(tài)下，電機輸出扭矩為1.03N·m，結合電機選型余量系數（1.5～2.5），所選電機輸出扭矩范圍（1.545～2.575）N·m。

3.2 蓋板提升結構設計

根據定滑輪可改變力的方向理論，參照圖2模具清洗系統(tǒng)整體結構，保溫蓋板升降運動采用拉升氣缸、定滑輪組和鋼絲繩組合結構設計形式。蓋板上布局4個同步吊點，通過各自獨立的鋼絲繩，按照同側平行結構，穿過滑輪組連接到單一氣缸，通過氣缸的伸縮運動，實現(xiàn)蓋板的平穩(wěn)上下升降。

如圖6所示，為了保證4個吊點同步升降，鋼絲繩受力垂直變向傳動部分采用兩定滑輪軸向垂直布局；為了實現(xiàn)同側吊點的兩根平行鋼絲繩實時同步升降，垂直布局的兩個定滑輪采用大小輪組合結構形式，大小輪的半徑差值為兩輪傳動面中心高度差，保證各吊點的實時升降位移相等。其次，保溫蓋板上安裝有耐腐蝕型液位傳感器和注液、排液管，與蓋板一體升降。

圖6 滑輪組升降結構Fig.6 A Combination of Pulleys Capable of Lifting and Lowering

4 關鍵部件強度校核

翻轉臺為主要的運動和承載結構，為保證翻轉平臺關鍵部件的結構強度，采用有限元分析技術[13]，對其主要承載結構進行強度校核。設計要求參考了《機械設計手冊》[12]，應滿足強度安全系數大于1.5。已知數據和設計數據為：模具最大重量250kg；在solidedge三維設計軟件中設定翻轉臺結構各部件的材料屬性，測算翻轉臺總重量為181.7kg；模具注滿浸泡，約需200L藥液，參照水的密度1000kg/m3計算，藥液重200kg。存在過載風險的關鍵部件為：旋轉軸和模具卡緊支架。選用材料都為316不銹鋼，該材料的定義：密度7.98g/cm3，抗拉強度最小值為485MPa，屈服強度最小值為170MPa。

4.1 旋轉軸載荷定義及有限元分析

4.1.1 網格劃分

采用平均尺寸為3mm的網格對旋轉軸進行網格劃分。劃分完的旋轉軸有60679個單元，104935個節(jié)點，如圖7（a）所示。

4.1.2 載荷定義與施加

當模具處于注滿藥液浸泡時，旋轉軸承載模具、翻轉臺、藥液的重量總和，為最大垂直載荷狀態(tài)，約6320N，該載荷形成了作用在軸上的彎矩，加載在軸的連接面上。當模具翻轉至90°和270°角度時，作用在旋轉軸上的扭矩最大，為825 Nm，此載荷作用在軸端。因此加載在旋轉軸上的載荷為825Nm的扭矩和6320N垂直載荷的復合載荷，加載如圖7（b）所示。

4.1.3 有限元分析結果

結合以上數據，對旋轉軸進行有限元分析結果，如圖7（c）所示。

圖7 旋轉軸有限元分析Fig.7 Finite Element Analysis of Rotating Shaft

根據分析結果：軸的最高應力出現(xiàn)在軸頸處，最高米塞斯應力值為93.468MPa，小于許用應力值485MPa和屈服強度170MPa，由公式（4）[14]：

式中：σs—材料許用應力；

σmax—結構最大應力值。

計算求得其強度安全系數為5.2，＞1.5，證明該旋轉軸的靜強度符合設計要求，安全系數足夠大，耐腐蝕性得以保證，后續(xù)可進行一定的優(yōu)化。

4.2 卡緊支架載荷定義及有限元分析

4.2.1 網格劃分

采用平均尺寸為3mm的網格對卡緊支架進行網格劃分，其它加載部位的網格按照缺省設置，如圖8（a）、圖8（b）所示。

4.2.2 載荷定義與施加

當模具翻轉180°處于注滿藥液浸泡時，卡緊支架承載質量最大，為模具和藥液的重量總和，約4500N，由兩個L型支架和兩個限位叉型支架共同承載。因此在模具翻轉到位后，向模具空腔施加4500N的垂直向下載荷。

4.2.3 有限元分析結果

結合以上數據，對卡緊支架進行有限元分析結果，如圖8（c）、圖8（d）所示。

圖8 卡緊支架有限元分析Fig.8 Finite Element Analysis of Clamping Bracket

由分析結果可知，最高應力出現(xiàn)在叉型支架上，最高米塞斯應力值為89.82MPa，小于許用應力和屈服強度，根據式（4）求得其強度安全系數為5.4，證明卡緊支架的靜強度符合設計要求。

5 實驗及清洗效果

基于上述的理論研究，進行系統(tǒng)研制，并在現(xiàn)場進行安裝實驗[15]，如圖9所示。翻轉臺可將模具穩(wěn)固卡緊在平臺上，分別進行0°-180°-300°-360°角度翻轉定位實驗，驗證了驅動電機運行順暢，翻轉過程平穩(wěn)；滑輪組升降模式的保溫蓋板可實現(xiàn)同步運動，實現(xiàn)了模具翻轉清洗過程的自動化。

圖9 模具自動翻轉清洗現(xiàn)場實驗Fig.9 Field Test of Automatic Turnover and Cleaning System for Mold

根據式（5），分別計算采用人工和自動模式進行模具清洗的生產效率。

式中：N—單班實際清洗數量，人工模式為4件，自動模式為5件；H—標準工時，人工模式為2h，自動模式為1.5h；P—工作人數，人工模式需2人，自動模式需1人；hr—擋產工時；hɑ—加班工時，都定義為理想狀態(tài)，取值0。

根據以上實際生產數據統(tǒng)計，求得人工清洗模式和自動清洗模式的生產效率分別為50%和94%，生產效率提高了44%。模具自動清洗效果，如圖10所示。實現(xiàn)了對塑膠殘留物有效清洗，滿足生產質量要求。

圖10 模具自動清洗效果圖Fig.10 Cleaning Effect Diagram of Mold

6 結論

基于汽車保險杠搪塑模具清洗工藝和要求，提出了一種自動翻轉清洗結構，依據模具實物參數，進行了結構設計，并完成了翻轉運動過程的轉矩計算；參照設計要求，對關鍵結構部件進行強度校核；通過工業(yè)現(xiàn)場應用實驗，驗證了該系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性，模具清洗過程的生產效率提高了44%，并避免了強堿性藥液對工作人員造成灼傷危險。