李 力 顏 勇

（三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

聚醚聚氨酯發(fā)泡海綿由于具有保溫、隔熱、吸音、減震、阻燃、防靜電、透氣性能好等特性［1］，被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè).汽車用發(fā)泡海綿管是一種以聚醚聚氨酯發(fā)泡海綿板為原料，通過卷圓接合成型成為無縫發(fā)泡海綿管，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對(duì)發(fā)泡海綿產(chǎn)品的需求量日益增加.然而，目前發(fā)泡海綿管仍主要依靠手工生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，已不能滿足市場(chǎng)的需求，急需研發(fā)加工成型機(jī)械.同時(shí)，由于發(fā)泡海綿具有較高的回彈性，在外力作用下產(chǎn)生的變形中約95%形變?yōu)閺椥孕巫儯?］，在外力撤銷后將恢復(fù)到受力前的狀態(tài)，目前對(duì)板料的加工成型多屬于塑性成型的范疇，因此，發(fā)泡海綿的成型加工需要開發(fā)特別功能的機(jī)械.

基于此，設(shè)計(jì)一種發(fā)泡海綿自動(dòng)卷圓接合機(jī)（以下簡(jiǎn)稱卷圓接合機(jī)），以實(shí)現(xiàn)發(fā)泡海綿的自動(dòng)卷圓成型，解決發(fā)泡海綿管成型和產(chǎn)量不足的問題.開發(fā)的卷圓接合機(jī)主要由卷圓機(jī)構(gòu)、送料組件、接合裝置以及控制系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)中考慮到柔性材料特點(diǎn)，采用了幾何約束卷圓的方法來實(shí)現(xiàn)卷圓成型，以及以熱接合方式加工無縫海綿管.整個(gè)加工過程采用自動(dòng)控制系統(tǒng)一次成型，解決了柔性高回彈材料的成型問題.

1 卷圓接合機(jī)方案設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的卷圓接合機(jī)能將規(guī)格為l×w×t＝300mm×45mm×5mm的小尺寸聚醚聚氨酯發(fā)泡海綿板經(jīng)卷圓、接合成無縫海綿管發(fā)泡海綿卷圓.發(fā)泡海綿板物理化學(xué)性質(zhì)見表1［3］.

表1 聚醚聚氨酯發(fā)泡海綿板的物理化學(xué)性質(zhì)

為實(shí)現(xiàn)卷圓接合成型功能，要求所設(shè)計(jì)機(jī)械應(yīng)滿足如下3點(diǎn)要求：1）鑒于發(fā)泡海綿的高回彈性，成型約束力須貫穿于整個(gè)加工過程；2）在接合階段，為提高熱接合質(zhì)量，應(yīng)使焊縫成V型，以使接合面充分加熱；3）在接合完成后，應(yīng)保壓一段時(shí)間，以使焊縫充分接合，提高接合質(zhì)量.

圖1為卷圓接合機(jī)功能樹，反映了卷圓接合機(jī)的功能元.

圖1 卷圓接合機(jī)功能樹

結(jié)合圖1為卷圓接合成型裝置總體方案設(shè)計(jì)提供可行的功能原理選擇方案，這些功能原理方案構(gòu)成卷圓接合成型裝置的形態(tài)學(xué)矩陣見表2.

表2 卷圓接合成型機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣

1.1 卷圓方案設(shè)計(jì)

卷圓成型的目的是將發(fā)泡海綿卷圓成待接合發(fā)泡海綿管，為后續(xù)的接合建立接合工位即接合焊縫.發(fā)泡海綿經(jīng)卷圓后所達(dá)到的效果是將胚料兩側(cè)面相對(duì)旋轉(zhuǎn)360°使兩側(cè)面貼合形成接合焊縫.發(fā)泡海綿屬于柔性材料，據(jù)有較高的回彈性，故而不能夠通過使其產(chǎn)生塑性變形的方式來改變其形狀.發(fā)泡海綿的這一性能使得在卷圓成形加工過程中約束發(fā)泡海綿成型的外力必須始終存在.

卷圓成型時(shí)可通過幾何約束和力約束兩種方式施加外力.圖2（a）為幾何約束卷圓示意圖，它是以一定形狀的幾何體約束發(fā)泡海綿，使發(fā)泡海綿卷圓成型.幾何體為圓形，其內(nèi)腔直徑為發(fā)泡海綿卷圓成型后海綿管外徑.圖2（b）為力約束卷圓示意圖，它是在加工過程中通過夾持體直接對(duì)發(fā)泡海綿施加夾持力，通過夾持力的作用使發(fā)泡海綿卷圓成型.由圖2可以看到在卷圓完成后有部分夾持體被無縫發(fā)泡海綿管所包覆，那么在加工過程中必然存在夾持體夾緊、松開、退讓卸料的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)卷圓接合機(jī)的連續(xù)加工.這就使得夾持體須做大量的輔助運(yùn)動(dòng)，降低了裝置單位時(shí)間內(nèi)的加工效率.而幾何約束卷圓中只需要完成幾何體的封閉與打開動(dòng)作，其輔助動(dòng)作少，相應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)的加工效率高.因而采用幾何約束卷圓為卷圓方案.

圖2 施加外力的方式

根據(jù)平面曲桿理論［4］，對(duì)于大曲率的彈性彎曲，其應(yīng)力應(yīng)變中性層與曲桿截面形心不重合，而是隨著變形程度的增加逐漸向內(nèi)移動(dòng)，其應(yīng)力應(yīng)變中性層曲率半徑為

式中，ρ0為板料彈性彎曲應(yīng)力應(yīng)變中性層曲率半徑；t為板料原始厚度；r為板料內(nèi)彎曲半徑.

同時(shí)，由于中性層纖維長(zhǎng)度不變則對(duì)于胚料寬度w以及發(fā)泡海綿板內(nèi)彎曲半徑ρ0有

綜上所述，由發(fā)泡海綿板料卷圓接合成型所得的無縫發(fā)泡海綿管規(guī)格為：內(nèi)直徑10mm、外直徑20 mm、長(zhǎng)度300mm、厚度5mm.

1.2 接合方案比選

把塑料件接合起來的方法有焊接和粘接［5］.焊接法包括有熱板焊接、激光焊接、超聲焊接、以及熱氣焊等.粘接法可按所用的膠粘劑，分為熔劑、樹脂溶液和熱熔膠粘接.熱接合的方式可分為接觸式和非接觸式兩種.在該裝置中選用熱接合方式焊接.此外，熱板焊接會(huì)造成熱板粘附材料且成本高、焊接靈活性差；激光焊接雖然有著較高的焊接速度和較高的焊接精度，但設(shè)備成本高，焊接靈活性差；超聲波焊接能獲得高焊接強(qiáng)度但噪音大，設(shè)備體積較大、成本高；熱氣焊的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊接靈活性好，焊接外觀良好，焊接強(qiáng)度強(qiáng)但存在加熱不均勻的現(xiàn)象.考慮到所需的發(fā)泡海綿管需要有良好的焊接外觀以及較高的焊接強(qiáng)度，同時(shí)根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，選用熱氣焊為卷圓接合機(jī)的接合方式.

2 整機(jī)設(shè)計(jì)

為完成發(fā)泡海綿卷圓接合成發(fā)泡海綿管，所設(shè)計(jì)的卷圓接合機(jī)需完成的功能動(dòng)作有卷圓、送料、接合，各功能動(dòng)作分別通過卷圓機(jī)構(gòu)，送料組件和接合裝置來完成.

2.1 卷圓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷圓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖及機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中圖3（a）為結(jié)構(gòu)示意圖，圖3（b）為機(jī)構(gòu)示意圖.包括有用于將海綿板壓入殼體的壓桿5，約束海綿板卷圓成形的左壓蓋4、右壓蓋6以及圓弧殼體.卷圓機(jī)構(gòu)中壓桿、左壓蓋、右壓蓋的運(yùn)動(dòng)形式為間歇直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)行程短，因而采用電磁驅(qū)動(dòng)為其驅(qū)動(dòng)方式，以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制.此外，左壓蓋、右壓蓋靠攏后合成完整圓孔，作為熱接合的工作位置，同時(shí)圓孔也在胚料到達(dá)此處時(shí)減小壓蓋對(duì)該處胚料的約束，使發(fā)泡海綿兩端面在所述圓孔處在胚料自身彈力作用下成V型打開，以便于在熱接合時(shí)對(duì)卷圓成型時(shí)胚料內(nèi)層的加熱，提高熱接合的質(zhì)量.

圖3 卷圓機(jī)構(gòu)

2.2 送料組件設(shè)計(jì)

送進(jìn)組件的作用是引導(dǎo)送料以及驅(qū)動(dòng)待接合發(fā)泡海綿管相對(duì)于接合裝置軸向進(jìn)給，以完成接合成型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示.在送進(jìn)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)有送進(jìn)輪9，利用送進(jìn)輪與待接合海綿管間的摩擦力驅(qū)動(dòng)軸向進(jìn)給.送進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作位置設(shè)在卷圓機(jī)構(gòu)中圓弧殼體的側(cè)面.

圖4 送進(jìn)組件結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)旨在控制各執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)卷圓、接合功能.控制系統(tǒng)包括硬件電路和軟件程序.控制系統(tǒng)的輸入端為各機(jī)構(gòu)構(gòu)件的位置，輸出端為卷圓機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)電磁鐵的線圈以及送進(jìn)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件.所設(shè)計(jì)的機(jī)械機(jī)構(gòu)確定了該裝置的成型控制流程圖如圖4所示.本裝置中控制系統(tǒng)使用PLC控制器，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.根據(jù)圖5所示的卷圓接合過程采用步進(jìn)指令編寫PLC控制程序.

圖5 成型控制流程圖

4 工作過程與仿真運(yùn)動(dòng)

由上述成型系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的卷圓接合機(jī)的工作過程為：1）接合機(jī)初始狀態(tài)為，封閉幾何體處于打開狀態(tài)，表現(xiàn)為卷圓機(jī)構(gòu)中左壓蓋、右壓蓋、壓桿在復(fù)位彈簧作用下處于最高位置，如圖6（a）所示；2）發(fā)泡海綿經(jīng)送料組件送入，此時(shí)發(fā)泡海綿位于壓桿的正下方，如圖6（b）所示；3）壓桿下壓，將發(fā)泡海綿壓入圓弧殼體.此時(shí)，發(fā)泡海綿從進(jìn)料引導(dǎo)裝置脫離，并且由于圓弧殼體內(nèi)腔成曲面，發(fā)泡海綿在殼體約束下卷曲，然后壓桿回到初始位置，如圖6（c）所示；4）左壓蓋、右壓蓋下壓至與圓弧殼體形成約束幾何體，此時(shí)發(fā)泡海綿兩側(cè)面接觸，胚料在左壓蓋、右壓蓋、殼體所形成的封閉幾何體的作用下卷圓成型，如圖6（d）所示；5）送進(jìn)組件啟動(dòng)，熱接合裝置啟動(dòng)，胚料繼續(xù)送進(jìn)，完成接合的胚料進(jìn)入左壓蓋、右壓蓋以及圓弧殼體所構(gòu)成的位于熱接合工作窗口之后的封閉區(qū)域，該段區(qū)域內(nèi)繼續(xù)保持對(duì)胚料的擠壓，以完成對(duì)胚料的保壓處理；6）卷圓接合完成后，卷圓機(jī)構(gòu)中左壓蓋、右壓蓋回到初始位置，緊接著加工第2個(gè)將重復(fù)上述過程.

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，利用三維建模軟件對(duì)該裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真并對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查.在仿真過程中隱藏對(duì)仿真影響不大的零部件如螺母、支撐架等.圖7為卷圓接合機(jī)的三維示意圖.

5 結(jié) 論

圖6 加工過程示意圖

圖7 卷圓接合機(jī)三維示意圖

本文針對(duì)汽車工業(yè)使用的小尺寸發(fā)泡海綿管生產(chǎn)設(shè)備缺乏，產(chǎn)量不足等問題，設(shè)計(jì)了一種發(fā)泡海綿自動(dòng)卷圓與熱接合機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)發(fā)泡海綿柔性材料的卷圓成型.該卷圓接合機(jī)主要由卷圓機(jī)構(gòu)、送料組件、接合裝置以及控制系統(tǒng)等組成.設(shè)計(jì)采用了幾何約束卷圓的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)泡海綿原料的卷圓成型，同時(shí)采用熱氣焊方法將卷圓成型的海綿管接合加工成無縫海綿管.整個(gè)加工過程采用自動(dòng)控制一次成型，解決了柔性高回彈材料的成型問題.

通過Solidworks仿真分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的卷圓接合機(jī)能夠完成發(fā)泡海綿卷圓接合成型所需的功能動(dòng)作，滿足發(fā)泡海綿的卷圓接合成型.本文所設(shè)計(jì)的卷圓接合機(jī)已獲得實(shí)用新型專利授權(quán).

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