自動鉚釘機工作中“臺階”的形成原因及解決辦法

自二十世紀七十年代以來,雙金屬復合鉚釘觸頭在低壓電器行業(yè)中得到了極為廣泛的應用。它已越來越多地在各種工業(yè)與民用場合中取代了以往的貴金屬整體鉚釘觸頭。

究其原因除了現(xiàn)代社會節(jié)約貴金屬的要求日益迫切之外,另一個重要原因是雙金屬復合鉚釘觸頭生產技術的革命性變化,即由原來那種傳統(tǒng)法使用的多種工藝裝備進行作坊式的單件生產轉向由復合鉚釘機自動生產。我國自八十年代初期引進第一臺復合鉚釘機以來,目前國內各類復合鉚釘機的擁有量已是數(shù)以百計。其中很大一部分是國內于八十年代末自行研制成功的復合鉚釘機及其仿型機和改型機。該系列鉚釘機的最大特點是將傳統(tǒng)的雙刀剪切送料機構改成了單刀剪切送料機構。這一變化簡化了系統(tǒng)機構及相應的刀具與模具系統(tǒng),優(yōu)化了整機結構,相應也提高了系統(tǒng)的傳動精度,而且大幅度減輕了生產過程中機器調試的繁瑣程度。這些優(yōu)點使復合鉚釘機在國內得到迅速推廣。但用戶在稱贊它的同時也提出了一個問題,即該型機器很難做到刀具與模具系統(tǒng)的“完全”精確定位。按業(yè)內人士習慣上的說法就是或多或少地存在有“臺階”。

眾所周知,復合鉚釘機的調試就是在刀具系統(tǒng)與模具系統(tǒng)的聯(lián)調中,使刀具相對于模具——兩個剪切座和一個底模——實現(xiàn)精確定位。在雙刀機系統(tǒng)中,由于底模與兩個剪切座分別位于三塊相對獨立的活動模板之上,相互之間的位置都不會產生干擾,而且兩把刀僅需分別與底模和一個剪切座定位,故調試比較簡單,只要有足夠的耐心和技能,刀具上的刀孔與模具上的三個孔都可以很好的實現(xiàn)“完全”精確定位。而在單刀機系統(tǒng)中情況卻大不一樣。底模是單獨位于一塊獨立模板上,與刀具可實現(xiàn)精確定位,但是該系統(tǒng)中的兩個剪切座卻是位于同一塊模板之上,相互間的距離是固定的,而刀具的停留位置則由剪切凸輪的輪廓曲線決定,是固定不變的。

當剪切凸輪的第一組工作曲線的升程S與兩個剪切座的中心距L不同時,勢必產生刀具與兩個剪切座無法一同實現(xiàn)“完全”精確定位的問題。刀具與兩個剪切座不能完全實現(xiàn)精確定位而導致的錯位,習慣上稱之為“臺階”。

在單刀機系統(tǒng)中,“臺階”的大小將直接關系到鉚釘機能否正常工作,用戶在購買和使用鉚釘機時,往往也將有無“臺階”作為衡量鉚釘機好壞的標準。所以不論是在鉚釘機出廠前還是在用戶購買和使用鉚釘機的過程中,調試者都要盡一切努力來減小甚至是力圖消除“臺階”。那么,單刀型的鉚釘機是否就一定不能允許有“臺階”的存在呢?

眾所周知,在機械加工過程中不可避免地存在尺寸公差。要想通過機械加工來獲得兩個完全一樣的尺寸是不可能的。這就是說剪切模板上兩個剪切座的中心距L與剪切凸輪的第一組工作曲線的升程S這兩個在理想情況下要求完全一致的尺寸,在實際狀態(tài)下是不可能完全相同的。問題的關鍵是如何在機械加工過程中合理地控制加工精度,使它們的尺寸公差處于一個盡可能小的范圍,以減小它們之間的差距,從而達到減小甚至是消除“臺階”的目的。

相對而言,剪切座的中心距L與剪切凸輪的第一組工作曲線的升程S這兩個尺寸,哪一個對“臺階”的尺寸影響更直接,更明顯呢?我們知道,鉚釘機在工作時,其模板都是固定在機體上的,由剪切凸輪推動剪切滑塊使刀具分別與模具實現(xiàn)精確定位。當?shù)毒叩墓ぷ魑恢孟鄬τ谀＞叩奈恢么嬖诙ㄎ徽`差時便產生了“臺階”。當剪切座的位置與中心距L的大小都是相對固定且無法改變的時候,由剪切凸輪輪廓曲線的第一升程S推動刀具的行程S′的多少將直接決定刀具相對于剪切座的位置精度,即“臺階”的有無和大小。在這種情況下,如何控制凸輪輪廓曲線的第一升程S的尺寸精度才是確保刀具相對于剪切座的定位精度,減小甚至是消除“臺階”的關鍵所在。

遺憾的是,在鉚釘機投放市場之初,受機械加工設備的限制,對于輪廓曲線極為復雜的凸輪淬火后,由于缺乏對其小尺寸內凹輪廓進行再次精加工的手段,我們只能將淬火作為凸輪加工的最后一道工序。也就是說,利用數(shù)控銑手段完成凸輪輪廓的最后精加工之后,凸輪的最終尺寸是在熱處理工序中獲得的。根據(jù)有關資料表明,工件在淬火過程中所發(fā)生的組織轉變將引起工件尺寸發(fā)生畸變。有關參數(shù)見表1。按凸輪的結構尺寸、材料含碳量(9SiCr, 0.85～0. 95%C)可知,按常規(guī)方法淬火后的凸輪在其最大半徑(115mm)處可能產生的尺寸畸變最大可高達0.9mm以上,在最小半徑(55mm)處產生的尺寸畸變也可能高達0.4mm以上。也就是說凸輪在淬火后將完全喪失其在前面的精加工當中所獲得的精確輪廓尺寸。雖然在實際加工過程中已盡了極大努力來改進凸輪的加工工藝,如根據(jù)淬火變形趨勢來確定凸輪的淬火毛坯的精確尺寸、多方改進熱處理工藝等,以期將淬火尺寸畸變控制在期望的預設余量之內。但是由于淬火過程中存在的熱應力和組織應力以及凸輪本身材質的金屬化學成分和冶金組織變化的不均勻性等諸多的不確定因素都會影響到淬火尺寸畸變,所以,淬火后凸輪的輪廓尺寸精度還是不能完全達到設計要求。在這種情況下,在鉚釘機的整機調試過程中,對凸輪進行人工修磨就成為確保刀具與模具實現(xiàn)有效精確定位的唯一選擇。這種情況一直持續(xù)到二十世紀90年代中期。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,諸如慢走絲線切割機床、數(shù)控磨床等一批先進的機械加工設備逐漸在機械加工行業(yè)普及,使得我們有機會對凸輪的加工工藝進行重新考慮。通過將數(shù)控磨削手段引入到凸輪的加工工藝當中,現(xiàn)在加工的凸輪其輪廓尺寸的精度已經能達到0. 005mm之內。實踐證明,用新工藝加工出來的凸輪,裝機調試時無須實施人工修磨便可實現(xiàn)刀具與模具的有效精確定位,完全達到了凸輪的設計精度要求。那么,在目前所能達到的加工精度下,單刀型鉚釘機能否做到刀具與模具的完全精確定位,即不存在任何“臺階”呢?

影響雙金屬復合鉚釘成型的因素主要有幾方面: (1)觸頭結構尺寸,包括頭腳的直徑、長度、厚薄等;(2)變形參數(shù),包括變形速度、變形量等; (3)線材參數(shù),包括線材的機械物理性能和剪切斷面質量等。其中由刀具與剪切座相互作用產生的僅有線材的剪切斷面質量。而影響線材剪切斷面質量的因素,除了線材本身的機械物理性能之外,也就只有鉚釘機的剪切間隙了,即刀具與剪切座之間的軸向距離。當線材進入刀孔之后,對線材的剪切則是由刀具與剪切座之間產生的徑向位移來完成的。這里用一個不太恰當?shù)谋确?即對線材的剪切是由鉚釘機的刀具與剪切座之間的“臺階”不斷“成長”來完成的。只要適當?shù)卣{整鉚釘機的剪切間隙,便可獲得滿意的剪切斷面質量。

至于剪切斷面質量以及前面所提到的諸多因素如何影響雙金屬復合鉚釘觸頭質量的問題,已有過許多論述,在此不再復述。至此,我們可以說,只要保證線材通過剪切座后能夠順利進入刀孔,刀具與模具間的細微錯位(即“臺階”是不會影響到鉚釘機的正常工作的。

但是,并非所有的鉚釘機的調試者都能認識到這一點。他們仍試圖消除他們能夠探知的任何“臺階”。例如過度預緊凸輪拉桿以達到減小軸承間隙的目的,甚至于對凸輪進行人工修磨。這樣做在表面上也許會達到一定效果,但會導致深層的負面影響。

過度預緊,使凸輪與軸承的接觸應力急劇增加,且軸承易產生形狀畸變;人工修磨后的凸輪,其輪廓尺寸精度遭到破壞,導致主副凸輪的共軛精度降低,這將會嚴重惡化機床傳動鏈的工況,加劇凸輪與軸承系統(tǒng)的磨損和疲勞進程,使機器故障率升高,可靠性降低,嚴重的甚至無法達到設計壽命。國內某企業(yè)就曾有過一臺經人工修磨凸輪后刀具與剪切座配合得“天衣無縫”的新鉚釘機在短短兩個月內因數(shù)次拉斷拉桿而無法正常運行,最后不得不更換凸輪的實例。這種努力的結果最終只能使凸輪淬火后的精加工工序完全喪失其意義。

 

以上所討論的“臺階”均為刀具與剪切座在水平方向的位置誤差。至于他們之間可能出現(xiàn)的“高低臺階”(即兩個剪切座的單邊“臺階”一上一下,如圖1)則是由于模板位置發(fā)生傾斜所導致,這可以通過修磨模板兩邊的調節(jié)斜塊來予以糾正。這一工作在新機出廠前即已完成,在鉚釘機的使用過程中出現(xiàn)這種情況則多為剪切座同軸度超差所致,這種情況較為少見。此外,由于使用過程中的正常磨損,在實際生產過程中將新舊模具混合使用也會影響到“臺階”的存在和尺寸。例如將新刀具與舊剪切座混合使用,由于刀孔較剪切座孔小,也許就不存在可以探知的“臺階”,如圖2;而將舊刀具與新剪切座混合使用,由于刀孔較剪切座孔大,在調試時雖然存在有可探知的明顯“臺階”,但此種狀態(tài)下的鉚釘機仍然可以照常工作,如圖3。但是,這些“臺階”非本文所討論的“臺階”,在此不再敘述。