大齒條自動沖切生產線的設計與研發

王 軍，于月琴，陶 偉，馬海波

(1.金輪針布(江蘇)有限公司 梳理技術研究部，江蘇 南通 226009；2.華潤建筑有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

大齒條金屬針布主要指刺輥金屬針布以及一些特殊場合使用的總高、齒距尺寸較大的金屬針布，主要應用于清梳聯及毛、麻、非織造等領域。作為預分梳金屬針布，大齒條金屬針布梳理力大、作用劇烈，對材料的硬度和耐磨性要求較高，自身的質量性能直接影響預分梳效果；其預分梳質量會間接影響錫林金屬針布和蓋板金屬針布的分梳質量和壽命，最終影響纖維的梳理質量和產量。此外，預分梳質量與后期纖維的握持損傷、棉結、雜質以及條干均勻度有關[1-3]。

目前，國內外常規錫林、道夫金屬針布齒條生產線均采用高速旋轉沖切方式沖齒。該類齒條具有“矮、尖、淺、薄、密”的特點[4-5]，這類沖齒方式使高速、高精密的旋沖機構得以應用，但對一些齒形、齒距以及基部寬較大的金屬針布齒條，因其所需的沖切力相對較大、剛性要求較高，若采用常規旋沖機構對其進行沖切，會因旋轉主軸剛性不足，導致沖切時產生劇烈振動，影響設備的沖切精度和質量[6-7]。

針對目前旋沖式沖淬聯合線無法生產大齒條產品的弊端，以及該產品為客戶定制、產量需求無法保證等特點，筆者利用車間生產其他產品的CP-25T型高速沖床設計改造為大齒條在線自動沖切設備。當客戶有訂單需求時，可臨時搭建大齒條高速沖切生產線用于生產；無訂單時，可拆除生產線用于其他產品。該設計從根本上解決了新產品的定制需求，降低了公司采購新設備費用，具有較好的產品效益與經濟效益。

1 大齒條自動沖切生產線工藝過程與設備功能要求

1.1 工藝過程

大齒條自動沖切生產線的工藝包括放料設備、牽料設備(變頻電機驅動)、檢測架(含同步感應裝置)、校直機、沖模部件、牽料機(伺服電機驅動)、收卷包裝設備(含墊防護紙機構)和電控部件等8個工步組成。其中，放料和卷繞包裝是該自動沖切線的首道和末道工序；首道工序來料為高速軋制設備的半成品坯條；末道工序后的產品為齒條半成品，后續需要在專門的拋光設備上對半成品進行拋光處理，以滿足針布齒條表面粗糙度的要求。

1.2 金屬針布齒條工藝參數

金屬針布齒條主要的工藝參數包括：工作角、齒距、基部寬、齒頂長、總高和齒深等[6]，筆者將以齒距為20 mm、基部寬為2.5 mm、總高為10 mm的AT10010×20025型針布齒條為目標產品，該產品的具體設計參數見圖1。

1.3 生產線設備功能要求

目前，常規金屬針布齒條的生產工藝流程已不能滿足大齒條的生產，需重新制定其生產工藝流程，同時要求該生產線應具備以下主要功能。

a) 來料坯條為軋制盤狀卷料，生產線應具備放料機構，能夠適應盤料的安裝與拆卸，且放料機構應具備制動功能。

b) 放料機構前需設有牽料校直機構，作為牽引放料機的動力源，同時對盤料中的坯條進行第一道校直，保證進入沖床沖切時坯條的直線度，以及沖切的精度和質量。

c) 沖床設備上需設置相應產品的校直機、沖模部件以及伺服牽料機，校直機為沖切前對坯條進行的第二道校直，沖模部件可實現相應產品的沖切成型，伺服牽料機作為沖切的動力源，是通過伺服電機與沖床上的高精度旋轉編碼器形成閉環控制以完成連續高精度沖切[7]。

d) 經過沖切成型的大齒條需要通過設備進行收卷包裝，該設備要能夠滿足針布寬度方向均布、徑向疊層排布的功能，且層與層之間需要墊防護紙，即具備自動墊紙功能。

e) 具備成品的稱量功能，并能夠進行達重報警，提示操作人員卸料。

f) 生產線具備電氣控制系統，控制生產線的啟停。

2 生產線方案設計

根據上述大齒條自動生產線的工藝步驟、生產要求以及應具備的主要功能特征等，該生產線應包含放料機(含阻尼機構)、校直牽料機、沖模設備(含沖床、沖模部件以及校直)、伺服牽料機和卷繞包裝機(含收卷、包裝及墊紙)等。此外，還需要有電氣控制系統(含與原高速沖床兼容的沖切控制系統)和氣動系統。圖2為大齒條高速沖切生產線的整體布局示意。

2.1 放料機

放料機主要用于來料的被動放卷，須具有結構簡單、方便上下料以及放料穩定等特點。由固定底座、料架、調節阻尼、定徑螺栓、料盤軸以及料盤等組成，見圖3。

其中，固定底座采用可翻轉結構，方便料盤的裝卸料；料架和定徑螺栓用于確定收卷時的起始直徑以及卸料時的預松；調節阻尼用于在前端牽引時保證針布保持一定的張緊力以及剎車停止功能，其阻尼大小可以根據實際情況進行人工調節；料盤尺寸規格為φ600 mm×φ350 mm×130 mm，用于坯條的放卷料。

2.2 校直牽料機

校直牽料機作為放料機構的動力源，具備主動牽引與校直的功能，由支架、牽料機、校直機、牽引輥輪、導向輪以及氣缸等組成，結構如圖4。

其中，支架是整個機構的支撐；牽料機上帶有主、被動輥輪，依靠氣缸帶動其中1個輥輪壓緊，利用2個輥輪之間的摩擦力帶動坯條向前進給；此處校直機作為第一道校直工序，由交叉布置的2組帶軸承滾輪從水平方向和豎直方向分別對坯條進行直線度校準，以保證坯條的直線度；導向輪由3個長軸輪組成，限制坯條的左右和上下竄動；牽料機構采用變頻電機驅動，前端的檢測架設置液位繼電器或接近傳感器，以確保坯條在送料過程中能保持一定的余量。

2.3 沖模部分

大齒條的基部寬和總高決定了沖切坯條需要較大的沖裁力，將沖模部分安裝于現有的CP-25T型高速沖床上，可實現大坯條的沖切成型。沖模部件為生產線的核心部分，最終決定齒形沖切的精度和質量，由上模座、下模座、限位套、彈簧、調節座、凸模、凹模以及凸模固定座等組成，具體結構見圖5。

上、下模座分別用于固定凸、凹模，凹模通過調節座調節相應的齒形精度；限位套與彈簧用于限制上模座的下壓極限位置以及復位；凸、凹模的形狀尺寸由針布齒條的尺寸和精度確定，見圖6。沖切前第二道校直主要包括水平輪、豎直輪、滑塊、手柄、凸輪和導向輪等，其原理與作用與第一道校直機構相同，見圖7。

整條生產線的速度取決于高速沖床的速度，假設沖床速度為m(次/min)，大齒條齒距為p(mm)，則設備整體線速度為：v=mp×10-3m/min。

由于大齒條齒距為20 mm，CP25-T型高速沖床的沖切速度不小于180次/min，則整條線速度不小于3.6 m/min。

2.4 伺服牽料機

伺服牽料機是保證金屬針布齒條整體質量的又一關鍵設備，主要由伺服電機、上下輥輪、氣缸、定位機構及磁粉制動器組成，結構示意見圖8。選用倫茨MCS06C41型伺服電機，該電機需要與沖床主機間保持聯動，將原沖床上的A-ZKT-D100B型編碼器所給出的信號反饋給PLC，對反饋的脈沖信號和齒距等進行比例換算，控制伺服電機的牽料速度，完成伺服牽料；磁粉制動器用于生產線停止后的快速降速，可使牽料機構不再進行送料進給；牽料機、定位機構與前道工序中的作用原理相同。

2.5 卷繞包裝機

卷繞包裝機主要完成產品的排料、收料及墊紙功能，主要由送紙機構、導向機構、傳動機構、切紙機構、張力機構、機座、電子秤和導紙機構組成，具體結構見圖9。

卷繞包裝機的送紙機構采用氣缸下壓，使機構上的橡膠滾輪與料盤接觸并帶動墊紙的卷入；傳動機構由變頻電機帶動傳動軸旋轉，按照一定的速度進行卷料動作；導紙機構用于對金屬針布齒條的排料，且隨料盤的卷繞直徑增大而自動抬高；切紙機構提供喂紙功能，通過2個輥輪之間壓緊時的摩擦力傳輸，具備定長切斷功能；電子秤可實現在線稱量和達重提醒等功能。

2.6 其他部件

其他部件包括電控支架、高低壓氣路及控制線路等，其中電控支架設置于收卷包裝工序之前，方便操作人員在達重后進行停機操作。氣路所涉及到的電磁閥、調壓閥以及控制盒均可安裝在支架上，具體結構見圖10。

3 結語

3.1筆者設計的大齒條高速沖切生產線利用了現有的CP-25T型高速沖床，提高設備利用率，針對客戶臨時訂單，可隨時組裝成線進行生產；臨時訂單完成后，可將生產線拆除，生產其他產品，不影響設備的使用，具有很好的機動性。

3.2該高速沖切生產線應用了高精度伺服牽料機構，與CP-25T型高速沖床上的編碼器形成閉環控制系統，充分保證了產品的尺寸精度和質量。

3.3該高速沖切生產線具備制動型被動放料、牽料校直、高速沖床沖齒成型、收繞包裝以及在線稱量等功能，基本實現了大齒條自動化生產。

3.4相比于常規金屬針布齒條生產時所使用的旋沖機構，高速沖床整體沖切線速度相對較慢，僅為3.6 m/min，但因其沖切力大，設備整體剛性好，特別適合沖切尺寸較大、基部較寬的大齒條，具有針對客戶進行專業性定制上的應用優勢。