基于五轴数控机床的典型零件铣削加工
编者按
设计了一种具有自动导向功能、分离功能的骨架上料工装，解决了骨架手动上料生产效率低、产品不良率高等问题，同时该设计结构简单、制造方便且成本低廉。
1 序言
骨架油封的硫化环节：骨架上料→橡胶注射→硫化→产品顶出。骨架上料即将骨架放入模具中。这是首要环节，也是重要环节之一，其决定了骨架在产品中的位置，进而影响产品的尺寸和功能。
实际生产中一般采用手动上料，生产效率低，还易造成骨架在模具中放偏。尤其当骨架外径较大时，若采用手动上料，这种现象更加明显。因此，对于大骨架油封产品，一般会定制上料工装，保证骨架放到位。
采用上料工装的骨架上料环节示意如图1所示。
图1 上料环节示意
2 问题的提出
生产中发现大批量某油封的骨架表面一侧有明显划伤（该批次骨架入厂检查合格）。进一步调查发现，产品整圈的高度存在高度差（0.20～0.25mm），如图2所示。
此外，因工装带有磁铁，故骨架放置到模具后，需要等待10s才能将工装取出，以此保证骨架不因磁力而被工装带出。
图2 骨架表面一侧划伤且产品整圈的高度存在高度差
3 原因分析
1）现状描述：采用图3所示的现有上料工装，图4为现有上料工装与模具的配合图。
图3 现有上料工装
图4 现有工装与模具配合
1—模具 2—骨架 3—塑料手柄 4—磁铁 5—螺栓（M12×40 GB/T 5783—2016） 6—骨架上料器
2）分析上料工装的使用状况，得出造成上述缺陷的原因可能有：①骨架与上料工装本身不对中，即上料工装与骨架接触的轴径偏小，两者间有间隙，水平方向上没能完全定位。②上料工装底面不平整，导致骨架在上料工装上是偏置的。③放置时，上料工装与模具不对中，进而造成骨架在模具上是偏置的。④取出上料工装时，骨架受磁性的影响，随上料工装的取出，骨架位置发生变化。
综上，上料工装的轴径配合尺寸、制造加工及上料工装本身结构设计问题都有可能导致此类情况的发生。
4 新骨架上料工装的设计
针对以上列出的可能原因，我们逐一提出解决措施：
（1）配合轴径设计尺寸问题 测量骨架内径，上料工装与骨架单边间隙控制在0.02mm 内。
（2）底面平面度制造加工问题 底面平面度要求在0.02mm以内，但由于尺寸较大，达到该标准的成本较高，故现有工装并未达到该要求。对于此加工问题，改进设计要求：将原有的大平面改成凸台结构，仅对与骨架接触的平面提出平面度要求，如图5所示。
图5 凸台结构的设计可以降低加工难度
（3）设计结构问题 我们提出一种新结构的骨架上料工装，放置骨架时，具备自动导向功能，可避免上料工装与模具的不对中情况；取出上料工装时，可实现骨架与磁铁的分离，进而避免骨架随上料工装的取出而发生位置变化。
1）上料工装与模具的自动导向功能：上料工装与模具之间的自动导向功能可以参考上模与中模合模状态。模具结构中，上模与中模的配合面通常选用15°斜面作导向，可保证上模与中模的对中性，如图6所示。
图6 斜面导向的设计可实现上料工装的自动导向功能
2）骨架与磁铁的分离结构：该结构由上料工装本体、分离环与手柄组件构成。①上料工装本体：该部分除了增加斜面导向结构外，在底部开通整圈环，并在90°方向预留4个通孔。图7所示为改进后的上料工装本体。②分离环：该部分由一个含磁铁的圆环构成。其中，磁铁孔要求与磁铁过盈配合，以防止磁铁脱落。圆环的内、外径要求达到与本体上开通的整圈环滑动配合状态，此外还需预留与手柄组件相连的通孔，如图8所示。③手柄组件：该部分由联接螺栓组件（含螺栓、螺母和垫片）、弹簧及一个固定手柄和一个活动手柄构成，如图9所示。联接螺栓组件用于联接分离环与活动手柄，以及固定弹簧；弹簧位于本体上料工装底部开通的整圈环内，弹簧的使用可使得分离环迅速复原；固定手柄安装于上料工装本体上；活动手柄复原时，位于上料工装本体上，活动时，分离环上移，进而实现磁铁与骨架的分离。
图7 改进的上料工装本体
图8 分离环
图9 手柄组件
1—弹簧 2—联接螺栓组件 3—固定手柄 4—活动手柄
使用时，操作人员手拿固定手柄并将骨架放置在上料工装本体上，将吸附着骨架的上料工装放在模具上，拉动活动手柄（此时磁铁与骨架分离）并拉动上料工装整体向上移动。图10所示为上料工装的整体结构。
a）图样
b）实物
图10 自动导向可分离式油封骨架上料工装整体结构
1—弹簧 2—上料工装本体 3—联接螺栓组件 4—固定手柄 5—活动手柄 6—分离环 7—磁铁
5 延伸设计
以上设计方案适用于骨架在中模中呈“L”形摆放的状态。对于不同的产品，模具设计还会采用另一种骨架在中模中呈“倒L”形摆放的状态。图11所示为骨架在模具中的两种放置状态。
a）骨架在模具中呈“L”形
b）骨架在模具中呈“倒L”形
图11 骨架在模具中的两种放置状态
基于这类“倒L”形摆放状态的模具，我们提出另一种设计结构方案。该结构由上料工装本体、分离压环和压板组件构成。
上料工装本体：外周通过与模具台阶面配合，实现其与模具的对中，连体心轴的外径要求与骨架内径间隙配合。同时，在其相应位置安装磁铁，并在中心位置放置堵头螺钉，利用磁力作用，保证磁铁不因外力脱落。如图12所示。
图12 上料工装本体
分离压环：位于上料工装本体内，可沿连体心轴滑动。同样地，分离压环的相应位置模仿模具斜面导向的设计，这样可保证骨架与模具对中。初始状态，骨架顺着连体心轴在压环上呈“倒L”形放置。压入时，骨架在分离压环的作用下，向下运动，与磁铁分离。
压板组件：该部分是由压板、3个导向杆、3个螺栓及片组成。螺栓联接分离压环，在外力作用下，压板顺着导向杆，带动分离环向下移动。
使用时，将压板拉动直至分离环接触上料工装本体底部，将骨架放到位，此时在磁铁作用下，骨架吸附在上料工装本体的连体心轴上。然后把上料工装本体放在模具上，图13所示的整体结构即为初始状态。压动压板直至分离环与模具上端贴合，实现骨架与磁铁分离，使得骨架位于合适的模具位置中，如图14所示。
图13 自动导向可分离式上料工装整体结构
1—堵头螺钉 2—分离环 3—螺栓 4—压板 5—垫片 6—导向杆 7—上料工装本体 8—磁铁
图14 骨架与磁铁分离
6 结束语
对生产中出现的异常问题分析并排查原因，模仿模具的配合结构，设计具备自动导向功能的上料工装；采用简单的机械机构，实现骨架与磁铁的分离。解决生产异常问题的同时，提高了生产效率。
本文发表于《金属加工（冷加工）》2021年第8期第45~48页，作者：嘉科（无锡）密封技术有限公司 陈熙亚，原标题：《具备自动导向功能的分离式油封骨架上料工装的设计和应用》。