Σ立柱生产线的设计与应用

张新利 朱志会

(江苏国强控股集团，江苏213363)

Σ立柱生产线的设计与应用

张新利 朱志会

(江苏国强控股集团，江苏213363)

国内第一条专业生产Σ立柱的生产线，虽然存在一定的实施风险，但其定尺精度高，断面切断整齐，用工成本有较大的改善。

Σ立柱；生产线；伺服电机；递送冲孔

Σ立柱形状复杂，主要应用在国外高速公路护栏系列产品领域。几年来，公司外贸部门全力开发销售，取得了较大的业绩，市场占有额逐年递增。特别是今年以来，该产品的订单一再追加，交货能力非常紧张。造成这种局面的原因，不仅是业务量增大，更多的是我们生产环节太原始，投入人工较多，除了冷弯成型外，切断和冲孔均需离线完成，其生产效率可想而知，制造成本也很难控制。生产和销售部门已经疲于应对，生产能力的提高迫在眉睫。Σ立柱如图1所示。

图1 Σ立柱示意图

目前，公司生产外贸产品的主要生产线为750冷弯线，其涵盖产品种类十多种，为了满足外贸市场需要，必须经常更换模具，每次换模时间需要两个班，包括调试时间，无法控制其成材率和生产产能。并且这条冷弯线生产规格范围较宽，带钢最大宽度为750 mm，而Σ产品所用带宽为235 mm，因此，成型不稳定，经常出现截面尺寸不符合图纸要求的现象。2016年1月公司立项建设Σ立柱生产线，6月投产运行。

1 设计思路

1.1 设计方案

采用先矫平，而后定尺冲孔，再连续成型，最后随动定尺剪断并输出的连续生产作业方式。确保冲孔定尺的准确性，通过带钢的输送确定冲孔位置，由伺服电机控制，并且在冲孔位置的前后设有活套，以保证前后带钢的自然张力状态。

1.2 设计参数与设备

所有设备的选型以生产Σ产品为主，其动力参数和工艺设备确保能正常生产。包含开卷机、直头机、矫平机、伺服送料装置、冲孔设备、冷弯成型机、自动切断机、全线自动控制系统及液压系统。为了充分应用现有配套轧辊，要求有效成型架次为16道(水平辊)，生产Σ立柱开口朝下。

带钢最大展开宽度按500 mm设计，最大成型厚度按4.5 mm设计。

对于Σ立柱的在线连续生产，整线设计时按照最大生产速度20 m/min设计，以确保实际生产中能达到4块/min(板长3 m)的生产速度。

1.3 设计先进性

该生产线可有效提高生产效率，全线电气实现自动控制，在正常生产过程中，整条生产线只需要3～4人即可完成全部工作工序。

该生产线的先进之处在于：首先是带钢的连续式生产，既可以更好地保证板型的质量及孔系位置尺寸的精度，又可以大幅度提高生产效率；其次是自动控制系统的应用可以有效降低操作工人的数量。

2 主要参数及工艺流程

完全按照Σ产品的制造工艺组织相关设备，形成了一条Σ产品专用的自动化生产线，从而简化了工艺流程，大大减少了人工投入，产品质量也得到了稳定提高。

1—自动落料及接料装置 2—输送辊道 3—跟踪切断机 4—冷弯成型机(主机) 5—伺服送料机 6—冲孔压力机 7—抽料矫平机 8—笼式储料仓 9—活套送料机 10—剪切对焊机 11—1#矫平机 12—直头机 13—开卷机 14—车间地平 15—冲孔压力机液压站 16—矫平、剪切液压站 17—开卷、直头液压站 18—主机及切断操作台 19—前准备段操作台

2.1 性能参数

原材质屈服强度：≤350 MPa

原材料板宽：≤300 mm，公差0～-0.5 mm

原材料板厚：≤4.5 mm，公差±0.15 mm

纵剪直线度：0.5 mm/m

带卷重量：≤5 t

带卷外径：≤1200 mm

带卷内径：508～610 mm

运行效率：10 m/min

占地面积：30 m×4 m=120 m2

生产方式为半连续性生产，带钢头尾停机对接。传动型式为单电机集中传动，齿轮箱为下轴传动，上轴被动(根据需要可设立上下传动架次)，产品长度和规格调整均采用触摸屏实现，显示均为数字。

2.2 主要技术参数

产品范围：高精度Σ立柱、U型立柱等展开宽度不超过500 mm的冷弯型钢

产品材质：Q195～Q235B

产品壁厚：2.0～4.5 mm

定尺长度：1.5～10 m

定尺精度：±2 mm

成型方法：连续辊弯成型形式

进料方向：左进料

最大成型速度：20 m/min

2.3 工艺流程

Σ生产工艺流程为：上料→开卷→矫平→接头焊接→成型→飞锯切断→二次定尺切割→去端面毛刺→冲孔。工艺流程图见图2。

由于飞锯切断产生毛刺严重，必须采用普通带锯进行二次定尺切割，锯条用量很大，并且需要大量人力周转作业，同时物料消耗也无法控制。

3 设备组成

3.1 组成

该设备包括开卷机、带钢直头机、双夹送矫平机、剪切对焊机、伺服送料装置、高速冲孔压力机、冷弯成型机及在线随动切断设备八部分组成。为了保证切口端面符合要求，冲孔机安装有预冲装置，将型材弯角处预先冲出切口。

3.2 开卷机

开卷机采用主动式液压单锥形式，用于支撑带钢卷，并具有主动放料、防散卷及制动功能。开卷机由底座、锥头胀缩装置、压料防松装置、驱动电机及液压部件等组成。

3.3 带钢直头机

带钢直头机用于将弯曲的带钢头部送进矫平机的夹送辊，由压头、托板、伸缩铲板、焊接机架等组成。压头主要用于压住板卷料头部，防止散卷，并压平料头，方便进入校平机。托板可以上下摆动，用于托住料头，便于展平，并且顺利进入校平机伸缩铲板用于接住料头，引入托板。

3.4 双夹送矫平机

矫平机对带钢弯曲进行全尺寸矫平，以便于顺利进行后续的伺服送料及冲孔。该矫平机可自动调节实现矫平速度，与主机及伺服送料机自动同步。矫平机由前后两套(共四组)对中立辊、两对夹送辊、七辊矫平机构及主传动机等组成。对中立辊由人工手动调节；夹送辊为二辊式双递送，手动调节压下；矫平辊为七辊式，上三辊下四辊，下辊主传动。主传动电机选用频率为11 kW的变频电机。

3.5 剪切对焊机

对焊机包括液压剪板机、压料焊接平台、夹送机等几部分组成。对焊机将带钢卷的头部和尾部不合适的带钢沿垂直方向剪断，将两卷带钢的头尾焊接连在一起，使后序的冲孔和成型能连续进行。

3.6 伺服送料装置

送料装置由机架、压紧系统、伺服电机及伺服驱动系统组成。送料装置按照冲孔实际所需步距长度送进板料，送料精度准确无累积公差，一次性可设置多组送料参数，方便快捷。伺服送料机含有1对送料辊，使用弹簧压料，采取气动压紧送料形式。伺服电机配合编码器测长控制送料过程。

3.7 高速冲孔压力机

该冲孔机所配液压系统是专门为此液压机开发的。该高速专用液压机专为冷弯生产线在线冲孔设计，具有结构合理、速度快、使用寿命长、调整方便等优点。液压机采用泵、蓄能器控制方式，采用专用液压控制模块，具有冲裁速度快，噪音小等特点，并且配有冷却器散热，以满足连续生产的需要。

3.8 冷弯成型机

冷弯成型机水平辊架数量为16架；两架水平辊架间距离为600 mm，机架的结构形式为龙门式。机架的材质为ZG35(或Q235钢板焊接)，加工前去应力退火处理。机架窗口宽为160 mm，窗口处有效厚度为78 mm，机架外宽为280 mm，机架与底座用M24螺栓固定。水平轴固定端轴承采用22215。轴承之间加8 mm厚垫，水平轴活动端轴承采用NU2215E。轴承之间加15 mm厚垫。机架的加工精度等级为7级，厚度尺寸用平面磨床保证精度为0～-0.04 mm，保证内槽公差为0～+0.05 mm，垂直度公差≤±0.04 mm。机架所有定位孔的加工采用钻模加工，保证全部具有互换性。各成型机架轴承座滑块尺寸相同，在所有机架之间完全互换。机架上辊轴可通过调节丝杠上下调整，下辊轴高度靠垫块调节保证。成型水平机架采用下轴主动、上轴被动。上下水平辊轴均预留同步齿轮位置。水平辊轴与传动箱之间的连接为“解放141”万向传动轴连接，成型机架水平辊轴直径90 mm，材质为40Cr，热处理为整体调质处理220～250HBW，表面高频淬火为52～55HRC。为适应Σ立柱生产的特殊性，该机组的后四架采用快换式结构及斜侧辊成型。冷弯成型如图3所示。

根据常规孔型，该冲孔模具一次冲出Σ立柱6个孔，伺服送料机一次送料冲所有孔，减少送料时间，提高效率，并确保孔位置尺寸精度的准确性。冲孔模具采用专用快速冲模，具有回程快，更换冲头方便等优点，大大缩短了换模时间，提高了效率。该模具的凸模(冲头)及凹模均采用SKD11材质。

图3 冷弯成型图

3.9 在线随动切断设备

切断设备的作用是将成型制件定尺切断，整个工作过程不需要整线停止，随动切断。由插销定位控制切断，速度快，效率高，定尺准确。切断设备由床身、直线导轨，行走小车、剪切机架、定位系统以及切断模具等组成。切刀模式采用双刃落料剪切。

4 应用分析

4.1 产能分析

Σ立柱产品长度不一，有1.95 m、2.45 m、2.7 m、2.9 m、3.3 m不等，相对来说长度尺寸变化不算很大，因此，如果采用在线完成冲孔切断，机组运行速度必然受到限制，经前期调研，其运行速度约为10 m/min，按照长度为3.3 m的成品估算，每分钟生产3支成品，每班4个人生产产能为3×60×10=1800支。而目前生产同样数量的产品，需要成型初切断6人，二次切割6人，冲孔6人，共投入18人。因此，虽然产能上没有提高，但物料消耗减少，用工情况节省很多，制造成本得到有效控制。

4.2 生产线优点

该生产线定尺精度高，是一条端面切断齐整的Σ产品专线。其优点为：

(1)冲孔位置采用伺服电机控制。伺服电机采取递送冲孔。冲孔机按要求变步距送料，满足冲孔要求。在范围内可自由设定送料速度，可输入多组不同的送料长度。送料精度为±0.2 mm/步。

(2)切断方式采取在线切断。为了保证切断质量，在冲孔机安装预冲装置，将型材弯角处预先冲出切口，以防止后切断时产生拉伸变形，同时也为后切断起定位作用。

(3)该液压系统是专门为冲孔机开发的，液压机采用泵、蓄能器控制方式，采用专用液压控制模块，具有冲裁速度快，噪音小等特点，并且配有冷却器散热，以满足连续生产的需要。

[1] 王先进. 冷弯型钢生产及应用[M] 北京：冶金工业出版社，1995.

[2] 林时宪. 国外冷弯型钢[M]. 北京：冶金工业出版社，1984.

编辑 陈秀娟

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Design and Application of Σ Vertical Column Production Line

Zhang Xinli, Zhu Zhihui

The first Σ vertical column professional production line in domestic has been established, its higher size precision and trim fracture section cutting improved the production costs even though existing practice risk.

Σ vertical column; production line; servo motor; delivery of punching

2017—02—21

张新利(1975—)， 男，本科，机械工程师。

TG315.5+4

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