鎳始極片加工機(jī)組釘耳裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2019.02.014鎳始極片加工機(jī)組釘耳裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)莫翰林1，孫東明1，鐘晨1，鄭國(guó)鋒2，高偉2（1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500；2.金川集團(tuán)鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737104）摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某鎳冶煉廠鎳始極片加工過(guò)程的智能化、綠色化、快速化的加工要求，對(duì)鎳始極片的釘耳環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析了釘耳環(huán)節(jié)中掉耳的原因，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了補(bǔ)釘模式的加工方法，即將始極片放入釘耳進(jìn)工位，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)釘左耳，并且對(duì)釘耳時(shí)的壓緊力進(jìn)行仿真分析，選取最優(yōu)解。同時(shí)對(duì)送耳環(huán)節(jié)也進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合上料方便和安全性考慮，通過(guò)機(jī)械手正反翻面，確保放

2、上的始極片均為左邊缺耳。試運(yùn)行結(jié)果表明，優(yōu)化后的釘耳裝置加工出的始極片，其合格率得到極大提高，掉耳率由5%左右降為0。關(guān)鍵詞：鎳始極片；吊耳；補(bǔ)釘；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：TF355+.4；TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1007-7545（2019）02-0000-00Optimal Design of Ear Nailing Device for Nickel Starting Sheet Processing UnitMO Han-lin1, SUN Dong-ming1, ZHONG Chen1, ZHENG Guo-feng2, GAO Wei2（1. Faculty of Mecha

3、nical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China2. Nickel Smelter, Jinchuan Group Ltd., Jinchang 737104, Gansu, China）Abstract：To meet requirement of intelligent, green and rapid processing of nickel starting sheet in one nickel smelter, optimal d

4、esign of nail ear of nickel starting sheet was carried out. Causes of rate drop of ear were analyzed. A new nailing mode processing method is designed, i.e, nickel starting sheet is put into working position of nailing ear, left ears are automatically added, and pressing force during ear nailing is

5、simulated analyzed to confirm the best solution. Meanwhile, ear feeding step is also optimized. With consideration of convenience and feeding safety, all left side of nickel starting sheets missing the ear are ensured through plate turn-over by manipulator. The pilot results show that ear dropping r

6、ate drops from 5% to 0 after optimization.Key words：nickel starting sheet; lifting lug; nail; optimal design目前，鎳的制取主要采用電解法1，在整個(gè)電解過(guò)程中，需要使用鎳始極片。鎳始極片的制作分為以下幾個(gè)步驟：首先將種板放入電解槽，經(jīng)過(guò)電解沉積后，種板上會(huì)附著一層薄的鎳片，接著通過(guò)剝片機(jī)將鎳片剝下，然后通過(guò)釘耳裝置將吊耳加工到鎳片上，最后穿入導(dǎo)電棒2。將穿入導(dǎo)電棒的鎳始極片放入電解槽中，經(jīng)過(guò)一個(gè)電解周期，即可生長(zhǎng)出鎳板3-5。若釘耳裝置在釘耳時(shí)未將吊耳固定牢固，在后續(xù)生產(chǎn)中吊耳將會(huì)脫落，造

7、成掉耳。若鎳始極片出現(xiàn)掉耳，會(huì)造成其無(wú)法正常下槽使用，影響后續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)成本。目前，初步統(tǒng)計(jì)出掉耳的始極片約占整體的5%，即掉耳率為5%。1個(gè)10萬(wàn)t電鎳生產(chǎn)企業(yè)，每天要加工始極片9 000張，按照5%的掉耳率計(jì)算，需要返工處理450張。如果能夠通過(guò)補(bǔ)釘完成修復(fù)，將大大減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，為了降低掉耳率，提高生產(chǎn)效率，需要分析掉耳的原因并對(duì)釘耳裝置進(jìn)行優(yōu)化。1 掉耳成因及補(bǔ)釘功能電解中所需的鎳始極片主要由3部分構(gòu)成，即鎳種板始極片1、吊耳2和導(dǎo)電棒3（如圖1所示）。經(jīng)過(guò)釘扣工序，吊耳2被固定到鎳種板始極片1上，接著使用穿棒機(jī)將導(dǎo)電棒3穿過(guò)吊耳2，從而成為完整的鎳始極片，整個(gè)裝配過(guò)程均

8、通過(guò)鎳始極片加工機(jī)組實(shí)現(xiàn)6-7。圖1 鎳始極片F(xiàn)ig.1 Nickel starting sheet收稿日期：2018-10-29作者簡(jiǎn)介：莫翰林（1994-），男，重慶梁平人，碩士研究生；通信作者：孫東明（1962-），男，教授.1.1 掉耳成因鎳始極片加工生產(chǎn)中的釘耳環(huán)節(jié)會(huì)因各種原因造成掉耳，原因主要有以下幾個(gè)方面。1）耳片剪切過(guò)程中出現(xiàn)了寬窄頭耳片剪切過(guò)程中由于尺寸控制不當(dāng)，會(huì)使剪切出的耳片寬度尺寸不一致，即出現(xiàn)寬窄頭。當(dāng)寬頭大于50 mm時(shí)，耳片會(huì)卡在耳片槽中，致使吸盤(pán)無(wú)法吸出；當(dāng)窄頭小于30 mm時(shí)，耳片吸盤(pán)無(wú)法全部蓋住耳片，致使吸盤(pán)出現(xiàn)真空泄漏，從而無(wú)法吸出耳片。這兩種情況出現(xiàn)時(shí)自

9、動(dòng)送耳機(jī)無(wú)法識(shí)別有無(wú)耳片缺失，因此造成掉耳。2）剪切耳片時(shí)尺寸過(guò)長(zhǎng)當(dāng)剪切出的耳片長(zhǎng)度超過(guò)640 mm時(shí)，自動(dòng)耳片對(duì)折工位上的對(duì)正氣缸對(duì)折耳片時(shí)會(huì)將耳片彈飛，同樣自動(dòng)送耳機(jī)無(wú)法識(shí)別有無(wú)耳片缺失，加工時(shí)始極片出現(xiàn)掉耳。3）耳片出現(xiàn)扭曲當(dāng)送入對(duì)折工位的耳片平整度不夠，也就是出現(xiàn)扭曲過(guò)大時(shí)，自動(dòng)送耳機(jī)對(duì)折工位的對(duì)折刀片伸出時(shí)會(huì)將耳片頂飛，出現(xiàn)掉耳現(xiàn)象。4）耳片過(guò)薄人工上耳片料時(shí)會(huì)不小心在耳片中夾雜過(guò)薄的耳片，過(guò)薄的耳片即便釘在鎳始極片上，也會(huì)因強(qiáng)度不夠出現(xiàn)斷裂或者掉落的現(xiàn)象。5）自動(dòng)送耳機(jī)對(duì)折工位的引導(dǎo)刀片引起的掉耳現(xiàn)象自動(dòng)送耳機(jī)對(duì)折工位的引導(dǎo)刀片因扭簧斷裂或者加油不及時(shí)都會(huì)出現(xiàn)引導(dǎo)刀片卡頓、無(wú)法回位

10、，出現(xiàn)耳片對(duì)折時(shí)對(duì)折刀片頂飛耳片造成掉耳現(xiàn)象。6）壓緊液壓缸壓緊力過(guò)小在對(duì)始極片進(jìn)行釘耳時(shí)，液壓缸的壓緊力是影響釘耳質(zhì)量的重要因素，通過(guò)檢測(cè)始極片的掉耳情況，發(fā)現(xiàn)多數(shù)始極片掉耳的原因是壓緊力過(guò)小，致使對(duì)始極片釘耳時(shí)未固定牢固，出現(xiàn)掉耳。1.2 補(bǔ)釘原理與實(shí)施方案掉耳的類型主要有兩類：一是同時(shí)掉兩個(gè)耳片，二是只掉一個(gè)耳片。如果出現(xiàn)掉兩個(gè)耳片就無(wú)需補(bǔ)釘，直接將始極片加到旋轉(zhuǎn)臂上料前的工位（堆垛工位）自動(dòng)運(yùn)行模式即可。而本次優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)掉一個(gè)耳片來(lái)設(shè)計(jì)本機(jī)組的補(bǔ)釘功能。鎳始極片自動(dòng)加工機(jī)組到目前為止，無(wú)論是進(jìn)口機(jī)組還是國(guó)產(chǎn)機(jī)組能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)釘功能的只有三鎳一號(hào)機(jī)組，其通過(guò)改造升級(jí)完整地實(shí)現(xiàn)了這一

11、自動(dòng)補(bǔ)釘功能。1.2.1補(bǔ)釘原理機(jī)組釘耳裝置補(bǔ)釘原理具體為壓標(biāo)工位不加工板，機(jī)械手將板放入釘耳進(jìn)工位，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)訂左耳。補(bǔ)釘功能運(yùn)行時(shí)，壓標(biāo)單元部分不運(yùn)行：擺臂不取料、不壓標(biāo)、不進(jìn)行板的輸送。只啟動(dòng)釘耳單元部分。釘耳部分的運(yùn)行除送耳只送左耳以外，其它功能同正常運(yùn)行狀態(tài)。圖2為補(bǔ)釘功能運(yùn)行時(shí)畫(huà)面。圖2 補(bǔ)釘功能運(yùn)行時(shí)畫(huà)面Fig.2 Operation screen of nail function在壓標(biāo)出的輸送輥上，此位置無(wú)法自動(dòng)取料，只能采用機(jī)械手或者人工手動(dòng)上料。正常模式運(yùn)行時(shí)，此工位收到有板信號(hào)時(shí)，立刻開(kāi)始對(duì)正和輸送工序，考慮到上料的安全性，可將有板檢測(cè)的時(shí)間設(shè)置為2.5 s，即放上始極片

12、以后，2.5 s后才開(kāi)始運(yùn)行。1.2.2送耳步驟因系統(tǒng)無(wú)法確定需補(bǔ)釘?shù)氖紭O片是缺左耳還是右耳，所以設(shè)計(jì)的補(bǔ)釘耳只能固定為一邊。結(jié)合上料方便和安全性考慮，固定為補(bǔ)訂左耳。因此，在采用機(jī)械手放板時(shí)，能夠正反翻面，保證放上的板，左邊缺耳。自動(dòng)送耳單元左右?jiàn)A爪的翻轉(zhuǎn)和送出為同步動(dòng)作。即每次送耳片出時(shí)，左右?jiàn)A爪都送出，這就要求在設(shè)計(jì)程序時(shí)，右耳夾爪不能再送出耳片，只有左夾爪送出耳片。1.2.3實(shí)施方案補(bǔ)釘功能啟動(dòng)的方法是在自動(dòng)模式下，先按下“釘耳對(duì)正”按鈕，再按下“模式啟動(dòng)”按鈕。模式啟動(dòng)后，“模式啟動(dòng)”指示燈點(diǎn)亮。如圖3所示。圖3 壓標(biāo)釘耳操作面板Fig.3 Operation panel for p

13、ressing nail ear2 補(bǔ)釘過(guò)程的參數(shù)計(jì)算及數(shù)值模擬2.1 補(bǔ)釘過(guò)程的參數(shù)計(jì)算在對(duì)始極片進(jìn)行補(bǔ)釘時(shí)，壓緊力是影響補(bǔ)釘質(zhì)量的關(guān)鍵因素。若壓緊力過(guò)小，則耳片與始極片的固定并不牢固，會(huì)出現(xiàn)脫落的情況，整個(gè)補(bǔ)釘?shù)男Ч麑O不理想；若壓緊力過(guò)大，將會(huì)對(duì)始極片和耳片造成損壞，同時(shí)也會(huì)極大影響工作臺(tái)的壽命。因此需要根據(jù)實(shí)際需求確定釘耳液壓缸的壓緊力，通過(guò)查閱相關(guān)資料8，現(xiàn)選用的液壓缸為柱塞式液壓缸，所以其壓緊力和柱塞壓緊的運(yùn)動(dòng)速度如下所示： （1） （2）式中，F(xiàn)為液壓缸的壓緊力(N)；P為液壓缸油壓(MPa)；R為液壓缸柱塞半徑(mm)；v為柱塞壓緊的運(yùn)動(dòng)速度(mm/s)；q為液壓缸供油量(L/

14、min)；D為液壓缸柱塞直徑(mm)。優(yōu)化前柱塞液壓缸的直徑為100 mm，其產(chǎn)生的壓緊力過(guò)小，為提高壓緊力，使其更符合釘耳要求，現(xiàn)選擇另外兩種直徑的柱塞液壓缸，其直徑與壓緊力如表1所示。同時(shí)，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)始極片及耳片進(jìn)行建模，始極片和耳片的材質(zhì)均為鎳，參數(shù)(長(zhǎng)×寬×高，mm)：鎳始極片880×860×1.5、耳片640×50×1.5、耳片（對(duì)折后）320×50×1.5。表1 柱塞液壓缸和液壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)Table 1 Parameters of plunger hydraulic cylinder an

15、d hydraulic system直徑/mm油壓/MPa壓緊力/N1001078 500110120101094 985113 0402.2 補(bǔ)釘過(guò)程的數(shù)值模擬利用ANSYS對(duì)始極片的應(yīng)力與最大變形量進(jìn)行仿真分析，通過(guò)比較不同的壓緊力對(duì)始極片產(chǎn)生的應(yīng)力，選取最優(yōu)解。通過(guò)查閱常用材料的彈性模量及泊松比參考表和相關(guān)文獻(xiàn)資料9-10，可知鎳的切變彈性模量G和楊氏彈性模量E分別為77.1 GPa、201 GPa，泊松比為0.31。由于耳片與始極片的連接方式為壓印連接，即通過(guò)壓緊液壓缸產(chǎn)生的壓力作用在耳片與始極片的接觸區(qū)，其連接處為四個(gè)方形小孔，如圖4所示，因此若要使始極片與耳片壓印連接后不易脫落，需

16、要分散到每個(gè)方形孔的壓緊力產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)鎳片的屈服極限，即83 MPa11。圖5為不同壓緊力時(shí)的應(yīng)力圖。圖4 始極片的三維特征圖Fig.4 3D feature map of nickel starting sheet (a)78 500 N；(b)94 985 N；(c)113 040 N圖5 不同壓緊力時(shí)的應(yīng)力圖Fig.5 Stress field under different pressing force通過(guò)對(duì)ANSYS軟件仿真結(jié)果的分析，得到不同壓緊力對(duì)耳片和始極片產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，在比較這三種應(yīng)力的大小后，發(fā)現(xiàn)只有壓緊力為113 040 N時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力才大于鎳片的屈服極限83 M

17、Pa，此時(shí)的最大應(yīng)力為88.001 MPa。因此，通過(guò)仿真結(jié)果，確定液壓缸柱塞直徑為120 mm時(shí)，產(chǎn)生的壓緊力為最優(yōu)值，即產(chǎn)生的應(yīng)力符合壓印連接的要求。3 試驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)釘耳裝置進(jìn)行優(yōu)化后，現(xiàn)選取1 000張始極片，分為兩組，每組500張，分別對(duì)始極片從1到500進(jìn)行編號(hào)，最后將每組的500張始極片編為10個(gè)小組，每個(gè)小組50張，即一個(gè)處理批次的數(shù)量。將第一組的始極片放入優(yōu)化前的釘耳裝置進(jìn)行釘耳處理，將第二組的始極片放入優(yōu)化后的釘耳裝置進(jìn)行處理。統(tǒng)計(jì)出釘耳處理后兩組始極片的掉耳率，通過(guò)對(duì)比掉耳率，來(lái)判斷優(yōu)化后的釘耳機(jī)組對(duì)始極片與耳片的壓印連接的效果是否有明顯的改善。分別對(duì)兩組始極片進(jìn)行釘耳

18、處理后，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2 優(yōu)化前后始極片的掉耳率Table 2 Ear dropping rate of nickel starting sheet before/after optimization類別始極片數(shù)量掉耳的始極片數(shù)量掉耳率/%優(yōu)化前每組50，10組共5003、5、0、5、3、0、1、2、4、2，合計(jì)256、10、0、10、6、0、2、4、8、4，合計(jì)5優(yōu)化后每組50，10組共5000、0、0、0、0、0、0、0、0、0，合計(jì)00、0、0、0、0、0、0、0、0、0，合計(jì)0通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后釘耳機(jī)組的掉耳率，可以明顯觀測(cè)到，優(yōu)化后釘耳機(jī)組的釘耳質(zhì)量更好。優(yōu)化前，對(duì)500張始極

19、片和耳片進(jìn)行釘耳處理，有25張始極片出現(xiàn)掉耳，其掉耳率為5%；優(yōu)化后，對(duì)500張始極片和耳片進(jìn)行釘耳處理，所有始極片均未出現(xiàn)掉耳，其掉耳率為0。釘耳機(jī)組的補(bǔ)釘功能完善后，經(jīng)過(guò)企業(yè)近1個(gè)月的生產(chǎn)試用，該機(jī)組每天處理約2 000張始極片，所處理的始極片均未出現(xiàn)掉耳。4結(jié)論1）耳片尺寸、放置位置、引導(dǎo)刀片和液壓缸壓緊力是影響掉耳的主要因素，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)研究，創(chuàng)新性的提出了補(bǔ)釘模式的加工方法，即將缺耳的始極片通過(guò)機(jī)構(gòu)重新放入釘耳進(jìn)工位，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)訂左耳。補(bǔ)釘模式的設(shè)計(jì)使鎳始極片自動(dòng)加工機(jī)組實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)釘功能。2）根據(jù)ANSYS仿真結(jié)果，柱塞液壓缸柱塞直徑選用120 mm較為合適，此時(shí)液壓缸的壓緊力為113 040 N，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為88.001 MPa，略大于鎳片的屈服極限83 MPa。3）近1個(gè)月的生產(chǎn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的釘耳裝置加工出的種板，其掉耳率由優(yōu)化前的5%左右降為優(yōu)化后的0。參考文獻(xiàn)1 李建華，程威，肖志海. 紅土鎳礦處理工藝綜述J. 濕法冶金，2004，23(4)：191-194.2 涂皓. 鎳始極片耳片彎曲成形影響因素研究D. 昆明：昆明理工大學(xué)，2016.3 徐仰濤，代玉杰，張偉. 沉積時(shí)間對(duì)電解鎳微觀組織結(jié)構(gòu)的影響J. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2016，37(2)：216-220.4