鎳始極片加工機組釘耳裝置的優(yōu)化設(shè)計

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

2、上的始極片均為左邊缺耳。試運行結(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；補釘；優(yōu)化設(shè)計中圖分類號：TF355+.4；TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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，在整個電解過程中，需要使用鎳始極片。鎳始極片的制作分為以下幾個步驟：首先將種板放入電解槽，經(jīng)過電解沉積后，種板上會附著一層薄的鎳片，接著通過剝片機將鎳片剝下，然后通過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)過一個電解周期，即可生長出鎳板3-5。若釘耳裝置在釘耳時未將吊耳固定牢固，在后續(xù)生產(chǎn)中吊耳將會脫落，造

7、成掉耳。若鎳始極片出現(xiàn)掉耳，會造成其無法正常下槽使用，影響后續(xù)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)成本。目前，初步統(tǒng)計出掉耳的始極片約占整體的5%，即掉耳率為5%。1個10萬t電鎳生產(chǎn)企業(yè)，每天要加工始極片9 000張，按照5%的掉耳率計算，需要返工處理450張。如果能夠通過補釘完成修復(fù)，將大大減少工人的勞動強度。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釘耳裝置進(jìn)行優(yōu)化。1 掉耳成因及補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，接著使用穿棒機將導(dǎo)電棒3穿過吊耳2，從而成為完整的鎳始極片，整個裝配過程均

8、通過鎳始極片加工機組實現(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)會因各種原因造成掉耳，原因主要有以下幾個方面。1）耳片剪切過程中出現(xiàn)了寬窄頭耳片剪切過程中由于尺寸控制不當(dāng)，會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，耳片會卡在耳片槽中，致使吸盤無法吸出；當(dāng)窄頭小于30 mm時，耳片吸盤無法全部蓋住耳片，致使吸盤出現(xiàn)真空泄漏，從而無法吸出耳片。這兩種情況出現(xiàn)時自

9、動送耳機無法識別有無耳片缺失，因此造成掉耳。2）剪切耳片時尺寸過長當(dāng)剪切出的耳片長度超過640 mm時，自動耳片對折工位上的對正氣缸對折耳片時會將耳片彈飛，同樣自動送耳機無法識別有無耳片缺失，加工時始極片出現(xiàn)掉耳。3）耳片出現(xiàn)扭曲當(dāng)送入對折工位的耳片平整度不夠，也就是出現(xiàn)扭曲過大時，自動送耳機對折工位的對折刀片伸出時會將耳片頂飛，出現(xiàn)掉耳現(xiàn)象。4）耳片過薄人工上耳片料時會不小心在耳片中夾雜過薄的耳片，過薄的耳片即便釘在鎳始極片上，也會因強度不夠出現(xiàn)斷裂或者掉落的現(xiàn)象。5）自動送耳機對折工位的引導(dǎo)刀片引起的掉耳現(xiàn)象自動送耳機對折工位的引導(dǎo)刀片因扭簧斷裂或者加油不及時都會出現(xiàn)引導(dǎo)刀片卡頓、無法回位

10、，出現(xiàn)耳片對折時對折刀片頂飛耳片造成掉耳現(xiàn)象。6）壓緊液壓缸壓緊力過小在對始極片進(jìn)行釘耳時，液壓缸的壓緊力是影響釘耳質(zhì)量的重要因素，通過檢測始極片的掉耳情況，發(fā)現(xiàn)多數(shù)始極片掉耳的原因是壓緊力過小，致使對始極片釘耳時未固定牢固，出現(xiàn)掉耳。1.2 補釘原理與實施方案掉耳的類型主要有兩類：一是同時掉兩個耳片，二是只掉一個耳片。如果出現(xiàn)掉兩個耳片就無需補釘，直接將始極片加到旋轉(zhuǎn)臂上料前的工位（堆垛工位）自動運行模式即可。而本次優(yōu)化設(shè)計主要是針對掉一個耳片來設(shè)計本機組的補釘功能。鎳始極片自動加工機組到目前為止，無論是進(jìn)口機組還是國產(chǎn)機組能實現(xiàn)自動補釘功能的只有三鎳一號機組，其通過改造升級完整地實現(xiàn)了這一

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

12、以后，2.5 s后才開始運行。1.2.2送耳步驟因系統(tǒng)無法確定需補釘?shù)氖紭O片是缺左耳還是右耳，所以設(shè)計的補釘耳只能固定為一邊。結(jié)合上料方便和安全性考慮，固定為補訂左耳。因此，在采用機械手放板時，能夠正反翻面，保證放上的板，左邊缺耳。自動送耳單元左右夾爪的翻轉(zhuǎn)和送出為同步動作。即每次送耳片出時，左右夾爪都送出，這就要求在設(shè)計程序時，右耳夾爪不能再送出耳片，只有左夾爪送出耳片。1.2.3實施方案補釘功能啟動的方法是在自動模式下，先按下“釘耳對正”按鈕，再按下“模式啟動”按鈕。模式啟動后，“模式啟動”指示燈點亮。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 補釘過程的參數(shù)計算及數(shù)值模擬2.1 補釘過程的參數(shù)計算在對始極片進(jìn)行補釘時，壓緊力是影響補釘質(zhì)量的關(guān)鍵因素。若壓緊力過小，則耳片與始極片的固定并不牢固，會出現(xiàn)脫落的情況，整個補釘?shù)男Ч麑O不理想；若壓緊力過大，將會對始極片和耳片造成損壞，同時也會極大影響工作臺的壽命。因此需要根據(jù)實際需求確定釘耳液壓缸的壓緊力，通過查閱相關(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動速度如下所示： （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為柱塞壓緊的運動速度(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，需根據(jù)實際生產(chǎn)情況對始極片及耳片進(jìn)行建模，始極片和耳片的材質(zhì)均為鎳，參數(shù)(長×寬×高，mm)：鎳始極片880×860×1.5、耳片640×50×1.5、耳片（對折后）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 補釘過程的數(shù)值模擬利用ANSYS對始極片的應(yīng)力與最大變形量進(jìn)行仿真分析，通過比較不同的壓緊力對始極片產(chǎn)生的應(yīng)力，選取最優(yōu)解。通過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、要分散到每個方形孔的壓緊力產(chǎn)生的應(yīng)力超過鎳片的屈服極限，即83 MPa11。圖5為不同壓緊力時的應(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 不同壓緊力時的應(yīng)力圖Fig.5 Stress field under different pressing force通過對ANSYS軟件仿真結(jié)果的分析，得到不同壓緊力對耳片和始極片產(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，產(chǎn)生的應(yīng)力才大于鎳片的屈服極限83 M

17、Pa，此時的最大應(yīng)力為88.001 MPa。因此，通過仿真結(jié)果，確定液壓缸柱塞直徑為120 mm時，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 試驗結(jié)果與分析對釘耳裝置進(jìn)行優(yōu)化后，現(xiàn)選取1 000張始極片，分為兩組，每組500張，分別對始極片從1到500進(jìn)行編號，最后將每組的500張始極片編為10個小組，每個小組50張，即一個處理批次的數(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)計出釘耳處理后兩組始極片的掉耳率，通過對比掉耳率，來判斷優(yōu)化后的釘耳機組對始極片與耳片的壓印連接的效果是否有明顯的改善。分別對兩組始極片進(jìn)行釘耳

18、處理后，試驗結(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256、10、0、10、6、0、2、4、8、4，合計5優(yōu)化后每組50，10組共5000、0、0、0、0、0、0、0、0、0，合計00、0、0、0、0、0、0、0、0、0，合計0通過對比優(yōu)化前后釘耳機組的掉耳率，可以明顯觀測到，優(yōu)化后釘耳機組的釘耳質(zhì)量更好。優(yōu)化前，對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。釘耳機組的補釘功能完善后，經(jīng)過企業(yè)近1個月的生產(chǎn)試用，該機組每天處理約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，通過對這些問題進(jìn)行總結(jié)研究，創(chuàng)新性的提出了補釘模式的加工方法，即將缺耳的始極片通過機構(gòu)重新放入釘耳進(jìn)工位，系統(tǒng)自動補訂左耳。補釘模式的設(shè)計使鎳始極片自動加工機組實現(xiàn)了自動補釘功能。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. 沉積時間對電解鎳微觀組織結(jié)構(gòu)的影響J. 材料熱處理學(xué)報，2016，37(2)：216-220.4