推进剂自动装卸模系统设计

区汉东 谢曙钊 王 宁 白旭晶 胡志新

推进剂自动装卸模系统设计

区汉东1谢曙钊1王 宁1白旭晶2胡志新1

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 710000；2.轻工业西安机械设计研究院有限公司，陕西 西安 710086）

为了解决目前推进剂制备过程中的装卸模过程存在的安全性差、现场操作人员多、劳动强度大等问题，文章研制了一套自动装卸模系统。该系统在不改变当前推进剂制备方法的前提下，实现推进剂装卸模全过程的自动操作，减少了人工的参与，提高了生产过程的安全性与效率。

推进剂；装卸；模具；有限元分析

引言

目前某推进剂的生产主要采用螺旋挤压成型工艺，生产过程主要包括装模、挤药及卸模三个过程。传统装模过程由操作人员在卸模间完成模具各个部分的组装，随后人工辅助吊具将模具转运到压伸间并人工关闭开夹器与插入保温水管。在卸模过程中，仍然由人工辅助吊具进行拔保温水管、切除前端药、松开开夹器、顶出模具、转运模与最后卸模取药等拆卸步骤。模具组件采用螺纹、螺栓连接，操作繁琐，生产效率低，劳动强度大，且卸模过程带药操作危险性高。可见传统方法已不满足日益增长的国防建设需求，亟需一个具有效率、快速、安全、可模块化建设的生产方式。本文基于国内某推进剂装模、挤药、卸模全过程生产的技术需求，针对人工装卸模工序存在安全性差、现场操作人员多、劳动强度大等问题，采用Q235材料研制自动装卸模装备，实现模具与压伸机座自动安装，全过程自动卸模，全部动作在30分钟内完成。从而取代现有人工操作，提高生产过程安全性及效率，达到人机隔离的目的，实现高效及安全可靠的生产过程。

本文对系统组成与工作原理进行详细描述；详细介绍了所设计的装模系统结构，并对关键部件进行数值仿真验证；卸模系统主要装置的结构并对关键部件进行数值仿真验证。

1 系统组成与工作原理

针对无人化及快速化的生产需求，本文提出的自动装卸模系统机械结构包括装模工装、自动开夹器、前后端切刀装置、自动卸水管装置、卸模取药装置等[1]，如图1所示。本文通过对系统机械结构的重新设计，以实现生产过程的人机隔离，保证了操作员的安全。

图1 系统总体组成

1.1 系统组成

1.1.1 装模工装

本文提出的装模工装结构设计能够适用于斜8°及水平模具，主要保障模具各组件之间的相对位置并通过夹持器将组件夹持，以防止模具在输送、挤药过程中发生移位，影响正常生产。

1.1.2 自动开夹器

自动开夹器由电机带动丝杠旋转，从而实现卡箍的自动夹紧与松弛。主要功能是将模具进药嘴与圧伸机出药口连接，防止挤药过程中压力大使得装模工装发生移位，提高生产过程安全性。

1.1.3 前后端切刀装置

前端切刀装置置于模具末端，通过气缸带动刀片移动将多余药切断。后端切刀装置置于圧伸机出药口与模具进药嘴连接处，主要用于当圧伸机在挤药过程中出现故障时，后端切刀将药切断。

1.1.4 自动卸水管装置

安装在模具上方，该装置对模具上保温水管的4个进水口及4个出水口快速接头进行拆卸。

1.1.5 轨道式输送系统

将工房当前采用的人工辅助吊具改为地面轨道式输送系统，由于模具较重，采用吊具存在模具从高空跌落的风险。轨道式输送系统运行平稳，安全性高，且定位较准，便于实现自动化、无人化。

1.1.6 卸模取药装置

该装置主要包括机架、滑轨及水平输送机构、机械手、夹持机构、顶药机构等。由机械手将模具夹持器打开并推送至滑轨上，再由夹持、输送、顶药等机构配合工作，将模具各部件分离后并移动至指定位置，实现自动卸模取药。

1.2 工作原理

为了实现装卸模全过程的自动化，对目前传统工艺流程进行重新设计，具体工作原理（图2）如以下三个步骤。

（1）装模：模具各部件组装完成后由轨道式输送系统送至圧伸间指定位置，进药嘴与圧伸机出药口通过开夹器连接，再将保温水管连接到模具上并打开阀门；

（2）挤药：圧伸机启动开始挤药，同时传感器进行压力测定，并对表盘指针数值进行图像采集，输送至控制室显示并记录；

（3）卸模：挤药完成后关闭阀门并卸掉保温水管，前端切刀装置切断药，成品药柱通过溜药槽达到工房外，然后打开自动开夹器，圧伸机挤出剩余药并顶出模具，最后将模具送至卸模间指定位置，完成卸模取药。

图2 工作原理

本文提出的工艺流程只需操作员在第一步将模具各部件进行组装并启动自动开夹器的电机，其余流程均实现无人化操作，实现了人机隔离，大大缩减了生产时间，提高了生产的安全性。

2 装模系统设计

装模系统作用是将模具固定并将模具进药嘴和出药口连接。目前传统的结构存在以下两个弊端：一是模具重量达450 kg，因为当前模具结构无便于转运的连接结构，吊装方式以人工绑带为主，在转运过程中存在掉落风险；二是在装药过程模具会发生振动，模具进药口与压缩机出药口之间会发生偏移，导致推进剂会掉落在操作间内，存在严重的安全隐患。故针对当前装模系统的缺陷，本文在不改变模具内腔结构的前提下，提出一种全新的模具结构与装模工装结构以实现自动化装模的过程。

2.1 模具结构

如图3所示，当前的装药模具结构上无合适的吊装结构，不便于吊装时吊具的安装。

图3 传统模具结构

针对该问题，设计结构如图4、图5所示，其内腔结构未变，内表面加工为镜面。外部两侧结构下端V型槽便于模具在滑轨上移动[2]，孔1用于卸模时水平横移，孔2用于卸模过程中夹持。并且本文对进水口与出水口结构进行改动，以便于后续自动卸水管装置对其连接以实现自动拆装。

图4 改进后的模具结构

图5 改进后的模具结构剖视图

2.2 装模工装设计

图6 装模工装结构

如图6所示，本文提出的装模工装的结构主要包括机架、转轴、夹持器、滑轨等辅助件[3]。各部件的作用分别如下。

（1）机架用于支撑整个模具；

（2）转轴设计主要使得工装均适用于进药嘴倾斜、水平的模具；

（3）夹持器主要是将模具各部件连接以保障在挤药、输送过程中不发生移位，提高自动化生产安全性；

（4）滑轨便于工装与其它装置对接后模具进行移动。

为了验证本文设计结构的强度，将工装结构模型导入仿真软件中，通过定义材料参数、网格系统的构建、求解器的设定、载荷及边界条件的设置与求解，以进行强度校核[4]。工装材质为Q235钢材，通过有限元分析，装模工装受夹持表面的挤压力为35 MPa时，工装夹持器最大应力为201 MPa小于材料的许用应力（235 MPa），最大变形量分别为0.341 mm，不会影响正常生产。工装夹持表面受力-应力分布、表面受力-变形量分布如图7所示。

图7-a 工装夹持表面受力-应力分布图

图7-b 工装夹持表面受力-变形量分布图

3 卸模系统设计

在目前传统的卸模流程中，存在以下3个弊端：（1）需要人工打开开夹器，将模具和圧伸机分离的过程，可能出现摩擦、碰撞等误操作，易造成模具型腔内的余药爆燃；（2）为快速清理模具型腔内部的余药，操作人员利用其它辅助工具进行切、扳、撬等操作，存在安全隐患；（3）挤药完成后，模具表面的温度较高，操作人员易烫伤。故针对以上问题，本文对卸模过程的主要装置进行重新设计，实现全自动化，无需操作员进行操作，每个装置结构及功能如下所示。

3.1 自动开夹器设计

本文设计自动开夹器结构如图8所示。其工作原理为：模具进药嘴和圧伸机的出药口对接完成后，电机启动，通过联轴器带动丝杠旋转，同时，锁紧螺母带动卡箍将模具与圧伸机锁紧。当挤药完成后，电机反转实现卡箍松弛[5]。

本文提出的设计很好地解决了装卸模系统中人工使用开夹器的问题，提高了工作效率。另外，其整体机构简单，制造方便成本低。

图8 自动开夹器结构图

图9-a 开夹器夹持表面受力-应力分布图

图9-b 开夹器夹持表面受力-变形量分布图

自动开夹器材质为Q235钢材，通过有限元分析，开夹器受夹持平面挤压力为35 MPa时，开夹器最大应力为174 MPa小于材料许用应力（235 MPa），且最大变形量为0.1385 mm，不会影响正常生产。开夹器夹持表面受力-应力分布、受力-变形量分布如图9所示。

3.2 前后端切刀装置设计

在目前的生产过程中，当挤药完成后，需要人工用切刀切断模具前端药，容易造成模具型腔内的余药爆燃，且当压伸机出现故障时无法将药切断以分离压伸机与模具。本文设计了一种切刀装置，由机架、气缸、切刀、直线轴承、导向杆等组成，如图10所示。

图10 切刀装置结构

前端切刀装置置于模具末端，通过气缸带动刀片移动将药切断，无需操作员在压伸间内进行操作，降低了发生事故的可能。后端切刀装置置于圧伸机出药口与模具进药嘴连接处，主要用于当圧伸机在挤药过程中出现故障时，后端切刀将药切断。

3.3 自动卸水管装置设计

针对挤药完成后，模具表面的温度较高，操作人员易烫伤问题，本文设计了一套自动卸水管装置，由机架、气缸、快速接头、导轨等组成，该装置能实现拆卸水管过程的自动化，如图11所示。其中气缸-1用于驱动快速接头垂直移动，而气缸-2驱动快速接头水平移动。当挤药完成后需要拆卸保温水管时，气缸-2先启动，带动快速接头水平移动，拔出水管并到指定位置。再将气缸-2启动，整个平台垂直向上移动到指定位置。

图11 自动卸水管装置结构

3.4 卸模取药装置

卸模取药装置（图12）为该系统核心，主要由机架、自动卸工装夹持器机构、推杆、滑轨、夹持机构、水平横移机构、顶药机构及其它等组成[6]。

图12 卸模取药装置结构

（1）机架：整个装置的支撑架，使得其它部件能够平稳运行。

（2）自动卸工装夹持器机构：承载电机的平台在两个气缸作用下可实现水平面X、Y方向的移动，达到指定位置后，电机启动，带动丝杆旋转，实现模具与装模工装分离。

（3）推杆：将模具推送至卸模取药装置的滑轨上。

（4）滑轨：便于模具拆卸过程中部件移动。

（5）夹持机构：实现模具被卸部件的横移，而其余部件需要夹持防止移动。

（6）水平横移机构：主要实现模具各部件在滑轨上移动，从而取出内部药。

（7）顶药机构：该机构伸出到指定位置后，顶药杆与模具部件同心，水平横移机构带动模具部件移动，实现取药。

当装模工装在轨道车的拖拽下到达指定位置后，首先自动卸工装夹持器机构将工装上的夹持器打开，同时推杆将模具推至卸模取药装置的滑轨上。然后，夹持机构启动将前锥体，针架座、后锥体夹持固定，水平横移机构将进药嘴移出约5 mm，切刀启动将药切断后，再移动至指定位置。此时，顶药机构伸出，横移机构再反方向移动将腔内余药顶出落入下部收集器中。后续依次将前锥体、针架座、后锥体中的余药顶出，实现卸模。其中顶药机构-2用于顶出针架座中的药，而其余部件中的药均由顶药机构-1顶出。

4 结束语

本文以某推进剂药型的装卸模系统为主要设计对象，在分析了目前传统人工装卸模的工作流程以及综合了军工行业发展需求后，对现有装卸模系统结构进行研究并且做出改进，完成了自动装卸模系统的设计，针对装模过程中需要对重量达到450公斤的模具进行转运，容易引发掉落事故的问题，对装药模具结构进行重新设计，在不改变模具内腔结构的前提下，改进其外部结构使其便于转运。针对传统卸模过程中，需要人工带药操作容易引发爆炸事故的问题，设计了自动开夹器结构、前后端切药结构、自动卸水管结构及卸模取药装置，实现了卸模全流程的无人化操作。该自动装卸模系统在不改变药型装填方式及装填质量的基础上，实现了全自动化生产的需求，提高了产品质量与生产效率，有效改进了该推进剂药型及同类产品的生产。

[1] 牟文杰，吴舜英. 注塑成型中的自动装卸模装置[J]. 轻工机械，2001(4): 19-21.

[2] 郑再芳，马飞龙，陈淼，等. 模具装配参数对管状推进剂成型质量的影响[J]. 爆破器材，2021(2): 45-49.

[3] Chen J, Xie B L, Chen L, et al. Application of procedural assessment in the practical course Disassembling and Assembling of Mould for Plastic Forming[J]. Die and Mould Industry, 2015(2): 18-20.

[4] 谢玉敏，董定福. 模具装配过程的动态模拟及其应用[J]. 模具技术，2003(6): 53-54.

[5] Oliveira N D M. Advanced in mould assembling technologies for high precision polymer based optical components[D]. Minho: Universidade do Minho, 2014.

[6] 杨金岭，杨荔. 车轮锻造模具转运、装卸装置的创新设计[J]. 模具技术，2016(5): 52-55.

Design of Automatic Propellant Assembling and Disassembling Mould System

In order to solve the problems of poor safety, many field operators and high labor intensity in the loading and unloading process of propellant preparation, an automatic loading and unloading system is developed. Without changing the current propellant preparation method, the system realizes the automatic operation of the whole process of propellant loading and unloading mould, reduces the participation of manual work, and improves the safety and efficiency of the production process.

propellant; assembling and disassembling; mould; finite element analysis

TP27

A

1008-1151(2022)09-0074-05

2022-06-11

区汉东（1997－），男，广东肇庆人，长安大学工程机械学院在读硕士研究生，研究方向为机械设备的结构设计与自动化控制系统的设计。