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冲压安全技术发展的回顾与思考

冲压生产中的安全与噪声防治是冲压行业迄今仍令人棘手的两大难题,也是业界职业安全卫生中的两个主要题目。一般通称为冲压安全技术。其主要任务是在冲压生产过程中,根据冲压生产的特点和生产全过程各个环节的需要,紧密结合现有生产条件,采取各种实用而得当的方法与技术措施,杜绝冲压工及相关人员的人身伤害,根除设备与模具事故,消减冲压过程中的噪声,保障工人的人身安全和健康。


一、冲压安全生产的回顾

  近年来,随着各类机电与家电产品制造业的迅猛发展,特别是乡镇与民营企业的大量出现并迅速壮大,板料冲压工艺作为金属加工与制造业的主导工艺之一,也得到空前广泛的普及与扩展。在开关电器、仪器仪表、五金家电,以及汽车、摩托车、农机、电信和玩具等冲压工作量大的企业,其产品40%~70%以上的零件是冲压件。产品品种及产量随着经济的发展和市场的拓宽不断增多,冲压工作量也不断增加,而安全生产往往被忽视,冲压事故、特别是压断手指的人身伤害事故时有发生。

  央视记者曾对以生产开关电器名扬天下的某省一县级市进行过调查,并以《劣质冲床狂切5000打工之手》为题,披露该市的两个镇每年竟有5000例断手、断指者要到医院实施再植手术。而该市的医院也因平均每天多达14例断手、断指再植术而获取了丰富的经验,其精湛的医术在国内已广为人知。当地生产开关电器的工厂,绝大部分为民营企业,吸引全国各地的打工者前去打工,多数人未经培训或培训时间很短就上岗工作。私企老板为了以最小投入获取最大回报,低价购进老式或二手甚至是国企报废的压力机;使用无导向、无安全防护的简单敞开式冲模,完全靠手工送料进行冲压生产。多数打工者为农民工,技术素质差,对冲床和冲模的结构及工作特点缺乏深入了解,甚至一无所知,因此事故多发绝非偶然。笔者曾在国内最大的仪表厂工作多年,不止一次亲眼目睹冲压车间发生的断手、断指事故和时有发生的进口模具和进口压力机损坏,甚至还发生过模具紧固螺钉脱落、模具错位造成进口630kN压力机床身断裂的特大设备事故。

  冲压噪声对冲压工人身心的伤害表现为潜在而逐步加重的听觉损伤。按相关规范及工业卫生标准要求,笔者多次在现场实测,除吨位小于6.3t即公称压力63kN以下的机械压力机外,绝大多数压力机在工作时的冲压噪声都超过国家标准规定工业噪声的允许值85dB(分贝)。仪表工业冲压车间多用公称压力100~1600kN即10~160t机械压力机,实测其工作地噪声达94~96 dB(分贝),两人对面讲话难以听清。由于冲压噪声是机械性噪声、空气动力性噪声、电磁性噪声混响叠加造成的综合噪声污染。冲压工及冲压设备运作中,以金属板的交变承载、破裂变形及刚性冲击和机械摩擦产生的机械噪声为主,并伴有冲压过程中广泛使用的压缩空气不断产生的流动性噪声、电机及电控系统负载出现的电磁性噪声等,都在冲压生产中同时产生。因此,冲压噪声的治理,应从消减和控制声源开始,从改变工艺、改进设备结构、建造声控工作地入手,涉及面宽、难度大、周期长、投资多、见效慢。迄今,已成功治理冲压噪声并达标的企业很少。多数工厂都采用给冲压工发放防声耳塞、耳罩、防声头盔进行防护。在线冲压工多数不愿意佩戴各种防声用具,除不习惯外,长时间佩戴会感到不舒服,甚至引起身体不适。采用工间休息、轮换工位等方法,缩短工人在噪声场连续工作时间,是长期以来不少工厂采用的有效防护方法之一。

  长时间在超标噪声场工作,会造成听觉损伤甚至耳聋。根据国际标准ISO建议的工业噪声允许标准规定,每周工作5天,每天工作8h,噪声(连续稳定)强度不超过85~90dB。当在噪声场工作不足8h,工作时间减少一半,容许噪声级提高3 dB。因此,坚持工间休息和轮换工位是实现噪声防护的好方法。

  一些大型企业和产品品种单一、生产规模达到并超过经济生产规模的工厂,冲压车间(分厂)有着严格的生产管理规章制度,工人技术素质高,能严格遵守安全生产章程和工艺规程操作,使用技术性能好的新型冲压设备多,采用多工位连续模和自动与半自动冲模的数量多、冲压过程的机械化程度高,安全生产形势一般都较好。这些企业冲压件品种相对稳定,产量又大,每台压力机生产的冲件品种甚至操作工都很少多变,便于采用各种安全装置,工人操作都很熟练,极少出现误操作、滞后操作,安全事故要少的多。

二、冲压安全生产的隐患及消除措施

  冲压生产过程中发生的人身伤害多为压断手指事故。冲模装到压力机上按额定速率冲压。当压力机下行冲压时,如果操作者没有及时将手、臂、头撤出模具(工作)危险区以外,在上下模合模时必然发生压伤、压断事故。而操作者手、臂、头伸入模具危险区,是在不停机冲压过程中,调校冲模、送料、卸件、卸下搭边沿边废料、安放坯件至合适模位、清理模上污物残渣、从模上取下出模零件,以及给模具润滑等这些操作均存在着安全隐患。

  冲压安全生产的根本出路,在于冲压过程的机械化与自动化。上述安全隐患通过实现自动或半自动冲压皆可消除;在冲模结构上设置防护装置、在普通压力机上装设防护机构也可消除安全隐患。推荐采用如下技术措施进行安全防护。

  (1)用多工位连续冲压工艺技术取代传统的分序多模冲压工艺,用多工位连续模取代单工序冲模,为冲压过程机械化与自动化创造条件。用一套多工位连续模省去多套单工序冲模。多工位连续模送料操作在模具危险区以外,无中间半成品坯料手工送料入模及安放到位的操作,无安全风险。

  (2)设计、制造和使用安全型冲模。所谓安全型冲模就是在冲模结构设计中考虑使操作者身体任何部位不能进入模具危险区。如果操作者手指有意无意进入模具危险区也不会压手。较常用的是在模具危险区外装设防护栅(罩)及安装限位柱(套)。此外,在模具运作过程中,上下模座的导柱与导套不脱开,凸模不脱离导板(卸料板)。固定卸料导板式冲模俗称导板模和导柱模架弹压导板式冲模都具有很好的操作安全性,属于安全型冲模。

  (3)根据冲压工艺的需要选用技术性能合适的压力机。不同冲压工艺作业对压力机的技术性能要求有别。而普通机械压力机按机架结构形式,有C形开式和O型闭式两种。国产中小型机械压力机,公称压力在40~4000kN,都是C型开式机架,包括:J11、J12、J21、J23系列及其改型设计的J11开式单柱固定台偏心压力机、J12开式单柱活动台偏心压力机、J21开式双柱固定台压力机、J23开式双柱可倾压力机。O型机架压力机为大中型吨位闭式单点、双点、四点压力机,公称吨位为1600~30 000kN。用量最大、国内保有量最多的是中小型开式压力机,而闭式大中型压力机主要用在汽车覆盖件冲制,以及大型农机、船舶、车辆的大型冲压件生产。

  在中小型C型机架开式压力机中,J11、J12系列偏心压力机,滑块行程可调,可根据冲压作业对滑块工作行程的需要进行选择。如板料冲裁需要工作行程很小,而拉深则需要行程较大。小的工作行程使凸模至凹模的距离很小,操作很安全。而J21、J23系列是曲轴压力机,滑块行程大而不可调。操作者要格外小心。但偏心压力机主轴纵置,轴端集中承载,刚性差、仅适于薄板、小尺寸冲件冲制。曲轴压力机都是双柱,主轴横置,柱间主轴均布承载,刚性优于偏心压力机。因此,J21、J23系列压力机适应范围更广一些。

  C型机架开式压力机承载弹性变形大且不均匀,工作台前张口大而工作台后侧小,据实测平均承载弹性变形量为闭式压力机的10倍,约0.01mm/10kN。因此,C型机架的开式压力机不适合用于体积冲压、挤压等冲压作业。

  所有国产普通压力机都不装配任何人身安全防护装置。但各种专用压力机有所不同,如用于精密冲裁的各类专用精冲压力机大多为NC或CNC全自动液压精冲机,设有自动送料、自动校直、自动测厚及润滑系统。精冲模装在封闭的空间中运作,冲压噪声低于85dB。自动监控与防护系统会对精冲全过程进行监控,偶遇故障会自动停车并报警。这种设备也可以进行普通冲压生产,是安全、理想的冲压设备。但对材料及配套技术要求高,造价高昂。

  (4)在压力机上装设安全保护装置,当操作者一旦进入危险区时,能直接对操作者进行人身安全保护。从20世纪60年代以来,国内各地都曾开发使用过各种机械的、电控的、感应的、红外(光线)式及气幕式等门类繁多的压力机安全保护装置。

  机械式安全保护装置主要有栅栏式、杠杆推手式、绳索拉手式等。栅栏式就是在滑块外装一个活动的或折叠式栅栏罩,适于无模架的单工序敞开模。当上模从栅栏罩冲出工作前,先由栅栏罩将下模罩上,使手无法进入模具工作区。推手与拉手式用装在压力机适当位置的一套杠杆或拴在操作者手腕上的绳索,在滑块下行冲压时,强制将操作者手臂推拉出模具危险区(压力机工作台外)。这类安全保护装置由于操作不便、影响操作视线,以及强推硬拉手臂使操作者难以适应等原因,特别是要在设备上装设辅助机构,一般工厂不允许,也不具备条件,至今已很少有厂家采用了。

  电控安全保护装置主要有多触点开关、双手开关、脚踏开关罩、推板联动开关、光电保护装置及电感控制开关等。当多人操作时,采用多触点开关,只有所有操作人员都按过开关,压力机才会启动;利用双手开关,使操作双手离开模具工作区;脚踏开关加罩可防止意外按动开关;推板联动开关是在工作台前设一推板,操作者手进入工作区必须推倒推板,双手离开危险区,推板自动立起接通开关,才可启动压力机。以上除推板联动开关外,其余电控方式都较适用,至今仍为大多数厂家广泛采纳,有的已为压力机制造厂采用,如双手开关等。

  值得一提的是光线式保护装置,即通常所说的光电保护装置。一般装在压力机工作台两边:一边装投光器,一边装接收器。在工作台危险区构成一个光线层、当手进入危险区光线被挡后压力机停车。这种装置使用效果尚可。只是要占用工作台左右两个操作面,给操作带来不便,制造与维护费用更高,至今使用也很少了。

  与光线式保护装置原理类似的气幕式保护装置,是在压力机工作台前边上下装设两根排孔对应,通压缩空气由下向上喷射形成密集不断的气幕,上边管内装的接收器,当气幕断开时靠自重落下而切断开关,使压力机停车。这种装置适用于有气源的大台面、大吨位压力机,造价及运行消耗都很大。

三、冲压安全生产面临的挑战和前景

  以人为本,可持续发展,贯彻科学发展观的理念,在冲压行业的体现应落实在安全生产、消减冲压噪声污染两个方面。影响冲压安全生产和冲压噪声治理的因素是多方面的,决定因素是从事冲压的工作人员,包括现场冲压工艺员、冲压工、调整工、冲模设计人员,以及车间管理人员的技术素质。现场的生产条件是一个重要因素,如冲压设备的基本技术性能和技术状态、冲压工艺设计的合理性与先进性、冲压材料的类型及质量、冲模结构和技术功能的优劣及制造质量等。其中,冲压设备的性能与技术状态、冲模结构的优劣、操作工的技术水平三点尤为重要。上述各点涉及到方方面面,因此确保冲压生产安全和防止冲压噪声污染虽表现在冲压生产中和冲压工操作上,而又与设备、模具、材料及管理等方面密切相关,需要各方面齐心协力才有保障。

  (1)国产中小型机械压力机的结构缺陷及安全隐患是冲压安全生产面临的重大挑战之一。国产中小型开式压力机,大多采用转键或拨销式刚性离合器,其滑块只能停留在上下死点,行程中间任何一点均不能停止。一旦压力机离合器接通,滑块就要完成一个行程。如压力机启动并接通离合器,滑块在下行过程中,发现问题需紧急停车,只能待滑块冲压后,通过下死点,回程到上死点才能停车。多数事故就发生在需要滑块在下行冲压前的任意位置停车而不能停车的一瞬间。任何安全保护装置装在这类压力机上都不能实现冲压的工作行程中保护。而国产O型机架的闭式压力机,都采用电-气动摩擦式或更先进的柔性离合器,可使压力机滑块在任意位置随时停车。如果已接通离合器,滑块开始下行冲压,有意外情况需要紧急停车,由保护装置或电控开关发出指令,滑块便可通过寸动行程、点击行程在任意要求位置停车,消除在开式压力机上不可避免的瞬间事故。

  将中小型C形机架开式压力机改用柔性离合器—制动器,并增加其滑块行程调节装置,会使压力机结构趋于复杂,造价会提升50%左右,但在使用上既方便又安全,可以装设各种安全保护装置,实现冲压全过程安全保护,会减少很多压手断指事故,是造福于冲压工的一大善举。

  (2)螺钉的断裂变形、松动、脱落,是冲模装配、安装、试模及冲模长时间冲压过程中的一大安全隐患。冲模装配,即在冲床上安装,都是采用紧螺纹联接结构,紧螺纹联接是利用螺钉(螺栓)适度拧紧后,靠螺帽与联接件之间产生的摩擦力来实施夹紧。适度拧紧,使螺钉产生一定的预紧力,才可能保证紧螺纹连接所需的摩擦力。螺钉拧的不到位,预紧力不够,摩擦力就小。长时间冲击震动便会松脱;螺纹拧得过紧,螺钉会变形伸长,甚至断裂。在紧螺纹联接组件中,一定规格的螺纹,需要有额定的扭矩适度拧紧,才能保证合适到位的紧螺纹联接。M10以下螺钉在冲模修理和装配中,拧断的事屡见不鲜;M12以上螺钉在使用中的冲模松落的事则时有发生。因为螺钉松脱而发生模具事故、设备事故并不鲜见。可迄今为止,不少工厂甚至一些大企业的冲压车间和模具制造厂,仍然使用死扳手、活扳手、套筒扳手甚至钳子、螺丝刀等在装配、修理和安装冲模中,完全凭手感与经验拧紧螺钉。在将冲模安装紧固在压力机工作台上,为了加大扭力,有些人在死板手柄上套上长管拧死螺帽、螺钉;由于体力、性别、拧紧螺钉的方式不同,使用不同的扳手所能施加的拧紧扭矩差别很大,不可能符合紧螺纹联接的要求。特别在安装冲模时,如果模具两边的紧固螺钉拧紧度不同,在冲压时就会错移,诱发事故。因此,在装配、调校、安装冲模时,必须使用扭矩扳手,严格控制拧紧螺纹扭矩。当拧紧扭矩超过时,这种扳手会报警并自动打滑不再施加扭矩。

  (3)大力推广应用多工位连续冲压技术,改革传统的分序多模冲制各种板料冲压件的落后工艺;在多工位连续模上设置送料机构,实现半自动或全自动冲压。暂时和难以实现多工位连续冲压一模成形的复杂立体成形件,当必须采用单工序冲模冲制时,应在装有安全保护装置的压力机上冲制。操作工人必须选用专用手持工具送进单个片料或工序件入模到位和出件,不得直接用手触摸和送进。

  (4)对于新产品样试、批试及小批量生产的多品种板料冲压件,推荐采用数控回转头压力机(NC与CNC冲压中心)冲制和通过冲模成形,使用各种简单经济冲模应采用可靠的安全保护。

  (5)大力推广应用各种结构形式的通用送料装置。建议业界有关部门组织设计标准通用的送料装置,并组织生产成系列规格推向市场。特别是一些常用的成熟结构,如钩式、辊式、夹刃式、夹滚式及摩擦式等。采用送料装置会促进实现冲压过程的机械化和自动化,消除很多不该发生的人身伤害事故。

  (6)为杜绝冲压人身伤害事故并消减冲压噪声,建议压力机生产厂家及业界有关部门,组织生产独具中国特色的NC与CNC液压或机械式全自动多功能压力机。该机应配有自动送料、校直系统、自动检测和润滑系统、封闭而透明工作台、滑块行程自动调节与显示系统、自动出件与废料裁剪处理系统、压力机与模具保护系统,以及运行故障停车报警系统。该压力机可用板材条料、带料或卷料连续冲压,与现在NC与CNC全液压精冲机结构类似、功能相仿,用于大量生产中小型冲压件。这种压力机造价虽然高,但可确保冲压安全,并避免噪声污染超标。


  该文章发表于《金属加工》 热加工 2009年第19期

[来源:天津市天港机械有限公司] [作者:天港机械] [日期:09-11-26] [热度:]  
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