一種在低溫熱塑板上衝制等距網孔的模具及衝孔方法與流程
2023-07-15 03:24:26
本發明涉及用加壓切割方式穿孔，具體涉及低溫熱塑板上由網孔組成的花紋的衝制器具。
背景技術：
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低溫熱塑板是一種特殊合成的高分子聚酯，經一系列物理和化學方法處理而成的用於骨科外固定、矯形器和支具的醫用材料。由於該材料具有不吸收射線、加熱軟化後具有良好的塑型效果和所特有的形狀記憶功能(當塑型不滿意時可二次加熱、再次塑型或局部加熱再次型塑)等突出性能，以及操作簡單、固定方便，是目前放療定位中最理想的外固定材料。
低溫熱塑板上通常分布有眾多的等距網孔，以增加皮膚通氣、散熱、排汗功能，可防止皮膚紅腫、搔癢。但是，現有低溫熱塑板上的網孔而是要根據人體各部位散熱量和凹凸程度的不同，選擇網眼的孔徑和分布形狀，使其既能滿足透氣性的要求，又便於塑型。但是，孔徑和分布形狀不同又給網孔的衝制增加了技術難度。目前，一些廠家採用數控工具機鑽孔或採用數控衝床單針衝孔，雖然可加工出不同分布形狀的網孔，但是效率很低。
為了提高效率，技術人員們設計出專用模具，該專用模具具有一排衝針，可一排一排地衝制網孔。但是，要衝制出不同分布形狀的網孔，就得不斷地停下來改變裝夾衝針的位置和數量；要改變孔徑也必須停下來更換上下模組件，生產效率仍然很低。
為了大幅度提高生產效率，技術人員試圖採用氣動或液壓來控制每一根衝針，但是由於所述網孔的直徑通常為2～3.5mm，孔距也只有4～6mm，該進一步提高生產效率的想法始終無法實現。
技術實現要素：
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鑑於現有技術存在上述不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種在低溫熱塑板上衝制等距網孔的模具，該模具可顯著提高在低溫熱塑板上加工分布形狀不同的等距網孔的效率。
本發明解決上述技術問題的方案是：
一種在低溫熱塑板上衝制等距網孔的模具，該模具包括底座、模架和設在模架內的上模組件與下模組件；其中，
所述的模架包括上模板、下墊板和設在上模板與下墊板之間的導向柱，該導向柱上套設有始終使上模板與下墊板處於分離狀態的彈簧；
所述的上模組件包括衝針與自上而下由疊合在一起的上墊板、衝針固定板和卸料板，其中，所述的衝針固定板上沿長度方向設有一排或兩排均勻分布的衝針安裝孔，每一衝針安裝孔內設有一根衝針；所述的卸料板通過沉頭螺釘懸掛在衝針固定板下；所述的上模組件中的上墊板與衝針固定板疊合固定在所述上模板的下表面；
所述的下模組件自上而下由疊合在一起的凹模板和凹模固定板組成，其中，所述凹模板上在所述衝針對應的位置設有與衝針相匹配的落料孔，該落料孔數量和排列方式與上模組件中的衝針一一對應；所述的下模組件固定在所述下模板的上表面；
其特徵在於：
所述的模具還包括衝針控制機構，該衝針控制機構包括與衝針數量相等的氣缸和針帽擋板；所述的上墊板的下表面與衝針針帽相對的位置設有深度與針帽擋板厚度相匹配的凹槽，所述的針帽擋板設在凹槽內；所述的氣缸設在疊合在一起的上墊板與衝針固定板的側面，氣缸的活塞杆伸進所述的凹槽內端部與針帽擋板的頭部固定在一起，當活塞杆伸出後，所述針帽擋板覆蓋在衝針的針帽上；
所述的上模組件中的衝針之間的距離為待衝孔低溫熱塑板上一行網孔中相臨兩網孔之間距離的3、4或5倍，其中所述低溫熱塑板上的一行網孔中，相鄰兩網孔的距離為4～6mm；
所述的上墊板的下表面與衝針針帽相對的位置豎向設有與衝針針帽相匹配的衝針隱匿孔，該衝針隱匿孔的深度大於等於所述上模組件的行程。
上述方案中，由於所述氣缸中活塞需要有足夠大的直徑才能推動針帽擋板的推力，因此在設計時應按以下原則所述的上模組件中的衝針之間的距離：當所述低溫熱塑板上一行網孔中相鄰兩網孔的距離較小時，上模組件中衝針之間的距離取待衝孔低溫熱塑板上一行網孔中相臨兩網孔之間距離的5倍；當所述低溫熱塑板上一行網孔中相鄰兩網孔的距離較大時，上模組件中衝針之間的距離取待衝孔低溫熱塑板上一行網孔中相臨兩網孔之間距離的3倍。
為了便於採用市售的獨立的氣缸，降低研製成本，本發明的一個改進方案是，所述的衝針固定板上沿長度方向設有一排均勻分布的衝針安裝孔，每一衝針安裝孔內設有一根衝針；所述的氣缸設在疊合在一起的上墊板與衝針固定板的兩側，其中，排列順序為奇數的氣缸設在疊合在一起的上墊板與衝針固定板的一側，排列順序為偶數的氣缸設在疊合在一起的上墊板與衝針固定板的另一側。
由上述技術方案可見，當所述的上模組件下行衝孔時，即使所述氣缸控制針帽擋板縮回，衝針可隱匿於衝針隱匿孔內，但是由於低溫熱塑板較軟，衝針仍然會在低溫熱塑板上不需要衝孔的位置撞擊出痕跡。為了解決這一技術問題，本發明的另一個改進方案是，所述的衝針針杆上套設有呈託衝針的彈簧，該彈簧始終託住衝針的針帽。
本發明還涉及採用上述模具在低溫熱塑板上衝制等距網孔的方法，該方法包括以下步驟：
(1)根據低溫熱塑板上網孔的孔徑和孔距選擇相應的模具並安裝到數控衝床上；
(2)將待衝孔的低溫熱塑板安裝在數控衝床的工作檯上，並給氣缸供氣使針帽擋板復位，即使每一塊針帽擋板都縮回；然後，移動數控衝床的工作檯，使低溫熱塑板上第一行的第一個網孔與模具中一排衝針中序號為1的衝針上下對準；
(3)先按下式A)確定參與工作衝針的排列序號I，再由氣缸控制針帽擋板，使參與工作衝針所對應的針帽擋板覆蓋到相應衝針的針帽上，然後啟動數控衝床完成第一次衝裁：
式A)中，X為網孔的排列序號，i為模具上一排衝針的數量，k為衝針距離與網孔距離之比，N為上模組件上下移動的裁剪次數，為向上取整符號，Mod(N,k)表示N除以k的餘數；接著，
按下式B)確定所述數控衝床的工作檯的橫向移動步數S，並按橫向移動步數S向排列序號為1的衝針方向移動低溫熱塑板：
式B)中，各代號的物理意義與A)式相同；
上述橫向移動步長為S＝1時數控衝床的工作檯的橫向移動的距離，該距離等於低溫熱塑板上一行網孔中相鄰兩網孔之間的距離；
然後，再按上式A)確定下一次衝裁時參與工作的衝針的排列序號I，並由氣缸控制針帽擋板，使參與工作衝針所對應的針帽擋板覆蓋到相應衝針的針帽上，使不參與工作衝針所對應的針帽擋板縮回，啟動數控衝床完成第二次衝裁；採用同樣的方法完成後續衝裁，直至第一行網孔全部衝制完畢；此後，
(4)先按兩行網孔的行距縱向移動數控衝床的工作檯，再橫向移動數控衝床的工作檯，使低溫熱塑板上第二行的第一個網孔與模具中一排衝針中序號為1的衝針上下對準，然後按步驟(3)所述的方法衝制第二行網孔，直至衝完最後一行網孔。
本發明所述模具與方法中所述的等距網孔是，指低溫熱塑板上每一行網孔中相鄰的兩網孔之間的距離相等。
本發明利用所述的衝針控制機構控制衝針，可根據低溫熱塑板上網孔的分布形狀將不需要參與工作的衝針隱匿起來，任意分布形狀的等距網孔都可連續衝制完成，大幅度提高了生產效率。此外，在生產過程中無需拆卸和裝配的鉗工配合，大大節約了人力資源。
附圖說明
圖1～圖5為本發明所述模具的一個具體實施例的結構示意圖，其中，圖1為主視圖，圖2為左視圖，圖3為圖1的A—A剖視圖，圖4為圖1的B—B剖視(沿氣缸模塊的分型面和上墊板與衝針固定板的結合面剖視)，圖5為圖3局部Ⅰ的結構放大圖。
圖6為圖1～5所示模具的氣動迴路的原理圖。
圖7為控制圖6所示氣動迴路中三位四通電磁換向閥的控制電路的結構框圖。
圖8～11為圖7所示控制電路的電原理圖，其中，圖8為嵌入式控制單元、按鍵電路、顯示單元、數據存儲單元和異步通信接口電路的電原理圖；圖9和圖10為電磁閥驅動陣列的電原理圖；圖11為三位四通電磁換向閥的激磁線圈陣列的電原理圖，圖中，LQ1～LQ42為所述三位四通電磁換向閥左位激磁線圈陣列，RQ1～RQ42為所述三位四通電磁換向閥右位激磁線圈陣列。
圖12和13為本發明所述模具的另一個具體實施例的結構示意圖，其中，圖12為主視圖，圖13為圖12的C—C剖視圖(沿上墊板與衝針固定板的結合面和氣缸軸線剖視)。
圖14為低溫熱塑板上網孔分布形狀示意圖。
圖15為圖12和13所示實施簡化為5根衝針模具的示意圖。
具體實施方式
例1
參見圖1～4，本例為加工低溫熱塑板上每一行網孔的孔徑為2mm或3mm，孔距均為5mm的模具，該模具包括底座1、模架和設在模架內的上模組件與下模組件。
參見圖1～4，所述的模架包括上模板2、下墊板3和設在上模板2與下墊板3之間的四根導向柱4，每一導向柱4上套設有彈簧5，四隻彈簧5的兩頭分別作用在上模板2和下墊板3上，始終使上模板2與下墊板3處於分離狀態。
參見圖1～4，所述的上模組件包括兩排每排21根衝針6與自上而下由疊合在一起的上墊板7、衝針固定板8和卸料板9，其中，衝針固定板8上沿長度方向設有兩排均勻分布的衝針安裝孔，每一安裝孔內設有一根衝針6；所述的卸料板9通過四根沉頭螺釘10(圖1和圖3中採用虛線顯示)懸掛在衝針固定板8下；為了保證卸料板9在上下運動的過程中不會與衝針6產生幹涉，所述的衝針固定板8與卸料板9之間還設有四根輔助導向柱11(圖1和圖3中也採用虛線顯示)，四根輔助導向柱11的上頭固定在衝針固定板8的體內，下頭與卸料板9上的導向孔相匹配；所述的上模組件中的上墊板7與衝針固定板8疊合固定在所述上模板2的下表面。
參見圖1～4，所述的下模組件自上而下由疊合在一起的凹模板12和凹模固定板13組成，其中，所述凹模板12上在所述衝針6對應的位置設有與衝針6相匹配的落料孔14，該落料孔14數量和排列方式與上模組件中的衝針6一一對應；所述的下模組件固定在模架中下模板的上表面。
參見圖1和圖2，底座1的兩邊分別設有兩個凸耳15，每個凸耳15上設有與數控衝床固定連接的C型地腳螺栓孔16；上模板2上表面的的中部設有與數控衝床上活塞杆固定連接的連接件17。
參見圖3～5，疊合在一起的上墊板7與衝針固定板8的兩側面分別固定一氣缸模塊18，每一氣缸模塊18包括上下對合在一起的上模塊和下模塊，所述的上模塊和下模塊的相對面上分別設有21個橫截面為半圓的凹槽19，上模塊與下模塊對合後形成21個缸筒，每一缸筒內設有一與活塞杆20連體的活塞21，形成有21隻一字形排列的氣缸22。
參見圖3～5，所述的上墊板7的下表面與衝針6針帽相對的位置設有凹槽23，21塊針帽擋板24設在該凹槽23內，氣缸22的活塞杆20伸進所述的凹槽23內，端部與針帽擋板24的頭部固定在一起。所述該凹槽23的深度與針帽擋板24的厚度相匹配，以保證上墊板7與衝針固定板8疊合固定在一起時，針帽擋板24與上墊板7和衝針固定板8之間的間隙不會過大，又能伸縮自如。當活塞杆20伸出後，所述針帽擋板24覆蓋在衝針6的針帽上。
參見圖3～5，所述的上模組件中的兩排衝針6，一排直徑較大衝針6的直徑為3mm,另一排直徑較小衝針6的直徑為2mm,每一排衝針中相鄰兩衝針6之間的距離均為20mm(即為低溫熱塑板上網孔孔距的4倍)。
參見圖5，每根衝針6的針杆上套設有呈託衝針6的彈簧26，該彈簧26始終託住衝針6的針帽。為了防止在彈簧26的作用下，個別衝針6的針帽不能與衝針固定板8的上表面平齊而影響針帽擋板24的正常工作，所述的針帽擋板24的前端面設有倒角，該倒角大於衝針6針帽的倒角。
參見圖3～5，所述的上墊板7的下表面設有兩排衝針隱匿孔25，每一衝針隱匿孔25位於對應的衝針6針帽的正上方，且，孔徑與對應衝針6針帽的直徑相匹配，深度大於等於所述上模組件的行程。
參見圖6，與本例所示模具配套的氣動迴路由42個並聯執行單元Q1～Q42和為所述執行單元供氣的氣源單元QC組成，其中，每個執行單元由依次連接的單向閥F、節流閥P、三位四通電磁換向閥Y和氣缸G(即圖3中的22)組成；所述的氣源單元由儲氣罐W和設在儲氣罐W進口的開關K及與儲氣罐W連通的溢流閥U組成；每一執行單元中單向閥F的進口與儲氣罐W出口連接。
圖6所示氣動迴路中三位四通電磁換向閥的控制電路如圖7所示，該控制電路以嵌入式控制單元為核心，配以與其連接的電磁閥驅動陣列、異步通信接口、數據存儲存儲單元、顯示單元和按鍵電路構成，其中，所述的嵌入式控制單元為單片機最小系統，按鍵電路、顯示單元的數據接口和控制接口連接至單片機，單片機的通信接口通過異步通信接口電路連接至上位計算機，單片機通過數據存儲單元的數據接口讀寫模具衝孔數據；所述電磁閥驅動陣列為級聯的串行輸入、並行輸出驅動電路，其輸出端分別連接至各三位四通電磁換向閥Y的激磁線圈。
參見圖8，所述控制單元為型號為STC89C51的51型單片機U1及其外圍振蕩電路的最小系統；所述按鍵電路包括5個按鍵開關和5個上拉電阻組成，其按鍵信號輸入端分別連接單片機U1的P1.1～P1.5腳，分別作為電源按鍵、模式切換按鍵、顯示按鍵、暫停按鍵和確認按鍵；所述顯示單元為一液晶顯示模塊U2，其數據輸出端和控制端分別連接單片機U1的P2.0～P2.7、P3.3～P3.5腳；所述數據存儲單元為一EEPROM可擦寫只讀存儲晶片U3，其數據讀寫埠和時鐘埠分別連接單片機U1的P3.6～P3.7腳；所述異步通信接口為一DB9規格的RS232插頭，其串行數據接口分別連接至單片機U1的P3.0～P3.1。
參見圖9～圖11並結合圖6，由於三位四通電磁換向閥Y分為42個，因此所述的電磁閥驅動陣列共包括12個級聯的型號為74HC595的串入並出移位寄存器U3～U9、U16～U21和12個型號為ULN2003的達林頓反向驅動器U10～U15、U22～U27，所述12個串入並出移位寄存器U3～U9、U16～U21的時鐘接口和輸出使能接口分別並聯連接至單片機U1的P0.0～P0.2腳、P0.4腳，串入並出移位寄存器U6的串行移位數據輸入端連接至單片機U5的P0.3腳，12個串入並出移位寄存器U3～U9、U16～U21的並行輸出端分別與12個達林頓反向驅動器U10～U15、U22～U27輸入端連接，12個達林頓反向驅動器U10～U15、U22～U27的反向輸出端連接至42個三位四通電磁換向閥Y的激磁線圈，其中U10～U15的反向輸出端分別連接每個三位四通電磁換向閥Y的左位激磁線圈LQ1～LQ42，U22～U27的反向輸出端分別連接每個三位四通電磁閥Y的右位激磁線圈RQ1～RQ42。
例2
參見圖12和圖13，本例為加工低溫熱塑板上每一行網孔的孔徑為3.5mm，孔距均為6mm的模具，本例的模具中衝針6為一排，共21根，排列順序為奇數衝針6的11隻氣缸22設在疊合在一起的上墊板7與衝針固定板8的一側，排列順序為偶數衝針6的10隻氣缸22設在疊合在一起的上墊板7與衝針固定板8的另一側。相應地，衝針固定板8上沿長度方向設有一排分布距離為18mm衝針安裝孔(為低溫熱塑板上網孔孔距的3倍)，每一安裝孔內設有一根針杆直徑為3.5mm的衝針6。
本例所述模具上述以外的實施方法與例1相同。相應地，與之配套的氣動迴路的執行單元也只需21個，控制氣動迴路中三位四通電磁換向閥的控制電路中的電磁閥驅動陣列也只需21路。
例3
為了便於清楚地描述採用本發明所述模具在低溫熱塑板上衝制等距網孔的方法，假設一塊如圖14所示的低溫熱塑板26，其上的網孔27呈倒梯形分布，下邊兩個角上分別設有定位孔28。所述倒梯形分布的網孔27共5行，第一行網孔與左邊一個定位28的垂直距離為31.5mm，兩行網孔27之間的距為5.2mm；第一行網孔為17個，排列順序自左向右依次為、、……；其後每一行少一個孔，至最後一行網孔的數量為13個，排列順序自左向右依次為、、……；每一個網孔27的孔徑為3.5mm，每一行相鄰兩網孔27之間的距離為6mm；第一行網孔的第一個網孔27與左邊一個定位28的距離為1.2mm，以後逐行增大3mm，至最後一行的第一個網孔27與左邊一個定位28的距離為13.2(mm)。
同樣出於簡明扼要的目的，將例2所述的模具簡化為5根衝針6，其它結構參數與例2相同，結果如圖15所示。
參見圖12和圖13，採用圖15所示的模具加工分布形狀如圖14所示網孔的方法如下所述：
(1)將待衝孔的低溫熱塑板安裝在數控衝床的工作檯上，並給21隻氣缸供氣使針帽擋板復位24，即使每一塊針帽擋板24都縮回；然後，移動數控衝床的工作檯，使低溫熱塑板26上第一行的第一個網孔27(即圖14中最上邊一行自左邊開始的第一個網孔)與模具中序號為1的衝針6(即圖15左邊的第一根衝針)上下對準；
(2)先按下式A)確定參與工作衝針的排列序號I為1～5號(自圖15的左邊開始排序)，再由氣缸22供氣控制針帽擋板24，使1～5號衝針所對應的針帽擋板24分別覆蓋到5根衝針6的針帽上，然後啟動數控衝床完成第一次衝裁，
式A)中，X為網孔的排列序號，i為模具上一排衝針的數量，k為衝針距離與網孔距離之比，N為上模組件上下移動的裁剪次數，為向上取整符號，Mod(N,k)表示N除以k的餘數；接著，
按下式B)確定所述數控衝床的工作檯的橫向移動步數S，並按橫向移動步數S向排列序號為1的衝針方向移動低溫熱塑板26，
式B)中，各代號的物理意義與A)式相同；
上述橫向移動步長為S＝1時數控衝床的工作檯的橫向移動的距離，該距離等於低溫熱塑板26上一行網孔中相鄰兩網孔27之間的距離，本例中該距離為6㎜；
然後，再按上式A)確定下一次衝裁時參與工作的衝針6的排列序號I，並由氣缸22控制針帽擋板24，使參與工作的衝針6所對應的針帽擋板24覆蓋到相應衝針6的針帽上，使不參與工作的衝針6所對應的針帽擋板24縮回，啟動數控衝床完成第二次衝裁；採用同樣的方法完成後續衝裁，直至第一行17個網孔27全部衝制完畢；此後，
(3)先將數控衝床的工作檯朝第二行網孔方向縱向移動5.2㎜，再將數控衝床的工作檯向左橫向移動3㎜，使低溫熱塑板上第二行的第一個網孔27與模具中衝針中序號為1的衝針6上下對準，然後按步驟(3)所述的方法衝制第二行網孔，直至衝完最後一行網孔。
由A)式計算得到上模組件上下移動的裁剪次數N與處於工作狀態的衝針6的排列序號I、網孔的排列序號X、數控衝床的工作檯的橫向移動步數S以及網孔27的行號M，的對應關係如下表所示：
註：-表示該序號的衝針不參工作。
由上表可見，加工圖14所示倒梯形分布的網孔，如果採用現有單針衝孔模具加工，上模組件上下移動的裁剪次數75次，大約需要93.75秒完成；如果採用現有專用模具加工，雖然上模組件上下移動的裁剪次數只有5次，但需要拆裝模具4次，每次約需要30分鐘，大約需要120分鐘完成；而採用本發明所述的模具，雖然上模組件上下移動的裁剪次數為18次，但不需要拆裝模具，大約只需要22.5秒即可完成。