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沖壓安全技術發展的回顧與思考

[來源:天津市天港機械有限公司] | [作者:天港機械] | [日期:09-11-26] | [熱度:]

沖壓生產中的安全與噪聲防治是沖壓行業迄今仍令人棘手的兩大難題,也是業界職業安全衛生中的兩個主要題目。一般通稱為沖壓安全技術。其主要任務是在沖壓生產過程中,根據沖壓生產的特點和生產全過程各個環節的需要,緊密結合現有生產條件,采取各種實用而得當的方法與技術措施,杜絕沖壓工及相關人員的人身傷害,根除設備與模具事故,消減沖壓過程中的噪聲,保障工人的人身安全和健康。


一、沖壓安全生產的回顧

  近年來,隨著各類機電與家電產品制造業的迅猛發展,特別是鄉鎮與民營企業的大量出現并迅速壯大,板料沖壓工藝作為金屬加工與制造業的主導工藝之一,也得到空前廣泛的普及與擴展。在開關電器、儀器儀表、五金家電,以及汽車、摩托車、農機、電信和玩具等沖壓工作量大的企業,其產品40%~70%以上的零件是沖壓件。產品品種及產量隨著經濟的發展和市場的拓寬不斷增多,沖壓工作量也不斷增加,而安全生產往往被忽視,沖壓事故、特別是壓斷手指的人身傷害事故時有發生。

  央視記者曾對以生產開關電器名揚天下的某省一縣級市進行過調查,并以《劣質沖床狂切5000打工之手》為題,披露該市的兩個鎮每年竟有5000例斷手、斷指者要到醫院實施再植手術。而該市的醫院也因平均每天多達14例斷手、斷指再植術而獲取了豐富的經驗,其精湛的醫術在國內已廣為人知。當地生產開關電器的工廠,絕大部分為民營企業,吸引全國各地的打工者前去打工,多數人未經培訓或培訓時間很短就上崗工作。私企老板為了以最小投入獲取最大回報,低價購進老式或二手甚至是國企報廢的壓力機;使用無導向、無安全防護的簡單敞開式沖模,完全靠手工送料進行沖壓生產。多數打工者為農民工,技術素質差,對沖床和沖模的結構及工作特點缺乏深入了解,甚至一無所知,因此事故多發絕非偶然。筆者曾在國內最大的儀表廠工作多年,不止一次親眼目睹沖壓車間發生的斷手、斷指事故和時有發生的進口模具和進口壓力機損壞,甚至還發生過模具緊固螺釘脫落、模具錯位造成進口630kN壓力機床身斷裂的特大設備事故。

  沖壓噪聲對沖壓工人身心的傷害表現為潛在而逐步加重的聽覺損傷。按相關規范及工業衛生標準要求,筆者多次在現場實測,除噸位小于6.3t即公稱壓力63kN以下的機械壓力機外,絕大多數壓力機在工作時的沖壓噪聲都超過國家標準規定工業噪聲的允許值85dB(分貝)。儀表工業沖壓車間多用公稱壓力100~1600kN即10~160t機械壓力機,實測其工作地噪聲達94~96 dB(分貝),兩人對面講話難以聽清。由于沖壓噪聲是機械性噪聲、空氣動力性噪聲、電磁性噪聲混響疊加造成的綜合噪聲污染。沖壓工及沖壓設備運作中,以金屬板的交變承載、破裂變形及剛性沖擊和機械摩擦產生的機械噪聲為主,并伴有沖壓過程中廣泛使用的壓縮空氣不斷產生的流動性噪聲、電機及電控系統負載出現的電磁性噪聲等,都在沖壓生產中同時產生。因此,沖壓噪聲的治理,應從消減和控制聲源開始,從改變工藝、改進設備結構、建造聲控工作地入手,涉及面寬、難度大、周期長、投資多、見效慢。迄今,已成功治理沖壓噪聲并達標的企業很少。多數工廠都采用給沖壓工發放防聲耳塞、耳罩、防聲頭盔進行防護。在線沖壓工多數不愿意佩戴各種防聲用具,除不習慣外,長時間佩戴會感到不舒服,甚至引起身體不適。采用工間休息、輪換工位等方法,縮短工人在噪聲場連續工作時間,是長期以來不少工廠采用的有效防護方法之一。

  長時間在超標噪聲場工作,會造成聽覺損傷甚至耳聾。根據國際標準ISO建議的工業噪聲允許標準規定,每周工作5天,每天工作8h,噪聲(連續穩定)強度不超過85~90dB。當在噪聲場工作不足8h,工作時間減少一半,容許噪聲級提高3 dB。因此,堅持工間休息和輪換工位是實現噪聲防護的好方法。

  一些大型企業和產品品種單一、生產規模達到并超過經濟生產規模的工廠,沖壓車間(分廠)有著嚴格的生產管理規章制度,工人技術素質高,能嚴格遵守安全生產章程和工藝規程操作,使用技術性能好的新型沖壓設備多,采用多工位連續模和自動與半自動沖模的數量多、沖壓過程的機械化程度高,安全生產形勢一般都較好。這些企業沖壓件品種相對穩定,產量又大,每臺壓力機生產的沖件品種甚至操作工都很少多變,便于采用各種安全裝置,工人操作都很熟練,極少出現誤操作、滯后操作,安全事故要少的多。

二、沖壓安全生產的隱患及消除措施

  沖壓生產過程中發生的人身傷害多為壓斷手指事故。沖模裝到壓力機上按額定速率沖壓。當壓力機下行沖壓時,如果操作者沒有及時將手、臂、頭撤出模具(工作)危險區以外,在上下模合模時必然發生壓傷、壓斷事故。而操作者手、臂、頭伸入模具危險區,是在不停機沖壓過程中,調校沖模、送料、卸件、卸下搭邊沿邊廢料、安放坯件至合適模位、清理模上污物殘渣、從模上取下出模零件,以及給模具潤滑等這些操作均存在著安全隱患。

  沖壓安全生產的根本出路,在于沖壓過程的機械化與自動化。上述安全隱患通過實現自動或半自動沖壓皆可消除;在沖模結構上設置防護裝置、在普通壓力機上裝設防護機構也可消除安全隱患。推薦采用如下技術措施進行安全防護。

 ?。?)用多工位連續沖壓工藝技術取代傳統的分序多模沖壓工藝,用多工位連續模取代單工序沖模,為沖壓過程機械化與自動化創造條件。用一套多工位連續模省去多套單工序沖模。多工位連續模送料操作在模具危險區以外,無中間半成品坯料手工送料入模及安放到位的操作,無安全風險。

 ?。?)設計、制造和使用安全型沖模。所謂安全型沖模就是在沖模結構設計中考慮使操作者身體任何部位不能進入模具危險區。如果操作者手指有意無意進入模具危險區也不會壓手。較常用的是在模具危險區外裝設防護柵(罩)及安裝限位柱(套)。此外,在模具運作過程中,上下模座的導柱與導套不脫開,凸模不脫離導板(卸料板)。固定卸料導板式沖模俗稱導板模和導柱模架彈壓導板式沖模都具有很好的操作安全性,屬于安全型沖模。

 ?。?)根據沖壓工藝的需要選用技術性能合適的壓力機。不同沖壓工藝作業對壓力機的技術性能要求有別。而普通機械壓力機按機架結構形式,有C形開式和O型閉式兩種。國產中小型機械壓力機,公稱壓力在40~4000kN,都是C型開式機架,包括:J11、J12、J21、J23系列及其改型設計的J11開式單柱固定臺偏心壓力機、J12開式單柱活動臺偏心壓力機、J21開式雙柱固定臺壓力機、J23開式雙柱可傾壓力機。O型機架壓力機為大中型噸位閉式單點、雙點、四點壓力機,公稱噸位為1600~30 000kN。用量最大、國內保有量最多的是中小型開式壓力機,而閉式大中型壓力機主要用在汽車覆蓋件沖制,以及大型農機、船舶、車輛的大型沖壓件生產。

  在中小型C型機架開式壓力機中,J11、J12系列偏心壓力機,滑塊行程可調,可根據沖壓作業對滑塊工作行程的需要進行選擇。如板料沖裁需要工作行程很小,而拉深則需要行程較大。小的工作行程使凸模至凹模的距離很小,操作很安全。而J21、J23系列是曲軸壓力機,滑塊行程大而不可調。操作者要格外小心。但偏心壓力機主軸縱置,軸端集中承載,剛性差、僅適于薄板、小尺寸沖件沖制。曲軸壓力機都是雙柱,主軸橫置,柱間主軸均布承載,剛性優于偏心壓力機。因此,J21、J23系列壓力機適應范圍更廣一些。

  C型機架開式壓力機承載彈性變形大且不均勻,工作臺前張口大而工作臺后側小,據實測平均承載彈性變形量為閉式壓力機的10倍,約0.01mm/10kN。因此,C型機架的開式壓力機不適合用于體積沖壓、擠壓等沖壓作業。

  所有國產普通壓力機都不裝配任何人身安全防護裝置。但各種專用壓力機有所不同,如用于精密沖裁的各類專用精沖壓力機大多為NC或CNC全自動液壓精沖機,設有自動送料、自動校直、自動測厚及潤滑系統。精沖模裝在封閉的空間中運作,沖壓噪聲低于85dB。自動監控與防護系統會對精沖全過程進行監控,偶遇故障會自動停車并報警。這種設備也可以進行普通沖壓生產,是安全、理想的沖壓設備。但對材料及配套技術要求高,造價高昂。

 ?。?)在壓力機上裝設安全保護裝置,當操作者一旦進入危險區時,能直接對操作者進行人身安全保護。從20世紀60年代以來,國內各地都曾開發使用過各種機械的、電控的、感應的、紅外(光線)式及氣幕式等門類繁多的壓力機安全保護裝置。

  機械式安全保護裝置主要有柵欄式、杠桿推手式、繩索拉手式等。柵欄式就是在滑塊外裝一個活動的或折疊式柵欄罩,適于無模架的單工序敞開模。當上模從柵欄罩沖出工作前,先由柵欄罩將下模罩上,使手無法進入模具工作區。推手與拉手式用裝在壓力機適當位置的一套杠桿或拴在操作者手腕上的繩索,在滑塊下行沖壓時,強制將操作者手臂推拉出模具危險區(壓力機工作臺外)。這類安全保護裝置由于操作不便、影響操作視線,以及強推硬拉手臂使操作者難以適應等原因,特別是要在設備上裝設輔助機構,一般工廠不允許,也不具備條件,至今已很少有廠家采用了。

  電控安全保護裝置主要有多觸點開關、雙手開關、腳踏開關罩、推板聯動開關、光電保護裝置及電感控制開關等。當多人操作時,采用多觸點開關,只有所有操作人員都按過開關,壓力機才會啟動;利用雙手開關,使操作雙手離開模具工作區;腳踏開關加罩可防止意外按動開關;推板聯動開關是在工作臺前設一推板,操作者手進入工作區必須推倒推板,雙手離開危險區,推板自動立起接通開關,才可啟動壓力機。以上除推板聯動開關外,其余電控方式都較適用,至今仍為大多數廠家廣泛采納,有的已為壓力機制造廠采用,如雙手開關等。

  值得一提的是光線式保護裝置,即通常所說的光電保護裝置。一般裝在壓力機工作臺兩邊:一邊裝投光器,一邊裝接收器。在工作臺危險區構成一個光線層、當手進入危險區光線被擋后壓力機停車。這種裝置使用效果尚可。只是要占用工作臺左右兩個操作面,給操作帶來不便,制造與維護費用更高,至今使用也很少了。

  與光線式保護裝置原理類似的氣幕式保護裝置,是在壓力機工作臺前邊上下裝設兩根排孔對應,通壓縮空氣由下向上噴射形成密集不斷的氣幕,上邊管內裝的接收器,當氣幕斷開時靠自重落下而切斷開關,使壓力機停車。這種裝置適用于有氣源的大臺面、大噸位壓力機,造價及運行消耗都很大。

三、沖壓安全生產面臨的挑戰和前景

  以人為本,可持續發展,貫徹科學發展觀的理念,在沖壓行業的體現應落實在安全生產、消減沖壓噪聲污染兩個方面。影響沖壓安全生產和沖壓噪聲治理的因素是多方面的,決定因素是從事沖壓的工作人員,包括現場沖壓工藝員、沖壓工、調整工、沖模設計人員,以及車間管理人員的技術素質?,F場的生產條件是一個重要因素,如沖壓設備的基本技術性能和技術狀態、沖壓工藝設計的合理性與先進性、沖壓材料的類型及質量、沖模結構和技術功能的優劣及制造質量等。其中,沖壓設備的性能與技術狀態、沖模結構的優劣、操作工的技術水平三點尤為重要。上述各點涉及到方方面面,因此確保沖壓生產安全和防止沖壓噪聲污染雖表現在沖壓生產中和沖壓工操作上,而又與設備、模具、材料及管理等方面密切相關,需要各方面齊心協力才有保障。

 ?。?)國產中小型機械壓力機的結構缺陷及安全隱患是沖壓安全生產面臨的重大挑戰之一。國產中小型開式壓力機,大多采用轉鍵或撥銷式剛性離合器,其滑塊只能停留在上下死點,行程中間任何一點均不能停止。一旦壓力機離合器接通,滑塊就要完成一個行程。如壓力機啟動并接通離合器,滑塊在下行過程中,發現問題需緊急停車,只能待滑塊沖壓后,通過下死點,回程到上死點才能停車。多數事故就發生在需要滑塊在下行沖壓前的任意位置停車而不能停車的一瞬間。任何安全保護裝置裝在這類壓力機上都不能實現沖壓的工作行程中保護。而國產O型機架的閉式壓力機,都采用電-氣動摩擦式或更先進的柔性離合器,可使壓力機滑塊在任意位置隨時停車。如果已接通離合器,滑塊開始下行沖壓,有意外情況需要緊急停車,由保護裝置或電控開關發出指令,滑塊便可通過寸動行程、點擊行程在任意要求位置停車,消除在開式壓力機上不可避免的瞬間事故。

  將中小型C形機架開式壓力機改用柔性離合器—制動器,并增加其滑塊行程調節裝置,會使壓力機結構趨于復雜,造價會提升50%左右,但在使用上既方便又安全,可以裝設各種安全保護裝置,實現沖壓全過程安全保護,會減少很多壓手斷指事故,是造福于沖壓工的一大善舉。

 ?。?)螺釘的斷裂變形、松動、脫落,是沖模裝配、安裝、試模及沖模長時間沖壓過程中的一大安全隱患。沖模裝配,即在沖床上安裝,都是采用緊螺紋聯接結構,緊螺紋聯接是利用螺釘(螺栓)適度擰緊后,靠螺帽與聯接件之間產生的摩擦力來實施夾緊。適度擰緊,使螺釘產生一定的預緊力,才可能保證緊螺紋連接所需的摩擦力。螺釘擰的不到位,預緊力不夠,摩擦力就小。長時間沖擊震動便會松脫;螺紋擰得過緊,螺釘會變形伸長,甚至斷裂。在緊螺紋聯接組件中,一定規格的螺紋,需要有額定的扭矩適度擰緊,才能保證合適到位的緊螺紋聯接。M10以下螺釘在沖模修理和裝配中,擰斷的事屢見不鮮;M12以上螺釘在使用中的沖模松落的事則時有發生。因為螺釘松脫而發生模具事故、設備事故并不鮮見??善駷橹?,不少工廠甚至一些大企業的沖壓車間和模具制造廠,仍然使用死扳手、活扳手、套筒扳手甚至鉗子、螺絲刀等在裝配、修理和安裝沖模中,完全憑手感與經驗擰緊螺釘。在將沖模安裝緊固在壓力機工作臺上,為了加大扭力,有些人在死板手柄上套上長管擰死螺帽、螺釘;由于體力、性別、擰緊螺釘的方式不同,使用不同的扳手所能施加的擰緊扭矩差別很大,不可能符合緊螺紋聯接的要求。特別在安裝沖模時,如果模具兩邊的緊固螺釘擰緊度不同,在沖壓時就會錯移,誘發事故。因此,在裝配、調校、安裝沖模時,必須使用扭矩扳手,嚴格控制擰緊螺紋扭矩。當擰緊扭矩超過時,這種扳手會報警并自動打滑不再施加扭矩。

 ?。?)大力推廣應用多工位連續沖壓技術,改革傳統的分序多模沖制各種板料沖壓件的落后工藝;在多工位連續模上設置送料機構,實現半自動或全自動沖壓。暫時和難以實現多工位連續沖壓一模成形的復雜立體成形件,當必須采用單工序沖模沖制時,應在裝有安全保護裝置的壓力機上沖制。操作工人必須選用專用手持工具送進單個片料或工序件入模到位和出件,不得直接用手觸摸和送進。

 ?。?)對于新產品樣試、批試及小批量生產的多品種板料沖壓件,推薦采用數控回轉頭壓力機(NC與CNC沖壓中心)沖制和通過沖模成形,使用各種簡單經濟沖模應采用可靠的安全保護。

 ?。?)大力推廣應用各種結構形式的通用送料裝置。建議業界有關部門組織設計標準通用的送料裝置,并組織生產成系列規格推向市場。特別是一些常用的成熟結構,如鉤式、輥式、夾刃式、夾滾式及摩擦式等。采用送料裝置會促進實現沖壓過程的機械化和自動化,消除很多不該發生的人身傷害事故。

 ?。?)為杜絕沖壓人身傷害事故并消減沖壓噪聲,建議壓力機生產廠家及業界有關部門,組織生產獨具中國特色的NC與CNC液壓或機械式全自動多功能壓力機。該機應配有自動送料、校直系統、自動檢測和潤滑系統、封閉而透明工作臺、滑塊行程自動調節與顯示系統、自動出件與廢料裁剪處理系統、壓力機與模具保護系統,以及運行故障停車報警系統。該壓力機可用板材條料、帶料或卷料連續沖壓,與現在NC與CNC全液壓精沖機結構類似、功能相仿,用于大量生產中小型沖壓件。這種壓力機造價雖然高,但可確保沖壓安全,并避免噪聲污染超標。


  該文章發表于《金屬加工》 熱加工 2009年第19期

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