精密棒料剪切設(shè)備設(shè)計

金茵，姚榮慶

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310053)

隨著冷擠壓、冷模鍛和精密模鍛等各種新工藝的廣泛應(yīng)用，為確保零件成型過程穩(wěn)定，提高產(chǎn)品精度和材料利用率等，對坯料的形狀、質(zhì)量 (體積)誤差和斷面的幾何參數(shù)等要求越來越高。對棒料而言，目前一般采用機(jī)械式剪切機(jī)或鋸切下料，斷面質(zhì)量差和質(zhì)量 (體積)誤差大，無法滿足汽車、軸承等行業(yè)少無切削的精密加工要求［1］。因此，如何設(shè)計出高效、高剪切質(zhì)量的剪切設(shè)備，更好地適應(yīng)當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的需求，是文中的研究重點(diǎn)。

1 精密棒料剪切機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 精密剪切原理

國內(nèi)外學(xué)者為提高棒料的剪切精度進(jìn)行了深入的研究，認(rèn)為影響棒料剪切精度的主要因素有兩點(diǎn):(1)徑向夾緊力;(2)剪切速度。

普通剪切機(jī)的剪切部分一般由定剪刀、動剪刀和壓料裝置組成，剪切模型如圖1所示，v為動剪刀運(yùn)動方向 (剪切運(yùn)動方向)。在剪切時，由于待切棒料呈懸臂狀，棒料受剪切力和彎矩的組合作用，棒料的受力狀態(tài)是剪切和彎曲的組合。剪切時棒料產(chǎn)生向下彎曲傾斜，使這種剪切和彎曲的組合提高了拉伸的比例。剪切面金屬既沿剪切面徑向滑移，又沿軸向產(chǎn)生塑性變形，使被剪坯料斷面成為“馬蹄形”，無法提高剪切精度［2］。

對剪切來說，提高剪切質(zhì)量的關(guān)鍵是使受剪棒料在剪切時盡可能接近純剪切的受力狀態(tài)。新設(shè)計的精密棒料剪切機(jī)剪切模型如圖2所示。

這種方式能消除待切棒料的懸臂狀態(tài)，限制被剪棒料的向下彎曲，受力狀態(tài)最大程度地接近純剪切。圖2中的氣動壓料裝置3和液壓托料裝置5在剪切時將棒料夾緊，剪切完成后自動松開，實(shí)現(xiàn)了徑向夾緊方式的精密剪切。由于剪切時限制了棒料的向下彎曲和軸向位移，坯料下移時與棒料平行，剪切區(qū)金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，斷面變形較小，得到的坯料剪切面光滑平整且傾角較小，從而消除了普通剪切產(chǎn)生傾斜的相關(guān)因素，提高了坯料斷面的剪切質(zhì)量［3］。

剪切時刃口附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，采用徑向夾緊后，限制了刃口處坯料的塑性變形，如果提高剪切速度，應(yīng)力集中使裂紋以極快的速度徑向延伸，使坯料在法向應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前發(fā)生斷裂，剪切斷面光滑平整，剪切精度較普通剪切大大提高［4］。

試驗結(jié)果表明:當(dāng)采用徑向夾緊裝置和剪切速度達(dá)到5～7 m/s時，能獲得滿意的剪切效果。

1.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)

精密棒料剪切機(jī)要實(shí)施的任務(wù)是對棒料進(jìn)行剪切，其加工工序如圖3所示。

圖3 棒料剪切加工工序

精密棒料剪切機(jī)包括機(jī)械、電氣、氣動、液壓、光電、數(shù)控等系統(tǒng)。根據(jù)棒料剪切加工的設(shè)計需求，抽象化設(shè)計任務(wù)，建立機(jī)床的功能模型，分解總功能為若干分功能，得到功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 精密棒料剪切機(jī)功能結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有棒料剪切機(jī)實(shí)現(xiàn)剪切的方式有機(jī)械式、氣液式和液氣式［5］。機(jī)械式主要應(yīng)用于直徑較小棒料的剪切;缺少緩沖和回程太慢是氣液式的最大缺點(diǎn);液氣式雖然克服了氣液式的缺點(diǎn)，但控制方式還是過于復(fù)雜。文中所述精密棒料剪切機(jī)采用液液式，即剪切油缸的工作行程和回程都使用液壓油，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過電驅(qū)動滾輪1使棒料進(jìn)給;在頂料氣缸軸5的前端設(shè)置了一個擋料觸頭，在擋料觸頭內(nèi)安裝了一個信號頂桿，當(dāng)被剪棒料撞到氣缸軸上的擋料觸頭時，觸頭內(nèi)的信號桿回縮，感應(yīng)光電開關(guān)，驅(qū)動頂料氣缸，將棒料頂回至預(yù)先設(shè)置的剪切長度;氣動壓料裝置7和液壓托料裝置4同時運(yùn)動將被剪棒料實(shí)施徑向夾緊;剪切油缸6與液壓托料裝置4聯(lián)動，實(shí)施高速剪切。整機(jī)在PLC程序的控制下實(shí)現(xiàn)“棒料進(jìn)給→觸碰光電感應(yīng)開關(guān)→信號反饋→頂料氣缸推動棒料到設(shè)置長度→氣動壓料裝置和液壓托料裝置夾緊→棒料剪切→松開”的加工循環(huán)。

圖5 精密棒料剪切機(jī)結(jié)構(gòu)圖

通過試驗得到，與普通棒料剪切機(jī)相比，精密棒料剪切機(jī)的剪切精度提高1～3倍，具體見表1。剪切棒料的斷面效果如圖6所示。

表1 精密剪切機(jī)與普通剪切機(jī)試驗結(jié)果對比

圖6 棒料剪切加工效果圖

2 精密棒料剪切機(jī)的電氣液壓控制系統(tǒng)

2.1 電氣控制原理

根據(jù)精密棒料剪切機(jī)的工作要求，整機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，送料電機(jī)用變頻器進(jìn)行調(diào)速。這樣PLC的輸出既有交流負(fù)載，還有電磁閥等直流負(fù)載。經(jīng)綜合比較，選用三菱公司PLC(FX2N-80MT)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)氣缸、油缸和電動機(jī)動作，系統(tǒng)控制如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制圖

2.2 液壓控制原理

棒料高速精密剪切機(jī)液壓系統(tǒng)原理如圖8所示，系統(tǒng)采用插裝閥集成技術(shù)。壓力閥蓋板1為通電加壓，非工作狀態(tài)下，1YA不通電，溢流閥打開;工作時，1YA通電，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過設(shè)定壓力時，溢流閥才打開。壓力閥蓋板2起安全保護(hù)作用，壓力閥蓋板1、2均無高壓溢流損失。插件5采用節(jié)流方式蓋板，調(diào)節(jié)其開口在適當(dāng)位置，使其在產(chǎn)生瞬時大流量的切斷瞬間增大液阻，減緩沖擊。托料油缸3由閥10控制，與壓料氣缸一起對棒料實(shí)施徑向夾緊，使剪切區(qū)呈三向壓應(yīng)力狀態(tài)。剪切油缸4由換向閥7、8控制，當(dāng)1YA、3YA通電時剪切油缸進(jìn)行高速剪切，因有插件5的作用，活塞剪切后得到緩沖，當(dāng)1YA、2YA通電時剪切油缸迅速回到原位，準(zhǔn)備下一個工作循環(huán)。

圖8 液壓系統(tǒng)原理圖

3 小結(jié)

(1)開發(fā)的精密棒料剪切機(jī)是一個復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣、液壓、氣動、光電和通信等多項技術(shù)。

(2)具有自動循環(huán)作業(yè)功能，實(shí)現(xiàn)了自動進(jìn)料、自動定長、自動剪切和自動計數(shù)，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

(3)實(shí)施了徑向夾緊和高速剪切組合的精密剪切技術(shù)，得到了傾斜度、橢圓度較小和粗糙度較低的高質(zhì)量剪切斷面。

(4)設(shè)備的開發(fā)成功為精密模鍛等少無切削加工提供了理想的下料手段，也解決了低精度鍛坯在中頻爐內(nèi)連續(xù)加熱引起拱起的難題。

［1］付建華，李永堂，雷步芳，等.金屬棒料高速精密剪切試驗研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2005，41(5):154 －156.

［2］郝濱海，夏霄紅.棒料剪切機(jī)理與提高剪切精度的方法［J］.鍛壓技術(shù)，2000，25(5):7 －9.

［3］杜詩文，李永堂，雷步芳.棒料高速剪切機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計與動態(tài)特性研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006(6):42－45.

［4］高麗娟.金屬棒料高速精密剪切的實(shí)驗研究［D］.太原:太原科技大學(xué)，2008.

［5］李有堂，李茂青，剡昌鋒，等.液氣式高速棒料剪切機(jī)的工作原理及運(yùn)動分析［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2004，30(6):35－39.