金屬管料下料技術(shù)概述

趙升噸，景 飛，趙仁峰，李 雪，陳 超

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院模具所，陜西 西安710049）

0 引言

金屬管料需求量大，應(yīng)用范圍廣，是機(jī)械制造業(yè)中的一種重要零件。目前，工業(yè)生產(chǎn)中所需的大部分管類零件，如汽車中的半軸套管、軸承內(nèi)外圈、一些軸套、擋圈等的原始坯料均為通過對管料下料得到。由于管料為中空件，下料過程其斷面易發(fā)生較大變形，因此要想得到合格的落料必須采用合理的工藝方法。金屬管料的下料除要求斷面平整、毛刺小，節(jié)省材料、生產(chǎn)率高、污染小之外，還要保證所下管料的斷面形狀失真小，最好能達(dá)到精密下料，避免因下料斷面質(zhì)量不合格而造成的二次加工。國內(nèi)外不少學(xué)者一直在提高管料下料斷面質(zhì)量方面做研究，除了研究如何通過改善現(xiàn)有加工工藝提高質(zhì)量外，也在尋求其他新的下料方法[1-4]。

1 傳統(tǒng)管料下料方法

目前工業(yè)上較常用的管料下料方法有切割法和剪切法兩大類。切割法主要包括鋸切、切管機(jī)切割、旋轉(zhuǎn)楔入法切割、激光切割等；剪切法主要包括無芯棒剪切法、帶芯棒剪切法和有芯棒圓周剪切法[2]。

1.1 管料切割下料

管料傳統(tǒng)的切割下料方法包括鋸切、用切管機(jī)切割、采用旋轉(zhuǎn)楔入法切割等，采用這些方法下料均會產(chǎn)生金屬損耗，而且生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)。激光切割法為較為先進(jìn)的切割方法，雖然能提高生產(chǎn)效率和下料質(zhì)量，但仍然會產(chǎn)生金屬損耗。這些方法在工業(yè)使用中會造成大量的原材料浪費(fèi)，增加制造成本[5]。下面就其原理分別說明。

1.1.1 鋸切

鋸切是將管料兩端或一端固定，用高速旋轉(zhuǎn)的鋸盤逐漸靠近管料將其切斷，由于鋸盤要徑向通過管料才能完成下料，所以一般所下料鋸縫寬度比鋸盤厚度大。除使用鋸盤，還可使用薄的砂輪片進(jìn)行切割，但這種方法對砂輪片的磨損較大，噪聲也比較大。其下料原理如圖1 所示。

采用鋸切的方法會產(chǎn)生較多金屬損耗，而且切口斷面有明顯的切屑痕跡，斷面不平整度較大。在鋸切后期由于摩擦使得金屬斷面溫度迅速增高，塑性變大，將導(dǎo)致切割處產(chǎn)生薄層的金屬切屑粘連在斷面上難以去除，形成較大毛刺。

圖1 鋸切下料

1.1.2 切管機(jī)切割

在切管機(jī)上用車刀切斷，切管機(jī)有兩種切割方式，分別是管料轉(zhuǎn)動車刀不動和車刀轉(zhuǎn)動管料不動。前一種方式類似于車床的車削，但是效率比較低，而且一般所切割管料均較長，其轉(zhuǎn)速不能太高，以防管料產(chǎn)生較大振動； 后一種方式由于刀具繞管料旋轉(zhuǎn)切割，所以切割設(shè)備比較復(fù)雜，切削速度也不能太大。其原理如圖2 所示。

圖2 切管機(jī)切割下料

使用切管機(jī)下料時，由于涉及到管料或車刀的旋轉(zhuǎn)，因此生產(chǎn)效率不是很高，切割過程有金屬損耗，斷面質(zhì)量相對鋸切來說比較好。

1.1.3 旋轉(zhuǎn)楔入法

旋轉(zhuǎn)楔入法下料的原理為保持管料不動，在管料外圍有兩個支承輥和一個楔形圓盤刀片，它們以相同的速度繞管料做圓周運(yùn)動，同時楔形圓刀片還做徑向移動楔向管壁將管料切斷。由于刀片是楔形的靠擠壓力擠入管壁，因此切口呈斜坡狀。而且由于擠壓力的作用，斷口處金屬會向管壁的內(nèi)外流動使得斷口處外徑增大而內(nèi)徑減小，需要后續(xù)的工序修整才能獲得良好的斷面。其原理如圖3 所示。

旋轉(zhuǎn)楔入法由于楔入時切斷輥對管壁的壓力較大，所以不適合較軟的材料和薄壁管的切斷。同時旋轉(zhuǎn)楔入法會使管料斷口產(chǎn)生較大變形，需要進(jìn)行二次修口，因而仍會產(chǎn)生金屬損耗。

圖3 旋轉(zhuǎn)楔入法

1.1.4 激光切割法

管料激光切割是利用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實(shí)現(xiàn)的。在計(jì)算機(jī)控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率、一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。切割過程中激光聚焦對準(zhǔn)管料待切斷部位并繞其旋轉(zhuǎn)一周或激光不動管料旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)管料的快速下料。其原理如圖4 所示。

圖4 激光切割

激光切割為近幾年發(fā)展起來的一種新的管料切割方法，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如切割斷面平整、尺寸精度高、切割速度快、效率高、可適用的材料范圍廣、污染小等。但由于其是靠高能激光使材料局部融化來實(shí)現(xiàn)下料，因此難免會產(chǎn)生金屬損耗，而且對設(shè)備的要求高、成本高。

1.2 管料剪切下料

管料的剪切下料主要包括無芯棒剪切法、帶芯棒剪切法和帶芯棒圓周剪切法等。剪切下料相對于切割下料最主要的優(yōu)點(diǎn)是提高了材料利用率，下料過程幾乎沒有金屬損耗。但是采用此方法所下管料，其斷口處由于受剪切力的作用易產(chǎn)生變形，所以其斷面形狀精度較差，而且只有在高的剪切速度下才能得到較好的斷面，對設(shè)備要求較高。

1.2.1 無芯棒剪切法

此法與棒料的沖剪法類似，用固定刀刃夾緊管料，活動刀刃在壓力機(jī)帶動下沿管料徑向運(yùn)動，將管料從固定刀刃和活動刀刃之間的間隙處切斷。其原理如圖5 所示。此方法是靠壓力作用使材料斷裂，而管材為中空結(jié)構(gòu)，因此下料過程中容易出現(xiàn)管壁被壓塌的缺陷。

1.2.2 帶芯棒剪切法

帶芯棒剪切法是為了防止管料在剪切時管壁被壓塌，而在管孔中設(shè)置芯棒，芯棒包括與固定刀刃配套的固定芯棒和隨活動刀刃一起移動的活動芯棒。這樣剪切時管材的壓扁量就被控制在棒芯和管內(nèi)徑的間隙中。其原理如圖6 所示。帶芯棒剪切相對于無芯棒剪切其斷面質(zhì)量有很大提高，且效率高，無材料損耗。

圖5 無芯棒剪切法

圖6 帶芯棒剪切法

1.2.3 帶芯棒圓周剪切法

帶芯棒剪切時，剪刃通常做垂直運(yùn)動，管料在寬度方向上的剪切厚度變化很大。其剪切過程類似于圓棒料剪切，兩側(cè)先剪斷，中間部位因厚度大而后剪斷，其中間部位剪斷后斷口凹凸不平，嚴(yán)重影響管料切口的端面質(zhì)量。為改善這一缺陷，只有設(shè)法使剪切時沿圓周方向的剪切條件相同，才能使管料沿圓周方向得到均勻的切口質(zhì)量?；诖耍a(chǎn)生了帶芯棒圓周剪切法。帶芯棒圓周剪切和帶芯棒剪切法類似，由固定刀刃、活動刀刃、固定芯棒、活動芯棒組成。剪切開始前各刀刃、芯棒和管料的相對位置和帶芯棒剪切法相同，剪切過程中，固定刀刃、固定芯棒和管材一起靜止不動，其軸心線為OO?；顒拥度信c活動芯棒的軸心線為O′O′，二者一起繞與管材中心軸OO的偏心距為e/2 的點(diǎn)a 公轉(zhuǎn)。其原理如圖7 所示。剪切過程中，活動刀刃與固定芯棒組成一對剪切刃，固定刀刃與活動芯棒組成一對剪切刃。當(dāng)活動芯棒和活動刀刃繞a 點(diǎn)轉(zhuǎn)一周回到原位時，管材整個壁厚的切入深度是均勻的，從而可以保證切口的斷面質(zhì)量[6-7]。

采用剪切法下料雖然可以降低金屬損耗，但下料過程中所需剪切力較大，需在壓力機(jī)上配以專用模具進(jìn)行加工，管壁易發(fā)生變形。由于是靠剪切力將材料分開，管料斷面易產(chǎn)生金屬劃痕。所以采用剪切法下料難以得到斷面質(zhì)量良好的管料。

圖7 帶芯棒圓周剪切法

2 新型管料下料方法

傳統(tǒng)的管料下料方法均不同程度存在斷面質(zhì)量差、能耗大、效率低、原材料浪費(fèi)嚴(yán)重、噪聲污染大等缺點(diǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)提出的低能耗、高質(zhì)量、高生產(chǎn)率、低污染的綠色制造概念，應(yīng)力法下料應(yīng)運(yùn)而生。其最先用于金屬棒料的下料領(lǐng)域，利用裂紋技術(shù)首先在需要斷料的地方預(yù)制出一個環(huán)狀V 形槽，然后將棒料一端夾緊，給另一端施加一周向循環(huán)交變載荷，在交變載荷的作用下V 形槽底部由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋并不斷沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展最終使整個棒料斷裂，此方法所下棒料斷面平整、無金屬損耗且下料所需外載荷較小[8-9]。

管料低應(yīng)力疲勞下料法。金屬厚壁管的低應(yīng)力法下料原理如圖8 所示。其與棒料的應(yīng)力法下料類似，先在管料上預(yù)制出環(huán)狀V 形槽，然后將管料一端固定于管料固定套中，另一端置于下料模具中，下料模具安裝于偏心模具固定盤中，其偏心量為e。偏心模具固定盤繞其中心O2旋轉(zhuǎn)，帶動下料模具繞其中心O2公轉(zhuǎn)，這樣下料模具就會給管料施加一個周向的循環(huán)彎曲載荷，在管料的V 形槽處由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生初始裂紋，在循環(huán)載荷的作用下裂紋不斷沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展直至管料斷裂。

該方法所需下料載荷較小，整個過程中沒有金屬損耗。由于是靠裂紋沿徑向擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)下料，其所下管料斷面質(zhì)量非常好，可以直接用于下一道工序。但是此方法目前只適用于脆性材料厚壁管的下料，對于薄壁管和塑性材料，此方法下料所得斷面質(zhì)量較差。

圖8 管料低應(yīng)力疲勞下料

3 結(jié)語

本文分析總結(jié)了管料傳統(tǒng)下料方法及新型下料方法的原理及其各自優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，傳統(tǒng)下料方法主要包括切割下料和剪切下料，而新型下料方法主要指金屬厚壁管的低應(yīng)力疲勞下料。

（1）采用普通的切割法進(jìn)行管料下料會產(chǎn)生金屬損耗而且生產(chǎn)效率低，不適合大批量生產(chǎn)。激光切割法雖能提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，但仍然會產(chǎn)生金屬損耗。這些方法在工業(yè)使用中會造成大量的材料浪費(fèi)，增加制造成本。

（2）剪切下料相對于切割下料最主要的優(yōu)點(diǎn)是提高了材料利用率，下料過程幾乎沒有金屬損耗。但剪切下料時管料斷口處由于受剪切力的作用易發(fā)生變形，所下管料斷面形狀精度較差，且所需下料載荷也較大。

（3）管料的低應(yīng)力疲勞下料主要應(yīng)用于金屬厚壁管的下料。此法所需下料載荷低、無金屬損耗且所下管料斷面質(zhì)量高，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的管料下料方式。

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