數(shù)控齒形扁鋼沖切機的受力分析及驅(qū)動功率的計算

周 帥，劉林林，張 昉

齒形扁鋼具有較好的防滑功能，常用于碼頭和鉆井平臺等潮濕、油膩環(huán)境。生產(chǎn)齒形扁鋼的工藝與傳統(tǒng)的熱軋、冷軋不同，必須用生產(chǎn)齒形扁鋼的扁鋼沖切機，該機器與專用磨具配合使用能夠生產(chǎn)出符合國家標準GB708—1988的齒形扁鋼，這種方法生產(chǎn)效率也很高［1］。

齒形扁鋼的形狀如圖1所示，因為沖切過程中相關(guān)部件承受的負載較大，受力情況也比較復雜，所以承載部件要有足夠的強度和剛度。因此，對沖切機進行精確、可靠的設計是十分必要的。在設計過程中，確定沖切力的大小是設計主軸等部件的關(guān)鍵一環(huán)，沖切機主驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動功率的計算結(jié)果是選擇電機的重要依據(jù)。選擇合適的電機可以降低成本。若所選電機的功率偏小，電機的壽命就會縮短；若所選電機的功率偏大，電機的輸出功率會因利用不充分而造成電能浪費和成本增高。另外，由于齒形扁鋼的沖切是非封閉的過程，所產(chǎn)生的側(cè)向力不可忽視，這就要求磨具具有一定的剛度，且在校核磨具剛度時必須先求出側(cè)向力的大小。

在扁鋼沖切過程中，沖切力、側(cè)向力和沖切功率的計算對于沖切機的關(guān)鍵部件的設計和電機的選擇有著重要的意義。

圖1 齒形扁鋼的形狀

1 沖切機沖切部件的結(jié)構(gòu)和工作原理

扁鋼沖切機沖切扁鋼的過程是通過凸輪擺桿機構(gòu)帶動擺桿滑塊機構(gòu)運動實現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。扁鋼沖切機主要由磨具、滑塊、連桿、擺桿、上滾輪、主軸、回凸輪、主凸輪和下滾輪組成。凸輪主軸通過液壓式離合制動器與飛輪主軸連接，需要剪切時，PLC發(fā)出信號，控制液壓式離合器的動作，使飛輪主軸帶動凸輪主軸轉(zhuǎn)動，以完成沖切過程［2］。

圖2 沖切裝置結(jié)構(gòu)

主凸輪與回凸輪組成共軛凸輪，共軛凸輪是由兩組實現(xiàn)從動件運動的凸輪機構(gòu)組合而成的［3］。主凸輪與回凸輪的配合控制擺桿的運動，完成往復的沖切動作。主凸輪轉(zhuǎn)動控制擺桿向下擺動，以完成沖切過程；回凸輪轉(zhuǎn)動控制擺桿向上擺動，以使上模座回位。沖切過程與回位過程之間在理論上是沒有間隙的，但為了避免發(fā)生干涉現(xiàn)象，需要留一定的間隙。

該扁鋼沖切機的特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定，響應速度快，可靠性和精度都很高。擺桿在主軸扭轉(zhuǎn)力矩較小的條件下可以得到較大的沖切力，這大大延長了工作輪和主軸的壽命。

2 受力分析

2.1 沖切力的計算

沖切力是扁鋼沖切機的重要參數(shù)，求出沖切力的大小才能確定驅(qū)動電機的功率。通常情況下，扁鋼的牌號為Q195、Q215和Q235，在本文中，我們以 Q235鋼為例計算沖切機的沖切力。

現(xiàn)在計算單個沖頭的沖切力，文獻［4］給出了沖切力大小的計算公式 P = KtLτ。其中：t為板材厚度，單位為mm；L為沖切邊周長，且 L = 7 .66mm；τ為材料的抗剪強度，且τ = 0 .8N/mm2；由于存在材料的機械性能變化、材料的厚度偏差和磨具刃口的磨損等影響因素，實際沖切力要增大30%，故取 K =1.3。

考慮到?jīng)_切時板料的徑向變形，單個沖頭的總沖切力P0會大于P，單個沖頭總沖切力的工程計算公式為 P0= P + K1P + K2P［4］，其中，K1為推件力系數(shù)，K2為卸料力系數(shù)。若磨具共有50個沖頭，則總沖切力為PZ=50P0。

2.2 側(cè)向力的計算

齒形扁鋼沖切是非封閉的沖切過程，沖切時會產(chǎn)生一定的側(cè)向力，而側(cè)向力會引起凸模變形，這會引起與凹模的間隙發(fā)生變化，以至于損壞磨具。在沖切過程中，側(cè)向力隨著沖切力的增大而變大，磨具的變形也會增大，這將導致產(chǎn)品出現(xiàn)杯狀齒形。磨具在長期使用后會因為持續(xù)的側(cè)向力產(chǎn)生位移，凸凹模之間的間隙也會變大，這將導致沖切產(chǎn)品的質(zhì)量下降、磨具的磨損加劇和壽命縮短。

磨具沖切扁鋼時，凸模刃口的受力分析如圖3所示。

圖3 凸模刃口受力分析

從圖3可以看出，上磨具受到6個力的作用，即材料的抗剪壓力P及其反作用力 P ′，扁鋼對磨具的支承力N及其反作用力 N ，′扁鋼對磨具的摩擦力 F 及反作用力 F ′。側(cè)向力的大小取決于扁鋼對上磨具的支承力N。摩擦力與支承力之間的關(guān)系由 F = Nμ確定，由此可得磨具刃口處于平直狀態(tài)時支承力的大小為其 中，P2為卸料力，μ 為磨具與扁鋼之間的摩擦系數(shù)，且 μ =0.15。

從圖1可以看出，磨具沖切扁鋼時，沖切動作發(fā)生在扁鋼邊緣。取中間任意一個齒形和兩齒之間未被沖切的部分作為一個單元，根據(jù)凸模刃口的受力情況，建立如圖4所示的被沖切的齒形扁鋼的力學模型。

圖4 被沖切齒形扁鋼的力學模型

若 fN為被沖切圓周上一個微小單元所受的側(cè)向力，則 fN的大小為其中 d s為凸模微小單元的弧長。根據(jù)凸模微小單元的受力情況，可得如圖5所示的力學模型。

圖5 微小單元的力學模型

從圖4可以得出，齒形扁鋼一個受力單元所受的支承力 N0的大小可通過 fN在x軸上的投影在曲線 L0上的積分

得到。其中曲線L0的表達式為：

由式（1）和式（2）可得

于是，齒形扁鋼的總側(cè)向力 NZ的大小可由n個受力單元所受支撐力之和 NZ=nN0得到。

由式（3）可知，影響側(cè)向力大小的因素包括被加工材料種類、厚度和被加工的齒形扁鋼齒形的大小。為了解決側(cè)向力帶來的不利影響，可通過使用斜刃沖切、提高凸模剛度和利用擋塊阻擋凸模傾斜［5-6］這三種方法解決。本沖切裝置所采用的方法為后兩種。

3 驅(qū)動功率的計算

3.1 沖切功

磨具沖切功的計算公式為其中：t為材料厚度； Pz為總沖切力；x為平均沖切力與最大沖切力的比值，由材料的種類及厚度決定，在此取 x =0.45。

3.2 驅(qū)動功率

4 算例

根據(jù)以上計算公式，我們選擇了某廠生產(chǎn)的CQ-600型號的齒形扁鋼沖切機進行了驗證。

此扁鋼沖切機原始參數(shù)如下：由文獻［4］可得K1= 0 .045，K2= 0 .035，扁鋼最大厚度 t =6 mm，齒形半徑 R = 4 mm ，材料強度極限 σb=417 MPa，用上述方法計算得到總沖切力 F =996.6 kN，驅(qū)動功率W=5.18 kW ， 總側(cè)向力 N =153 k N 。 該廠生產(chǎn)的CQ-600齒形扁鋼沖切機驅(qū)動功率為7.5 kW，比計算結(jié)果大一些，主要原因有以下兩個方面：一是實際工作時所需的功率要大于計算值；二是扁鋼厚度存在誤差，功率選擇要有較大的余量，超出30%～50%都是可行的。

5 結(jié)束語

在沖切機的設計過程中，關(guān)鍵部件的設計和校核都需要計算沖切力和側(cè)向力的大小。在本文中，我們找出了一種求解沖切力和側(cè)向力的方法，給出了根據(jù)沖切力計算沖切功和主驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動功率的方法，為設計、校核沖切機的關(guān)鍵部件和選擇電機提供了依據(jù)。合理選擇電機的功率能夠降低成本、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品的市場競爭力。

參考文獻：

［1］ 郭延龍.CQ-600齒形扁鋼沖切工藝研究［D］.秦皇島:燕山大學，2014.

［2］ 郭延龍，盧秀春.數(shù)控扁鋼沖切機總體設計［J］.鍛壓技術(shù)，2014，39（12）：79-82.

［3］ 楊中鋒.凸輪擺桿剪切系統(tǒng)研究與性能分析［D］.秦皇島:燕山大學，2013.

［4］ 肖景榮，姜奎華.沖壓工藝學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999：20-23.

［5］ 張文祥，吳火然.磨具沖裁中的側(cè)向力分析［J］.沖模技術(shù)，2005（4）：22-24.

［6］ 王海濤，馬賀吉.沖裁過程中側(cè)向力的影響及解決方法［J］.磨具制造，2001，5（5）：29-30.