線材成形刀具尺寸統(tǒng)型研究

張樹麗 馮峰

摘 要：針對線材成形刀具尺寸缺乏標(biāo)準(zhǔn)化且鮮有學(xué)者對其進(jìn)行研究的現(xiàn)狀，本文開展線材成形刀具尺寸統(tǒng)型研究。分析線材成形刀具現(xiàn)有的尺寸體系，基于事物特性表對線材成形刀具結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行存儲與標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。研究線材成形刀具尺寸統(tǒng)型依據(jù)，基于線材尺寸偏差以及刀具磨損數(shù)據(jù)，構(gòu)建線材成形刀具型腔寬度、型腔角度與型腔長度的尺寸體系。該研究對于提高線材成形刀具制造加工精度、完善線材成形刀具設(shè)計理論體系有重要意義。

關(guān)鍵詞：線材成形刀具，型腔尺寸，尺寸統(tǒng)型

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.12.011

0 引 言

隨著線材成形行業(yè)的快速發(fā)展，線材成形刀具種類繁多、結(jié)構(gòu)也愈復(fù)雜。尺寸是線材成形刀具結(jié)構(gòu)附帶的重要屬性，處于上游的設(shè)計環(huán)節(jié)。作為專業(yè)化生產(chǎn)的前提，線材成形刀具尺寸將指導(dǎo)下游的制造與安裝。目前，線材成形刀具還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的元件，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。各生產(chǎn)制造商多是執(zhí)行自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或是遵守客戶制定的個人標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸差異性較大，亟需加強線材成形刀具尺寸統(tǒng)型研究。統(tǒng)型是產(chǎn)品設(shè)計、制造的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量生產(chǎn)的必備條件，因此，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究是發(fā)展所需[1-4]。本文開展線材成形刀具尺寸統(tǒng)型研究，旨在對現(xiàn)有的尺寸開展規(guī)范化工作，減少設(shè)計復(fù)雜度，使設(shè)計選型具有通用性和互換性，以制定科學(xué)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)并將其貫徹到全生產(chǎn)過程中。同時，尺寸統(tǒng)型可促進(jìn)市場擁有更大的供應(yīng)彈性，避免線材產(chǎn)品生產(chǎn)商因成形刀具尺寸差異而對其進(jìn)行的修改調(diào)整，可更加靈活地對成形刀具進(jìn)行調(diào)配使用。該研究是實現(xiàn)線材成形刀具現(xiàn)代化、專業(yè)化生產(chǎn)的前提，也是實現(xiàn)線材成形刀具科學(xué)管理的基礎(chǔ)。

1 線材成形刀具尺寸體系現(xiàn)狀

目前，市場上的線材成形刀具尺寸規(guī)格比較雜亂，分析原因為線材成形刀具制造商多為中小型企業(yè)，研發(fā)能力較弱，理論基礎(chǔ)薄弱，且缺乏技術(shù)交流，甚至為保留住各自的“小市場”而故意不統(tǒng)一[5]。另外，隨著德國、日本等先進(jìn)成形技術(shù)的引進(jìn)，線材成形機(jī)更新?lián)Q代比較快，促使線材成形刀具也在不斷改進(jìn)。

線材成形刀具尺寸主要分為裝配尺寸與關(guān)鍵工作尺寸，裝配尺寸通常是指刀具整體的長度、寬度與高度，與安裝空間有關(guān)。關(guān)鍵工作尺寸是指與線材接觸并決定線材產(chǎn)品幾何形狀的工作型面的尺寸，如曲線規(guī)的型腔尺寸?；谑挛锾匦员韺€材成形刀具結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行存儲及標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)[6]，根據(jù)實測數(shù)據(jù)賦予結(jié)構(gòu)要素數(shù)值，可形成每個結(jié)構(gòu)要素的尺寸體系，同時為構(gòu)成線材成形刀具零件族提供數(shù)據(jù)支持。

現(xiàn)以曲線規(guī)、頂簧桿及切刀為例，基于事物特性表對其尺寸體系進(jìn)行表達(dá)，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。統(tǒng)計生產(chǎn)車間常用的曲線規(guī)，將不同型號的曲線規(guī)記錄于事物特性表中，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)不同將其編號為0001、0002、0003等，并將具體參數(shù)數(shù)值記錄于表1中。同時，以相同方式完成頂簧桿及切刀事物特性表的創(chuàng)建，具體如表2、表3所示。通過事物特性表的記錄和存儲，可對線材成形刀具各結(jié)構(gòu)要素的取值范圍進(jìn)行合理劃分，形成一系列設(shè)計推薦值。

2 線材成形刀具尺寸統(tǒng)型依據(jù)

線材成形刀具是沒有標(biāo)準(zhǔn)化的元件，初期基礎(chǔ)的尺寸體系沒有建立牢固，導(dǎo)致后續(xù)的線材成形刀具尺寸規(guī)格也較難梳理。精確的線材成形刀具尺寸是保證線材產(chǎn)品高質(zhì)量成形的關(guān)鍵，因此如何合理設(shè)計其尺寸是困擾設(shè)計人員的難題。GB/T 2822-2005規(guī)定了0.01～20000 mm范圍內(nèi)機(jī)械制造業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸（直徑、長度、高度）系列，適用于有互換性或系列化要求的主要尺寸[7]。線材成形刀具結(jié)構(gòu)多樣，直接與線材接觸，使線材發(fā)生塑性彎曲變形的結(jié)構(gòu)部位為型腔。通過對線材成形刀具尺寸體系的調(diào)研，得到型腔尺寸是線材成形刀具的關(guān)鍵工作尺寸?；贕B/T 2822-2005，同時借鑒ISO/TC29/SC 8開展的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，以型腔結(jié)構(gòu)為例對尺寸標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)進(jìn)行探討。

2.1 線材直徑

型腔尺寸屬于包容尺寸。線材直徑是進(jìn)行型腔尺寸設(shè)計的基本依據(jù)。加工過程中，需保證型腔寬度不小于線材直徑，否則線材無法進(jìn)入型腔影響產(chǎn)品正常加工。型腔與線材之間的配合應(yīng)以線材為基準(zhǔn)形成間隙配合。線材材料不同，其直徑取值范圍也不同。常用的線材直徑取值范圍為0.08～12 mm，具體規(guī)格尺寸如表4所示。另外，不同材料的線材直徑允許偏差也有所差別，以琴鋼絲為例（Y B/ T5311-2010[8]），其直徑允許偏差如表5所示。

統(tǒng)計某彈簧廠進(jìn)購的不同廠家、不同直徑的琴鋼絲材料，分別抽檢4 0個樣本進(jìn)行實際直徑測量，以檢測其尺寸是否在允許偏差范圍內(nèi)。韓國KISWIRE公司生產(chǎn)的直徑為0.8 mm、1.7 mm的線材實測尺寸以及日本NIPPON STEEL公司生產(chǎn)的直徑為0.8 mm的線材實測尺寸如表6、表7、表8所示。對抽檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到直徑實際數(shù)據(jù)皆分布在公差帶內(nèi)，且集中于基本尺寸線與最小極限尺寸線之間，無超差數(shù)據(jù)出現(xiàn)，如圖2所示。因此，基于線材直徑設(shè)計型腔尺寸通?？蓾M足產(chǎn)品加工要求。

2.2 型腔磨損量

線材成形刀具型腔與線材直接接觸發(fā)生摩擦磨損，其型腔寬度會逐漸增大，導(dǎo)致成形的線材產(chǎn)品尺寸發(fā)生偏差[9]。另外，磨損嚴(yán)重的型腔還會劃傷線材產(chǎn)品表面，降低產(chǎn)品成形合格率。在保證線材產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，基于線材直徑與磨損量對線材成形刀具型腔尺寸進(jìn)行統(tǒng)型，以得到合理的型腔尺寸系列。

在實際生產(chǎn)中，型腔長度對磨損量無影響。磨損量隨型腔角度、型腔寬度的減小而增大。型腔角度的選定與所成形的線材產(chǎn)品直徑有關(guān)，除非根據(jù)線材產(chǎn)品預(yù)先定制成形刀具，否則由型腔角度變化引起的磨損量無法直接映射到上游的型腔尺寸設(shè)計環(huán)節(jié)中。型腔寬度由線材直徑?jīng)Q定，型腔寬度小，接觸位置處的線材受到的約束應(yīng)力大，則產(chǎn)生的磨損量大。增大型腔寬度，磨損減弱，但由于線材受到的型腔約束力變小，成形的線材產(chǎn)品形狀易發(fā)生歪斜。

3 線材成形刀具尺寸統(tǒng)型探討

3.1 型腔寬度統(tǒng)型

型腔與線材間的配合為間隙配合，因此型腔寬度的公差帶要在線材直徑公差帶的上方。最小間隙為型腔寬度的最小極限尺寸減去線材直徑的最大極限尺寸之差值，最大間隙為型腔寬度的最大極限尺寸減去線材直徑的最小極限尺寸之差值。型腔與線材間無需潤滑，僅存在一定的相對運動，無自由轉(zhuǎn)動，其間隙值應(yīng)按照線材直徑允許偏差合理設(shè)定。

以直徑為0.8 mm的琴鋼絲線材為例，其允許偏差為0.014 mm，則最大極限尺寸為0.814 mm，最小極限尺寸為0.786 mm。間隙配合的最小間隙為零，因此，型腔寬度的最小極限尺寸為0.814 mm。另外，根據(jù)加工生產(chǎn)經(jīng)驗，為減小型腔磨損，型腔的最大極限尺寸通常要比線材直徑的最大極限尺寸大0.0 5 m m，即型腔寬度的最大極限尺寸為0.864 mm、最大間隙為0.078 mm，具體見表9。由此，根據(jù)線材不同材料、不同直徑[10 -12]，并結(jié)合型腔與線材間的配合關(guān)系，可得到相對應(yīng)的型腔尺寸系列，如表10所示。

3.2 型腔角度統(tǒng)型

在線材成形刀具進(jìn)給量不變的情況下，型腔角度越大，成形的線材產(chǎn)品直徑越大。經(jīng)調(diào)研統(tǒng)計，常用的刀具型腔角度包括5°、10°、15°、20°、25°等多個常用規(guī)格。型腔角度與線材成形刀具進(jìn)給量互相配合，可用于加工不同直徑尺寸的線材產(chǎn)品，如表11所示。線材產(chǎn)品生產(chǎn)要求尺寸一般通過調(diào)整型腔角度或進(jìn)給量獲得，其中，調(diào)整進(jìn)給量是最簡單易行、常用的方法。然而當(dāng)線材產(chǎn)品的材料、形狀等要求特殊時，需與廠家進(jìn)行特殊定制型腔角度。比如，某彈簧廠定制的線材成形刀具型腔角度為21°。

根據(jù)實際情況，型腔角度無法統(tǒng)一到某一個尺寸，但可以確定幾組優(yōu)選尺寸，進(jìn)而形成尺寸系列化，即把多個規(guī)格的尺寸合理化壓縮為少量有規(guī)律性的尺寸系列。通過對現(xiàn)行的ISO標(biāo)準(zhǔn)及GB標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，得到尺寸體系一般采用優(yōu)先數(shù)系進(jìn)行規(guī)制，如R5系數(shù)、R10系數(shù)及R20系數(shù)等。但線材成形刀具尺寸從設(shè)計初期就缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)有的尺寸數(shù)據(jù)并不滿足國際上統(tǒng)一的數(shù)值分級制度。在沒有可遵守的選用數(shù)據(jù)準(zhǔn)則的前提下，現(xiàn)在常以5°為間隔的型腔角度設(shè)計方法，形成型腔角度5°、10°、15°、20°、25°尺寸系列。同時，統(tǒng)計廠家所需的特殊型腔角度，將其作為派生尺寸補充型腔角度尺寸體系，具體如表12所示，其中，黑色字體為優(yōu)先選用的第一系列。

3.3 型腔長度統(tǒng)型

線材成形刀具型腔長度有23 mm、24 mm、25mm及26 mm 等多個規(guī)格。該尺寸與型腔磨損量無關(guān)，且對線材產(chǎn)品成形尺寸、線材成形刀具安裝沒有影響，所以可將其統(tǒng)型為一種尺寸規(guī)格（如2 5mm）。該統(tǒng)型方法是基于通用化統(tǒng)型原理把多個規(guī)格的尺寸合理化壓縮為一個尺寸，實現(xiàn)將一個尺寸通用到多個產(chǎn)品中。型腔長度通用化統(tǒng)型是通過統(tǒng)一規(guī)格治理尺寸體系的雜亂無章，可最大限度地擴(kuò)大同一尺寸的使用范圍，減少在設(shè)計和制造過程中的重復(fù)勞動。

4 結(jié) 論

統(tǒng)型是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展的有利因素，是實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要方式。本文通過分析線材成形刀具尺寸體系現(xiàn)狀，基于統(tǒng)型原理，得出以下結(jié)論：

（1）以線材成形刀具型腔結(jié)構(gòu)為例，對其尺寸統(tǒng)型依據(jù)進(jìn)行分析，得到基于線材尺寸偏差與刀具磨損數(shù)據(jù)對型腔尺寸進(jìn)行統(tǒng)型，可得到合理的型腔尺寸系列。

（2）以直徑為0.8 mm的琴鋼絲線材為例，結(jié)合型腔與線材間的配合關(guān)系，得到了其型腔寬度尺寸系列，同時構(gòu)建了不同材料、不同直徑的線材所對應(yīng)的型腔寬度尺寸體系。

（3）通過對型腔角度現(xiàn)有的規(guī)格尺寸進(jìn)行分析，以為間隔的型腔角度設(shè)計方法，將其優(yōu)選尺寸形成尺寸系列化，形成型腔角度5°、10°、15°、20°、25°的尺寸系列。

（4）通過對型腔長度現(xiàn)有的規(guī)格尺寸進(jìn)行分析，基于通用化統(tǒng)型原理將其統(tǒng)型為一種尺寸規(guī)格（如25 mm），實現(xiàn)型腔長度“多成一”的歸并與簡化。

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作者簡介

張樹麗，博士，工程師，研究方向為工業(yè)零部件標(biāo)準(zhǔn)化。

馮峰，通信作者，本科，高級工程師，研究方向為工業(yè)零部件標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）