（材料加工工程专业论文）管材剖切技术及模具的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文abs tr act abs tract t h i s p a p e r h a s s y s t e m a t i c a ll y a n d c o m p r e h e n s iv e s tu d i e d t h e t u b e e n d n o t c h i n g p r o c e s s . i t o p t im iz e s t h e d e s ig n p a r a m e t e r a n d r e s e a r c h e s t h e s h a p e o f c r o s s s e c t io n f o r t h e f i r s t t i m e i n c i v il , u p d a t e s t h e k e rn e l a n d u p g r a d e s th e e d i t io n b y o b j e c t a r x t h e r e a r e f o u r p a r ts i n t h e p a p e r . i t in c l u d e : p r e f a c e , p r o c e s s a n a ly s i s o f tu b e - s h e a ri n g , s t u d y o f t u b e s n o t h in g t e c h n o l o g y , s t u d y o f s o f tw a r e n d c a d s y s t e m . p r e f a c e b ri e 场 i n tr o d u c e t h e s i g n i fi c a n c e a n d p r o s p e c t o f t u b e e n d n o t c h in g p r o c e s s , b a c k g r o u n d o f r e s e a r c h a n d m a in t a s k o f t h i s p a p e r . i n t h e c h a p t e r o f t u b e s h e a ri n g , i n t r o d u c e t h e a ll k i n d s o f m e t h e d s a n d i ts p r o b l e m o f t u b e - s h e a r ig a n d c o n t r a s t t h e m , th e n f o c u s o n t h e m e th e d o f o n e - s h e a ri n g a n d tw o - s h e a ri n g , o p t i m i z e t h e c u t t in g t o o l . i n c h a p t e r o f t u b e e n d n o t h ig , r e s e a r c h d e t e r m i n a t io n o f t h e s h a p e o f n o t h i n g c u tt e r a n d o f c ri t ic a l a n g l e t o s u r e n o t h in g f r o m s i d e f a c e o # t u b e o r n o t i t i n t e g r a t e d e x p a t ia t i o n th e d e f o r m in g m e c h a n is m o f n o t h i n g , o p t im iz e t h e p a r a m e t e r o f c u t t in g t o o l s , t h e n s t u d y a n d o p t im i z e th e s h a p e o f c r o s s s e c t io n o f c u t t in g p l a t e . a t l a s r e c o m m e n d t h e p r o b l e m o f d e s ig n i n n o t h in g t o o l . i n c h a o t e r 4 , i n t r o d u c t t h e d e v e lo p m e n t o f t h e e x p l o r e o f a u t o c a d a n d o b j e t a r x , a n d s u b r o u t in e l jj o in t h e s o f t w a r e n d c a d v 2 .0 . k e y w o r d s : d e f o t m i n g c u t t i n g t o o l s m e c h a n i s m o f n o t h i n g o p t im iz e t h e p a r a m e t e r o f o p t im i z e t h e s h a p e o f c u t t in g p l a t e 1 1 重庆大学硕士学位论文1绪论 1绪论 1 . 1 剖切工艺的 概述:其意义和前景 随着科学技术的不断向前发展，在国防、轻工、机械、化工及日 常生 活用品等工业部门中，已 广泛采用管材来制造各种零件。由于其在相同 抗 弯或抗扭强度时， 管状断 面构件比 其它形 状断面( 如实心矩形或实心圆形) 的构件重盈更轻、 更省材料，因而常作为结构件在汽车、自 行车、家具以 及摩托车行业得到了 广泛应用。以 摩托车行业为 例， 摩托车的车架的强 度 是摩托车 承载能力的决定因素，管材由 于重量轻、 承载能力强而被大量用 于摩托车车架的生产，另 外， 还用于生产摩托车货架、 排气导管以 及遮雨 架等。1 9 9 9年全年国内生产的摩托车总量已 达 1 1 2 7万辆，居世界年产量 第一位， 2 0 0 0 年生产能力则可达两千万辆。 管材零件的主要制造工序有:管材切割、管材胀形、管端缩口、 扩口 及管端剖切等。 用管 材制 造零件时， 先要将管 材进 行切 割， 以 获得长短 不同的 管坯。 管材切割有多种方法， 通常采用机械切割和冲压切割两种方法。 机械切割 有车床切割、 砂轮 切割、圆 盘锯切割、 轧挤切割等多种方法。 用车 床切割的 管 件端面平整， 但是在切 割时 会 产生“ 连皮” 现象， 需 加一道去 “ 连皮”工序，致使其生产效率降低。砂轮切割所使用的砂轮 寿命低、噪 音大， 不仅对工人身体和环境有害， 而且在切割时因为摩擦发 热， 会在管子的切断面产生严重的 粘滞层，断口 质量极差， 也需后续工序 去除 “ 连皮” 。以上两种方法虽不需专用设备，但生产效率极低，仅用于 小批量生产。 圆 盘锯切割虽大大提高了生产效率， 但切口 质量不高， 废料增加，噪 音大， 对操作工 人的 身体 健康有极大 危害。 轧 切法 虽然有生 产效率高、 设 备简单、金属损耗少的优点，但管子的 端口 有严重的“ 连皮” ，管子内径 缩小，口 部粗糙， 往往不能满足使用要求。 以 上介绍的 几种管材的 机械切割方 法， 均不能 满足生产效率高、 操作 简单、 断面质量高或者不需要使用专用设备这些要求。 以前加 工管类零件， 大多采用铣削加工，但是这种方法不仅生产效率低，而且刀具也极容易损 坏。 冲压切割大大地提高了生产效率， 适合大批量生产， 而且端面切割质 量也蒯 好地满足使用要求。另外， 还有生产成本低、无需专用设备、 无 重庆大学硕士学位论文1绪论 污染等优点。 在飞 速发 展的 汽车、 摩托车、自 行车 及家具等行业中，为了 满足大批量生产及提高产品 质量的要求， 只有采用冲压切割这种方式。目 前， 冲压 切割已 经成为 管 材的 主 要生 产方 式。 表1 . 1 是管 材各 种切割加工 方式的比 较川: 表1 .1管材各种切割加工方式的比较 加工 方法 项目 加工范围生产效率加工质量设备其它 车削平口低很好ftm 通车床成本高 铣削 平口、弧口 等各种形状 很低很好普通铣床夹具成本高 圆盘锯平口高一般普通圆盘锯有污染 砂轮平口高一般普通砂轮污染大 冲切 平口、弧口 等各种形状 很高好普通冲床模具成本低 在自 行车、 摩托车、 化学工业、 家具等行业， 特别是自 行车和摩托车 车架的生产中大量存在如图1 . 1 所示的结构: 把圆 管2 焊接到圆管1 上面。 为了 使焊缝美观和提高焊接质量， 需要将围管2 的端头加工成为相贯线的 图1 几两 圆 管 相 贯 示 意图 f tg 1 . 1 5 k c t c h m a p o f t w o c ro s s - m b a 形状， 使圆 管2 和圆 管1 台 游很好地 吻 合。 传统 加工圆管2 端头的方法是: 管件内 端口 倒角， 切平斜口， 铣相贯线斜口。该种方法生产效率极低，并 且噪音大， 对环境有污染， 加工质量不稳定，加工成本高，需要工人有较 高的操作水平。 在社会大生产的 情况下 . ， 这种方法已 经越来越不适应实际 生产需要。为此， 有必要采用一种新工艺。 重庆大学硕士学位论文1绪论 我们如 果采 用剖切 工艺， 既可大 大 提高 生 产效率， 又可 减轻工人的 操 作难 度。 下面是 采用传统工艺 与剖 切工艺的比 较川 : 表 1 .2剖切_ 艺与传统工艺的对比 赢r i trt% 剖切 新1 _ 艺 传统 艺 切平斜口铣相贯线 上 装使用 和修复 性 凸凹模尖角无碎裂现 象，正常使用 凸凹模 寿命可达工 0 0 0 0 件以上 凸凹模尖角经常碎 裂，碎裂不人是， 凸凹模刃口 用平磨 修复方便 进给斌大时易 引起铣爆口， 无 法修复 加工效率1 0 - - 1 5 件/ 分1 0 - - 1 5 件/ 分 止常加 i : fl 寸 : 2 件/ 分 加 成本5 .5 7 元/ 千 件7 -1 .0 7 元 / 千件1 3 4 元 / 千件 质量 切口光滑、 焊接时吻合 性良 好，相交角正确， 相贯程度可靠，但凸凹 模寿相对较短 切平斜口时撕裂、缩颈缺陷较多，加 端口刀痕严重，加 _ 质徽不稳定， ( : 效低，卷口 严重，外观质最差 从上表对比可知: 剖切工艺比传统工艺工效提高5 - 7 倍， 成本降低2 .7 5 倍， 斜口撕裂、卷口 缺陷彻底消除，切口质量也得到提高。但是采用冲压 生产模具结构复杂，凸凹模的设计难度很大， 工艺参数不好确定。嘉陵、 嘉陵本田、济南轻骑都尝试过采用冲压生产，但是由于有些技术难题很难 克服，生产质量不够理想，下面是采用这一工艺带来的常见的缺陷: 1 、剖口处拉裂严重，毛刺大，使管件在焊接的时候不能很好地吻合，焊 缝间 隙 平均 值大于2 . 5 - 3 c n m ; 2 、被加工管件管顶凹陷量大，影响外观，甚至在有时管材零件只能报废， 加大了生产成本; 3 、模具结构比 较复杂，工作稳定性较差，加工质量不够稳定: 4 、凸凹模寿命较短，需经常更换凸凹模，降低了生产效率。 为了是这一工艺能更好地服务于生产实际，我们需要将这一工艺进行 具体、深入的理论分析，分析产生缺陷的主要原因，得到合理的凸凹模加 工参数，并用之来指导生产。 1 .2课题的研究背景 剖切工艺是随着自 行车、摩托车、家具等行业的兴起、发展而逐渐发 展起来的。 通过对国外文献的检索， 发现很少有关于管端弧口 冲切的资料， 重庆大学硕士学位论文 1绪论 只有少部分关于圆管平口 冲切的日 文资料。在 检索到的国内资 料中， 相关 的 手册 和有关管 材的 专著 较少， 即 使包含相关 部分的 介绍，大多 着重于介 绍管材的平口 冲切，而对弧口 冲切大都一笔带过，没有进行详尽、深入的 介绍，如文 献 3 , 4 。 但是国内 的各企业、高 等院校对管材剖切 这一领域 的研究仍做了大量的工作，归纳起来主要有以下几个方面: 1企业发表的文献大多是针对具体的圆管端部弧口 冲切件进行的工艺 分析，并针对具体的工件提出了 相应的凸、凹模的相关参数及工装设计， 如文献仁 2 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 7 。而其中大多数模具己 经投入使用，为圆管的 剖切奠定了实践基础。 2 . 南昌 航空 工业学院的 孙卫 和、 刘志和等洲 对圆 管弧口 冲切的 变形机 理进行了探讨，提出了该工艺中缺陷产生的原因及其预防的措施，并通过 实验得到了一种实用的具有固定参数的凸模。这为对圆管的剖切工艺进行 进一步的理论研究奠定了基础。 3 、 重庆大学的 黄明 ，门 对剖切 工艺 进行了 较为 系 统、 全面的 研究。 他 将 剖切工艺划分为剖口 和切口两种形式，并提出了 两种不同的凸模形式，特 别是对剖切工艺进行了 详细的分析，从空间关系着手优化了凸模的相关参 数，为圆管端面弧口冲切工艺的理论研究作出了很大贡献。最后，他在理 论研究的基础上还开发了剖切模具 c a d软件。另外， 重庆大学的温彤在 文 献 1 2 中 进 一 步 阐 述了 剖 切 时 圆 管 的 变 形 机 理 ， 并 以 垂 直 剖 切为 例 用另 一 种方法优化了凸模的相关参数。 通过分 析国内 外的 研究 现状可知。 对于剖 切管材凸 模参 数的 优化工作 做得相对较多，但优化后的凸模并不能完全解决管材的塌陷和扁化，这就 需要对另一重要部件凹模进行优化设计， 而在这方面几乎无人提及。 另外， 研究人员没有完整、系统的阐述管材在剖切过程中的变形机理。重庆大学 的黄明在他的硕士论文中讨论选择剖口、切口 工艺的临界角时确定的准则 有待进一步改 进。综上所述，对管材的剖切进行进一步的理论研究是完全 有必要的。 目 前，国内的机械设计加工方面的c a d 软件大致可以分为两类:通用 软件， 如i n t e c a d 和c a m等; 专用软件。 专用软件一般采用在某些大型通 用软件的平台上进行二次开发的方法，如基于a u t o c a d 的二次开发。原来 由 重庆大学机械学院锻压教研室开发的剖切模具 c a d软件是在 a u t o c a d r 1 2 的平台上使用a u t o l 工 s p 开发的，而o b j e c t a r x 是基于a u t o c a d r 1 4 及 以上版本的新的编程环境， 它提供了以 c + + 为基础的面向对象的开发环境 及应用程序接口， 能真正快速地访问a u t o c a d 图形数据库， 并以动态链接库 ( d l l ) 的形式被调用，因 此比a u t o l 工 s p 执行 速度快、安 全性好、可扩展 性好、运行更稳定。通过在 c a d应用系统开发中的应用表明， o b j e c t a r x 里庆大学硕十学位论文1绪 论 的 许多 特性能 够实 现很多 原来开 发环境难以实现的功能， 提高了开发效率。 原来的剖切模具c a d 软件现已 逐渐在兼容性、稳定性及功能 扩展方面 发现 有不足之处，因此实现内 核更新和版本升级是非常有必要的。 1 .3课题的主要工作及特点 通过分析国内外的研究现状， 对剖切凹模的优化问题研究较少， 因此， 本论文将着重于剖切凹模的研究。 论文的结构如下: 1 . 剪管工艺分析: ( 1 )冲切法的管材变形机理及刀片理论轮廓线的推导( 不考虑摩擦和 考虑摩擦) ; ( 2 )双重冲切法的原理及刀片的简化: ( 3 ) 芯捧剪切法的原理及重要参数简介; ( 4 )芯棒双重剪切法的原理; ( j )旋转辊剪切法原理。 2 . 管材剖切工艺的基本理论分析: ( 1 )凸模形式的确定; ( 2 )剖口、 切口 工艺的 临界角的确定; ( 3 )剖切工艺中凸模参数的优化; ( 4 ) 垂直切口 工艺中 管材的变形机理及其凹模的优化; ( s ) 斜切口工艺的变形机理; ( g ) 剖口 工艺的变形机理; ( 7 ) 剖切时的工艺设计。 3 ，软件n d c a d v 2 .0 系统的简介: ( 1 )概述; ( 2 ) 凸 模设计子系 统l il () 子 程 序介绍。 重庆大学硕士学位论文 z剪管工艺分析 2剪管工艺分析 在管材零件的制造中， 首先需对管材进行切断，以获得管材所需长度 的 管坯。 剪管有冲切法、 双重冲切法、 芯棒剪切法、 芯棒双重剪切法、 旋 转辊剪切法等。 2 . 1冲切法 冲切法是冲压剪切法的简称，即在压力机上利用模具对管材进行切 割。 这种方法生产效率高、 操作简单、不需要专用设备而且便于机械化大 生产。 管材冲切过程如图2 . 1 所示 19 。当 压力机滑块下行时， 切刀刃尖与管 图2 . 1 冲切 过程示意图 r g z 1 p r o c e s s o f fl a t e n d cu t 顶接 触，由 于 管内 无凹 模支 撑， 管 顶 材料向 圆心 方向 凹陷. 此时 施加的压 力尚小， 仅使管顶产生弹性变形。随 着切刀续续下行， 压力 逐渐增加，压 力达到一定 值时， 刃尖与管 顶接触处的 材料发生塑性变形，同时刃尖开始 压入材料， 随 着刃尖压入 程 度的 增 加，出 现了 应力 应变的高 度集中，导 致 材料瞬时脆裂， 刃尖随之进入管腔，同时管顶切口 附 近产生较大塌陷。 若 冲切力较大，管端还会扁化. 然后切刀 侧刃与凹模侧刃开 始剪切管壁。开 始时， 冲切力在圆管径向 仍有一分力，由 于管内 无支撑，圆管侧壁仍有少 量塌陷。 随 着切刀 进一步 下 行， 冲切力 指向 管外， 凹 模起到剪切作用， 切 屑外翻。 滑 块继 续下行， 切刀 头 部和 管底的内 表面 接触， 进而对管底材料 进行剪切， 形成第二个切口 。 最后， 上下切口 汇合， 直至完全切断管材为 止. 在管子下半部分的剪切中， 凹模起到刃口 作用，故圆管下半部分无塌 陷。 分析管材冲切过程可知: 管子塌陷的主要原因是由 于冲切开始时没有 凹 模的 支撑 造成的， 且越靠 近管 顶越易 变形。 要 提高 管子的 冲切 质量， 必 重庆大学硕士学位论文z剪管工艺分析 须使凹模始终起到剪切作用，即要使切屑外翻贯穿冲切的全过程，因此必 须合理设计切刀形状。 2 . 1 . 1 刀片理论轮廓线的 推导 1 . 1忽 略 摩擦时刀片 理 想 轮廓 线的 推 导 13 ( 14 15 16 1 在冲切过程的任意瞬间，刀片工作刃口施加于管子的力指向管壁内 则切屑向内 形成，管壁被压塌。 反之，若刀片施加于管子的力指向 管 2.枷比 图2 , 2刀片 施力 方向 示意图 f i g 2 2 o ri e n t a t i o n o f f o r c e a ct e d 勿cu t te r 设刀片 轮廓线的方程为y = f ( x ) 壁外侧，则切屑外翻。此处暂不 考虑摩擦力。在作用点 a上， 当刀片轮廓线的 法线与管材断面 的法线的夹角小于 9 0 0时，切 屑向内形成，如图 2 . 2( : ) 。夹 角大于 9 0 “时，切屑向外翻， 如图2 . 2 ( c ) 。 因 此， 力作用点 上刀片轮廓线的切线与管子法线 重合就是切屑内翻或外翻的临界 条件，如图 2 . 2( b ) 。根据以上 分析就可求出刀片的理想轮廓线 表达式。 ，( x , y ) 是 轮廓线上任意一点， 讨 论x 0 这部分刀片.由上面的分析知:理想刀片轮廓线的必要条 件是在 轮廓线该点处的切线1 平行于相应的管子法线r . 在切刀下行的 过程中， 切刀上的a点切割圆管上c d线段， 如图2 . 3 所示 ( 画出 切刀 轮廓线的一半，并将管 材的 壁厚夸 大画出) 。 所以圆 管在c点 的斜率为: y c x 一 了 r 2 - x 2,x 对应的满足必要条件的刀片的斜率应 为: i 寸 r 2c 一 x 2 图2 . 3圆 管横截面的 简化 f ig 2 3 s i m p ffi m t io n o f c r o s s s e c ti o n y c = 一 万= x 重庆大学硕士学位论文2剪管工艺分析 因 为x d = x c ，r d r c ， 所以 ， y d 0 这部分刀片，则 该点切线的斜率为: ( 2 . 6 ) 图2 . 7临 界曲 线的 求解 坐标系 f ig 2 7 c o o r d i n a t e o f c a s u a l 二 ( y . ) = t g ( a + a ) 利用三角变换公式可得: ( y . ) = t g ( a + a ) = tg a + tg a 1 一 tg a t g a ( 2 . 7 ) 又因 为t g a = ,u ， 得:( y . ) , t g a +,u 1 一u t r a ( 2 . 8 ) 声 理 9 重庆大学硕士学位论文2剪管工艺分析 将式 ( 2 . 1 ) 代入上式得: ( y 启二 ( 2 . 9 ) ,u , / r 一 x 2 x 积分上式得: r一x = r in 十 at 一 寸 矿+ 1 j r 一x 1 +u 2 r一x + r z 一 x 2 +c ( 2 . 1 0 ) r z _ x 2# + # 2 + 1 从式 ( 2 . 9 )可以看出:当x 麻 =- 书兰片 时， 1 十 户 2 ( y m ) = 。，即此时的切刀 轮廓线和 x 轴垂直。当x x 。 时 ， k r ，由 此 时 可 计 算出 轮 廓 线的 最 大临 界 倾 角几。 ， 如图 ( 2 . 1 1 )可得: 几. = 1 一k a r c tg2 k - k z + a r c t g 月 ( 2 . 1 2 ) 只 要 直 线的 倾角 等于几. 就能 满 足 切 屑 外 翻的 要 求。 因 此， 可以 依据这个 原理设计直线轮廓刀片，如图2 . 1 1 所示。 吐 l 图 2 . 1 0 最 大 临 界 角 几 。 的 求 法 f ig 2 1 0 s o l u t io n o f m a x u r t a l c i ti t a l 图2 . 1 1 直线 轮廓线刀片 f ig 2 1 1 c u t t e r w it h s t ra ot c o n t o u r li n e 以 上我们介绍了 切断刀片的两种简化方法。 用圆弧切刀轮廓线较为合 理， 它加工方便， 而且长度较之直线切刀小， 所以 对压机行程要求不大。 但圆弧切刀工作部分强度较低， 寿命略有下降。用 直线轮廓刀片时， 对斜 率的计算较为保守， 刀片的工作部分大大加长，对压机的行程要求较高， 但加工非常方便， 寿命也有所提高。 可以 利用以 上两种简化曲 线， 设 计出多 种形状的刀片。图 2 . 1 2 ( a ) 介绍了 以 两 段直线作为 工作曲 线的刀 具， 此方 法 将刀具 长度减小了: ，又 增大了刀具的刚度。两直线以圆弧: 过渡.图2 . 1 2 ( b )以 两段圆弧来代 重庆大学硕士学位论文2剪管工艺分析 替一段圆弧，降低了刀具的工作高度，进一步提高了使用寿命。 (a ) 工 作 部 分 为 两 段 直 线( b ) 工 作 部 分为 两 段圆 弧 图2 . 1 2复 合刀片 外形示意图 f i,被切下管材取出的角度来 因 定 刀刀 宝 汗 图2 . 1 3管 材芯 棒剪 切法 f i g 2 .1 3 t u b e t u t t e d 妙p - g p o in t b a t 说，该方法适用于剪切长度 较短的管材。 这种方法的技术要点是 芯棒和模具内径之间间隙值 的取法。因为剪切时管材切 口 的歪斜被限制在芯棒和模 具之间的间隙内， 如果间隙 值取得过大，则切口的歪斜 就加大;反之， 如果间隙值 重庆大学硕士学位论文 2剪管工艺分析 取得过小，则送料困 难。为 此可将活动刀刃一侧的间隙取得比固定刀刃一 侧的间隙略大一些，或将靠活动刀刃一侧的芯棒端部倒角以便于送料。但 是若因管材本身的 尺寸精度不高而需 放大间隙时， 切口 就会产生较大的歪 斜。 将 送料 侧的 芯 棒固 定， 管 材 送 进时 不方便， 为了 解决这个问 题， 可 采 用芯棒放在管中 处于浮动 状态进行剪切的 浮动芯棒剪切法。这种方法利用 了 剪切时芯 棒基本上不后退这样一个事实。图 2 . 1 4为浮动芯棒剪切模的 例子。 为了 防止在送料时因 跳动而引 起芯棒后退， 在浮动芯棒上安装有 0 f ig 2 . 1 4 m o l d o f f l o a ti n g p ie r ci n g p o i n t b a r 形环或者带有弹簧的钢球。 芯棒剪切法为无切屑剪 切， 它不仅适用于薄壁管， 而且对于厚壁管或断面形状 复杂的异形管材也适用。 但 是模具结构比 较复杂，而且 剪切厚壁管时切口面精度较 差， 管坯畸变大，断面倾角 大， 特别是切口 面的左右两 端部因剪切厚度增大而成为 有缺陷的断面。如果要求切 断 面 平整， 则可 根据 棒料精 密 剪切原 理， 采用约束剪切1 18 1 ( 如图2 . 巧( : ) 、 ( b ) ) 或高 速 剪切以 获得 平滑的 剪切面。 ( a ) 径向 加 压( b ) 轴向 约束 1 档板 2 ， 活 动上刀 片 3 - 扩张 动芯 棒 4 - 固定 上刀片 ， 扩张 定芯 捧 管 材7 - 活 动下 刀片 8 - 固 定下刀 片 ， 推板 图2 . 巧受 径向 或 轴向 力的 管材芯棒 剪切 法 ff i g- 2 - 巧s h e a rs h e a r 吨ru b e a c t e d 勿r a d i a l a n d a x ia l f o r c e 重庆大学硕士 学位论文 z剪管工艺分析 2 .4芯棒双重剪切法3 1 这种剪切法是为了 清除在芯棒的剪切法中切口 面左右两端部的 缺陷而 提出的。 所谓芯棒双重剪切法，就是在芯棒放置于管中的状态下，利用使 模具相对地上地下左右稍微错动一下的办法，一部分一部分地进行剪切， 以防止产生上述缺陷。这时，与芯棒剪切法一样，也存在制件不易顶出的 问 题。为 此， 可采用图 2 . 1 6所示的机构， 将活动芯棒巧妙地装在送料侧 的固定芯棒上，并设有在剪切终了后能及时返回固定位置的机构，然后利 用送进的料顶出制件。这种方法只适用于薄壁管的剪切，而且需要昂贵的 专用设 备来实 现工艺 上要 求的 剪切运动轨迹。 此外， 这种方法不一定要使用在上下左右作直线运动的 加压装置，也 可以使活动刀刃一侧一边作偏心装置，一边错动进行剪切。 图2 . 1 6芯 棒双重剪切 法 f i g 2 1 6 d 回s h e u勿p ie r c in g p o in t 阮 2 . 5旋 转辊剪切法3 1 这种方法与深拉深或挤压加工的圆筒修边法相似，如图 2 . 1 7所示。 旋 转辊的 运动 机构与 辊轧 机 相同。 剪切时 只有一 侧装入芯 棒， 因 而管材直 径会有变化或产生歪斜， 但由 于是全周慢慢地进行 剪切， 所以 有可能得到较 好的切断面。当然，该方 法只适用于剪切圆柱形管 材，而 且当 剪切的管壁太 厚时也有困难。 重庆大学硕士学位论文 2剪管工艺分析 图2 . 1 8利用旋转辊的 冲切 f i g 2 .1 8 c u t b y r e v o lv in g r o lk r 图2 . 1 8所示的 是利用旋转的 v 形辊轮压入管壁进行切断的方 法。用这种方法切断管材，虽然圆 度较好， 但切口 面易倾斜， 切薄壁 管时会产生毛刺，切厚壁管时在管 材外周会产生隆起。 对于厚壁管， 也有采用将管材 表面刻出v形槽后，在利用回转 弯曲引起的疲劳破坏将管子切断的 方法。 综上所述，现将管材各种切断方法作一比较，见下表。 表2 . 工 管材各种切断方法的比 较 剪切 方法 剪歹 切面精1变加工设备及材料消耗使用范围 圆度 粗糙 度 毛刺 加工 设备 材料消耗管材形状 尺寸 限制 冲切法稍差稍大稍小 普通 压力机 有切屑 圆管、异形管 ( 常需 预先 加 工出切口) 薄壁 双重 冲切法 较高较小微小 普通 压力机 有切屑 圆管、 异形管 薄壁 芯棒 剪切法 高. j .无 普通 压力机 无切屑 圆管、 异形管 薄、厚 壁:短 芯棒双 重剪切 法 高刁 、无 专用 设备 无切屑圆管 薄壁: 长 旋转辊 剪切法 高刁 、无 专用 设备 无切屑圆管 薄、厚 壁 重庆人学硕十学位论文 3管材剖切 艺基本理论分析 3管材剖切工艺基本理论分析 3 . 1剖切工艺概述 管材的剖切工艺包括管材剖口 和切口 两种工艺， 实际上管材剖口 和切 口都是用冲压得到圆管端部相贯线的方法，两种工艺无本质上的区别，只 是为了 便于研究刁 这样划分。 剖切示意图 如图3 . 1 所示，是以 具有特定型 面的切刀为凸模，凹模同时起到压紧作用，管端材料在凸、凹模作用下逐 渐分离，从而切出圆管端部的相贯线。 ( 切口 t 一 下凹模 3 一 管材 2 - 上凹模 千 凸模 ( b ) 剖口 图3 . 1剖切l : 艺示意图 f i g 3 . 1 s k e t c h m a p o f t u b e e n d n o t c h i n g p r o c e s s 从图3 . 1 可以看出，剖口 工艺中凸模是从管材端部切入，而切口工艺 中凸模从距离管端1 处切入。 剖口、 切口工艺的选择与两管的夹角a 有关， 当。角在9 0 0附近时，采用切口 工艺:当a角比 较大时，采用剖口工艺。 3 . 2凸模参数简介 由 于管材自 身的形状 ( 空心 截面 特点，剖切凸模的形状比较复杂。 为了减小瞬时作用于管材的剖切力，根据斜刃设计原则，在实际生产中， 重庆大学硕士学位论文3管材剖切工艺基本理论分析 通常采用以 下两种不同 形 状的凸 模:图 3 . 2 ( a ) 为单一柱面凸 模， 这种 凸 模有三个基本参数: 、刀、b 。图3 . 2 ( b ) 为双柱面凸模， 其形状比 单 柱 面 凸 模 复 杂， 这 种 凸 模 共 有刀 、 b , r d , 、 ; 姚和h 五 个 主 要 参 数u u 18 是 底 刃 与 凸 模 横 断 面 的 夹 角 ， 夕 是 在以 底 刃 为 法 线的 平 面内 测 得 两 侧 切 面 与 底 刃为 法 线 的 平 面 之间 的 夹 角。; 是 单 柱面 凸 模的 半 径。 r d 。 和r d 2 是 双 柱 面凸 模 两 柱 面 各自 的 半 径， h 是 半 径 为r d 2 的 柱面 的 高 度。 ( a ) 单一柱面( b ) 双柱面 图3 . 2凸 模形式 f i g 3 .2 s h 即e o f t h e p u n c h 由图 有:底刃、侧切面和前切面相交形成刀尖，刀尖的作用是刺破管壁。 侧切面和前切面相交形成 侧刃. 侧刃的作用是使管材沿侧刃逐步分离。从 尽量减小冲切力和尽可能 使上半凹模刃口 在冲切过程中起作用的角度考 虑，刀尖应锋利， e 应取大值，即刀尖应越高越好，但e 太大会使切刀太 长而强度降低，在冲切过程中产生失稳、崩刃现象.而且，冲切相同直径 的圆管所需行程也增加了，这 对设备提出了 较高要求。所以，在保证管端 冲切质量的前提下，使s 尽可能取小值。底刃的作用在于形成刀尖，以减 小 刺破管壁时凸 模作用于 管顶的力， 从而减小管顶的塌陷和管端的扁化. 为了 提高凸 模的刚度以 延长其使 用寿命， 底刃有 1 n u n的厚度。因此，由 于被切圆管的壁厚一般较厚，所以废料的上半部分一般只产生很大的凹 重庆大学硕士学位论文3管材剖切工艺基本理论分析 陷， 而 不 会 被 切 破。 a 角 的 作 用 也 在 于形 成 刀 尖， 并 使管 材 废料 部分逐步 与底刃接触，以 减小每一瞬时作用于管材上的力， 从而降低产生冲切缺陷 的 趋向 性 ,o 1 。前切面由 于结构上的原因必须存在， 但实际上对管壁冲切 没有作用。 但在冲切过程中， 前切面一直和管壁材料接触并向下滑动，因 此应尽量降 低此面的粗糙度以 减小对管壁向下的作用力，并降低凸模的磨 损和由 于 摩擦而产生的 发热 12 由以 上分析可知:凸 模形状的 选择和凸 模参数的确定对剖口 质量的影 响至关重要。 3 . 3 凸 模形式的 确定(; 将图 3 . 1 ( a ) 投影到与凸模轴线垂直的平面 ( 假设相贯圆管的半径 为r , ， 被 剖圆 管的 半 径 为r , ) ， 得 到图3 . 3 ( a ) 。 分 析 该图 可以 发 现 这 样 一 个 情 况 : 当 相 贯 圆 管 的 半 径r . 和 被 剖 圆 管 的 半 径r , 相 等 或 很 接 近时， 被剖圆 管管端切口 很尖锐。 这在实际生产中是不允许的， 因为 切口 经常被 拉裂，产生很大很尖的笼 喇， 造成管端切口 质量很差，在焊接的时候不能 很好地吻合。为 解决这一缺陷， 采用两部分圆 柱面作为凸 模的刃口，凸 模 形式如图 3 . 2 ( b ) 所示。 但由 于双圆柱面凸模的加工和修磨比单圆柱面 困 难，因此，必须确定一个准则作为凸模形式选择的标准. 图3 . 3凸 模回 柱面的 确定 f i a 3 .3 d e t e r m i n a t i o n t h e r a d i u s o f p u n c h 如 图3 . 3 ( a ) ， 当r ， 二 r ， 时 ， 被 剖圆 管 管 端 切口 最 尖 锐。 此 时， 将 管 端 尖 锐 部 分 全 部 切 去( 不 考 虑 管 子 的 形 状 误 差) 所 需 的 凸 模 直 径r .。 为 : r z o = v r , 一 ( r z 一 ; ) + r , = 4 2 r 一 ( r r 一 ， ) ( 3 . 1 ) 重庆大学硕士学位论文3管材剖切工艺基本理论分析 r z o = v r ,， 一 ( r z 一 ) ， + r ; = v 2 r z 一 ( r z 一 ， ) ，( 3 . 1 ) 如图3 . 3 ( b ) . 如果: or , k , r z o , k , = 1 . 1 - l . 2 ， 则 采 用图3 . 2 ( a ) 所 示的 凸 模， 即 用 单一圆 柱面作为凸 模的 工作面， 考虑到前切面的磨损和相贯圆 管组合时的 吻合 程度， 有 is 7 , r = r , + 0 .2 5 ( m m ) ( 3 . 2 ) 以 延长凸模的寿命和保证剖切圆管的尺寸精度; r , _ k ,凡。 ， 则 采 用图3 . 2 ( b ) 所 示 的 凸 模 ， 即 用 双 圆 柱 面 作 为 凸模的工作面，则有: r z , 一 了 r 2 一 ( r z 一 ， ) + r , ( 3 . 3 ) 。 = * 。 一 了 r z 一 ( r = 一 ， ) ，( 3 . 4 ) 因此，参数取值如下: =风+ 0 .2 5 = k r , , , k， 1 .0 5 一 1 . 1 0( 3 . 5 ) rdrd h = r ， 一 了 r 矛 一 ( r z 一 t ) z 采用双圆柱面作为 剖切凸 模的工作面时，管 端尖锐部分被大、小圆柱 面 之间的 刃口 切掉， 切口 平整， 防 止了 管端拉裂、 毛 刺大等 缺陷的 产生， 保证了 被切割圆管在焊接时的 吻合性。 当 剖 切 角 在9 0 到1 8 0 “ 之 间 ， 而 相 贯圆 管 的 半 径r ， 和 被 剖 圆 管的 半 径r : 又 相 等 或很 接 近时 ， 管 端的 尖锐部 分 更长。 此时， 可 将其空间 关 系 简 化 成 剖 切 角 等 于9 0 。 的 情 况， 用 式( 3 . 5 ) 来 求r d , 、 r d z 和h 即 可。 重庆大学硕士学位论文3管材剖切工艺基本理论分析 3 .4确定剖口、切口 工艺的选择标准 3 . 4 . 1相贯线方程 设圆柱面z 1 的轴线为l l ，圆柱面z 2 的轴线为l 2 , l l 与l 2 相交于0 点，以0点为原点建立三维直角坐标系，l 1 , l 2均位于 y o z 平面内。坐 标系如图3 . 4 所示: 圆柱面z 2 的方程为: x 2 + z ， 二 r z ( 3 . 6 ) 其中，r 2 为 圆 柱 面z 2 的 半 径。 圆柱面 z 1的方程不能直接 得到，可通过如下步骤得出: 圆柱面z 1 与x o y 面的交线为: y-风 图3 . 4求解 坐标系 f ig 3 .4 c o o r d in a t e s y s t e m s1 n a 即:x z + y z s in 2 a = r( a ) 其中 ， r ， 为 圆 柱面z 1 的 半 径， 。 为l l 轴与l 2 轴的 交 线 的 夹 角， 设 其 取