（机械设计及理论专业论文）液气式高速棒料剪切机的动力学分析与结构优化.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 在甘肃省科技攻关计划资助下，开展高速剪切设备的虚拟开发研究。以高速 剪切设备创新设计为研究对象，进行新型高速剪切设备的虚拟开发。 根据剪切技术的概念和技术特点，简要回顾了剪切技术相关定义及运用较为 普遍的剪切方式一一径向夹紧剪切、轴向加压剪切、青脆温度热剪切和高速剪切 等，认为高速剪切方法应用范围广，发展前景广阔。由于高速剪切要求剪切速度 在5 m s 以上，而且在关键的剪切过程中需要保持稳定高速，以期达到理想的棒 料断面剪切质量，其动力系统的设计是重点和难点。通过简要分析现有的剪切设 备和压力机械的发展现状，阐述了这种全新的高速棒料剪切机的设计方案一一液 气式高速棒料剪切机提出的背景。 基于现有的设计方案一一液气式高速棒料剪切机，分析其构件设计特点。针 对棒料高速剪切的特点和要求，该机采用进油打击，气压回程实现高速剪切的工 作循环。提出必须确保加速蓄能器和加压蓄能器分别在活塞加速和加压过程中为 活塞上腔提供足够的压力，才能使活塞顺利实现快速启动、高速剪切的基本要求。 根据液气式高速棒料剪切机的工作性质，对动力系统加速阶段和加压阶段的 数学模型进行优化，得到了系统不同阶段的运动方程。运用m a t l a b 工具，对 加速和加压阶段进行了动力系统分析，得到了原方案的机构设计和相关部件设计 存在缺陷的结论，在此基础上对液气式高速棒料剪切机相关部件进行了优化设 计，完成了基于3 d 特征造型的主要部件的结构设计，确定了剪切过程提供动力 的加速蓄能器和加压蓄能器的选择参数。 对优化设计的液气式高速棒料剪切机，分析其运动状态，得到了各个阶段的 力函数。编写力函数程序，利用a d a m s 对液气式高速棒料剪切机进行动力学 分析，得到了加速、加压、缓冲和复位阶段的分析结果，疗析结果表明：加速蓄 能器能够确保加速阶段活塞的启动，为剪切提供速度保证；加压阶段，高压泵可 以提供足够压力的液压油，实现棒料的顺利剪切；由高压下腔和补油油腔组成的 缓冲系统较好地实现了活塞缓冲；活塞低压下腔可以很好地实现活塞的复位。 研究结果表明，结构优化后的液气式高速棒料剪切机原理正确，动力系统和 结构设计均能满足高速剪切的基本要求，具有加工范围大、剪切效率高、操作方 便等特点。液气式高速棒料剪切机具有推广应用的价值。 关键词：液气式；高速棒料剪切机；动力系统；优化设计；动力学分析 兰型塞三查耋堡圭兰堡篓圣 a b s t r a c t w i t ht h es u p p o r to fk e yt e c h n o l o g yr & dp r o g r a mi ng a n s up r o v i n c e ，t a k et h e i n n o v a t j v ed e s i g no ft h ep r e c i s i o ns h e a r i n gm a c h i n ea st h ea i mo fd e v e l o p m e n t ，t h e t h e o i yo fv i r t u a ld e v e l o p m e n to fn e w t y p eo fp r e c i s i o ns h e a r sm a c h i n ei sd e v e l o p e d t a k i n gt h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co fs h e a r i n gt e c h n o l o g y i n t oa c c o u n t ， r e t r o s p e c tp o p u l a ra c c u r a t es h e a r i n gw a y ，f b ri n s t a n c e ，t h er a d i a lc l a m p ss h e a r ，a x i a l p r e s s u r i z e ss h e a r ，h o ts h e a ra n dh i g h - s p e e ds h e a r ，e t c ， d r a wac o n c l u s i o nt h a t h i g h s p e e ds h e a rh a sab r i g h tf - u t u r e f o rw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n t a k i n gt h e d y n a m i c a ls y s t e mo fh i g h s p e e ds h e a rf o rb a ra st h er e s e a r c ho b j e c t t om e e tt h e d e m a n do fh i g h s p e e ds h e a rf b rb a rs t e e ib e c a u s eo ft h eh i g hs p e e do fs h e a r i n gb l a d e i sa b o v e5 m sd u r i n gs h e a r i n gp r o c e s se n s u r e st h eq u a i i t yo ft h ec r o s s s e c t i o nb y a n a l y z i n gt h ep r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v eo fs h e a r i n g 唷n dp 诗s s u r ee q u i p m e n t s ， r e p r e s e n tt h eb a c k g r o u n d o ft h ep r o j e c to fn e wh i g h s p e e d s h e a r i n gf b r b a r h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ct y p eo fh i g h s p e e ds h e a rf b rb a r b a s e do nt h ep r o j e c to fh i g h - s p e e ds h e a r i n gf b rb a r h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i c t v p eo fh i g h s p e e ds h e a rf b rb a r a n a l y s i si t sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ef o rt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e q u i r e m e n to fh i g h s p e e ds h e a “n g ，t h ee q u i p m e n ta d o p t st h e w a yo fh y d r a u l i cp r e s s u r ef b rs h e a r i n ga n dp n e u m a t i cp r e s s u r ef b rr e t u r nt or e a l i z e t h eo p e r a “n gc y c j e ( ) n l yt h ea c c u m u l a t o r sf b fa c c e l e r a t i n ga n dp r e s s u r j z j n gc o u r s e p r o v i d ee n o u g hp r e s s u r ef b r c ec a nt h ep i s t o nm e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h s p e e d s t a r t u pa n ds h e a r i n g s u m m a r i z i n gt h ek e yf c a t u r e so fh y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ct y p eo fh i g h s p e e d s h e a rf b rb ar f i n i s h e dt h eo p t i m i z a t i o no ft h em a t h e m a t i cm o d e lo fd y n a m i cs y s t e m o fa c c e l e r a t i n ga n dp r e s s u r i z i n gc o u r s e ，o b t a i nt h ee q u a t i o n so f m o t i o n a n a l y z i n g t h ea c c e l e r a t i n ga n dp r e s s ur i z i n gc o u r s eb ym e a n so f s o f t w a r eo f m a t l a b ，d r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tt h e r ea r ef l a w si nt h ed e s i g n i n go ft h es t r u c t u r e ，o p t i m i z et h er e l a t e d c o m p o n e n t s ，a n dd e t e r m i n et h ep a ! a m e t e r so fa c c e l e r a t o r sw h i c hp r o v i d ep o w e rf o r a c c e l e r a t i n ga n dp r e s s u r i z i n gc o u r s e a n a l y z et h es t a t e so fm o t i o no fh y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ct y p eo fh i g h s p e e d s h e a rf o rb a r ，g e tt h e 如n c t i o no ff o r c ef o r t h et w oc o u r s e sc o m p o s et h ec o d e so f t h e f h n c t i o n ，t h ea n a l y s i so ft h ee q u i p m e n ti nt h ep e r s p e c t i v eo fk i n e t i c sb yu t i 】j z i n g a d a m si ss t u d i e da st h eh i g h l i g h to ft h i sp a p e rt h er e s u l t ss h o w ：t h ea c c u m u l a t o r f b ra c c e l e r a t i n gc o u r s ec a np r o v i d ee n o u g hp o w e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs p e e d ； h i g h p r e s sp u m pc a np r o v i d es u f n c i e n th y d r a u l i c1 q u i dt om a k eb a rs h e a r e d ；t h e c a v i t yf h l lo fh i g h p r e s so i la n dt h ec a v i t yf o rc o m p e n s a t i o nc a nm a k et h ep i s t o n b u f f 色rw e l l ：t h el o wp r e s s u r ec a v i t yr e a l i z et h er e s e to ft h ep i s t o n t h er e s u l t so fs t u d yi n d i c a t e ：t h ep r i n c i p l e so ft h eh y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ct y p e o fh i g h - s p e e ds h e a ro p t i m i z e da r er a t i o n a l ，t h ed y n a m i c a ls y s t e ma n ds t r u c t u r ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h s p e e ds h e a r i n g t h ea d v a n t a g e ss u c ha sw i d er a n g eo f p r o d u c t s ，h i g he f f i c i e n c ya n dc o n v e n i e n c et oo p e r a t ee n s u r et h ee q u i p m e n th a sg r e a t v a l u eo fg e n e r a ia p p i i c a t i o n k e y w o r d ：h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i ct y p e ；h i g h s p e e ds h e a rf b rb a r ；d y n a m i c s y s t e m ；o p t i m i z i n gd e s i g n ；k i n e t i ca n a l y s i s ； 兰型矍三查兰至圭兰堡坠兰 插图索引 图1 1 径向夹紧剪切示意图 4 图1 2 轴向加压剪切示意图 4 图1 3 飞轮式高速棒料剪切机工作原理图 6 图1 4 凸轮式高速棒料剪切机的工作原理图 6 图1 5 气液式高速棒料剪切机工作原理示意图 8 图1 6 产品成本的决定因素 1 0 图1 7 虚拟产品开发体系 1 2 图21 曲柄滑块机构示意图 1 7 图22 曲柄滑块机构的滑块位移、速度和加速度的曲线图 1 8 图23 消振液压模锻锤的原理示意图 2 1 图24 液气式高速棒料剪切机的原理示意图2 2 图31 加速阶段初始仿真结果 2 5 图32 加压阶段初始仿真结果 2 6 图33 加压阀的原理示意图 2 7 图34 油腔直径d = 2 0 0 m m 时，活塞在第一阶段运动特性 2 8 图35 油腔直径d = 2 4 0 m m 时，活塞在第一阶段运动特性 2 8 图3 6 第一阶段优化结果 2 9 图41 加速阶段活塞运行位移和速度图 3 9 图42 加压阶段活塞运行位移和速度图 4 6 图4 3 加速阶段活塞受力图 4 8 图4 4 加速阶段活塞速度图 4 8 图45 加压阶段活塞受力图 4 9 图46 加压阶段活塞速度图 4 9 图47 缓冲阶段活塞受力图5 0 图48 缓冲阶段活塞速度图5 0 图49 套筒复位阶段活塞受力图5 1 图4 1 0 套筒复位阶段活塞速度图一5 0 图4 1 1 活塞复位阶段活塞受力图5l 图4 1 2 活塞复位阶段活塞速度图5 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 4 寸碑 日期：如彩年月扫日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 4 寸材 参而毪 日期：刹年月扫日 日期：卯，年月口日 兰些堡三查兰堡圭兰竺篓三 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、目的及意义 在本人开始此课题之前，本课题组的其他研究人员已在高速棒料剪切设备的 研究及其虚拟产品开发方面作了大量工作：剪切机的实体建模、剪切过程的数学 模型的建立及初步仿真。 本课题研究目的在于：对高速棒料剪切机的动力部分进行仿真和优化一一通 过对现有仿真结果的分析，了解现有模型和结构存在的不足，从而对高速棒料剪 切机各个阶段的运动模型以及相关剪切部件的结构进行优化，在仿真的基础上， 分析剪切机的动力性能，确保剪切过程的顺利实现，完善高速棒料剪切机的设计 方案。 本课题的意义在于：与其它研究人员已从事的该精密剪切设备之剪切部分的 虚拟开发一起，构成此设备虚拟开发研究的完整技术：并通过本课题的成功完成， 论证本高速棒料剪切机方案的可行性和合理性。 1 2 剪切技术概述 众所周知，下料是机械加工的第一道工序，长的棒料、管材或型材在制成零 件时，都需要首先将它们分离成单个的坯料。传统的下料大多采用锯切、车床切 断和普通剪切等方法，这些有屑切断法的共同缺点是生产率低、材料消耗大、成 本费用高。普通剪切虽属能实现无屑断料，效率也高，但断面质量差，下料合格 率低，在很多情况下无法满足精密塑性加工工艺，如：冷挤压、精密模锻、电热 镦粗、温热挤压等对坯料的精度要求。 普通剪切方法生产毛坯，其主要问题是： ( 1 ) 在剪切过程中总是伴随有宏观塑性变形，造成剪切件的几何畸变，即 出现塌角( 塌头) 。 ( 2 ) 由于裂纹的扩展方向难以控制，导致断面倾斜。 这些问题在圆棒剪切中尤其突出，产生诸如：倾斜度、压塌、椭圆度和不平 度这样的缺陷。当然，还有重量误差。 因而，高质量、低消耗、高效率和低能耗的精密下料方法成为人们追求的目 标。因为塑性加工所需的坯料，其直径通常较大而长径比又比较小，因而切面占 全面积的比例大，而承受剪切载荷的面积却较小。从材质来看又多为中、低碳钢， 塑性较好，再考虑到圆棒料横截面各处的剪切高度不一，所有这些必然造成剪切 区的应力分布极不均匀、应力水平高、裂纹扩展路径长、扩展方向严重偏斜和扩 兰州理工大学硕士学位论文 展稳定性差，这些都带来剪切质量方面的问题，也为大幅度提高剪切质量带来很 大的困难。 近几十年来，出现了各种新的加工方法，如电火花加工、等离子弧加工、激 光加工和超高压水射流加工等，这些新的加工方法在许多场合取得很好的应用 。 电火花线切割、等离子弧切割、激光切割和超高压水射流切割0 2 】也已用在 下料行业，但若想实现棒料的高效精密下料，新的断料方法也面临各种各样的问 题。 其中电火花线切割加工精度非常高但加工速度很慢，最大切割速度只达到 3 2 5 m m 2 m i n 【o3 1 ，即切割厚度为5 0 m m 时，切割线速度只有6 5 m m m i n ，主要用 于模具精密加工。 氧气切割、激光切割和等离子切割都属于热切割法。其中氧气切割的切割厚 度最大，可切割4 m 的碳素钢，但切割尺寸精度差，热影响区大不能用于精密下 料【o ”。 等离子切割切口宽度大、切割面倾斜，精密等离子切割虽提高了切割尺寸精 度但切割厚度较小，且工作过程中仍然存在有害气体、金属烟尘、弧光( 紫外线) 辐射和高频电磁场，这些因素对人体都有相当的危害。 激光切割的切割精度很好，主要用于中，薄板的高精度加工。要提高其切割 厚度，需要加大激光器的功率。根据比利时p r c 公司所提供的资料，6 k w 高阶 模c 0 2 激光器的最大的切割厚度对于冷轧碳速钢为3 7 m m ，不锈钢为3 0 m m ，有 色金属( 铜、铝、铅) 1 2 m m 【o5 1 。要切割8 0 m m 的碳素钢，激光器的功率需要 1 5 k w 【0 6 1 。 影响激光切割更广泛应用的原因是设备投资太大，2 0 0 2 年6 k w 的c 0 2 激 光器的报价为2 4 万美元【o5 1 。 超高压水射流切割的最大特点是非热源的高能量射流束加工，切割中无热过 程，故可切割几乎所有的金属和非金属材料，特别是各种热切割方法难以或不能 加工的材料。但在切割硬质材料或厚度较大的材料时磨料的价格高导致操作成本 高，且切割速度明显降低，切割5 0 m m 厚的低碳钢时切割速度为5 0 m m m i n 【o 7 1 。 不难发现，这些断料方法由于利用化学能、电能、光能或高能量的射流束， 其切割部件易于移动，非常适合切割板料和形状复杂零件的加工，甚至将下料和 加工合并为一道工序。但由于棒料或型材厚度较大，这些断料方法都不能满足其 高效精密下料，因此少无切削的精密剪切仍然是研究和应用的重点。 一、影响剪切质量的主要因素 ( 1 ) 轴向压力 兰州理工大学硕士学位论文 在棒料塑性剪切时，若轴向的压力增大会导致剪切变形区的静水压力增大， 这有利于增强金属材料的塑性、抑制剪裂纹的产生和延长塑性剪变位阶段，从而 增大塑性剪切光亮带、减少断裂区，提高剪断面的质量【0 刖。在轴向加压的实验 中，随着轴向压力的增大，拉缩区变窄，压缩变形减少，剪切变形更加集中于剪 切面处，这导致剪切件的塌角减少，几何精度提高。文 13 】对此做了有效的数值 模拟。文【1 0 ，1 2 ，1 4 】做了有关的定性分析。总的来说，轴向压力具有两方面的 功能：一是提高材料的塑性，以获得光亮平整的剪断面：二是改变了材料的流变 行为，以减少剪切件的几何畸变。 ( 2 ) 轴向间隙 轴向间隙的存在会导致剪切变形区内静水压力的显著减小，塑性变形区因而 减小，断裂面就会增大，影响剪切质量。文【1 1 】是从提高断裂面质量的角度论证 了轴向间隙在棒料自由剪切时，过大或过小都不可取；在夹紧剪切时，轴向间隙 很小，在理论和实践上都能得到较好的结果。总而言之，剪切过程中需要设法控 制轴向问隙。陈金德提出采用等比轴向间隙，即在刀片工作面上加工一合适的圆 弧沟或磨削成斜面，则能使剪切质量得到改善。李有堂等【l5 】就各种剪切方式提 出了坯料端的倾斜度与轴向间隙等几何要素的函数关系表达式。陈石保【16 】则据 生产实际提出了棒料冷剪切状态下最小合理间隙的函数表达式( 公式略) 。文 【1 0 】、【1 6 】、 1 7 】、 1 8 】、【1 9 】等都数值模拟或定性的分析了轴向间隙对剪切质量 的影响。 ( 3 1 径向间隙 棒料与模具的径向间隙对剪切质量的影响也比较大。当径向间隙较大时，存 在弯曲效应，有弯曲力矩存在，静水压力减小，裂纹将首先在棒料的上、下端产 生，从而难以将裂纹面控制在剪切面附近较小的区域内进行，上下裂纹难以平整 的连接，剪切分离面凹凸不平，产生与板料冲裁加工类似的现象，难以保证剪切 质量。文【0 9 】、【l o 】、 1 3 】、【1 5 】、【1 6 】、 2 0 】、【2 2 】等都有直接或间接的分析研究。 可以说径向伺隙越小对提高径向间隙越有利。 ( 4 ) 剪切速率 一般的讲，剪切速率越高，断面质量越好。在温度保持一定的情况下，提高 剪切速率或加载速率对金属材料的弹性变形过程及与其有关的力学性能没有影 响，但相对速率超过一定的值后，“由于在高速载荷作用下，几乎瞬时作用于位 错很高的应力，使位错运动速率急剧增加，位错速率越高，则其能量愈大，宽度 愈小，结果tp _ n ( 派纳力) 增大”【2 1 1 ，这样会限制塑性变形发展，结果塑性变 形抗力提高并使局部高应力区形成裂纹，因而增加了金属材料的变脆倾向，金属 更易发生脆性断裂，减少了材料的几何畸变，在高应力和高剪切速率下，裂纹的 兰州理工火学硕士学位论文 扩展、会合就更迅速、更加规则，断裂面也因此更加平整。这也是高速剪切能大 幅提高剪切质量的主要原因。 试验证明，各种型号的钢材特别是含碳量较高的碳素钢在高速剪切时剪切质 量都有显著提高，对于一些硬铝和镍合金也是如此。但是对铜及其合金，锌，钛 和一些软铝进行高速剪切时尚未得到良好的效果。另外，冷拔材料比热轧材料效 果好。 ( 5 ) 其它因素 长径比、剪刃形式、温度、材料的性质等因素对剪切质量都有影响 【2 2 】【2 3 】【2 4 】 2 5 】。一般情况下，长径比越大，剪切质量越好。文 2 4 1 也通过实验验证 了l d 越小整体畸变就越严重。文 2 0 】提出修磨剪刃后角来提高剪切质量，而适 宜的温度、材料性质对提高剪切质量亦有很大的影响。 二、目前研究和逐步应用的精密剪切方法主要有【2 6 】： ( 1 ) 径向夹紧剪切先将棒料夹紧，然后完成棒料的剪切。径向夹紧剪切的 优点在于，消除了普通剪切方法棒料产生倾斜的几何原因，消除了被剪切坯料所 受的弯盐力矩，从而解决了坯料先弯后剪切的问题，但问题是改变了剪切区材料 的应力状态，形成多向压力状态，如图1 1 。 1 、动刀片；2 、夹紧块 3 、棒料；4 、静刀片；5 、挡块 = # - - | 3 1 、动刀片；2 、棒料 3 、轴向加压；4 、静刀片 图1 1 径向夹紧剪切示意图图1 2 轴向加压剪切示意图 r 2 ) 轴向加压剪切【27 】在坯料的端面施加轴向压力，使剪切过程中棒料剪切 区的轴向压力增加，实现材料的塑性剪切分离。这种方法主要适用于铜、铝和低 碳钢等软材料。由于在剪切过程中存在很大的压应力，剪刃和设备的工作环境恶 化，而且实现机构复杂、昂贵，如图1 2 。 ( 3 ) 青脆温度热剪切这种方法经常适用于低碳钢的剪切。剪切前将棒料预 热至温热状态，利用这一温度区域钢的青脆性进行剪切。虽然其剪切面的主要部 分是剪裂带，但凹凸较少，剪切面质量好，压塌量、椭圆度都明显减小。该剪切 兰州理工大学硕士学位论文 方法适用于大直径棒料的剪切。 ( 4 ) 高速剪切通过高速加载提高坯料的剪切质量。在高速载荷下，被剪材 料的韧性下降，脆性增大，剪切变形区域变窄，塑性变形小，从而提高了剪切质 量。研究表明，在加载速度4 5 m s 以上时，剪切质量得到显着提高。高速剪切 冲击力大，能耗大，设备受力状况恶劣。本课题中的精密剪切设备即通过运用上 面所提到的径向夹紧剪切方法，减小棒料剪切时的几何变形，提高了棒料剪切端 面质量。由于限制了棒料的轴向位移，棒料处于夹紧和受压状态，使得剪切区的 材料处于三向压应力状态，达到塑性剪切的目的，从而提高了毛胚的剪切质量。 这种方式剪切的毛胚能与棒料平行下移，剪切面的变形很小，得到的毛胚断面具 有光滑、平整、倾角小等优点。实验证明，当夹紧力为剪切力的0 8 1 5 倍时， 毛胚剪切断面的质量达到最佳【28 1 ，但是改变了剪切区材料的应力状态，形成多 向压力。剪切机的剪切模有开式，半封闭式和全封闭式。剪切直径西4 0 m m 以下 的棒料一般用全封闭式模具加工，即套筒式剪切模。通常的套筒模只能剪切单件， 虽然比开式模的剪切精度高，但是有时仍然满足不了精密塑性成形工艺的要求， 特别是对于直径较大的热轧棒料，由于直径公差大，轴向直径度误差较大等问题， 使棒料与模孔的间隙较大，致使产生剪切斜度，剪切件质量较差。同时，一般单 件套筒式剪切模需要有机构或动力将截下的料块从套筒剪刃中排出( 简称出件) 。 本文介绍的精密剪切机构克服了上述剪切法的不足，可显着提高剪切件的质 量。在精密剪切机构中，采用径向夹紧剪切，使待剪胚料相对于棒料平行下移， 从而使剪切面变形很小，断面光滑平整，从而显着提高剪切件的精度和质量。同 时在连续工作过程中，送进的棒料陆续将切下的成品顶出套筒剪刃，无需专门的 出料机构或专门的出料推力，出料方便。 1 3 棒料剪切设备发展现状 作为机加工的第一道工序，随着机加工技术的进步，下料在设备上得到了快 速的发展。目前，高速精密剪切机正向数控化和柔性自动化方向发展。、由于c n c 技术在高速精密剪切机上的应用，剪切机的效率也在不断提高。我国高速精密剪 切机是8 0 年代开始从国外引进技术而发展起来的。目前，主要生产厂家有上海第 二锻压机床厂、厦门锻压机床有限公司、诸城锻压机床股份有限公司和宁江机床 厂等。产品结构有开式和闭式，公称力为1 6 0 2 0 0 0 k n ，滑块行程次数1 2 0 8 0 0 m i n 。我国高速精密剪切机与国际先进水平相比，还存在不少差距，主要表现为 产品品种和规格较为单一，产品性能差距较大，生产规模小，检测和试验手段落后， 缺乏自己的数控系统等。 按结构划分，剪切机大致可分为以下几类。 兰州理工大学硕士学位论文 1 3 1 机械传动式高速棒料剪切机 一、飞轮式 图1 3 为飞轮式高速棒料剪切机的工作原理图，图中动刀架4 固定在飞轮5 上，在图中飞轮顺时针旋转，剪切棒料3 ，定模2 带动棒料3 作向上进给运动。 1 、底座2 、定模3 、棒料4 、动刀架5 、飞轮 图1 3 飞轮式高速棒料剪切机工作原理图 由于剪切速率( 等于飞轮的圆周速率) 大于5 m ，s ，在飞轮转速n = 1 2 0 转m i n 时，要求飞轮半径r = o 4 0 0 m 。该方案结构简单，飞轮尺寸庞大，冲击很大。这 类高速剪切机适合小尺寸。 二、凸轮式 1 、进给气缸2 、摆杆3 、e 轮4 、凸轮滚轮5 、棒料 图1 4 凸轮式高速棒料剪切机的工作原理图 图l ，4 是双凸轮式高速棒料剪切机的工作原理图，图中凸轮滚轮4 随着飞轮 3 作逆时针旋转，在适当时刻推动摆杆2 座直线运动，摆杆2 推动剪切模具剪切 棒料。由于采用双飞轮，使得两个剪刃作相对运动，因而飞轮转速可以减小一半。 意大利萨西布( s a s i b ) 公司生产的双飞轮高速剪切机可以剪切庐1 0 m m 合金 6 兰州理工大学硕士学位论文 钢棒料或曲3 2 m m 低碳钢棒料，生产效率2 0 2 2 0 件m i n l 2 。 美国f e n n 公司高速精密冲击剪切机最大可以剪切妒5 0 m m 棒料( 材料强度 6 3 k g f m m 2 ) 生产效率5 0 3 0 0 件m i n 【”j 。 西德m a y p r e s s 工厂和日本小松制作所生产的m s r 3 2 型高速棒料剪切机主要 技术参数为：1 最大剪切力3 2 1 0 3 蝇f 2 可剪切棒料直径西5 3 6 m m ；3 剪切速 率l m s ：4 生产率1 2 5 件m i n 【”】。 凸轮机构的缺点是凸轮轮廓与推杆之间为点或线接触，故易于磨损，特别是 在高速、重载的场合。高速剪切过程的特征是高速、大负载和冲击，因而导致凸 轮式高速棒料剪切机的结构庞大，产生很大惯性力，并且振动、冲击的问题较难 解决。 1 3 2 流体传动式高速棒料剪切机 内燃式英国伯明翰( b i 瑚i n g h a m ) 大学设计的“p e t r o f o f g e ”液化气高速 锤【30 1 ，相应专利g b l 3 7 9 8 9 6 。该机器打击能量1 3 8 0 k g m ，可剪切最大棒料直径 毋2 2 m m ，生产效率5 5 件，m i n 。采用这种方法的设备复杂、昂贵、噪音大，剪切 刀具寿命低。对于有色金属，剪切效果差。 压缩空气式瑞典h j o 公司p s a 2 0 型高速棒料剪切机可剪切毋1 2 m m 钢棒 料和p s a 6 0 型可剪切西2 0 m m 的钢棒料和庐2 5 m m 的铜、铝棒料，最大剪切速率 可达1 0 m s 。 1 9 7 7 年一机部济南铸锻机械研究所与徐州地区第二机械厂联合设计并试制 成功了o a 4 5 1 2 5 型毫米高速棒料剪切机，这种高速棒料剪切机主要是用于剪切 冷拔棒料，能获得好的剪切质量。消除氧化皮之后，也可用于热轧棒料的剪切。 不足之处是效率较低，噪音较大【3 “。 气液式图1 5 为气液式高速棒料剪切机的工作原理图【3 。首先，下腔5 进 入液压油，压缩上腔6 的高压气体，气液缸活塞杆4 上升到指定位置，停止迸油。 这个过程储备能量，同时送料机构送棒料到所需位置并夹紧。 接着，下腔5 流出液压油，上腔压力减小，高压气体6 瞬速膨胀，推动气液 缸活塞杆4 快速向下，动剪刃3 开始剪切棒料，剪断后，下腔5 进入液压油，气 液缸活塞杆4 向上，工作行程结束，复位行程开始。进入下一个循环。 这种方案的思想来自于高速锤，高速锤主要应用在高速锻造中。高速锤用高 压气体作介质，借助其突然膨胀，推动锤头系统快速运动，进行锻击。 太原重型机械学院利用该方案申请的专利1 2 5 9 4 1 5 已获授权。锻造过程和高 速剪切过程最大区别是棒料被剪断后，动剪刃继续高速向下运动，依赖模具实现 其缓冲不太现实。没有实现缓冲和回程太慢是该专利的主要缺点。 兰州理工大学硕士学位论文 1 、机身2 、棒料3 、动剪刃4 、气液缸活塞杆5 、液压油 6 、高压气体7 、夹紧上模8 、夹紧下模9 、夹紧缸活塞杆l o 、夹紧缸 图1 5 气液式高速棒料剪切机工作原理示意图 西安交通大学赵升吨等根据陈金德，王朝明，于德弘的专利低应力冲击剪 切法( 申请号：8 810 8 3 5 1 8 ，专利号：9 1 7 0 ) 设计的新型低能耗中速棒料精密剪 切机，剪切速度可达到5 5 m s 。通过在要下的棒料上车削出一条环形槽，可以得 到断面平整，与棒料轴线的垂直度好的棒料3 0 】。 1 3 3 其它类型的压力设备发展概述 一、高速精密压力机 高速精密压力机是一种自动精密、高效地生产各种冲压零件的设备。高效自 动、高精度和高刚度是高速压力机的基本特征。高速的概念在不同技术条件、不 同时间下在不断变化。高速压力机的行程每分钟行程次数要比普通压力机的这 一数值大，国外的高速压力机行程每分钟行程次数都在1 5 0 0 0 m m ，m i n 以上， 普通压力机的行程每分钟行程次数在1 2 0 0 0 m m m i n 以下，国内的高速压力机 的这一数值则处于国外高速压力机和普通压力机之间。随着压力机所能提供的公 称力的提高，整体上高速压力机和普通压力机的行程每分钟行程次数值都呈下 降趋势，高速压力机的下降速度相对较快。以此参数作为区别高速压力机与普通 压力机也是可行的。也有一些公司把6 0 0 k n 以下的小型高速压力机分为下述四 个速度等级3 3 ： 超高速1 0 0 0 次m i n 高速 4 0 0 l o o o 次m i n 次高速 2 5 0 4 0 0 次m i n 常速 2 5 0 次m i n 兰州理工大学硕士学位论文 根据现代技术水平以4 0 0 次m i n 以上为高速比较恰当。自从1 9 1 0 年美国亨 利拉特公司首创四柱底传动结构的高速压力机以来，各国纷纷研制高速压力机， 高速是竞争的重点。6 0 年代末，瑞士布鲁德勒( b r u d e r e r ) 公司开发的b s t a 4 l 型4 0 0 k n 高速压力机达到6 0 0 次m i n 。1 9 7 4 年美国明斯特( m i n s t e r ) 公司推 出“蜂鸟”式h b 2 6 0 型5 5 0 k n 超高速压力机，行程次数达到1 6 0 0 次m i n ；1 9 7 5 年又发展了h b 2 3 0 型2 7 0 k n 闭式双点超高速压力机，速度进一步提高到2 0 0 0 次m i n 。随后日本、德国也相继研制出自己的超高速压力机，步入了超高速压力 机时代。 高效率和高精度是压力设备永久的追求。运用高精度、速度快、性能可靠 的送料装置，高速压力机的精度也得到很大提升。步入8 0 年代后，各高速压力 机生产厂家开始把研究重点转向提高压力机的精度上。8 0 年代中期出现了超高 速超精密压力机，如日本引进瑞士爱沙( e s s a ) 公司技术研制的6 0 0 k n 高速精 密压力机，最高行程次数为1 5 0 0 次m i n ，用于加工集成电路引线框电子计算机 插接件和其它精密零件，这些零件尺寸误差要求控制在1 0 2 0 1 0 。m m 以内。 瑞士b m d e r e r 公司的b s t a 2 5 型高速压力机的冲压精度高达土0 o l m m 。能率制作 所开发的小型高速压力机达到了3 0 0 0 次m i n ，在满负荷条件下也达到了t i s 标 准中特级精度要求，标志着高速压力机发展到超高速和超精密阶段【33 1 。 二、快速液压机 液压机在机械制造行业中占有重要地位。液压机具有其它压力设备无法比拟 的优点：易于获得很大的工作力；可以长时间保压；容易得到长行程；滑块能在 全行程的任意位置上发挥出全部力，以及传动稳定，安全可靠等。但是，液压机 曾由于速度慢和生产效率低，影响了它的发展和应用。随着液压技术和电子技术 的发展，这一问题已经得以解决。快速液压机于7 0 年代中期面世。通过改进液 压系统的设计、采用快速缸或快速换向阀提高液压机的行程速度，特别是空程和 回程速度，以便缩短循环时间，提高行程次数。现代快速液压机的空程和回程速 度一般都在4 0 0 m m s ，有的甚至更高。如意大利埃马努尔压力机( e m a n u e lp r e s s e ) 公司的d e a 型单动冲压液压机系列，其空程和回程速度为3 0 0 6 5 0 m m s ：德国 埃特( e i t e l ) 公司的u r s l o o 型1 0 0 0 k n 快速液压机，其空程和回程速度为 4 0 0 m m ，s 。近年来由于液压元件、电气元件、密封件等功能部件在技术上的进步， 性能日趋可靠，从而大大提高了液压机的速度，使液压机的生产效率显著提高。 英国n o r t o n 公司生产的6 0 k n 快速液压机的最高行程次数达1 0 0 0 次m i n 。 兰卅l 理工大学硕士学位论文 1 4 产品虚拟开发综述 1 4 1 产品虚拟开发技术概述 在传统的产品开发中，人们往往需要花费大量的时间和人力、物力来制备模 型和样机进行各种实验研究，以便对所设计产品的可行性、实用性和综合性能进 行各种测试分析。这一过程不仅延迟了产品开发和推向市场的时间，而且还加大 了产品的研制成本，降低了产品的竞争力。这种产品开发模式己远远无法满足人 们对新产品开发的要求，不能适应现代经济的发展需求。 在机械产品开发过程中，据统计，设计阶段所花费用只占总成本的5 左右， 但在产品成本中约有7 5 是由设计者在设计阶段所采用的设计方案决定的。因此， 如何降低产品成本，关键在于如何改善设计方案。产品更新周期长短，更是很大 程度上取决于新产品的设计速度。因此传统的机械设计方式己成为科学技术和生 产发展的瓶颈，必须对它进行彻底改革侧。在这样的大背景下，计算机辅助设计 应运而生。在新产品的开发中，理论设计、精确设计和动态设计正在逐步取代传 统的经验设计、近似设计和静态设计。p ? l 贵国释豢累计 i 7 ， | 产晶成本景计 y | 摄急设计分析评价详鼬设计翻造销售 图1 6 产品成本的决定因素 、图1 6 反映了产品开发的各个阶段对其成本的影响情况【3 4 j 。 可以看出，在产品成本中，制造阶段所占比例将近一半。但是从产品成本的 责任观点来看，产品成本的8 5 是由开发阶段决定的。也就是说，研究开发阶段 对最终产品成本的影响最大。因此加强对设计方法的研究、加大对设计部门的投 入对降低产品价格是至关重要的。 计算机辅助设计与虚拟装配技术的结合，为产品开发找到了一种高效的开发 模式，即虚拟产品开发，为了使任何复杂的机械产品都有可能实现虚拟开发，促 进虚拟产品开发技术的更进一步发展，计算机辅助设计和虚拟装配等技术有待更 深入的研究。 兰州理工大学硕士学位论文 传统典型的产品开发过程，采用物理原型进行产品设计的测试验证，其开发 过程主要包括产品设计、产品试制、产品设计评价、生产组织与准备等各个环节。 其中一些环节，如产品试制是产品开发的必须环节，但通常又是产品开发的瓶颈 环节，通常要占产品开发时间的约2 5 。由于产品开发环节多，各环节问又通常 存在不必要的反复，导致产品开发周期延长，成本高。而且诸如产品试制，生产 准备、生产组织等活动常常是在未经过充分预测的情况下进行的，不仅容易造成 人力、生产设备和材料的浪费，同样也会无谓地延长产品开发周期。 8 0 年代以来，缩短产品开发周期成为决定竞争力的首要因素。并行工程、 智能制造、敏捷制造和快速成型等多种有关先进制造技术的新思想、新概念、新 范式层出不穷，以计算机技术和信息技术为代表的高新技术在其中发挥着重要作 用【”】。虚拟制造便是基于计算机和信息技术的一种新的先进制造技术，被认为 是加速产品开发的有效手段，而虚拟设计既是虚拟制造技术的一部分，更可以说 是虚拟制造技术的基础。 进入9 0 年代以后，随着计算机技术的迅猛发展及其在工程中应用的深入， 一种新兴的产品开发技术，即虚拟产品开发( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 技术逐渐产生并发展起来，并在设计制造中发挥越来越大的作用【3 。 简单地说，虚拟产品开发( v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ，v p d ) 是产品设计 制造的全过程在计算机虚拟环境中的映射，是将产品设计、分析、测试、制造等 整个产