（机械制造及其自动化专业论文）双飞轮式棒料高速剪切设备的虚拟开发研究.pdf

兰州理f 人学硕 一学位论文摘翔z 1 0 8 9 摘要 本文利用三维工程设计软件p r o e n g i n e e r ( 以下简写p r o e ) 和a d a m s 对双飞轮式 高速剪切设备进行了虚拟开发设计，所做工作丰要包括：双飞轮式高速剪切设备初步设 计、零部件的3 d 建模、虚拟装配、动模部件运动机构仿真。设计中综合应用了一些进 行三维设计的建模方法，如特征建模，参数化建模与直接建模集成的复合建模方法。对 双飞轮式高速剪切没备的动模部件进行运动机构仿真，模拟出动模部件的实际运动状 态，通过模拟和分析，证实所设计双飞轮高速剪切设备结构设计的合理性。 本课题的研究从工程角度出发，对双飞轮式高速剪切机进行了初步设计，并完成了 双飞轮式高速剪切没备的虚拟样机，在本文中： 一、针对机械工程领域，阐述精密剪切技术的国内外发展现状，在此基础上提出了双 飞轮式棒料高速剪切设备。 二、分析了高速剪切的原理和运动机理，设计了双飞轮高速剪切设备的基本结构。 三、利用p r o et 程软件，建立双飞轮高速剪切设备的几何模型，融合了特征建模、 参数建模和直接建模的复合方法。以此为基础完成r 双飞轮高速剪切设备的虚拟装配及 干涉调节。 四、以建立好的几何模型为基础，在a d a m s 工程软件中建立了运动仿真模型，对双 飞轮式高速剪切设备中的主要部件动模部件做了运动学分析和动力学分析。验证了 双飞轮高速剪切设备结构设计的合理性，为设备的进一步完善奠定了坚实基础。 关键词：双飞轮高速剪切建模虚拟装配 运动仿真p r o e n g i n e e r a d a m s 兰州理t 大学硕t 。学位论文摘要 a b s t r a c t t h i st e x tu t i l i z e st h r e e d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r ep r o e n g i n e e r a n da d a m st ov i r t u a ld e s i g nt h ed o u b l e - c a m s h i 曲一s p e e ds h e a re q u i p m e n t ，i n c l u d i n g t h es t r u c t u r a ld e s i g n ，3 dm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l nt h es i m u l a t i o no f m o v i n ge n t i t y o fm o v i n gs h e a rp a r t s a n da p p l ys o m em e t h o d sf o rm o d e lb u i l d i n ga b o u t3 d d e s i g n i n g i nt h e d e s i g n sp r o c e d u r e ，f o re x a m p l e ，c h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n g ， p a r a m e t e r i z a t i o nm o d e l i n g ，a n dc o m p l e xm o d e l i n gm e t h o di n t e g r a t e d i n p a r a m e t e r m o d e l i n ga n dd i r e c tm o d e l i n gm e t h o d m o v et ot h ed o u b l e c a m sh i g h s p e e ds h e a r e q u i p m e n t m o u l d p a r td o e x e r c i s e so r g a n i z a t i o ne m u l a t i o n ，s i m u l a t i o ns e to u tm o u l d a c t u a lm o t i o ns t a t eo f p a r t b ys i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，p r o v et h er a t i o n a l i t yt h a tt h e d o u b l e c a m sh i g h - s p e e ds h e a rd e v i c es t r u c t u r ei sd e s i g n e d b e g i n w i t ht h ee n g i n e e r d i r e c t i o n ，h a v ed o n es o m ed e s i g nf o rt h ed o u b l e c a n 3 s h i g h s p e e d s h e a r e q u i p m e n ta n di t s v i r t u a ls i m u l a t i o n e q u i p m e n t c o n t e n ti s a s f o l l o w s ： 1 a g a i n s tm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d ，s e t o u tc u r r e n t d e v e l o p i n gs t a t e o f a c c u r a t es h e a r t e c h n o l o g yi nt h ew o r l d o n t h i sb a s i s ，p u tf o r w a r da p l a nf o r t h er o u n d b a r sd o u b l e c a m sh i g h - s p e e ds h e a r e q u i p m e n t 2 h a v ea n a l y z e dp r i n e i p l ea n d s p o r tm e c h a n i s mo f h i g h - s p e e ds h e a r , c o n f i r mt h e m a i ns t r u c t u r eo f d o u b l e - c a m s h i g l a s p e e ds h e a re q u i p m e n t 3 u t i l i z e dp r o e p r o j e c ts o f t w a r e ，s e t su p t h e g e o m e t r y m o d e lo ft h e d o u b l e c a m s h i g h s p e e d s h e a r e q u i p m e n t ，h a dm e r g e d c h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ， p a r a m e t e rm o d e l i n ga n dd i r e c tm o d e l i n gc o m p l e xm e t h o d a n dh a df i n i s h e dt h e v i s u a la s s e m b l yo ft h ed o u b l e c a m sh i g h - s p e e ds h e a re q u i p m e n ta n di n t e r f e r e n c e a d j u s tb a s e d o nt h i s 4 t h eg e o m e t r ym o d e la sf o u n d a t i o n ，s e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e li na d a m s p r o j e c ts o f t w a r e ，t ot h em a i np a r t o fd o u b l e c a n l s h i g h - s p e e d s h e a re q u i p m e n t ，m o v e m o u l d p a r tm a k e m e c h a n i c a lm o t i o n a n a l y s i sa n df o r c ea n a l y s i s h a v ep r o v e d t h a tt h e r a t i o n a ld e s i g no f t h ed o u b l e - c a m s h i g h s p e e ds h e a re q u i p m e n t ss t r u c t u r e , a n dl a yt h e s o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e r p e r f e c t i o no f t h ee q u i p m e n t k e y w o r d s ：h ig h s p e e ds h e a rm o d e lb u i l d i n gv i r t u a la s s e m b l y m o v e m e n ts i m u l a t i o n p r o e n g i n e e r a d a m s i i 兰州理t 大学硕 ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速剪切技术及国内外发展现状 机械生产加工制造业中，在坯件下料的环节上，直存在着毛坯的质量不高、生产 率低下等弊端。而在很多发达国家，快速下料时，工件能一次成型。所以，发展精密剪 切技术在我国是刻不容缓的。根据资料检索和报导，国内至今没有比较完备的高效精密 剪切设备，发展精密剪切设备已是我国众多科研工作者竞相研究的课题，这不仅能填 补我国在这一领域内的许多空白，而且由于它能大规模的提高生产率，减少材料的浪费， 所以在推动我国机械行业的发展方面，能发挥重大的作用。 1 1 1 棒料剪切工艺 生产实践中常用的下料方法可分为剪切下料、锯床下料、和车床切削下料j 三大类。 其中锯床下料可获得精度较高的坯料，但锯缝处材料的损耗大。车床切削所获得毛坯精 度很高，但材料的浪费比其他下料工艺高，而且由于表面刀具切痕的存在，会对今后的 成型工艺带来隐患。与前两种下料方式相比较，剪切下料生产率高，材料损耗小，模具 简单，得到了最广泛的应用，但其所剪毛坯料的精度最差。因此，近十几年来，人们把 精密下料研究的重点放在探索取代传统剪切工艺的高新技术工艺方法上。研究工作者们 对棒料的剪切工艺过程和剪切变形机理进行分析，得出以下影响剪切坯料精度的关键问 题： 1 普通的棒料件剪切模具一般由平刃或圆弧形刃口的动模和定模组成，剪切过程中， 被剪棒料不仅承受动静剪刀刃中的剪切力，同时也会在其作用下，产生向下的弯曲( 见 图1 1 ) ，使得静、动剪刀与被剪毛坯沿剪刀宽在剪切面附近局部接触，造成该区域内应 力增加( 见图中1 1 a 、b ) 。这种较大的局部接触造成该处的金属产生塑性变形，变形 过程中金属一方面沿剪切面横向流动，使剪切毛坯截面塌陷形成如图1 2 所示的形状； 同时变形金属沿轴向流动，使被剪坯料局部伸长。经过这种变形后，被剪下的坯料就形 成了如图1 3 所示的形状，即“马蹄形”【2 j 。 兰州理_ 大学硕l 学位论文 第一章绪论 动 艋】 剪 埋i _ l 港j ，v 块1卜；、 t 、棒料jl ： + 0 。 i 定i l 剪l 刀1 圈1 1 棒料剪切的 艺过程 和剪切变形 图l2 剪切毛坯截面塌陷图1 3 被剪坯料的“马蹄形” 形状 棒料剪切毛坯断面的质量与剪切过程中剪切面所处的受力状态密切相关，凼此改善 剪切面的受力状态是提高剪切毛坯质量的一个关键问题。 2 由于工厂中目前广泛采用的热轧圆钢直径误差较大，而传统的剪切下料中又按毛 坯长度定位，这样所剪毛坯料的体积( 质量) 一般都有较大的正负误差。为了解决这一 问题，国外有些厂家将计算机与电子秤配合，根据所剪坯料的实测直径，确定毛坯应有 的长度，自动调整定位块的位置，以保证所剪坯料体积( 质量) 公差在允许范围内。然 而这样的系统复杂、造价高，对工作环境要求也高，因此目前不能为我国中、小型：ej 所接受。 针对以上所述的问题，经研究提高被剪毛坯精度的途径如下： 1 首先要改变剪切过程中剪切面处局部接触的状态。即应防止棒料在剪切力作用f 的向 下弯曲，可采用如图1 4 所示的结构。棒料由定位块定长，并被斜块和动剪刀夹紧。剪 切过程中，当动剪刀对被剪棒料施加向下的力矩时，该力矩将会被由定位块反作用力造 成的向上的反力矩平衡，从而有效的防止了被剪棒料向下弯曲。 动 图1 4 防止棒料在剪切力作用下向下弯曲的模具结构 0 v 2 定位块 图1 5 剪切过程中动剪刀的运动方式 图1 , 6 模具斜面的作用 2 乃 | 一j 一 ， |，厂 一飞 丢， 匕。1 兰州壤_ ：= 天学颈土学位论义第一荦绪论 2 改变动剪刀的运动方式( 见图1 5 ) ，由传统的直线运动改变为绕一支点的圆弧形摆动， 如果合理的设计其摆动中心的位置，将有助于补偿“马蹄形”。剪切过程中在剪切力p 和p 作用下被剪毛坯将作逆时针转动，由于r r 从而使a 点向下的位移大于b 点。这 样使被剪棒料上的b 点有向上移动的趋势，防止被剪棒料向下弯曲，从而减少了被剪毛 坯料断面的倾斜度。 3 剪切过程中不可避免的存在压塌，迫使会属沿横向和轴向流动，其中沿轴向的流动将 使被剪坯料轴向伸长，造成弯曲。如设置一个斜面( 见图1 6 ) 当坯料伸长时会推动定 位块右移，由于斜面的作用会使定位块向上移动，防止被剪棒料向下弯曲，将更有效的 防止出现“马蹄形”。 4 为弥补由于被剪棒料直径公差而造成的坯料体积( 质量) 误差，可采用微分补偿机构 ( 见图1 7 ) 。采用这种方法后被剪坯料的体积( 质量) 误差理论值在1 4 左右。 图1 7 带微分补偿机构的剪切模具原理 1 - - 直径较人的棒料；2 直径较小的棒料；3 一定位块( 位置1 ) 4 一斜面；5 一定位块( 位置2 ) 5 可采用圆弧形剪刀刃口，增加坯料与剪刃接触面，最大限度的降低被剪毛坯表面的挤 压应力以减少压塌。 6 采用较长的套筒导向送料及良好可靠的压料机构，减少棒料开始剪切时的倾角。 文【1 2 】、【1 3 1 “2 2 1 等都直接或间接的探讨了提高被剪毛坯精度的方法和途径。 1 1 2 棒料精密剪切工艺 结合上文1 1 1 中所述问题及解决方法，近年来出现了许多棒料精密剪切工艺方法， 这些方法按剪切机理可分为：约束剪切( 轴向加压剪切、径向夹紧剪切) 、应力法剪切、 高速剪切、加热剪切、塑性疲劳剪切和渐进剪切。 1 1 2 1 约束剪切 约束剪切法最早用于板料紧密冲裁，现在把这种方法用于棒料的精密剪切，也就是 利用塑性剪切使加工面成为剪切面的方法。这种方法确立的初期，作为一种抑制裂纹的 手段 3 j 。 1 轴向加压剪切法( 见图1 8 ) 残一 兰州理t 人学硕 学位论文 第一章绪论 刀i轴向 力 棒料_ _ ! = ： f 一7 。 静剪刀 幼勘川 7 一- - ( 1 p ；。 朴卜卜 k 二_ _ - 一l 扳、e1棒料 卜、f 。1 一一t x - x 1 一一j 、 ，ri 。一雌2 i j “ ”静翦膏” i ii ( a ) 轴向加压剪切( b ) 相互约束的多面同时剪切 图1 8 轴向加压剪切法 此法最早是匈牙利v e r e s 教授发明，剪切时在棒料两端施加轴向压力，使剪切区材 料处于三向受压状态，导致了静水压力的增加，改善了材料的塑性，并且阻止了材料的 轴向流动，抑制了剪切区的宏观几何畸变，因此可获得非常精密的剪切效果f 35 。o i 。这 种方法往往适合有色金属的精密下料，但对工业实际中广泛应用的碳钢材料应用时有很 大难度，并且生产效率低；加之这种剪切要求动、静刀的间隙极小，而被剪切的材料内 的压应力值很高，且易使刀面与被剪材料严重粘结、咬合，模具刀口磨损严重，寿命低， 所以仅适用于低强度、小尺寸棒料的精密下料。这种方法所使用的工艺装备复杂，剪切 费用较高，生产率也不简。 图l 8 ( b ) 所示为同时可以剪断几个毛坯的剪切模。模具上有几组剪刀平行排列， 同时剪切棒料。由于剪刀剪的相互约束限制了材料的轴向移动，达到轴向加压的剪切效 果。用这种方法剪切棒料时，在断面i 、i i 、i i i 、i v 、v 上的剪切质量是不同的。断面i 处，材料的轴向约束不完全，剪切质量最差；其余断面，材料的轴向约束越好，剪切质 量越高。 2 径向夹紧剪切法( 见图1 9 ) 挡 板 l = j 夹琴块 、矩“k 如一、 。_ 、 ， 棒料 反 f t 一7 矿 ：静剪刀 图1 9 径向夹紧剪切法 该法是在剪切过程中，坯料径向受到强力约束，使坯料始终沿着动剪刀运动方向平 行移动而不弯曲，从而使剪切断面平整，马蹄形减少。径向夹紧剪切时，棒料处于夹紧 和受压状态，这样剪下的毛坯能与棒料平行下移，使剪切面变形很小，从而得到毛坯断 面光滑平整且断面倾角较小的剪切效果。这种精密下料方法与板料的精密冲裁十分相 似。德国p u t t i n g h u s 、意大利f i c e p 公司以及我国沈阳求实精密剪切机厂的产品q 一4 5 a 系列精密棒料剪切机就采用这种原理。我国河南省郑州市的郑州机械研究所郝盛钢的使 4 兰州理工九学碗 学位论文 第一章绪论 用新型专利“棒料径向夹紧精密剪切模”( 8 7 2 1 2 2 3 9 ) 和在其基础上有所改进的新型专 利“棒料精密剪切模具”( 9 6 2 1 6 7 0 5 3 ) 也均采用径向夹紧剪切法i z j 。但由于剪切力大， 使被剪下的料整体外形显现为菱形，剪切面塌角明显，该方法剪切面和棒料轴线的垂直 度往往较差。 1 1 2 2 高速剪切 高速剪切利用的是在高的剪切速度下髓大幅度的改善剪切切口质量的现象。高速剪 切能得到光滑的剪裂面，且塌角小，切l 】歪斜也小。通常剪切机理下，一般剪切速度为 0 3 0 4 m s ，而高速剪切速度高达5 m s 以上，能明确显示出高速剪切效果的刀刃剪切速 度一般为5 - 1 5 m s 引。高速剪切使材料脆性增加，而且由于位错源开动需要时间，这样 高的应变速度会使剪切部分来不及弯曲就已经断裂，所以断丽质量较高。或是剪切时发 生的热量来不及传递而集中在棒料的局部薄层上，使其软化，从而使局部薄层变形更加 激烈。眩薄层出现在变形最急剧的连接上f 切刃的连线上，因而可以认为裂纹沿着该薄 层成长或沿该薄层撕裂而完成分离断裂。但剪切长度不能太短，更准确的说就是剪切长 度与直径之比不能太小，否则会因棒料的质量小、惯性也小，剪切质量下降。这种剪切 方法适用于硬度较高的材料，但高速剪切存在冲击、振动和噪声，易使模具连接件松脱 严重，寿命降低；剪切力比一般剪切力高，能耗大，设备受力状况恶劣，剪刃寿命短。 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。 影响高速剪切毛坯质量的因素： 剪切速度提高剪切速度，剪切效果较好。剪切实验证明当剪切速度在4 5 m s 时，毛坯的剪切质量就能明显提高，而在超过此剪切速度时，对毛坯质量的进一步改善 并不显著”。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，宽度越小，结果t ，。增大“，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，裂纹的扩展、会合就更规则，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。研究指出，剪切速度过高时，模具和设备所承受的冲击载荷太 大，会影响模具和设备的使用寿命。但对于能量较小的高速剪切机来说，选择较高的剪 切速度也是允许的，因为与大能量的高速剪切机相比，其冲击和振动较小。提高剪切速 度，除可改善下料质量外，还能减轻机器锤头系统质量，达到结构紧凑的设计效果。文 【1 2 】等对剪切速度对剪切质量的影响进行了分析研究。 棒料与静剪刀和动剪刀的径向间隙棒料直径与静剪刀和动剪刀之间的径向间 隙值对毛坯的剪切质量影响很大。为便于棒料送进和毛坯取出，棒料与剪刀模孔之问应 有一定的径向间隙。但径向间隙过大会使棒料发生歪斜，剪切后的毛坯塌陷和断面倾角 明显增大，使剪切质量急剧下降。因此，此间隙值应尽可能小，通常取为棒料径向公差 加上o ，1 2 7 0 2 5 4 r n m 附加量“1 。此外，由于动剪刀、静剪刀和剪切机本身的制造精度关 5 兰州蝉t 大学硕 ：学位论文第一章绪论 系，在决定径向问隙时，必须考虑每次剪切后动剪刀模孔的复位误差。同时，为使棒料 便于从静剪刀模孔送入动剪刀模孔内，棒料与动剪刀之间的径向间隙值要大于棒料与静 剪刀的径向间隙值。文 7 、 1 1 、 1 3 、 1 4 、 1 5 、 1 6 等对径向间隙对剪切质量 的影响进行了分析研究。 动剪刀和静剪刀的轴向间隙动剪刀和静剪刀的轴向间隙也影响毛坯的剪切质 量。高速剪切时，衡量剪切质量指标之一的断面倾角是随剪刀轴向间隙和被剪材料性质 等因素变化的。采用过大或过小的轴向间隙剪切不同材料，会增大毛坯断面倾角，降低 毛坯的剪切精度。应根据被剪材料的力学性能和直径选区合理的轴向间隙值，一般可取 0 ，0 5 0 。1 5 r a m 。文【7 】、【1 6 】、【1 7 】、( 1 8 】、( 1 9 】等对轴向间隙对剪切质量的影响作了分 析 被剪材料的力学性能高速剪切时，被剪材料的力学性能对毛坯的剪切质量影响 很大。研究表明，对于黑色金属与部分有色金属，如优质碳素结构钢、2 0 c t 、4 0 c r 、4 0 c r m o 、 g c r l 5 、t 1 5 、2 0 c r m n t i 以及钼系高速工具钢等，高速剪切都有明显的剪切效果。但对f 较软的材料( 如铜、锌等) ，采用高速剪切，毛坯断面质量无明显改进。此外，冷拔钢 材的高速剪切效果比热轧钢好。对于同一种材料，采用不同的热处理方法，高速剪切效 果也会发生变化。 毛坯长径比( i d )高速剪切时，剪切质量与毛坯长径比i d 也有很大关系。 当毛坯长度大大超过其直径时，在高速剪切下有一个惯性效应，其可以防止切下部分的 弯曲，所以剪切效果好。长坯料在高速剪切时，其悬伸部分的中心产生一个惯性力矩j f 好与动剪刀处的材料变形区产生的向下力矩向抵消，从而避免了毛坯的弯曲。当1 d l 时，剪切效果较好，当i d ( 1 时，剪切质量迅速恶化：当i d = o 5 时，剪切质量很差； 当i d 0 4 时，质量恶化尤为严重，甚至毛坯会碎裂成片。 模具结构和剪刀的锋利程度高速剪切模具的结构形式必须合理，有足够的强度 和刚度，才能得到较好的高速剪切效果。高速剪切模刃口必须锋利，刃口变钝将会增加 毛坯的断面椭圆度和断面不平度，同时还会产生毛刺和增大剪切力。 i i 2 4 加热剪切 按剪切时的温度加热剪切又可分为如下两种”5 j ： l ，蓝脆法 利用钢在加热到蓝脆区温度时变脆的特点而进行的棒料剪切。但其只适用于具有 蓝脆现象的钢材，工厂往往在大直径( 直径为7 0 - - 1 5 0 m m ) 的热锻用棒料下料时采用 此方法。采用蓝脆法下料时，下料端面往往有2 0 4 0 倾斜，重量误差在2 左右。这种 下料方式比普通的下料方式的断面更平整。切口歪斜小、断面较光洁、椭圆度小、垂直 度也较好，但需加热，对常用的碳钢，其蓝脆温度在2 0 0 0 3 0 0 0 之间变化。在蓝脆温度 下材料的变形抗力相应提高，不利于剪切时应力水平的降低，因而剪切断面上的塌角仍 存在；而钢棒在7 7 0 1 3 3 0 低温下进行剪切时，因而材料表现出冷脆性，可获得很高的 剪切精度，但在实用时需对棒料进行制冷，因此未见应用此法的实用报道。 2 热剪和模锻 6 兰州胖丁人学硕+ 学位论业 第一带绪论 将棒料加热到锻造温度后再进行剪切，特别是在曲柄压力机上进行无飞边模锻时， 在锻造温度下剪料越来越普遍，因为在锻造调试阶段或生产过程中要求材料的体积可以 随时改变，如果采用事先冷剪好的毛坯，就不能做到这一点。实践证明，对于表面质量 和尺寸精度较好的优质棒料，热剪后毛坯的平均质量误差为o 蛾。因此，热剪和电子 计算机称重技术结合起来，就有可能获得最好的经济效果。此外，冷剪时容易开裂的材 料也宜于热剪。 在热剪和模锻生产过程中，材料称重后通过煤气加热炉( 或感应加热炉) 加热。 加热炉的出口端安置一台剪切机，其：装有由计算机控制的挡料架。剪下的毛坯经过斜 槽，由送料机构将其送入压力机的第一个工位上进行锻造。 i 1 3 高速剪切设备 l 、高速剪切模【1 高速剪切模有两种形式：一种是开式模，适宜于剪切长径比l ，d 大于4 的长坯料； 另一种是闭式模。适宜于剪切短的坯料。由于精锻用坯料的长径比通常都小于2 5 30 ， 所以采用闭式模剪切效果较好。 a王j l 7 ， 7 幽1 1 0 棒料高速剪切机用闭式剪切模( 1 ) l 一动剪刀；2 动模块；3 一模座；4 一静剪刀； 5 一气动压秆：6 一螺钉：7 一吸能器；8 一挡料块 图1 1 0 所示为棒料高速剪切机用闭式剪切模( 1 ) 。动剪刀l 置于动模块2 内，与模 座3 内的静剪刀4 组成一对剪刃剪切棒料。动剪刀和静剪刀之间的轴向间隙可用螺钉6 调节，以控制毛坯的剪切质量。该模具可更换动、静剪刀的模孔尺寸，用以剪切不同的 7 兰州理t 人学硕j _ 学位论文第一章绪论 棒料直径，但应保证合理的径向问隙。进料时，棒料从右侧送入静剪刀4 和动剪刀l 模 孔内，按所需剪切长度用挡料块8 限位。为防止棒料的轴向移动，模具上装有加紧装置， 通过气动压孝t5 将棒料央紧定位。在模具下部装有吸能器7 ，把剪切后的剩余能量吸收 掉。吸能器7 除有缓冲作用外，当剪切机锤头回程时，还能将动模块2 推至七止点位置， 准备下一次棒料的送入和剪切。模座3 下端丌有一个小孔，当动剪刀剪切下的毛坯压下 至此小孔时，即通以压缩空气，将毛坯从动模块2 中吹出去。该模具的送料、吹料以及 棒料的夹紧和松开等动作，都是由凸轮控制器完成的。 图1 1 1 所示为棒料高速剪切机用闭式剪切模( 2 ) 。由动剪刀4 、静剪刀3 、挡料块 5 和支撑块8 等零件组成。当棒料2 从左侧送入剪刀模孔，并由挡料块限位后，动剪刀 4 高速下降将棒料2 切断。在动剪刀下运行至最低位置时，切下的棒料6 被左侧管道内 的压缩空气吹出。该模具的支撑块8 有两个作用：剪切时能夹紧棒料，防止毛坯弯曲变 形；而在剪切机锤头回程时，在弹簧作用f ，又能将动剪刀上升复位，保证动剪刀孔中 心与静剪刀孔中心重合，消除动剪刀的复位误差。改剪切模剪切后的毛坯质量公差为 0 5 ，生产率为1 2 5 件m i n 。 2 幽1 1 1 棒料高速剪切机用闭式剪切模( 2 ) 卜一模座；2 ，6 一棒料；3 一静剪刀；4 一动剪刀； 5 一挡料块；7 气管；8 一支承块 图1 1 2 所示为一种常见的高速剪切摸，其采用l o 个m 2 4 螺栓固定后挡料架2 ，剪 切时后挡料架2 刚性较好，不沿水平方向发生退让，有效的防止了剪刀间轴向间隙的变 化，毛坯的剪且质量较好。 兰州理r 学硕i 学位论文 第一章绪论 4 图11 2 高速剪切模 1 一后挡料块；2 一后挡料架；3 一动剪刀；4 一动模块：5 一静剪刀； 6 一捧料夹紧机构；7 一模架；8 一轴向间隙调节块；9 一气管 采用上述闭式剪切模进行高速剪切，一般都能有效的防止毛坯的弯曲变形，提高毛 坯的剪切质量。但在高速剪切模设计时，除选用上述模具结构外，还必须注意以下几点： 棒料与动、静剪刀模孔的径向间隙不能太大，它取决于棒料径向的尺寸公差和便于送料 的附加量，般可取为o 0 1 0 1 5 m a n ；动、静剪刀的轴向间隙是可以调节的，一般应控 制在o 0 5 0 1 5 m m 范围内，以保证剪刀每次刃磨后仍能得到高质量的精密剪切；高速剪 切时，模具的冲击和振动很大，故剪刀硬度不宜过高，一般取5 8 6 0 h r c ，但在多数情 况下，为了提高剪刀寿命，往往降低剪刀硬度( 即回火到5 6 h r c 左右) 来增加韧性。 剪刀通常用工具钢褂造，也可用6 c r w 2 s i 等钢材制造。用6 c r w 2 s i 制成的剪刀高 速剪切2 0 c r 钢等材料时，每次刃磨后能剪切5 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 件毛坯。用工具钢剪刀高速剪 切4 0 号钢、g c r 9 或g c r l 5 等钢料时，每次刃磨后能剪切2 5 0 0 0 件毛坯。剪刀剪切实的 工作温度可达1 8 0 0 c 。 2 、高速剪切设备 高速剪切设备根据动剪刀的运动方式可分为直线式和旋转式两种类型。 直线式高速剪切机 按动力系统形式划分，直线式高速剪切机主要有机械气动式和流体传动式。 1 ) 机械气动式棒料高速剪切机 兰州璀丁夫学 磺f 学位论文 第一章绪论 图1 1 3 机械气动式高速剪切机( 一) 1 一动力头；2 一浮动活塞；3 ，1 3 ，1 4 ，1 5 一气孔： 4 一气道：5 一锤杆；6 一动模块：7 一动剪刀；8 一吸能活塞； 9 一机身；l o 一弹簧；1 1 柱塞；1 2 一限位扳 图1 1 3 所示高速剪切机【1 】的工作动力是压缩空气，利用锤杆5 顶部的浮动活塞2 接 通压缩空气，气体膨胀做功，快速推动锤杆5 撞击动模块6 进行高速剪切。其下部装有 缓冲吸能器，把剪切后的剩余能量在很短行程内吸收掉，以提高毛坯的剪切质量和延长 模具使用寿命。该机工作时，气孔1 5 和1 4 关闭，气孑l3 和1 3 迅速打开，将浮动活塞2 上腔和锤杆5 下腔的压缩空气排放。这时浮动活塞2 就在下部压缩空气的推动下迅速向 上抬起。动力头l 中压缩空气迅速进入锤杆5 的上腔，推动锤杆5 加速向下运动撞击动 模块6 ，通过动剪刀7 对棒料进行高速剪切。棒料被剪断后，动模块6 作用在吸能活塞 8 上，活塞下移通过节流作用将剩余能量吸收。剪切后，气孔3 通入压缩空气使浮动活 塞2 下移，将锤杆5 上腔的气体通道关闭，气孔1 4 打开排气。当气孔1 3 通入压缩空气 使锤杆回程时，机身9 左、右两腔的压缩空气通过油液推动吸能活塞8 ，使动模块6 上 升。在吸能活塞到达上止点后，弹簧1 0 通过柱塞1 l 继续推动动模块6 上升，直至与限 位板1 2 相碰为止。该机整个工作循环由凸轮控制器完成，其最大剪切速度可达7 ，5 m s 。 1 0 兰一槲理t 夫学颁卜学位论立=第一辛绪论 图1 1 4 机械气动式高速棒料剪切机( 二) 卜一底板，2 一气缸座，3 一单向阀，4 一气缸，5 一加速滑块， 6 一上盖，7 一控制加速轴，8 一活塞 日本t a m a g a w a 多摩川大学柳原直人等研制了一套附设在般通用压力机上的简单 的增速装置【4 】，如图1 1 4 。此装置的原理是：当压力机滑块下降时将气体压缩而储存能 量，再利用这些压缩气体急剧加速另一个加速滑块。 这种装置结构简单，附设在一般通用压力机上就能实现高速剪切，设备成本造价低， 一甥高速剪切的参数取得曾经通过它。因为主要依靠动能剪切，这种方式适合小尺寸的 棒料剪切。 2 ) 流体传动式棒料高速剪切机1 4 】 ( 1 ) 内燃式 英国伯明翰( b i r m i n g h a m ) 大学设计的“p e t t o f o r g e ”液化气高速锤，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2 2 r a m ，生产效率5 5 件r a i n 。这种方法采用的设备复杂，昂贵，噪音大，剪切刀具寿命低。对于有色金属， 剪切效果差。 ( 2 ) 压缩空气式 瑞典h j o 公司p s a 2 0 型棒料棒料高速剪切机可剪切由1 2 m m 钢棒料和p s a 6 0 型可 剪切q b 2 0 m m 的钢棒料和巾2 5 m m 的铜、铝棒料，该机器最大剪切速率可达1 0 m s 。 19 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 q a 4 5 1 2 5 型毫米棒料高速剪切机，这种棒料高速剪切机主要是用于剪切冷拉棒料，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 1 5 为气液式高速棒科剪切机的工作原理图。 兰州理工夫掌硕i j 学位论迎 第一章绪论 图1 1 5 气液式高速棒料剪切机 首先，5 下腔进入液压油，压缩6 上腔高压气体，4 气液缸活塞杆上升到指定位置， 停止进油。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，5 下腔 流出液压油，上腔压力减小，6 高压气体瞬速膨胀，推动4 气液缸活塞杆快速向下，3 动剪刃开始剪切棒料，剪断后，5 下腔进入液压油，4 气液缸活塞杆向上，工作行程结 束，复位行程开始。进入下一个循环。 太原重型机械学院利用该方案申请的专利已获授权。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主要缺点。 旋转式高速剪切机“1 图1 1 6 单e 轮式高速剪切机 1 - - 飞轮；2 一动剪刀；3 一棒料；4 _ 静剪刀；5 一底座 旋转式高速剪切机利用旋转飞轮的动能进行高速剪切。图1 1 6 所示为单飞轮式高 速剪切机。动剪刀2 通过螺钉固定在飞轮1 边缘上，静剪刀4 安装在动剪刀2 回转径路 的两侧，因此，一次可以剪切两个坯料。此外，由于两侧都有静剪刀，所以剪切过程中， 1 2 兰州理丁人学硕j 学位论史 第一葶绪沧 棒料有良好的支承，可以避免弯曲。为了避免采用过大的飞轮及其相应的传动系统，此 设备经适用于剪切直径较小的棒料，如可以剪切中1 2 m m x l o m m 的1 5 号钢棒料，剪切速 度为4 5 m s 。 东德埃尔福特( e r f u r t ) 生产的单飞轮式高速剪切机属于这种类型，该机器剪切1 5 # 钢的庐1 2 r a m 棒料，剪切速率可达4 5 r r d s ，生产效率3 0 0 件m i n p j 。西安交通大学设计 的新型低能耗中速棒料精密剪切机动力系统与该机器类似，主要技术参数与东德产品接 近。并采用预制裂纹的低应力冲击剪切法的剪切模到“，相应专利z l 8 8 1 0 8 3 5 1 。 3 、高速剪切存在的问题 棒料高速剪切能够明显的改善毛坯的剪切质量，其在工艺上或经济上具有许多优 点，故目前已在生产中得到应用。但高速剪切还存在以下问题l l “j ： 设备打击能量的传递率不高。目前在生产中高速剪切棒料的多半是采用直线式高 速剪切机，由于剪切机结构上的原因，高速剪切时只能传递部分能量，锤头的有效打击 能量不能充分利用，从而也就限制了可剪切的棒料直径。 高速剪切时锤头高速撞击模具以剪切棒料，会产生大量的剪切噪声和振动。高速 剪切机下部的吸能装置在动模块回程时，也会连续撞击动剪刀产生噪声。此外，在动剪 刀下移时压缩吸能器活塞以及剪切机的管道系统在进气、排气过程中，也会产生噪声和 振动。目蘑常用的减少剪切噪声和振动措篪是：管道系统各端口安装消声器，使噪声降 低到许可范围内，将整个模具空间用隔音或吸音板封闭，或在真空的密封室内进行剪切， 使噪声不外船；为了减少吸能部分噪声，可将整台剪切机用罩封闭起来进行剪切；进行 自动化生产，实现无人操作等。 综上所述，常用的精密剪切下料，无论是轴向加压剪切还是径向夹紧剪切，由于剪 切速度较低，在剪切过程中容易产生较大的局部塑性变形，使尖端应力集中变得松弛， 造成裂纹尖端的应力奇异性减弱，从而影响了坯件质量的进一步提高。高速剪切时，剪 切速度的提高使材料的断裂性能得到改善，使得与刃口接触的材料处于平面应变状态， 这样剪切面上的局部拉应力减小甚至完全消失。当剪切速度达到一定程度，使得材料的 断裂韧度下降到一定程度，脆性断裂占优势时，塑性变形和侧向挤压的减小，使合成挤 压力的方向更接近于剪刃的初始运动方向，从而使裂纹基本沿预剪切方向产生。 在棒料的高速剪切中，要达到比较理想的剪切效果，剪切速度要求在5 m s 以上。 在高速剪切机的设计中，动力系统的设计是难点问题。对于单飞轮式棒料高速剪切机( 如 图1 1 4 所示) ，为保证较高的剪切速度，飞轮的尺寸需要很大，如果采用双飞轮结构， 在不改变飞轮尺寸和转速的条件下，就可以使剪切速度提高一倍。基于这一思想，本文 对新式的双凸轮( 飞轮) 式高速棒料剪切机进行了开发研究。 1 2 虚拟产品开发与虚拟样机技术 虚拟产品开发和虚拟样机的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共 同的结果。随着世界经济的一体化发展，多品种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为 1 3 兰州堙1 大学硕卜学位论叟 第一章绪论 主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展，就必须调整其产品开发和：e 产组织模式，解决t ( 最快的上市时间) 、q ( 最好的产品质量) 、c ( 最低的产品成本) 、 s ( 良好的产品服务) 和e ( 尽少的环境污染) 难题。另一方面，现代信息技术特别是 计算机技术得到了飞速发展与广泛应用，这位解决t q c s e 难题提供了机遇。在这样的 条件f ，虚拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。 1 , 2 1 虚拟产品开发技术 世界著名的c a d ，c a m 服务供应商e d su g 总裁j o h nm a z z o l a 这样描述：“虚拟产 品开发是一种设想，在这个垃想中，以网络方式组织在一起的人们将协同工作，以完成 对产品的设计、分析、制造及技术支持。他们的工作将以数字化的方式确定和分配，从 而使得他们能够在任何时间、任何地点协同或独立的工作。这种开发网络出了生产公司 外，还将包括供应商、合作伙伴及客户。”j 1 2 1 1 虚拟产品开发的特点 虚拟产品开发具备以下三个主要特点： 1 ) 数字化方式。虚拟产品开发是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映像。 虚拟产品开发数字化特征表现在：一是产品存在的数字化，在产品开发过程的不同阶段， 直至成品出现之前，都以数字化方式存在，成为产品的数字化模型；二是开发管理的数 字化，在产品开发过程中，开发过程的管理采用数字化的方式，开发网络的任务是以数 字化方式确定和分配的；三是信息交流的数字化，在产品设计制造的全生命周期中，同 一阶段或不同阶段之间，如设计单位内部与设计与制造单位之间，产品信息的交流采用 数字化方式，基于数字化模型实现无纸化设计。 2 ) 产品全生命周期。虚拟产品开发是从产品研究、产品规划、产品设计、产品制 造、产品销售、产品使用到产品最终报废的产品全生命周期都在计算机上构造的虚拟环 境中实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且对产品 的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。 产品全生命周期的数字化是由c a d c a e c a m p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，产品数 据管理) 技术支持的。目前c a d c a e c a m _ p d m 有了进一步的发展，称为v p ( v i r t u a l p r o t o t y p e ，虚拟样机) p l m ( p r o d u c t l i f e c i r c l em a n a g e r ，产品全生命周期管理) 。 3 ) 网络协同。虚拟产品开发是开发网络协同的结果。产品本身及其开发过程的复 杂性，使得往往是由相关的部门和公司共同组成一个开发网络，协同开发。虚拟产品开 发的数字化特性以及现代网络技术的发展使得网络协同成为现实。 1 2 1 1 虚拟产品开发流程 虚拟产品开发最主要的特征是产品开发过程的数字化，彻底改变了传统的产品开发 流程。它将传统的产品设计一样机制造一测试评估一反馈设计的循环过程采用虚拟样机 技术，以数字化方式进行，避免了物理样机的蒂造，不仅有利于缩短产品开发周期和降 1 4 兰州理工大学硕卜学位论业 第一章绪论 低的产品开发成本，而且数字化模型和数字化方式的采用有利于协同工作的进行，使得 产：品全生命周期的统一成为呵能。如图1 1 7 所示虚拟j “品开发与传统产品开发比较。 传统产品开发流程 虚拟产品开发流程 图1 1 7 虚拟产品开发与传统产品开发流程比较 1 2 2 虚拟样机技术 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的一门新技术， 涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三维实 体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依 据。虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛应用，应用的领 域从汽车制造工业、工程机械、航空航天、造船业、机械电子、国防等诸多方面。 虚拟样机技术在设计的初级阶段一概念设计阶段就可以多整个系统进行完整的分 析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中 真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设计 方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机 技术是面向系统