多工位母线加工机剪切机构设计

- I -摘 要多工位母线加工机是对母线实现多工位加工的机器，主要有剪切、折弯、冲孔三种加工方式。本文介绍了剪切机构部分的设计，剪切机构主要是对不同规格的母线完成剪切加工工序。该剪切机构主要是由液压缸和剪切机构两大部分组成，液压缸由活塞杆和缸体组成，是该剪切机构的动力组成部分，液压动力很容易实现直线运动，而且重量轻、运动惯性小、控制方便，还具有过载保护功能，方便实现自动化控制，它是实现剪切功能的最佳动力；剪切机构主要由上、下剪刀构成，该剪切机构采用了一体式框架结构，使系统的动态刚度有了大幅提升。下剪刀与活塞杆相联，上剪刀与缸体相联，在油压作用下，缸体带动上剪刀做上下往复运动完成剪切动作。该剪切机构设计合理，不仅实现了多种型号的母线剪切功能，也为简单便携的液压剪切机的设计提供了良好的设计思路。关键词：多工位；母线加工机；剪切机构- II -ABSTRACTMultistage bus bar manufacturing machine is to realize the bus multistage processing machine, basically have shear, bend, punching three processing mode.This paper introduces the design of shearing mechanism parts .Shearing mechanism is mainly to the different specifications of busbar complete shear machining operations .The shearing mechanism is mainly composed of hydraulic cylinder and shear institutions two main components.Hydraulic cylinder composed by the piston rod and cylinder shearing mechanism is the dynamic component.Hydraulic power are easy to achieve linear motion and light weight, convenient control motion inertia, small, still have overload protection function, convenient automatic control .It is to achieve optimum power shearing functions .Shearing mechanism is mainly composed of scissors and next scissors form .The shearing mechanism adopted one-piece frame structure, make the system dynamic stiffness was greatly ascend.Associated with piston rod under scissors, associated with the scissors cylinder .In hydraulic cylinder driving under the action of the scissors, cutting and reciprocating motion finish do movements .The shear mechanism design is reasonable, not only implements multiple types of busbar shearing functions, but also for simple hydraulic shear machine and portable design provides a good design ideas .Key words：multistage ; Bus bar manufacturing machine; Shearing mechanism - III -目 录摘要.IABSTRACT.II 1 前言. .11.1 国内外研究现状及应用. .11.2 研究目的和意义. .21.3 主要内容.22 总体方案设计.33 母线加工机剪切机构介绍.43.1 多工位母线剪切机构组成.43.1.1 滑座. .43.1.2 上模座. .53.1.3 上剪刀. .53.1.4 下剪刀. .53.1.5 导向板. .63.1.6 下模座. .63.1.7 油缸. .73.2 多工位母线剪切机构功能介绍 .83.2.1 剪切机构整体结构. .83.2.2 剪切机构作用. .83.2.3 剪切机构加工特点. .84 液压缸.84.1 液压缸设计 .84.1.1 功能原理. .84.1.2 计算公式. .84.1.3 公式说明. .94.1.4 计算过程. .9- IV -4.1.5 油缸行程. .104.2 液压缸的装配. .104.2.1 缸体与缸盖的连接. .114.2.2 活塞与活塞杆的连接. .124.2.3 油缸密封件的选用. .134.2.4 液压缸装配图. .145 剪刀.155.1 剪刀的功能. .155.2 剪刀材料的选取. .155.3 剪刀的尺寸设计. .165.3.1 上剪刀（凸模）. .165.3.2 下剪刀（凹模）. .186 导向机构介绍. . .197 总体方案设计.217.1 原理图.217.2 工作原理.218 有限元分析.228.1 滑座的受力分析 .228.2 有限元分析情况 .239 结论.24参考文献.25致谢.26附录. . . . .23- 1 -1 前言1.1 国内外研究现状及应用从 19 世纪中叶开始，电动机得到发明应用，工业就开始步入电气化时代，这标志着传统工业经济时代发展到了鼎盛时期而电气工业时代开始蓬勃发展。随着电气化时代的推进对电器设备需求日益增多，对电力需求也在逐渐增加，用于电力安全和输送的高低压开关柜、变压器等制造行业也得以高速发展。高低压开关柜、变压器制造过程需要大量各种规格的铜、铝母线，并需要对母线完成冲孔、剪切、折弯加工，这是一项十分繁杂的工作，而且加工的好坏直接影响到产品的质量。多工位母线加工机是专门为完成这项工作而设计产生的，它是参考国外先进的设计理念并结合国内生产实际为提高工作效率及产品质量和保证安全而设计的配套设备。最适合制作大型的电控箱及输配电建设工程的施工现场使用。多工位母线加工机主要适用于高低压开关柜、变压器制造行业，用于加工各种规格的铜、铝母线。可以分别进行母线冲、剪、折加工，每个加工单元的工作行程均可方便地调节, 可减少加工时间, 提高生产效率，节约生产成本。通过更换模具还可以实现多种用途的加工功能，机器配有手动按钮和脚踏开关两种操作方式, 操作简单, 使用灵活方便。多工位母线加工机其实是工具机，能耗、占地面积少，操作简便灵活，它的研制不仅使工序减少，缩短了产品生产周期，而且成本大大减少。多工位母线加工机主要由机械系统和液压系统组成，机械机构主要包括冲孔单元、剪切单元和折弯单元。液压传动又称流体传动，这是一门新兴技术是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理发展而来的，液压传动有许多突出的优点，它在工农业生产方面应用十分广泛，例如加工机械，工程机械，军工机械，水利机械，农用机械等。液压传动和机械传动、电气传动相比：液压传动的各种元件，可以根据需要灵活方便地来布置；可实现大范围的无级调速（调速范围达 2000：1），还可自动实现过载保护；其重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快，操纵控制方便；液压传动一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；液压传动很容易实现直线运动；还很容易实现机器的自动化，而且可以实现遥控。国外对液压传动的应用开始的较早，应用的量也很大，早在1941-1945年第二次世界大战期间,美国机床中有30%就应用了液压传动。近年来我国液压技术也在突飞猛进的发展，国内关于液压应用研发也取得了一定的成果。应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动,1956 年成立了 “液压工业会” 。近20-30 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。然而国内的液压机虽然种类齐全，但在技术含量相对较低，品质相对低下，缺乏技术含量高的高档机型，这与机电液一体化，中小批量柔性生产的发展趋势不- 2 -相适应。中国液压机行业经过半个世纪的发展，在技术及生产上基本上已经成熟，但和国际发达国家的技术相比尚有较大的差距。1.2 研究目的和意义当今社会是电器和信息时代，对电力的需求空前的高涨。在安全环保、绿色节能的主题下，人们对变压器和高低压开关柜的需求也是与日俱。随着需求的增加，传统的变压器和高低压开关柜的加工方法已经不能满足生产和生活需要。针对需要对传统的加工方法就要做出相应的改进。多工位母线加工机就是对传统加工工艺改进后而设计出来一个专用的母线加工机器。变 压 器 和 高 低 压 开 关 柜 在 制 作 的 过 程 中 都 需 要 把 大 量 的 母 线 剪 切 、 冲 孔 和 折弯 等 工 序 ， 需 要 大 量 的 重 复 工 序 ， 在 高 低 压 电 器 、 变 压 器 制 造 行 业 ， 铜 、 铝 母 线的 种 类 繁 多 ， 不 同 的 变 压 器 、 电 控 柜 对 其 有 着 不 同 的 要 求 ， 而 且 传 统 的 剪 切 、 折弯 和 钻 孔 的 加 工 方 法 给 母 线 表 面 的 质 量 会 带 来 很 大 的 影 响 ， 另 外 在 实 际 的 工 作 现场 由 于 工 具 等 因 素 的 限 制 ， 就 更 加 难 以 保 证 母 线 的 加 工 质 量 。 多 工 位 母 线 加 工 机就 是 一 个 专 门 加 工 母 线 的 专 业 设 备 ， 它 的 加 工 针 对 性 强 ， 结构简单，操作方便，安全性能高，实用性强。多工位母线加工机是顺应时代发展和实际生产要求应运而生的一种设备，它可以对不同规格的铜铝等材料的母线进行剪切、折弯、冲孔加工，所需工时少，加工质量高，生产效率高。在高低压开关柜、变压器等需要母线加工行业需求量巨大，具有很大的市场需求。随着电力的不断发展，不仅在变压器和高低压开关柜生产中需要专业设备，而且在生产现场对设备的维修量越来越大，相应的也需要专业设备来完成维修工作。便携式母线剪切，折弯，冲孔机需求量在逐渐增加，多工位母线剪切机构设计就是对便携式母线剪切机设计的一个平台。对母线剪切机构作出相应的改动，液压泵在电机驱动下就可以给母线剪切机构提供动力，就形成了携带十分方便的母线剪切机。其需求量巨大，市场前景十分广阔。1.3 主要内容多工位母线剪切机构是在液压缸驱动下，带动上、下剪刀对母线进行剪切加工的专用的机械机构。一体式框架机构的机构设计操作方便安全，使用简单快捷，加工母线规格多样，质量可靠有保证。具体设计过程是根据液压系统最高压力和油缸行程以及最大冲裁力设计液压缸和机械机构的整体尺寸，由加工材料的最大尺寸设计刀具。根据计算查询液压缸的国家设计标准，选取液压缸、液压杆及活塞的直径和材- 3 -料。根据加工材料和尺寸设计刀具尺寸和选取刀具材料。由刀具尺寸及油缸等综合考虑设计框架结构，并对其进行受力分析结构优化。根据计算和实际需要综合考虑对刀具安放模具进行设计。最后绘出液压原理图。2 总体方案设计多工位母线剪切机构，由机械结构和液压系统两部组成，是在液压动力的作用下，带动机械部分的剪切的机构完成对母线的剪切动作。针对多工位母线加工机的工作特点和加工需求，对多工位母线加工机剪切机构进行结构分析和设计提出设计方案。方案一剪切单元主要由上刀架、上刀片、下刀片、弹簧压料缸、导向联接板、液压缸、油缸底座等几部分组成，其结构示意图如图 2.1：剪切单元是框架结构，上刀片固定在上刀架内，下刀片是可以通过 3 个调节螺钉调整的，可以调整上、下刀片的间隙，从而调整加工母线的剪切质量。弹簧压料缸主要是用来防止工件的翘起，减少刀片磨损。其剪切功能的实现是，液压缸置于框架内，缸体与油缸座相联，活塞杆与下刀座相联，利用液压缸缸体的移动，带动框架往复上下移动，完成剪切动作。2.1 剪切单元结构示意图方案二- 4 -剪切单元是一体式剪切单元，由滑座、上模坐、上剪刀、下剪刀、下模座及油缸等组成。其结构示意图如图 2.2：上上上上2.2 一体式剪切单元示意图本剪切单元设计也是框架结构，其框架结构有锻造毛坯直接加工而成，安装剪切模具方便，将上剪刀，下剪刀放入滑座的模具卡槽内，两侧在由挡板固定一下就可以了。滑座与油缸法兰盘通过螺栓联接在一起，并通过活塞杆与下刀座相联，而下模座通过导向板固定在工作台上。其工作过程是把油缸活塞杆与下刀座相联，滑座与油缸体一起在液压系统的作用下带动上刀片向下运动完成剪切动作。以上两种方案都是采用框架结构设计，方案二是一体式剪切结构相对于方案一结构更加简单，安装方便，易于操作，而且能够完成设计要求和满足工作需要，因此方案二的设计更加合理简单，明显优于方案一，所以选取方案二作为设计方案。3 母线加工机剪切机构介绍3.1 多工位母线剪切机构组成3.1.1 滑座滑座控制剪切机构行的框架结构，其尺寸是由油缸缸体的大小和上模座的尺寸- 5 -大小得到的，材料用 45 号钢，结构如示意图 3.1 。上面凹槽是安放上模座和上剪刀的位置，下面的圆孔是安装活塞杆的位置。滑座和液压缸体用 8 个 M16 螺杆相连接，在剪切过程中缸体连同滑座一起运动。图 3.1 滑座3.1.2 上模座上模座即为上剪刀的刀座，上剪刀焊接在上模座上，上模座安放在滑座上部的凹槽里，滑座的运动带动上模座运动，就带动剪刀做上下往复直线运动。上模座的结构如图 3.3。其尺寸由刀体的大小来决定，材料用 45 号钢。3.1.3 上剪刀上剪刀焊接在上模座上，上模座安放在滑座上部凹槽内，滑座带动上模座继而带动上剪刀做上下往复直线运动，上下直线运动的上剪刀和下剪刀配合对母线起剪切作用，上剪刀分为刀座（上模座） ，和刀体两部分，焊接连接在一起，焊后要经过精加工。剪刀尺寸由凸模模具计算得到，设计计算过程和材料选取在有详细说明。其结构如示意图 3.3 上图 3.2 上剪刀- 6 -3.1.4 下剪刀下剪刀一共有两块儿，分别安放在下模座上，中间留有间隙，供上剪刀通过，下剪刀和上剪刀配合做相互直线运动来完成对母线的剪切功能，安放在下刀座（下模座） ，两块剪刀一件加工 2 个 M6 孔另一个不加工，其结构示意图如 3.4。尺寸由凹模模具计算得到，设计计算过程和材料选取见图 3.3 下剪刀3.1.5 导向板导向板装配在下模座上，连接下剪刀和活塞杆，与滑座相连做相对直线往复运动，两侧的螺孔是将剪切单元与外界连接固定起来的螺孔。起结构示意图 3.5。尺寸根据滑座和下模座的尺寸得到。加工过程中将其调质处理 HB220245。.- 7 -图 3.4 导向板3.1.6 下模座下模座装配在油缸定位座上，下剪刀又装配在下模座上，它将活塞杆和下剪刀连接在一起。尺寸由活塞杆直径和滑座、下模座决定。中间镗直径 66mm 空深度为10mm 用于和活塞杆配合。结构如图 3.5。上面安装下剪刀，下面安装油缸定位座。.图 3.53.1.7 油缸油缸是整个剪切结构的动力系统，由缸体、活塞、活塞杆组成。缸体与滑座相联，活塞杆与下模座相联,在剪切时，活塞杆固定，在液压作用下，液压缸体带动滑座，做上下往复直线运动，相应的带动了上、下剪刀做上线往复直线运动。结构如图3.6。尺寸材料选择和设计过程见 4 液压缸。- 8 -上上图 3.63.2 多工位母线剪切机构功能介绍3.2.1 剪切机构整体结构多工位母线剪切机构是专门对母线完成剪切加工工序的一个单元，该机构主要有剪切机构机械部分和动力系统液压缸组成。3.2.2 剪切机构作用多工位母线剪切机构适用于高低压开关柜、变压器制造行业中对规格为12 150mm 以下的各种铜、铝母线的剪切加工。3.2.3 剪切机构加工特点剪切采用斜刃剪切，剪切力小，剪切加工的工件平整，无毛刺，生产效率高。4 液压缸4.1 液压缸设计4.1.1 功能原理 液压系统是整个剪切单元的动力系统，它由液压缸缸体活塞以及活塞杆组成，在内部介质（液压油）的压力作用下，推动活塞带动活塞杆与缸体作直线往复相对- 9 -运动。液压系统十分容易实现直线运动，用作剪切动作的动力十分适合。全封闭的结构设计使用起来安全可靠。本设计是是缸体与框架相联，活塞杆与下模座相联，在液压作用下，带动上、下剪刀做相对直线往复运动，完成剪切动作。4.1.2 计算公式 （1）压力压强面积关系公式：（4.1）SPF（2）面积直径关系公式：21dS（4.2）（3）液压缸体壁厚计算公式： （4.3）2DPy（4）液压缸体外径公式： （4.4）1（5）液压缸盖厚度计算公式：0.433 （4.5）tyPD24.1.3 公式说明P 是系统最高压力值为；F 是系统工作循环中最大的外负载值为，即最大冲裁力；S是活塞的端面面积；d 是活塞杆直径；d 1是活塞直径；D 是液压缸体的内径，D 1 是液压缸体的外径； dD 是活塞杆直径与液压缸内径之比； 为液压缸壁厚；P y 是试验压力，一般取最大工作压力的 1.252.5 倍；为缸筒材料的许用应力，其值为：锻钢 =110120MPa,铸钢=100110MPa ，无缝钢管 =100110MPa，高强度铸铁=60MPa，灰铸铁=25MPa。在此选 45 刚作为缸体材料，取 =110Mpa4.1.4 计算过程由公式（4.1）可以求得活塞直径 d1,查表 4.1 可以得到液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的关系，近似 d1=D 计算得到活塞杆的直径 d，再查表 4.2 和表 4.3 可以选取选用的液压缸内径 D 和活塞杆直径 d， ，由公式（4.3）求得壁厚 ，由（4.4）求取液压缸外径 D1；由（4.5）求得液压缸底盖的厚度。（1）计算活塞面积 S：- 10 -=0.01(m2)MPaKNFS250（2）计算活塞直径 d1：=112.87(mm)14.3（3）近似计算液压缸内径 D：Dd 1（4）查表 4.2 选取：D=125(mm)（3）计算液压缸壁厚 ： = =18.93(mm)2Py1025.（4）计算液压缸体外径 D1： =125+218.93=162.86(mm)（5）计算液压缸盖厚度 t：0.433 =0.4331252 =40.31(mm)yP2105.表 4.1 液压缸内径 D 与活塞杆直径 d 的关系按机床类别选取 dD 按液压缸工作压力选取 dD机床类别 dD 工作压力 p (MPa) dD磨床、珩磨及研磨机床0.20.3 2 0.20.3插床、拉床、刨床 0.5 25 0.50.58钻、镗、车、铣床 0.7 57 0.620.70 0.7 0.7表 4.2 液压缸内径尺寸系列 GB2348-80 （mm ）8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 (90) 100 (110)125 (140) 160 (180) 200 (220) 250320 400 500 630注：括号内数值为非优先选用值。表 4.3 活塞杆直径系列 GB2348-80 (mm)- 11 -4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 4004.1.5 油缸行程液压缸工作行程长度，一般可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，本设计中行程给定为 50mm,符合国标规定，如表 4.4。表 4.4 液压缸活塞行程参考系列 GB2349-80 (mm)25 50 80 100 125 160 200 250320 400 500 630 800 1000 1250 16002000 2500 3200 400040 63 90 110 140 180 220 280360 450 550 700 900 1100 1400 18002200 2800 3900240 360 300 340 380 420 480 530600 650 750 850 950 1050 1200 13001500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800注：液压缸活塞行程参考依、次序优先选用。4.2 液压缸装配4.2.1 缸体与缸盖的连接液压缸的缸体与缸盖的连接形式与缸体材料、工作压力还有工作条件有关，表4.5 是几种常见的连接方式。结合多工位母线加工机的工作特点从表中选取法兰连接作为缸体与缸盖的连接方式。表 4.5 液压缸缸体与缸盖的连接形式连接方式 结构形式图例 优缺点- 12 -法兰连接优点：（1） 结构简单。成本低（2）容易加工、便于拆装缺点：（1）径向尺寸较大（2）重量比螺纹连接的大；缸体为钢管时，用拉杆连接的重量也较大（3）用钢管焊上法兰、工艺过程复杂螺纹连接优点：（1） 外形尺寸小（2） 重量较轻缺点：（1）端部结构复杂、工艺要求较高（2）装拆时需要专用工具（3）拧端盖时容易损坏密封圈外半径连接优点：（1）结构简单（2）加工装配方便缺点：（1）外形尺寸大（2）缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚内半径连接优点：（1）外形尺寸较小（2）结构紧凑，重量较轻缺点：（1）缸筒开槽，削弱了强度（2）端部进入缸体内较长，安装时密封圈易被槽口擦伤4.2.2 活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆连接形式分为整体式和组合式连，组合式连接又包括螺纹连接、半- 13 -环连接和锥销连接。表 4.6 是以上几种连接方式，结合母线加工机工作特点，选取整体式结构方式。表 4.6 液压缸活塞与活塞杆的连接形式 连接方式 结构形式图例 特点整体式机构结构简单，适用于缸径较小的液压缸螺纹连接结构简单，在振动的条件下工作容易松动，必须用锁紧装置。在组和机床与工程机械上应用较多半环连接机构简单，装拆方便，不易松动，但会出现轴向间隙。多应用在压力高、负荷打、大、有振动的场合锥销连接结构可靠，用锥销连接，销空必须配合铰，销钉连接后必须锁紧，多用于负荷较小的场合4.2.3 油缸密封件的选用活塞与活塞杆在工作中需要承受很大的压力，处于工作压力和安全因素的考虑，- 14 -活塞和活塞杆需要密封装置，防止油压泄露。表 4.7 是常用液压缸常用的密封件，根据工作压力和工作环境从表中选用合适的密封件。表 4.7 活塞和活塞杆密封件的使用参数密封部位类型活塞 活塞杆截面简图材料 压力（MPa ）温度（C）速度（m/s）摩擦/泄露用途NBR -30+130O 型圈 FPM6-15+1800.5 中/低 通用O 型圈加挡圈 NBR+PTFE 35 -30+130 0.5 中/低 通用 NBR 10 -30+100 通用高低唇Y 型圈NBR+夹纤维20 -20+100 0.5 中/低柱塞缸Y 型圈 NBR+夹纤维25 -30+120 0.5 微/中 机床、农机 型圈 NBR+夹纤维 40 -30+120 5 微/中机床、农机 型圈 NBR+夹纤维 40 -30+120 1 微/中机床、农机V 型圈 NBR+夹纤维 63 -30+130 0.5 大/极微挖土机、注塑机、压力机、打桩机活塞环 铸铁25 350 0.310 小/高高速液压缸、缸筒多孔缓冲液压机4.2.4 液压缸装配图根据以上计算和按国标选取标准，选用 63mm 活塞杆，125mm 缸体内径 H9 配合基- 15 -准，壁厚 10mm,缸体外径为 165mm，活塞直径为 125mm、f8 配合基准。液压缸在运行过程中，工作压力为 25MPa，最大压力为 311MPa，要保证活塞杆与焊接法兰的垂直度，油缸密封要良好不得漏油。 上上上图 4.15 剪刀5.1 上下剪刀的功能多工位母线加工机剪切机构是对母线完成剪切加工工序的一个单元，在剪切过程中，液压缸充当动力，而剪切机构是执行结构。在剪切过程中，上、下剪刀相互配合，对放入工作台上的母线，直接进行剪切操作。上、下剪刀配合严密，在液压缸的作用下，对母线完成剪切加工。5.2 剪刀材料选取母线由铜、铝材料构成，多工位母线加工机剪切机构是对母线进行剪切加工，上、下剪刀在直接用作在母线上，这就是剪刀材料和母线材料的相互作用。综合考虑既要保证高质量的完成剪切加工，又要保证剪刀的使用寿命。在选取剪刀材料时- 16 -要考虑被加工对象的材料特性 ，同时在切割过程中又有磨损发热，这就要求剪刀有足够的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，较高的耐热性，也要有较好的经济性。多工位母线加工机剪切机构的上下剪刀，实则是冲压模具的上下凸凹模，剪刀的剪切过程其实是靠剪切模具的凸凹模相互作用来完成的，因此在剪刀选材上就应考虑制作冲压模具的材料，还要考虑被加工材料的特性，两方面结合选取符合要求的剪刀材料。表 5.1 是铜铝母线的物理性能。用于制作冲压模具的材料有钢材、钢结硬质合金、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、高分子材料等等。目前，钢材是制造冲压模具的首选材料，在模具工作部件选用的材料种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等。碳素工具钢 在模具中应用较多的碳素工具钢为 T8A、T10A 等，碳素工具钢优点是加工性能好，价格便宜。但是淬透性和红硬性比较差，热处理变形比较大，负载能力较低；在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素就形成了低合金工具钢。它和碳素工具钢相比，淬火变形和开裂倾向减少了，钢的淬透性提高了，而且耐磨性也比较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV 等；高碳高铬工具钢具有热处理变形很小，有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性的优点，为高耐磨微变形模具钢，拥有仅次于高速钢的承载能力。但由于碳化物偏析严重，需要经过反复镦拔改锻，使碳化物的不均匀性降低，提高使用性能。一般常用的高碳高铬工具钢有Cr12 和 Cr12MoV、Cr12Mo1V1 等；高碳中铬工具钢含有少量的铬元素，共晶碳化物比较少，碳化物均匀分布，热处理后引起的变形很小，它具有良好的尺寸稳定性和淬透性。和碳化物偏析比较严重的高碳高铬钢相比，性能上有了改善。常用于模具的高碳中铬工具钢有 Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV 等；高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。另外高速钢也是需要改锻的 ，需要改善其碳化物分布 。模具材料中常用的高速钢有 W18Cr4V（代号 8-4-1）和含钨量较少的 W6Mo5 Cr4V2（代号 6-5-4-2，美国牌号为 M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号 6W6 或称低碳 M2）；在高速钢的基础上添加适量的其它元素，适当增减含碳量改善钢的性能，由这种方法得到的钢种统称基体钢。基本钢既有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且还有优于高速钢的抗疲劳强度和韧性，基本钢是高强韧性冷作模具钢，却有着比高速钢材料成本低的优点。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号 65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号 LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号 012AL）等；硬质合金有着硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢的优点，但也有抗弯强度和韧性差的缺点。钨钴类的硬质合金是用作模具的硬质合金材料，对模具有耐磨性高和冲击性小要求时，可选用含钴量较低的硬质合金。对与要求冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。钢结硬质合金是以铁粉加入少量的如铬、钼 、钨、钒等合金元素粉末做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合- 17 -金的基体是钢，却克服了硬质合金加工困难韧性较差、的缺点，可以焊接、切削、锻造和热处理。在钢结硬质合金中含有大量的碳化物，硬度和耐磨性与硬质合金相比较低，但仍高于其它钢种，硬度经淬火和回火后可达 68 73HRC ；表 5.1 铜铝合金母线铜和铝合金母线全部规格型号 抗拉强度N/mm3伸长率%布氏硬度HBTMR、THMR 206 35 TMY、THMY 65Cr12MoV 钢作为模具钢广泛应用于模具行业，其淬透性、淬火回火的硬度、耐磨性、强度都较高，热处理变形小，在截面积 300400mm2 以下都可完全淬透，温度在 300400oC 时依然保持有较高的硬度和耐磨性。Cr12MoV 适用于截面较大、形状复杂、承受冲击载荷大的各种冷冲模具和工具，例如剪切材料、冲孔凹模、滚边模、切边模、圆锯、标准工具和量规、螺纹滚模等。结合刀具材料和模具钢材料的分析，选取上、下剪刀的材料为 Cr12MoV 即符合设计的工作要求。5.3 剪刀尺寸设计5.3.1 上剪刀（凸模）根据剪刃的形状剪刀可分为平刃剪和斜刃剪两种。用平刃剪剪切金属板料时，由于上、下剪刃在瞬间全部剪切板料，这样会是条料平整，精度较高。适合剪切比较厚而且窄的条料。其剪切力为：（5.1）)(NKBtP式中：t板料厚度（mm）板料剪切强度（N/mm 2）K修正系数，其值为 1.11.3斜刃剪上、下剪刀呈一定角度 ，在剪切过程中只有一部分板料被剪切，所以大大降低了瞬间剪切力。其值为：（5.2）)(221NtgKctp式中：t板料厚度（mm）- 18 -板料剪切强度（N/mm 2）K修正系数，其值为 1.11.3上、下剪刃之间的夹角。由（52）式知道，斜刃剪床的剪切力只与板料的厚度有关系，与两个剪刃的夹角的正切值成反比，而与板料的剪切宽度无关。斜刃剪刀的剪切力小于平刃剪刀的剪切力。夹角不易过大，一般取值是 1060。根据设计要求，选取斜刃剪刀作为本次设计的剪刀刀型，并将剪刀的角度定位为 50。在模具设计中，对于凸模的长度确定依照下面的公式：L=H 固 +H 卸 +H 尺 +(1220)（mm） （5.3）式中： H 固 凸模固定板厚度（mm） ；H 卸 卸料板（导板）厚度（mm） ；H 尺 导尺深度（mm） 。计算：L=15+20+ 30+20=85（mm）上剪刀尺寸形状图 5.1 所示20图 5.1凸模材料和技术要求，材料选用 C12MoV,刃口淬硬至 HRc5662，剪刃保持尖角。5.3.2 下剪刀（凹模）凹模在冲裁时受冲裁力和侧向力的作用，由于凹模的结构复杂形式不一，目前尚不能用理论计算方法准确的计算出凹模的尺寸，以下经验公式是在生产中经常使用的计算凹模尺寸的方法。凹模厚度:H 凹 =Kb（mm） (5.4)凹模壁厚：C=（1.52）H 凹 （mm） (5.5)- 19 -式中：K系数，查表可知；b冲裁件最大外形尺寸 通过计算得到，本设计的凹模厚度选取 25mm,凹模壁厚选取 50mm，其结构尺寸如图 5.3凹模技术要求：材料选用 C12MoV,毛坯球化退火，刃口淬硬至 HRc5662，剪刃保持尖角，除剪刃外其余锐边倒钝。6 导向机构介滑座在剪切机构单元有十分重要的导向作用，滑座一方面通过螺栓与液压缸体相连接，一方面又通过模座与上剪刀相连接，在剪切过程中，活塞杆与下模座，下剪刀都是固定不变的，而是缸体在液压作用下带动滑座再在做直线往复运动，这样就使上剪刀和下剪刀有了相互的直线往复运动，从而完成剪切的动作。滑座与导向板正好配合在一起，即保证了活塞杆与缸体的严格直线运动，又保证了上、下剪刀的紧密配合运动，保证了剪切质量。滑座底端加工有直径 70mm 的空，这是液压缸的装配孔，另外在两侧还加工有 8 个 M16 螺纹孔，这是滑座与液压缸装配用的螺纹孔。上面的卡槽是装上模座的。如图 6.1- 20 -图 6.1油缸定位槽安装在活塞杆上面，其上面安装下模座，两侧加工了用于装配的螺孔和销槽，另外在内部的一侧还留有排屑空，它是用于排出剪切废料（如图 6.2） 。下模座中间写有走刀孔，内部一侧还开有排泄孔废料经过这个孔，排入也油缸定位座（如图 6.3） ，继而排出剪切机构外部。- 21 -图 6.2图 6.3另外油缸缸体和活塞杆在做相互直线时，要保证不变的直线度，主要是靠导向板和滑座的配合完成的。7 液压原理图7.1 原理图- 22 -液压系统主要包括变量柱塞泵，过滤器，叠加溢流阀，液位液压温度计和电磁换向阀。工作原理如图 7.1 所示。在电动机带动下变量柱塞泵向系统提供最高压力为 31MPa 的液压油，经过叠加溢流阀和测试软管的溢流和测压，将系统的压力维持在 25MPa 左右。以便保护系统，减少液压系统各种元件的压力冲击。通过电磁换向阀产生往复直线运动。图 7.1注：1- 液压液温计；2- 空气滤清器；3- 滤油器；4- 电机；5- 测压软管； 6- 耐震压力表；7- 电磁换向阀；8- 油缸；9- 电磁换向阀；10- 叠加溢流阀；11- 变量柱塞泵；12- 油箱7.2 工作原理液压系统的工作时的动作顺序表如表 7.1 所示.表 7.1 剪切单元液压系统动作顺序表YV1 YV2 YV3 SP M启动 +剪切 下行 + + +动 作名 称执 行元 件- 23 -上行 + + +注：表中“+”表示响应的执行元件带电动作液压各部分的主要组成元件的作用（1）轴向柱塞泵，是把电动机的机械能转换成液压系统中油压压力能量的能量转换装置， 。轴向柱塞泵具有结构紧凑，功率密度大，重量轻，工作压力高，容易实现变量等优点。（2）油箱 由钢板焊接而成，清理油箱或更换滤油器时，先先打开放油阀将油放出。（3）电磁换向阀 电磁换向阀利用电磁铁的吸合力，控制阀芯运动实现油路（泵、油箱、油缸和其它装置之间的油液）换向。（4）电磁溢流阀 当系统的压力达到调定值时开始溢流，将系统的压力稳定在某一调定值上。8 有限元分析8.1 滑座的受力分析 完成剪切单元结构设计后，应用有限元分析软件，对剪结构的滑座进行了相关应力和应变分析，滑座的受力和变化情况如图 8.1 所示。图 8.18.2 有限元分析情况运用有限元分析法进行分析后，得到剪切单元滑座的应力与应变情况如表 8.1所示。表 8.1- 24 -分 析机 构施加载荷/KN 最大应力/MPa 最大应变/mm 最大应力附近的变形量/mm100 172 0.16 0.2200 312 0.41 0.4剪 切机 构300 490 0.69 0.7从图 8.1 中看出箭头所指的位置就是应力的集中点，施加载荷为 300KN 的剪切载荷是液压缸在 25KPa 的压力下能承受的最大的载荷，而滑座在施加 300KN 的载荷时产生的最大变形量大约为 0.7mm，通过观察分析可以得出，滑座的变形量大多在滑座的底部水平方向上，所以该结构的冲压性能可以满足设计要求。5 结 论随着我国改革开的继续推进，我国人们生活水平和工农业生产有了显著提高，对电业的需求也是空前的高涨，对变压器和高低压开关柜的需求也是逐渐增加。对- 25 -用于变压器和高低压开关柜的制造和维护用的多工位母线加工机需求量也在逐渐增多，多工位母线加工机市场需求量大、应用前景广阔。该设计采用国内和国际上主流使用的液压动力，操作安全无污染，采用了一体式整体框架结构设计，保证了对母线剪切加工的质量。通过有限元分析验证了机构的可靠性。在设计过程中，用到了模具制造和材料学以及相关的大量机械设计学的知识，该设计体现了机械设计的科学性，可行性，同时也突出了创新的设计理念，采用了更为安全可靠的框架结构。由于所学知识的限制，在设计中还有一些问题没有完全解决掉，例如在螺栓的选取上是参考借鉴了别人的使用经验，没有具体计算和校核验证，好在使用经验在机械设计学上也是一项重要的参考标准，对选取的螺栓等还是有信心的。再次剪切机构没有设计压料装置，在剪切时板料剪口处会发生一定的变形，有待于改进。本设计是做为多工位母线加工机的一个剪切单元，相应的如果把整个设计拿出来，可以设计成一个单独的母线剪切机，会更加便携，在使用时只需将连接电机的油泵和液压缸的进、出油口相连接，在油压作用下，将缸体放置地面，通过活塞的往复直线运动来完成剪切动作。参 考 文 献1昆明开关厂职工技协服务部.多工位加工母线液压机:中国， 97230402.9P.1999-05-12.2徐霞，丁和平，张华兵，陈乃建. 多工位液压母线加工机的改进设计 J.锻压装备与制造技- 26 -术，2007,(5):43-45.3徐霞，史絮，张华兵，陈乃建.多工位液压母线加工机的研制 J.机械工人，2007,（11）:77-78.4孙芹.多工位母线加工机液压系统分析J.英才高职论坛， 2007，(1):58-60 .5盛可，李建花.三工位母线加工机在电柜生产车间的应用 J.机械与电子，2009（33）:74-74.6蒙争争，宋雨芳.多工