銅排加工機剪切工站的改進設計

馮淑敏， 談 理

（上海應用技術學院 機電工程學院，上海 200235）

0 引言

高低壓開關柜及輸變電設備是電力行業及制造業不可缺少的配電設施，各配電器件間大電流的輸配均需采用銅排。銅排是截面為矩形或倒角（圓角）矩形的長導體，在電路中起輸送電流和連接電氣設備的作用，一般在配電柜中的U、V、W相母排和PE母排均采用銅排。銅排的加工質量直接影響到電線安裝的精確度甚至影響到電路傳輸的質量和功能，因此，對銅排加工設備的研究和設計有著重要的實際生產意義。

銅排加工機一般由沖孔、折彎及剪切三個工站組成，采用液壓驅動，由PLC實現各工序的控制，可自動完成對銅排的沖孔壓花、折彎及剪切工序，是電氣行業大批量加工母排的高效率小型機床。作為三個主要工站之一的剪切工站，其功能是將寬20～140mm、厚3～15mm的銅排切斷并保證切口的光滑及斷面的垂直度，該工站是銅排加工機設計中的重點和難點。

1 現有剪切工站設計不足之處

剪切工站的功能主要是完成銅排的剪切工序，本次設計中對剪切質量的要求是保證切口斷面光整，垂直度較高。

經調查發現市場上現有的大多數銅排加工機剪切工站設計采取一般的錯位剪切技術，結果切口往往不平整，且與銅排上下兩平面的垂直度不夠，剪切精度差。安裝剪切刀具的模架部分結構采取“U”型框架結構，該結構存在受力不均、長期使用后易產生變形等缺陷，從而無法保證剪切精度。

因此，本文在進行銅排加工機剪切工站的設計時，針對以上幾個方面的不足，分別從剪切方法、刀具結構、模架結構等多方面入手做了重大改進。

2 銅排加工機剪切工站的設計

2.1 剪切技術

目前的剪切技術分為錯位式剪切和沖剪。

2.1.1 錯位剪切

大多數銅排加工機剪切工站所采用的剪切方式如圖1(a)，屬于錯位剪切。這樣設計模具制造簡單，剪裁方式簡明，便于使用者理解、操作和維護。但銅排切口往往不平整，切口光滑區域小，切口傾斜，無法滿足使用要求。

2.1.2 沖剪

經過調研和相關資料分析，本設計采取沖剪方式，如圖1(b)。這種加工方式較剪切來說更類似于沖孔，只不過沖孔的形狀是一條很窄的矩形，是一種封閉剪切。沖剪時由于刀具切削刃兩邊都接觸銅排，兩邊受力對稱，因此加工出的銅排切口的整齊度和質量較前者好。

2.2 剪切工站的刀具設計

圖1 兩種剪切方式的比較

剪切刀具是銅排成型的主要工作部分。整套剪切刀具分為上下兩部分，上部分為上切刀，下部分為固定刀，左右各一，如圖1(b)所示，以上刀具向下運動的方式進行加工。這樣設計是考慮到銅排一般都放在較低處的加工臺上，定位和加工較為方便；其次在加工的時候可以充分利用刀具自身的重量，將其轉化為有用功，提高加工質量。避免了固定刀向上運動重力成為阻力這樣的弊端。

在刀具外形的設計中，一般有平刃口刀具和斜刃口刀具。用普通的平刃口刀具沖剪時，其整個刃口平面都同時接觸板料，故在沖裁大型或厚板工件時，沖裁力往往很大。若將刀具刃口平面做成與水平面傾斜一個角度，沖剪時刃口就不是同時切入，而是逐步沖切材料，這就等于減少了剪切斷面面積，因而可降低沖裁力，同時可以減小對刀具的沖擊，因此本設計采用斜刃口刀具。

下文是對平刃口及斜刃口刀具剪切力大小的計算及對比分析。

1）平刃口剪切力計算

由于采用沖剪方式，剪切面有兩個，則剪切力計算公式如下：

圖2 平刃口剪切

其中，T0—平刃口剪切力 （N）

Smax—最大剪切面積(mm2)，Smax=bmaxhmax

τmax— 銅排抗剪切強度(MPa)

由圖2可知，剪切面積Smax= bmaxhmax

hmax—銅排最大厚度(mm)

bmax—銅排最大寬度(mm)

經計算得：T0=2×140×10-3×15×10-3×150×106=6.30×105(N)

即平刃口剪切力為6.30×105(N)。

2）斜刃口剪切力計算

圖3 斜刃口剪切

可將刀具做成一定傾角θ，如圖3所示。若θ較大，將導致切刀將銅排向右側推出，若θ太小，改善效果不理想，根據經驗將θ定為7.5°。

由于刀具為斜刃口，因此沖剪時刃口不是同時切入銅排，而是逐步切入，那么實際剪切寬度并非h，相應地實際剪切面積也并非bh，此時，實際剪切面積是如圖所示的陰影部分（通常情況下是一個直角三角形）。剪切力T1為：

由圖3可知，剪切面積Smax=0.5×(hmax/tanθ)×hmax

經計算得：

T1＝2.56×105N

計算可知：斜刃口的剪切力為2.56×105N。

將(1)、(2)計算結果進行對比，T0/T1=2.46

由計算結果可見，因為這個傾角，剪切面積減小了，因而使剪切力相應減小近2.5倍。而剪切力的減小一方面提高了刀具的使用壽命和剪切口的斷面質量。另一方面，由于剪切力的減小，提供上、下切刀相對運動的液壓系統驅動力也相應減小，那么在選擇油缸和電動機時，就可以選擇功耗較小的型號，其外形尺寸也會相應減小，可使整臺銅排加工機體積更加精巧。因此，本設計選擇斜刃口剪切刀具是合理的。

普通上切刀的整體形狀很簡單，沒有導向設計，只有一個斜角，如圖4(a)。但如果將外形設計成如圖4(b)形狀，可以節省材料，左側伸出部分可起到導向作用，減少加工面積。

圖4 有導向與無導向上切刀的形狀比較

下切刀固定在底座上，又稱為固定刀。為了提供封閉式剪切，要用兩塊固定刀。刃口處的剪切間隙大小也是保證剪切光整的重要因素之一。間隙選擇合理，則斷面平直，光潔，毛刺小；而間隙過小，斷面兩端光亮帶大，中間撕裂面擠出毛刺；間隙過大，光亮帶減小，斷裂帶大，毛刺大。間隙的選擇還影響到尺寸精度以及刀具的使用壽命。

本文選用兩塊固定刀，可方便調節上下切刀之間的間隙，保證加工銅排的質量。

2.3 模架設計

模架是整套剪切裝置的主體支撐部分，是安放剪切刀具和連接液壓缸體的構件，須承受剪切時的沖擊力，因此模架的設計非常重要。模架結構要簡單，便于在其上面進行其它部件的安裝，模架還應拆卸方便而且耐沖擊。

現有設備沖剪模架的外形多采用“U”型框架結構，由三個獨立零件連接裝配而成，總體剛度較差，本文對此結構進行了改進，采用“O” 型整體結構的模架。如圖5 所示，分別為兩種框架的有限元模型圖，圖6所示為兩種框架的應力圖，圖7所示為兩種框架的變形圖。

由圖6和圖7對比可看出，在相同載荷作用下，“O”型框架比“U”型框架的應力及變形量均減小了近15%，因此，O型框架與U型框架相比，改善了受力，增加了剛度，變形小，應力小，可以有效的減小疲勞，提高使用壽命。而以現代加工水平加工圓盤式的“O” 型框架也比較容易，因此本文中選擇“O” 型結構的模架。

圖5 框架的有限元模型

圖6 框架的應力圖

圖7 框架的變形圖

3 結論

本次基于沖剪方式而設計的銅排加工機是一種新型銅排加工設備，與傳統采用錯位剪切方式的銅排加工設備相比，其切口更加平整，切口光滑區域帶更多；將上切刀設計出與水平成7.5°夾角的斜刃口，與傳統的平刃口剪切刀具相比，剪切力更小，不但可提高剪切刀具的使用壽命，而且使得提供剪切力的液壓系統的外形尺寸縮小，如液壓缸、液壓泵、電機等，因而也使整臺銅排加工機體積更加小巧；工站的主體支撐部分–模架采取 “O”型結構代替傳統的“U”型結構，使模架受力狀況得到改善，受力更均勻、耐沖擊，能有效保證模架及設備長期使用不變形，使用壽命更長。

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