一種薄壁跨板切斷工藝缺陷分析及改造方案研究

羅 綱，姚玲峰,，肖世德

LUO Gang1, YAO Ling-feng1,2, XIAO Shi-de2

（1. 成都紡織高等專科學校 機械工程學院，成都 611731；2. 西南交通大學 機械工程學院，成都 610031 ）

0 引言

一種薄壁大跨板結構如圖1所示 ，該零件材料采用Q235，壁厚2.3mm，長度規格有三種，分別為3000mm、4500mm和6000mm，在板兩端有三個異性孔。它的原始生產工藝流程如圖2所示，將剪切至合適尺寸的板材送入拉伸成型的生產線上，經拉伸成型后，由電鋸鋸斷，再由工人將切割好的跨板移至沖床，由沖床沖出異性孔，最后由人工打磨修邊。

圖1 薄壁大跨板結構圖

圖2 改造前大跨板生產流程圖

1 原設備切斷工藝分析

1.1 跨板受力分析

跨板采用電鋸鋸斷，電鋸安裝在側面，鋸刀由側部切入，在切割過程中跨板受力如圖3所示。工件受工作臺支撐力Fn，鋸片切割力 Ft作用，Ft作用于鋸片與工件接觸的法線方向。

圖3 跨板切割時受力分析

式中：Fx為 Ft在X軸上投影。

跨板側部在切割過程中，隨著鋸刀的切入，跨板底部受彎曲應力為變化的，但在刀齒切入初期，刀齒距跨板底部最遠，彎距最大，此時彎曲正應力最大。

式中：σFmax為跨板與鋸刀接觸截面的彎曲正應力；

M為跨板與鋸刀接觸截面上的彎矩；

W為跨板與鋸刀接觸截面的抗彎截面系數。

對于矩形截面：

按p=10KW ，φ=35°，n=400r/min，b=3m ，h=0.01m ，l=0.15m計算得：

遠大于Q235許用彎曲正應力[σ]=158MPa，必然造成板材底部變形。

1.2 鋸刀使用時間和工件表面質量關系

由于鋸刀切割過程振動大，刀具相對于工件磨損較大，影響工件表面質量，同時每一個刀齒在切割時受變幅交變載荷影響，刀具容易因疲勞失效造成刀具壽命降低，這些都將造成工件斷面粗糙，毛刺多。根據鋸刀使用時間的統計及工件表面質量的測量列出表1，并繪制圖4鋸刀使用時間和工件表面質量關系圖，由表及圖中可見鋸刀在連續使用120h后，斷面的表面質量S開始急劇下降，工件表面需從新手工打磨才能符合技術要求。

圖4 鋸刀使用時間和工件表面質量關系圖

表1 鋸刀使用時間和工件表面質量關系表

2 設備改造方案

經過進一步研究，發現用模具完成沖孔和剪切可以避免板材底部產生變形。在沖孔和剪切時，使用電磁離合器斷開電機和傳動機構，并同時對生產線制動，開始沖孔和剪切工作。沖孔和剪切工藝完成后，先松開制動裝置，再接通主電機，繼續送料。沖制完成后，由推料氣缸將廢料推出。整個方案工作過程如圖5所示，該方案工作過程比較連貫，避免電機的頻繁啟動對電機壽命的影響，同時也避免了對設備的大改。

圖5 改造后大跨板生產線示意圖

圖6 改造后大跨板生產流程圖

3 模具設計

3.1 模具結構設計

根據設備改造方案的分析，設計模具功能如下：模具能同時完成產品的沖孔和切斷，第一次沖孔為單工位工作，采用始用擋料銷定位，而后為雙工位工作，沖孔剪裁一體，一次將前板尾孔和后板始孔沖成，并保證對稱。模具結構如圖7～圖9所示。由于沖壓件為薄壁件，且有重疊部分，在沖壓時為防止工件變形，采用保型沖壓（如圖7所示），工件穿過保型塊，沖壓時彈簧被壓縮，切斷刀和沖孔凸模下行完成沖孔和切斷；開模時，上模上行，保型塊在彈簧作用下下行到兩側擋板位置，保持和送料高度平齊，拉伸裝置繼續送料，當達到送料長度后，行程開關控制沖床再次沖壓。

圖7 沖孔和切斷工藝模具上模結構圖

下模（如圖8所示）由兩塊保型凹模下方由墊塊墊高，以便清除廢料，廢料的清除可人工完成，也可安裝推料液壓裝置。

圖8 沖孔和切斷工藝模具上模結構圖

模具工作過程如圖9所示。

圖9 沖孔和切斷工藝模具工作過程圖

3.2 模具沖壓力計算

3.2.1 模具的沖裁力

式中：P孔為沖孔沖裁力；

P切為切斷力。

而沖孔沖裁力為：

式中： k為系數1.3；

n為孔數量；

t為材料厚度2.3mm；

τ為材料抗剪強度：300MPa。

將數值帶入公式：

3.2.2 模具的卸料力計算

式中，k卸為卸料力系數。

3.2.3 模具的頂件力計算

式中，k頂為頂件力系數。

3.2.4 用彈性卸料和上出料方式的總沖壓力

3.3 模具壓力中心確定

由圖10可知，沖孔切斷成對稱布局，故壓力中心為切斷中心。

圖10 壓力中心

3.4 壓力機選擇

壓力機選用時需滿足：

式中P公為壓力機公稱壓力。

即：

可選用J23-90型壓力機，其公稱壓力為900kN。

4 大跨板前后工藝對比

表2 前后工藝對比

5 結束語

改造后采用模具替代鋸刀完成切斷工藝，避免了用鋸刀切斷薄壁跨板時造成的跨板板材切斷面底部變形，提高了工件斷面質量。

使用改造后工藝可以一次完成產品的沖孔和切斷，在加工過程中只需要兩個人進行成品的收集便可完成，機器調試好后，機器即沿工件導軌連續生產，這樣減少了二次加工造成的人力浪費，節約了成本。

采用模具沖切直接成型，防止多次搬運工件造成的工件表面劃傷，保證了工件的良好外觀。

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