一种薄壁跨板切断工艺缺陷分析及改造方案研究

罗 纲，姚玲峰,，肖世德

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

（1. 成都纺织高等专科学校 机械工程学院，成都 611731；2. 西南交通大学 机械工程学院，成都 610031 ）

0 引言

一种薄壁大跨板结构如图1所示 ，该零件材料采用Q235，壁厚2.3mm，长度规格有三种，分别为3000mm、4500mm和6000mm，在板两端有三个异性孔。它的原始生产工艺流程如图2所示，将剪切至合适尺寸的板材送入拉伸成型的生产线上，经拉伸成型后，由电锯锯断，再由工人将切割好的跨板移至冲床，由冲床冲出异性孔，最后由人工打磨修边。

图1 薄壁大跨板结构图

图2 改造前大跨板生产流程图

1 原设备切断工艺分析

1.1 跨板受力分析

跨板采用电锯锯断，电锯安装在侧面，锯刀由侧部切入，在切割过程中跨板受力如图3所示。工件受工作台支撑力Fn，锯片切割力 Ft作用，Ft作用于锯片与工件接触的法线方向。

图3 跨板切割时受力分析

式中：Fx为 Ft在X轴上投影。

跨板侧部在切割过程中，随着锯刀的切入，跨板底部受弯曲应力为变化的，但在刀齿切入初期，刀齿距跨板底部最远，弯距最大，此时弯曲正应力最大。

式中：σFmax为跨板与锯刀接触截面的弯曲正应力；

M为跨板与锯刀接触截面上的弯矩；

W为跨板与锯刀接触截面的抗弯截面系数。

对于矩形截面：

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

远大于Q235许用弯曲正应力[σ]=158MPa，必然造成板材底部变形。

1.2 锯刀使用时间和工件表面质量关系

由于锯刀切割过程振动大，刀具相对于工件磨损较大，影响工件表面质量，同时每一个刀齿在切割时受变幅交变载荷影响，刀具容易因疲劳失效造成刀具寿命降低，这些都将造成工件断面粗糙，毛刺多。根据锯刀使用时间的统计及工件表面质量的测量列出表1，并绘制图4锯刀使用时间和工件表面质量关系图，由表及图中可见锯刀在连续使用120h后，断面的表面质量S开始急剧下降，工件表面需从新手工打磨才能符合技术要求。

图4 锯刀使用时间和工件表面质量关系图

表1 锯刀使用时间和工件表面质量关系表

2 设备改造方案

经过进一步研究，发现用模具完成冲孔和剪切可以避免板材底部产生变形。在冲孔和剪切时，使用电磁离合器断开电机和传动机构，并同时对生产线制动，开始冲孔和剪切工作。冲孔和剪切工艺完成后，先松开制动装置，再接通主电机，继续送料。冲制完成后，由推料气缸将废料推出。整个方案工作过程如图5所示，该方案工作过程比较连贯，避免电机的频繁启动对电机寿命的影响，同时也避免了对设备的大改。

图5 改造后大跨板生产线示意图

图6 改造后大跨板生产流程图

3 模具设计

3.1 模具结构设计

根据设备改造方案的分析，设计模具功能如下：模具能同时完成产品的冲孔和切断，第一次冲孔为单工位工作，采用始用挡料销定位，而后为双工位工作，冲孔剪裁一体，一次将前板尾孔和后板始孔冲成，并保证对称。模具结构如图7～图9所示。由于冲压件为薄壁件，且有重叠部分，在冲压时为防止工件变形，采用保型冲压（如图7所示），工件穿过保型块，冲压时弹簧被压缩，切断刀和冲孔凸模下行完成冲孔和切断；开模时，上模上行，保型块在弹簧作用下下行到两侧挡板位置，保持和送料高度平齐，拉伸装置继续送料，当达到送料长度后，行程开关控制冲床再次冲压。

图7 冲孔和切断工艺模具上模结构图

下模（如图8所示）由两块保型凹模下方由垫块垫高，以便清除废料，废料的清除可人工完成，也可安装推料液压装置。

图8 冲孔和切断工艺模具上模结构图

模具工作过程如图9所示。

图9 冲孔和切断工艺模具工作过程图

3.2 模具冲压力计算

3.2.1 模具的冲裁力

式中：P孔为冲孔冲裁力；

P切为切断力。

而冲孔冲裁力为：

式中： k为系数1.3；

n为孔数量；

t为材料厚度2.3mm；

τ为材料抗剪强度：300MPa。

将数值带入公式：

3.2.2 模具的卸料力计算

式中，k卸为卸料力系数。

3.2.3 模具的顶件力计算

式中，k顶为顶件力系数。

3.2.4 用弹性卸料和上出料方式的总冲压力

3.3 模具压力中心确定

由图10可知，冲孔切断成对称布局，故压力中心为切断中心。

图10 压力中心

3.4 压力机选择

压力机选用时需满足：

式中P公为压力机公称压力。

即：

可选用J23-90型压力机，其公称压力为900kN。

4 大跨板前后工艺对比

表2 前后工艺对比

5 结束语

改造后采用模具替代锯刀完成切断工艺，避免了用锯刀切断薄壁跨板时造成的跨板板材切断面底部变形，提高了工件断面质量。

使用改造后工艺可以一次完成产品的冲孔和切断，在加工过程中只需要两个人进行成品的收集便可完成，机器调试好后，机器即沿工件导轨连续生产，这样减少了二次加工造成的人力浪费，节约了成本。

采用模具冲切直接成型，防止多次搬运工件造成的工件表面划伤，保证了工件的良好外观。

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