CN101058110A - 非对称径向锻冲高效精密下料机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称径向锻冲高效精密下料机，该下料机至少包括传动机构、径向锻冲下料和行程微调结构以及棒料固定装置，其中，径向锻冲下料机构采用锤头摆线设计，凸轮采用圆柱滚子结构，具有无冲击、运动特征平稳等优点。蜗轮蜗杆行程调节机构采用分体蜗轮齿块结构，可以有效改善行程调节机构的运动学特性。通过伺服电机变频调速功能，可针对不同材料、不同尺寸的棒料进行精密下料。

Description

非对称径向锻冲高效精密下料机

                         技术领域

本发明属于低能耗近净高效精密成型技术领域。涉及一种下料机，特别是一种非对称径向锻冲高效精密下料机，该下料机采用径向锻冲原理，实现棒料在周期径向加载下的疲劳裂纹周向产生、扩展直至断裂，从而完成精密下料。

                         背景技术

金属棒料的下料问题广泛存在于冷挤压、模锻、金属链条销、滚动轴承滚子、螺栓、螺母、销子、轴类件的备料工序之中，并且在这些下料工序中，下料数量巨大，例如浙江金华地区的链条之乡每年生产金属链条长度可达上亿米，北京滚针轴承厂每年需要的滚针达上千万个，辽宁金伟汽车电机电器有限公司每年生产的冷挤压件需下棒料达200万件。但目前金属棒料常用下料方法中不同程度地存在着材料利用率低、噪声大、模具寿命低、下料力大、生产效率低、能耗高、断面质量差等问题，不符合绿色制造可持续发展的战略，尽快研发出棒料高效节能节材的精密下料工艺及其装备势在必行，以促进中国机械制造业发展，振兴中国机械装备制造业。

最初也是最简单最直接的精密下料方法包括车床切断和老式弓锯床锯断，这两种下料方法虽然获得平整断面，但存在生产效率低，浪费原材料严重等缺点。虽然高速带锯机较早期下料方法有了一定改进，但其下料效率仍显太低，无法满足工业生产中大批量的要求，并且锯逢浪费原材料。为此，工业生产中后来广泛采用在冲床或专用棒料剪切机上剪切下料的方法，但普通的剪切下料方法下料力大、能耗大、所下的棒料断面呈现明显的马蹄形，为了满足下道工序如冷挤压的要求，不得不在普通的剪切下料之后再安排一道车床车削平整断面的工序，这样就降低了生产效率、浪费了材料、增加了生产成本。鉴于剪切下料方式的不足，低应力下料方法得到人们极大关注。

棒料低应力下料方法将断裂力学的理论应用于棒料的精密下料之中，该方法人为地在棒料上预制一条环向表面裂纹，然后对预制环向表面裂纹的棒料施加一定力剪切分离，并使棒料断裂时不发生宏观的塑性变形，以低应力脆断的形式进行。前苏联的研究人员于20世纪70年代曾设计了一种基于棒料旋转、载荷静止的旋转弯曲疲劳下料法。国内学者在八十年代也开始进行了低应力旋转弯曲疲劳下料设计，西安交通大学锻压教研室在1992年就对常用材料的旋转弯曲疲劳下料进行了系统深入的研究，甘肃工业大学的魏庆同教授等人也在该领域进行了大量的研究。这么多年的研究使得弯曲疲劳下料方法已经有了很大进展，对于高强度低塑性材料，如高碳钢、工具钢、轴承钢和高速钢等的下料已经体现出其优越性，但总的说来，这种下料方法的生产率偏低，对棒料的长径比L/D要求较大(通常要求L/D≥1)，因此，这种下料方式对短毛坯下料还存在较大难度，往往会造成下料力大、断面质量差。

西安交通大学于德弘教授、赵升吨教授、陈金德教授所领导的研究小组从20世纪的80年代开始就致力于金属棒料的低应力下料的研究工作，提出的低应力剪切方法已获得了国家发明专利。该方法的剪切应力水平低，生产率很高，导致剪切变形的工件畸变很小甚至没有，而且大大改善了剪切棒料的质量，因此很适合黑色金属特别是高硬度和低塑性的材料下料。但其可应用的材料范围仍显有限，难于突破材料长径比的限定。

综上，本发明提出了一种非对称径向锻冲高效精密下料方法，并完成了机械结构部件的设计开发。

                         发明内容

本发明的目的在于，提供一种非对称径向锻冲高效精密下料机。该下料机可促使裂纹由棒料表面沿径向圆周扩展，因此可以获得良好的断面质量，且具有加工范围宽、效率高、质量好等优点。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种非对称径向锻冲高效精密下料机，该下料机至少包括传动机构、径向锻冲下料和行程微调结构以及棒料固定装置，其特征在于：

所述的传动机构主要由主电机、主动带轮、传动带、从动带轮、传动主轴、锁紧螺母、连接键、调节套筒以及主轴固定套构成，主电机带动键连接于电机传动轴的主动带轮转动，由传动带带动从动带轮及传动主轴转动，传动机构的传动比为5∶1；

从动带轮通过连接键连接在传动主轴上，传动主轴通过调心滚柱轴承与主轴固定套连接，主轴固定套与机身焊接固定，下料模具和锤头杆(26)在传动主轴带动下进行旋转；

所述的径向锻冲下料和行程微调结构由垫板、蜗轮、蜗轮固定环、微调杆、微调机座、锤头进给凸轮、扇形齿块、蜗杆、微调电机、下料模具以及锤头杆构成；微调蜗轮通过内部滑槽与微调杆配合，并带动其运动；蜗轮固定环与机身固定连接，蜗轮能够在蜗轮固定环内自由旋转，微调杆和锤头进给凸轮被固定连接在微调机座上；

蜗轮和扇形齿块通过螺栓和定位销实现定位连接，且扇形齿块与蜗杆相互啮合；锤头杆和下料模具被成对安装在传动主轴的滑动槽内，锤头杆在锤头进给凸轮作用下，推动下料模具沿径向运动；

所述的棒料固定装置包括下料套筒、棒料固定套筒、聚氨酯垫套以及棒料固定支架，棒料固定支架通过螺栓连接被固定在机身上；棒料固定套通过过渡配合与棒料支架连接，下料套筒的一端通过聚氨酯垫套与机身形成配合，另一端与下料模具相接触，

下料过程中，棒料一端被安装在棒料固定套的内孔内，另外一端插入下料套筒内，在下料模具和棒料固定套的共同作用下，完成棒料径向锻冲下料过程。

本发明的主要技术特点如下：

不同材料的力学性能不同，为此，本发明设计了径向压下量连续调节结构。下料时，首先给定锤头一个固定的压下量，从而在被下料的棒料的端部就会产生一定的挠度，但这并不一定能使棒料断裂，所以在下料过程中要对锤头的压下量进行调节。蜗轮带动微调杆转过一角度，微调基座就会转动，由于锤头杆和微调杆都在微调基座上偏心放置，则锤头杆和棒料中心的距离会变化，从而调节锤头在压下过程的径向压下量，该压下量可依靠理论及有限元数值模拟来获得以作为实验参考值，蜗杆由交流伺服电动机驱动，控制蜗轮转过的角度，以达到在工作过程中控制锤头径向压下量的目的。

设计了可实现棒料单周28次径向均匀疲劳加载的新型加载机构。该加载机构采用摆线作为工作曲线，可保证锤头加载过程中的稳定运动性能和动力学性能，使下料过程无冲击，过载等现象。该凸轮控制曲线具有最大径向加速度3.5m/s²，最大惯性力12N。

设计径向压下行程量可调的蜗轮蜗杆传动机构，可控行程范围0～4mm，可加工不同材料、不同直径的棒料。为改善径向行程调节机构的动态特性，蜗轮采用了镂空壁型结构，从而有效地降低了蜗轮的质量和转动惯量。其中，采用了分体式蜗轮蜗杆结构，通过更换不同的蜗轮齿块，降低了成本，极大地方便了机械的安装、维修，并保证下料机的安全性和自锁性。

针对直径￠10mm～￠55mm、长径比0.2～10的棒料，采用套筒固定结构，从而增加套筒力臂，完成棒料下料。

                        附图说明

图1是本发明的径向锻冲精密下料机结构图。其中，图(a)是主视图、图(b)是图(a)的侧向剖视图、图(c)是图(b)的A-A的剖面图，图(d)是图(a)的侧视图。

图中的标号分别表示：1、主电机，2、主动带轮，3、传动带，4、从动带轮，5、传动主轴，6、锁紧螺母，7、连接键，8、调节套筒，9、主轴固定套，10、垫板，11、下料套筒，12、棒料固定套，13、聚氨酯垫套，14、棒料固定支架，15、蜗轮，16、机身，17、蜗轮固定环，18、棒料固定孔，19、微调杆，20、微调机座，21、锤头进给凸轮，22、扇形齿块，23、蜗杆，24、微调电机，25、下料模具，26、锤头杆。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

                      具体实施方式

本发明的非对称径向锻冲高效精密下料机，其结构如图1所示。该下料系统主要由传动系统部分、径向锻冲下料部分、行程微调部分、棒料固定支架部分等主要部件构成。下面分别就上述四个部分加以详细说明。

该发明下料机的传动机构部分主要由主电机1、主动带轮2、传动带3、从动带轮4、传动主轴5、锁紧螺母6、连接键7、调节套筒8以及主轴固定套9等零件构成。

主电机1带动键连接于电机传动轴的主动带轮2转动，由传动带3带动从动带轮4转动，传动机构的传动比为5∶1。

从动带轮4通过连接键7连接在传动主轴5上，并带动其旋转。传动主轴5通过调心圆柱滚子轴承与主轴固定套9连接，主轴固定套9与机身16焊接固定。

主电机1为交流异步电机。传动带3为V型传动带。传动主轴5通过右端台阶与右端调心轴承的内圈配合，该轴承外圈与主轴固定套9内壁凸起台阶面配合，并且传动主轴5的左端通过锁紧螺母6固定，从而限定了传动主轴5的轴向移动。通过调节套筒8确保主动带轮2和从动带轮4在垂直方向上的对中性，保证带传动平稳性。下料机的传动路线如下：

主电机1驱动主动带轮2，主动带轮2通过传动带3即V型带与从动带轮4相连，从动带轮4通过键与传动主轴相连。

该发明下料机的径向锻冲下料和行程微调结构由垫板10、蜗轮15、蜗轮固定环17、微调杆19、微调机座20、锤头进给凸轮21、扇形齿块22、蜗杆23、微调电机24、下料模具25以及锤头杆26等部件构成。

径向行程微调机构如图(c)所示。由于下料过程中，蜗轮转动方向和速度要不断快速地改变，因此要求蜗轮具有较小的质量和转动惯量。为此，微调蜗轮15采用镂空式薄壁结构，通过内部滑槽与微调杆19配合，并带动其运动。蜗轮固定环17与机身16固定连接，蜗轮15可在蜗轮固定环17内自由旋转。微调杆19和锤头进给凸轮21被固定连接在微调机座20上。微调机座20通过孔间隙配合与机身16连接，且可围绕其中心轴线自由旋转。蜗轮15和扇形齿块22通过4个螺栓和2个定位销实现定位连接，且扇形齿块22与蜗杆23相互啮合。考虑磨损和维护的方便，采用锤头杆26和下料模具25的分体设计方法，它们被成对安装在传动主轴5的滑动槽内。锤头杆26在锤头进给轴作用下，推动下料模具25沿径向运动，不断给固定在棒料中心孔处18的棒料施加径向载荷。在本发明中，采用了4锤头7个进给凸轮的设计方案，可实现单周28次的均匀连续径向加载。

下料过程中，传动主轴5在主电机1带动下旋转。下料模具25和锤头杆26在传动主轴5的轴端滑动槽内沿径向运动。由于锤头进给轴的径向行程约束，使得下料模具不断地沿径向循环加载，从而完成径向锻冲下料。径向行程微调过程中，微调电机24带动微调蜗杆23转动，并迫使微调蜗轮15旋转。微调蜗轮15通过内部滑槽带动微调杆19运动，并进而带动锤头进给轴围绕微调机座20的轴心线旋转，从而完成径向压下行程的调节。其中，微调电机24为伺服电机，通过计算机控制系统实现该电机的精确旋转运动。为方便润滑，蜗轮固定环17在垂直方向开有通油槽。

该发明下料机的棒料固定装置包括下料套筒11、棒料固定套筒12、聚氨酯垫套13以及棒料固定支架14等部件。棒料固定支架14通过螺栓连接被固定在机身16上。棒料固定套12通过过渡配合与棒料支架14连接，其可根据棒料直径加以更换。下料套筒11的右端通过聚氨酯垫套13与机身16形成配合，左端与下料模具25相接触。下料过程中，棒料一端被安装在棒料固定套12的内孔内，另外一端被插入下料套筒11内。这样在下料模具25和棒料固定套12的共同作用下，完成棒料径向锻冲下料过程。

采用本发明的径向锻冲下料机，采用锤头摆线设计，凸轮采用圆柱滚子结构，具有无冲击、运动特征平稳等优点。蜗轮蜗杆行程调节机构采用分体蜗轮齿块结构，可以有效改善行程调节机构的运动学特性。通过伺服电机变频调速功能，可针对不同材料、不同尺寸的棒料进行精密下料。

在进行下料时，棒料置于中心静止，在垂直棒料轴线的平面内，均匀布置着镶嵌于主轴端部导向槽内并和主轴一起回转的4个锤头和静止不动的7个锤头杆，这样每次只有一个锤头处于工作状态中，保证了棒料只在一个方向上有弯曲，不同锤头之间不会干涉。通过锤头杆的径向压下，产生棒料的疲劳载荷。由凸轮机构调节锤头杆的径向压下量。主轴带动锤头及滑块转动，不锻冲时锤头靠离心力甩开，工作滑块在碰到锤头进给圆柱体后压下棒料，压下过程由滑块头部的凸轮曲线决定。合理分布凸轮和锤头杆可以实现棒料均匀的周向疲劳加载，从而促使微裂纹的稳定扩展，保证断面质量。

该下料机的主要技术特点如下：4锤头7滚轮的全周向循环加载，实现单周28次径向加载疲劳下料；径向行程可调的蜗轮蜗杆传动系统，可加工不同材料、不同直径的棒料；采用套筒结构，可实现对短粗棒料下料。该下料机主要的技术指标：最大径向加速度3.5m/s2，最大惯性力12N，可控径向行程范围0～4mm，蜗轮蜗杆的转动行程范围为0～11°。棒料下料直径10mm～55mm、下料棒料的长径比0.2～10、下料过程中占空比0.5。

Claims (5)

1.一种高效回转式径向锻冲精密下料机，该下料机至少包括传动机构、径向锻冲下料和行程微调结构以及棒料固定装置，其特征在于：

所述的传动机构主要由主电机(1)、主动带轮(2)、传动带(3)、从动带轮(4)、传动主轴(5)、锁紧螺母(6)、连接键(7)、调节套筒(8)以及主轴固定套(9)构成，主电机(1)带动键连接于电机传动轴的主动带轮(2)转动，由传动带(3)带动从动带轮(4)及传动主轴(5)转动，传动机构的传动比为5∶1；

从动带轮(4)通过连接键(7)连接在传动主轴(5)上，传动主轴(5)通过调心滚柱轴承与主轴固定套(9)连接，主轴固定套(9)与机身(16)焊接固定，下料模具(25)和锤头杆(26)在传动主轴(5)带动下进行旋转；

所述的径向锻冲下料和行程微调结构由垫板(10)、蜗轮(15)、蜗轮固定环(17)、微调杆(19)、微调机座(20)、锤头进给凸轮(21)、扇形齿块(22)、蜗杆(23)、微调电机(24)、下料模具(25)以及锤头杆(26)构成；微调蜗轮(15)通过内部滑槽与微调杆(19)配合，并带动其运动；蜗轮固定环(17)与机身(16)固定连接，蜗轮(15)能够在蜗轮固定环(17)内自由旋转，微调杆(19)和锤头进给凸轮(21)被固定连接在微调机座(20)上；

蜗轮(15)和扇形齿块(22)通过螺栓和定位销实现定位连接，且扇形齿块(22)与蜗杆(23)相互啮合；锤头杆(26)和下料模具(25)被成对安装在传动主轴(5)的滑动槽内，锤头杆(26)在锤头进给凸轮(21)作用下，推动下料模具(25)沿径向运动；

所述的棒料固定装置包括下料套筒(11)、棒料固定套筒(12)、聚氨酯垫套(13)以及棒料固定支架(14)，棒料固定支架(14)通过螺栓连接被固定在机身(16)上；棒料固定套(12)通过过渡配合与棒料支架(14)连接，下料套筒(11)的一端通过聚氨酯垫套(13)与机身(16)形成配合，另一端与下料模具(25)相接触，

下料过程中，棒料一端被安装在棒料固定套(12)的内孔内，另外一端插入下料套筒(11)内，在下料模具(25)和棒料固定套(12)的共同作用下，完成棒料径向锻冲下料过程。

2.如权利要求1所述的高效回转式径向锻冲精密下料机，其特征在于，所述的微调蜗轮(15)采用镂空式薄壁结构。

3.如权利要求1所述的高效回转式径向锻冲精密下料机，其特征在于，所述的蜗轮固定环(17)在垂直方向开有通油槽。

4.如权利要求1所述的高效回转式径向锻冲精密下料机，其特征在于，所述的微调电机(24)带动微调蜗杆(23)转动，并迫使微调蜗轮(15)旋转，微调蜗轮(15)通过内部滑槽带动微调杆(19)运动，并进而带动锤头进给轴(21)围绕微调机座(20)的轴心线旋转，从而完成径向压下行程的调节。

5.如权利要求1所述的基于高效回转式径向锻冲精密下料机，其特征在于，所述的微调电机(24)为伺服电机。