CN1035971A - 低应力冲击剪切法 - Google Patents

Abstract

一种属于金属加工领域的低应力冲击剪切法，在 金属精密剪切时，对棒材、管材和多数异型材人工诱 发裂纹，使之成为带裂纹体，然后在专用模具内进行 冲击剪切，以强制被剪材料准确移位，并使裂纹快速、 规则扩展，最终实现金属材料在低应力水平下的精密 分离。本发明为金属下料工艺提供了一种高效率、低 消耗，适用面广且便于应用的新型精密剪切方法。

Description

本发明属于金属加工领域，并具体涉及一种剪切下料方法。

所谓下料工艺是将金属棒材、管材和异型材等分离成定长的原毛坯，以便进行零件的后续成形加工，或直接做为成品件供使用，它是金属加工领域中的一个十分重要的问题。

目前常用的下料方法是套筒刀冲模剪切法，这种方法因剪切区材料的塑性变形无法避免以及剪裂纹的扩展难以控制，使得剪切件几何畸变大，切面倾斜不平，无法满足各种精密成形工艺对原毛坯的精度要求，从而阻碍了精密成形工艺的应用和发展，若采用车、铣、锯、片砂轮切割等方法来生产原毛坯，则又造成原材料的严重浪费，生产率也很低。故此，近二十年来国内、外在提高金属下料精度方面进行了大量研究，有关的论文比较集中地发表在历届的“国际冷锻会议”（International    cold    forging    congress）和“国际机床设计与研究会议”（International    machine    tool    design    and    research    Conference）上。所涉及的下料方法主要有四种：

第一种方法-高速剪切法：此方法是将金属材料置于专用模具内，用高速锤（一般大于10米/秒）进行剪切。其实质是通过提高加载速度来促使材料的脆性化断裂，以提高剪切质量。这方面的研究最有代表性的是英国的伯明翰大学，除发表大量论文外，亦有相应的专利如GB1379896等。这种方法采用的设备复杂，昂贵，噪音大，剪切刀具寿命低。同时由于这种方法不能实现低应力水平下的金属分离，剪切件仍有一定程度的几何畸变，切面也不能很平整和垂直，对于有色金属，高速剪切的效果极差。

第二种方法-低周疲劳断料法：这种方法是在金属棒料的圆周上加工一个V型槽，然后在下料端施加径向力，使棒料承受旋转弯曲，经过一定的应力循环次数后，金属即在原缺口处规则断裂。这种方法已有多国专利，如苏联的703256，774830，774831，795761等，这些专利方法一样，但工艺装置的具体结构不同。这种方法为保证加载机构与棒料的合理接触，下料毛坯的长度受到限制，短毛坯无法或极难加工。同时，在开槽和旋转弯曲时，棒料必须旋转，这对于加工长棒料来说是不利的。若棒料不直（这往往是难免的），则情况更加不利，为此不得不把长棒料先截断成较短的棒料，再进行低周疲劳断料，这就给组织生产增加困难，而且也浪费原材料。并且非圆棒料很难或无法用此方法断料。再者由于这种方法的实质是低周疲劳断裂，尽管可以通过提高应力水平来加速裂纹扩展，但为保证断口的平整度，应力水平也不允许任意提高，因此生产率总是不高的。用此方法获得的分离面粗糙度较大，有时会影响某些后续成形工艺甚至最终产品的质量。在工艺装备方面虽然可用普通车床经改装后进行断料生产，但由于此种疲劳断料过程中功耗具有峰值性，而普通车床又没有储能装置，因此只能用大设备干小活。纵观这种方法，除了在某些场合（如塑性较差的金属断料）还有一些优越性外，从本质上说，用低周疲劳断裂方法来进行大批量的精密下料生产是有困难的。

第三种方法-轴向加压剪切法：这种方法是在金属材料的剪切过程中，自始至终施加一个轴向压力，以提高剪切区材料的静水压力，增加塑性，抑制剪裂纹的产生，使塑性剪变位能延续到剪切的全过程，最终实现材料的精密分离。这种方法最初由匈牙利布达佩斯工学院提出，并获得专利，如GB1040804等。这种方法对于黑色金属所需的轴向压力非常大，由此带来一系列技术上很难克服的问题，如高轴向压力的不易建立，金属的粘连等。因此这种方法一般只应用于塑性好的有色金属的小断面精密剪切。这种方法所使用的工艺装备复杂，剪切费用较高，生产率也不高。

第四种方法-径向夹紧剪切法：这种方法是使棒料在径向夹紧状态下进行剪切，由于棒料径向被夹紧，因此，阻止了棒材剪切过程中的弯倾，同时限制了材料的轴向伸长，使剪切区自动形成一定的静水压力。这些对提高剪切质量都有一定好处，但从机理上说，这种方法与一般剪切方法没有多少区别，因此剪切质量的提高是有限的。这种方法可在专用模具上也可在专用设备上进行生产，相应的专利如苏联的470369，468714等。

除了上述的四种方法外，还有渐进剪切法，低温剪切法等，以及上述各种方法的改型，但主要的就是以上四种。

本发明的目的在于：针对现有各种下料技术所存在的缺点和局限性提供一种高效率，低消耗、适用面广且便于应用的新型精密剪切方法，用以从金属棒材、管材和多数异型材中分离出精确单体，做为后续成形加工的原毛坯。在某些情况下亦可直接做为成品件供使用。

本发明是应用断裂力学和金属物理学的基本原理，对金属材料（包括棒材、管材和多数异型材）人工诱发裂纹，使之成为带裂纹体，然后在专用模具内进行冲击剪切，以强制被剪材料准确移位，并使裂纹快速、规则扩展，最终实现金属材料在低应力水平下的精密分离。

本发明与现有的下料方法相比其优点在于：剪切件几何精度高、切面平整垂直，无毛刺，能满足所有精密成形工艺对原毛坯的要求;对剪切件的相对长度无严格限制，相对长度（即剪切件的长度与剪切高度之比）小于1的短毛坯亦可精密剪切;材料剪切时不必旋转，故对于长型材无需预先截短即可直接进行生产;生产率高，每分钟可生产数十个毛坯;材料利用率高，一般在99%以上。能耗低于切削法和其它剪切法;适用面广，一切黑色金属和大多数有色金属及合金的棒材、管材和多数异型材均可精密剪切;工艺装备简单，既可用普通设备不经任何改装亦可设计专用设备进行生产，模具寿命高，因此大、小工厂均便于推广应用。本发明除了可在下料生产上直接体现巨大的经济效益外，还可促进金属成形技术的应用和发展。例如发动机中的活塞销，我国目前的年生产量达数千万件，该零件用挤压成形，因此对原毛坯的精度要求很高，除了切面平整垂直外，原毛坯的两端部应无畸变（即塌头），现有的各种下料技术均无法满足这些要求，故此，各工厂大多是先采用套筒刀冲模剪切，将长钢棒定长切断，然后再用车削的方法将原毛坯两端的塌头部分车掉。也有部分工厂直接用车削的方法将长钢棒切成一个一个原毛坯，不论那一种方法都造成原材料的严重浪费，生产率也很低。若使用本发明所提供的低应力冲击剪切法，所得原毛坯精度高，无需车削即可直接用于挤压成形，既节约大量原材料，生产率亦可成数倍提高，仅此一零件，年经济效益即可达数百万元。

图1是棒材剪切所使用的专用模具及剪切示意图。

图2是管材剪切所使用的专用模具及剪切示意图。

图3是异型材剪切示意图。

在实施本发明时，首先将圆钢棒外圆切出规定深度和角度的V型槽，使钢棒成为带裂纹体，槽深与钢棒直径之比为0.035～0.050，夹角45°～90°。此环形槽可在普通车床上加工，也可在专门设计的切槽机上加工。然后将具有等距V型槽的圆钢棒置于专用模具内进行冲击剪切，剪切速度在3～4.5米/秒即可，该模具的结构原理如图1所示，置于支承座[3]内的钢棒[1]沿箭头A方向送进，进距由定位器[2]控制，动滑块[6]由导向块[7]和限位块[4]导向和限位，用锤头[5]打击动滑块[6]进行剪切，剪切完成后，锤头[5]上升，动滑块[6]借助弹性体[9]复位。下一次送料时，将已切断的毛坯[8]推出模外。所用设备可为普通锻锤（如空气锤）、亦可设计专机（如机械锤等）。切槽装置和剪切设备也可组合在一起成一加工体系，进行自动化连续生产。

若采用本发明进行管材精密剪切时，首先将管材外径切出规定的深度和角度的V型槽，槽深与管材外径之比为0.030～0.045，夹角45°～90°。此环形槽可在普通车床上加工，也可在专门的切槽机上加工。用于管材剪切的专用模具如图2所示，将管材[1]置于支承座[3]内沿箭头A方向送进，进距由定位器[2]控制，管材内配有浮动芯棒[12]，动滑块[6]由导向块[7]和限位块[4]导向和限位，在管材的剪切段内配有活动芯棒[11]，它由弹性支承卸料器[10]导向和限位，用锤头[5]打击动滑块[6]进行剪切，打击速度为3～4.5米/秒，剪切完成后锤头[5]上升，动滑块[6]借助弹性体[9]复位，随后活动芯棒[11]左移，借助弹性支承卸料器[10]将套于其上的管坯[8]刮出模外。图中Ⅰ表示剪切时活动芯棒[11]的位置;Ⅱ表示卸料时活动芯棒[11]的位置。

应用本发明剪切异型材时，其V型槽的槽深与最大剪切高度之比为0.035～0.050，角度为45°～90°，其模具结构原理与图1相同，但支承座[3]和动滑块[6]中的内孔形状应与异型材断面相匹配，图3为工字型型材的剪切示意图，[1]为工字型断面，其上、下平面均予先加工贯通的V型槽;[3]、[6]表示支承座和动滑块，其内孔形状与工字型断面[1]相匹配，箭头A′表示剪切方向。锤头[5]的打击速度为3～4.5米/秒。

Claims (4)

1、一种属于金属加工领域的低应力冲击剪切法，其特征在于对金属材料切出规定深度和角度的V型槽，使之成为带裂纹体，然后置于专用模具内进行冲击剪切，完成金属材料在低应力水平下的精密分离。

2、如权利要求1所述的低应力冲击剪切法，其特征是在棒材精密剪切时，其V型槽的槽深与棒材直径之比为0.035～0.050，夹角45°～90°，此环形槽可在普通车床上加工，也可在专门的切槽机上加工，用于棒材剪切的专用模具由定位器[2]、支承座[3]、限位块[4]、动滑块[6]、导向块[7]、弹性体[9]组成，锤头[5]的打击速度为3～4.5米/秒。

3、如权利要求1所述的低应力冲击剪切法，其特征是在进行管材精密剪切时，其V型槽的槽深与管材外径之比为0.030～0.045，夹角45°～90°，此环形槽可在普通车床上加工，也可在专门的切槽机上加工，用于管材剪切的专用模具由弹性体[9]、支承座[3]、浮动芯棒[12]、定位器[2]、动滑块[6]、限位块[4]、导向块[7]、弹性支承卸料器[10]、活动芯棒[11]所组成，锤头[5]的打击速度为3～4.5米/秒。

4、如权利要求1所述的低应力剪切法，其特征是在进行异型材的精密剪切时，其V型槽的槽深与最大剪切高度之比为0.035～0.050，夹角45°～90°，此V型槽可用一般切削方法加工，用于异型材剪切的专用模具由定位器[2]、支承座[3]、限位块[4]、动滑块[6]、导向块[7]、弹性体[9]组成，其支承座[3]和动滑块[6]的内孔形状与异型材断面相匹配，锤头[5]的打击速度为3～4.5米/秒。

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