CN104607545A - 铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝或铝合金冲杯试验技术，具体涉及铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法。该加工设备包括：上支座、下支座、一套以上的冲剪模组、驱动组件；其中冲剪模组包括：一个以上的冲剪凸模和一个冲剪凹模；冲剪凹模开有供冲剪凸模陷入的冲剪孔，每一套冲剪模组中所有冲剪凸模的高度相同，横截面直径不同；上支座开有供冲剪凸模穿过的第一通孔；冲剪凹模固定于下支座上，冲剪凹模的上表面为待冲剪片的放置面；驱动组件分别与上支座、冲剪凸模相连接，以推动上支座向冲剪凹模移动，待上支座的下表面与待冲剪片接触后，继续推动冲剪凸模向冲剪凹模移动。本发明能够得到尺寸准确的冲杯试验圆片，且结构简单、适用不同厚度的待冲剪片。

Description

铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法

技术领域

本发明涉及铝或铝合金冲杯试验技术，具体而言，涉及铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法。

背景技术

随着中国工业的崛起，经济的发展对有色金属(铝及铝合金、铜及铜合金、镁及镁合金等)的需求越来越大，而有色金属产品质量的好坏主要依赖于对原材料质量的控制，由此对有色金属原材料的检验至关重要。其中有色金属薄板(厚度0.1mm～3.0mm)拉延性能的试验方法为冲杯试验，但冲杯试验要求所用试样应平整，无划伤，边缘部位无毛刺，不扭曲，试样不进行矫平。传统试样在试验前的处理方法为机加工，该方法存在对操作人员的技能要求比较高，过程比较繁琐，效率低，对圆片试样切削形成的热影响比较大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法，以解决现有冲杯试验中试验圆片加工复杂，精度低的问题。

本发明实施例提供了一种铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，包括：上支座、下支座、一套以上的冲剪模组、驱动组件；其中，所述冲剪模组包括：一个以上的冲剪凸模和一个冲剪凹模；所述冲剪凹模开有供所述冲剪凸模陷入的冲剪孔，每一套所述冲剪模组中所有冲剪凸模的高度相同，横截面直径不同；所述上支座开有供所述冲剪凸模穿过的第一通孔；所述冲剪凹模固定于所述下支座上，所述冲剪凹模的上表面为待冲剪片的放置面；所述驱动组件分别与所述上支座、所述冲剪凸模相连接，以推动所述上支座向所述冲剪凹模移动，待所述上支座的下表面与所述待冲剪片接触后，继续推动所述冲剪凸模向所述冲剪凹模移动。

在一些实施例中，优选为，所述驱动组件包括：冲剪杆、第一弹簧、一个以上的第二弹簧；其中，所述冲剪杆的下端与所述冲剪凸模固定连接，上端与外部施力装置连接；所述第一弹簧套于所述冲剪杆外，其上端与所述冲剪杆的上端连接，其下端与所述上支座的上表面固定连接；所述第二弹簧设置于所述上支座和所述下支座之间；所述第一弹簧的刚度大于所述第二弹簧。

在一些实施例中，优选为，所述冲剪孔、所述冲剪杆、所述第一通孔同轴。

在一些实施例中，优选为，当所述第二弹簧为多个时，所有所述第二弹簧以所述冲剪孔的中心为圆心呈圆周分布。

在一些实施例中，优选为，每个所述第二弹簧内均穿有一根销柱；所述上支座开有供所述销柱自由滑动的第三通孔，所述销柱的上端穿过所述第三通孔，且套有阻挡所述销柱从所述上支座滑脱的第一挡圈；所述销柱的下端穿过所述下支座，且用套有阻挡其从所述下支座滑脱的第二挡圈。

在一些实施例中，优选为，所述下支座的中心开有固定安装所述冲剪凹模的第二通孔；所述冲剪凹模的下底面高于所述下支座的下底面，所述第二通孔的内壁和所述冲剪凹模的下底面围成圆片储存空间；所述下支座的底部开有卸料槽，所述卸料槽与所述圆片储存空间连通。

在一些实施例中，优选为，所述冲剪凹模的呈倒圆台结构，其侧面上边缘和所述第二通孔内侧面上边缘可拆卸连接。

在一些实施例中，优选为，所述冲剪凸模、冲剪凹模采用合金钢42CrMo；冲剪杆采用合金钢40Cr；所述上支座采用合金钢42CrMo；所述下支座采用45钢。

本发明另一方面还利用上述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备加工圆片的加工方法，包括：将铝或铝合金质的待冲剪片置于冲剪凹模的上表面上；利用驱动组件将冲剪凸模位移至与所述待冲剪片上表面接触；所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪，得冲杯试验圆片。

在一些实施例中，优选为，所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪之后，所述加工方法进一步包括：自卸料槽将所述冲杯试验圆片取出。

在一些实施例中，优选为，所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪之后，所述加工方法进一步包括：利用驱动组件将所述冲剪凸模复位。

本发明实施例提供的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法，与现有技术相比，采用冲剪凸模和冲剪凹模，冲剪凸模向下作用直接将圆片一次加工成形；同时，由于在取样过程中会产生很大的冲剪力和强烈的冲击，所以对设备中直接完成冲剪取样动作的主要零部件(冲剪杆、冲剪凸模、冲剪凹模)的材料有较严格的要求，其所受载荷的特性决定了所用材料应当具较高的抗拉强度、良好的冲击韧性以及优良的综合力学性能，并且表面经热处理后具有较高的硬度，制样过程中基本不存在热影响区，极大地提高了冲杯试验数据的可靠性。另外，在冲剪过程中，可根据具体的待冲剪片的厚度将冲剪凹模与不同型号(直径公差)的冲剪凸模配合使用，结构简单，适用性强，可适用不同厚度的待冲剪片。

附图说明

图1为本发明一个实施例中铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备爆炸示意图；

图2为本发明图1中加工设备夹紧物料的剖面示意图；

图3为本发明图1中加工设备冲剪落料的剖面示意图；

图4为本发明利用图1中的加工设备生产冲杯试验圆片的加工方法的流程示意图；

图5为本发明图1中初始状态下第一弹簧受力示意图；

图6为本发明图1中极限工作状态下第一弹簧受力示意图；

图7为本发明图1中初始状态下第二弹簧受力示意图；

图8为本发明图1中极限工作状态下第二弹簧受力示意图。

注：1冲剪杆；2第一弹簧；3冲剪凸模；4弹簧套筒；5上支座；6第一挡圈；7第二弹簧；8下支座；9第二挡圈；10冲剪凹模；11待冲剪片；12第三通孔；13冲剪孔；14第二通孔；15销柱；16圆片；17卸料槽。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

考虑到目前现有冲杯试验中试验圆片加工复杂，精度低的问题，本发明提供了一种铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备及加工方法。

一种铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，包括：上支座、下支座、一套以上的冲剪模组、驱动组件；其中，冲剪模组包括：一个以上的冲剪凸模和一个冲剪凹模；冲剪凹模开有供冲剪凸模陷入的冲剪孔，每一套冲剪模组中所有冲剪凸模的高度相同，横截面直径不同；上支座开有供冲剪凸模穿过的第一通孔；冲剪凹模固定于下支座上，冲剪凹模的上表面为待冲剪片的放置面；驱动组件分别与上支座、冲剪凸模相连接，以推动上支座向冲剪凹模移动，待上支座的下表面与待冲剪片接触后，继续推动冲剪凸模向冲剪凹模移动。

利用上述铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备加工圆片的加工方法，包括：将铝或铝合金质的待冲剪片置于冲剪凹模的上表面上；利用驱动组件将冲剪凸模位移至与待冲剪片上表面接触；冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪，得冲杯试验圆片。

与现有技术相比，采用冲剪凸模和冲剪凹模，冲剪凸模向下作用直接将圆片一次加工成形；同时，由于在取样过程中会产生很大的冲剪力和强烈的冲击，所以对设备中直接完成冲剪取样动作的主要零部件(冲剪杆、冲剪凸模、冲剪凹模)的材料有较严格的要求，其所受载荷的特性决定了所用材料应当具较高的抗拉强度、良好的冲击韧性以及优良的综合力学性能，并且表面经热处理后具有较高的硬度，制样过程中基本不存在热影响区，极大地提高了冲杯试验数据的可靠性。另外，在冲剪过程中，可根据具体的待冲剪片的厚度将冲剪凹模与不同型号(厚度)的冲剪凸模配合使用，结构简单，适用性强，可适用不同厚度的待冲剪片。

接下来，通过一些具体实施例来详细描述该铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备：

实施例1：

一种铝或铝合金冲杯试验圆片16的加工设备，如图1所示，包括：一套以上的冲剪模组和驱动组件，及对冲剪模组进行支撑或冲剪固定作用的上支座5、下支座8。其中，不同套的冲剪模组可冲剪出不同直径尺寸的冲杯试验圆片16，比如：52毫米、55毫米、60毫米，在实际冲剪圆片16前，操作人员需要明确具体的直径要求，进而选择不同冲剪直径的冲剪模组。而每一套冲剪模组由一个以上的冲剪凸模3和一个冲剪凹模10组成，每个冲剪凸模3的直径公差都不同，在冲剪凸模和冲剪凹模之间留出足够的间隙，这主要是为了适应不同厚度的待冲剪片11，通常待冲剪片11的厚度跨越0.1毫米-3毫米，一套冲剪模组内配有个不同直径公差的冲剪凸模3，不同厚度圆片16加工中所需要的冲剪力也不同。冲剪凹模10的中心区设置冲剪孔13，该冲剪孔13与冲剪凸模3的在形状、大小上相适应，冲剪过程中，冲剪凸模3逐渐陷入冲剪孔13中，冲剪出圆片16。不过，冲剪凸模3的外侧面与冲剪孔13的内侧面之间保持一定的冲剪间隙。该冲剪间隙也可以理解为相互配合的冲剪凸模3刃口与冲剪凹模10刃口之间相应尺寸的差值。而冲剪间隙在常规设计中可以为单边间隙，也可以为双边间隙。

冲剪凸模3冲剪过程中的位移动力来源于驱动组件。在本实施例中，将下支座8的功能定义为冲剪凹模10的支撑、固定件；冲剪凸模3自上支座5的第一通孔穿过，冲剪凹模10固定于下支座8上，其上表面用于放置待冲剪片11。

在本实施例中，将上支座5的功能定义为冲剪操作中固定待冲剪片11，防止其位移。因此，下支座8位置固定，上支座5向下移动，以接触到待冲剪片，并与冲剪凹模一起对待冲剪片进行夹持，于是，驱动组件用于驱动冲剪凸模3和上支座5位移，驱动组件首先驱动上支座5接触待冲剪片11，随后向上支座5施加压力提高上支座5和冲减凹模对待冲剪片11的夹持稳定性，另一方面，驱动组件继续驱动冲剪凸模3向冲剪凹模10移动，利用二者的刃口实现冲剪操作。

基于驱动组件功能的上述分析，发明人在本实施例中将驱动组件设计为：冲剪杆1、第一弹簧2、一个以上的第二弹簧7。

其中，冲剪杆1的下端与冲剪凸模3螺纹连接或焊接或其他可拆卸式固定连接，上端与外部施力装置连接，可以直接与外部施力装置的力量输出端接触，进行力的传递。

第一弹簧2套于冲剪杆1外，其上端顶住冲剪杆1的上端，二者之间可以采用接触连接也可以通过弹簧座固定连接在一起；第一弹簧2的下端顶住上支座5的上表面或通过弹簧座与上支座5固定连接。第一弹簧2一方面传递力，另一方面被压缩的情况下对外施加回复力。而且，第一弹簧2套于冲剪杆1上，冲剪杆1还能够引导第一弹簧2的压缩方向，防止其偏斜。

第二弹簧7设置于上支座5和下支座8之间，第一弹簧2的刚度大于第二弹簧7。在上支座5向下移动的过程中，第二弹簧7被压缩，能够提供缓冲效果，避免上支座5在刚性受力的情况下撞击待冲剪片11，损坏待冲剪片11。

为了提高冲剪杆1上端的受力面积，冲剪杆11的上端垂直冲剪杆11向外延伸为平板，平板的上表面能与万能试验机的压力输出端充分接触，下表面能够挡住第一弹簧2，防止第一弹簧2从冲剪杆1中滑出。

基于上述设计的驱动组件，冲剪过程中具体运动方式如图2所示，冲剪杆1的上端受到外部万能试验机的压力，开始推动第一弹簧2和冲剪凸模3向下运动，第一弹簧2向上支座5施加推动力，上支座5向第二弹簧7施加推动力，由于第一弹簧2的刚度大于第二弹簧7的刚度，因此，第二弹簧7首先受力压缩，冲剪杆1带动上支座5、冲剪凸模3、第一弹簧2同步向冲剪凹模10移动；接着，上支座5与冲剪凹模10上的待冲剪片11接触，待冲剪片11被上支座5和冲剪凹模10夹紧，上支座5受到向上的抵抗力；在冲剪杆1向下的压力下，第一弹簧2开始压缩，冲剪凸模3和上支座5之间发生相对位移，冲剪杆1推动冲剪凸模3穿过上支座5的第一通孔，向冲剪凹模10移动，冲剪出圆片16，圆片16落下，如图3所示。

需要说明的是，准确冲剪在实际操作中非常重要，既能够提高生产效率，又可以降低废品率，避免各组件上下移动时遭卡住难以移动的情况。为了提高冲剪准确，本实施例从以下几个方面进行设计：

设计一：冲剪杆1需要准确推动冲剪凸模3从上支座5的第一通孔穿过，然后准确陷入冲剪凹模10的冲剪孔13中，因此，冲剪杆1、冲剪孔13、第一通孔需要同轴线，才能保证位移时不发生各方向偏移。

设计二：在上支座5移动时，上支座5中心点受到来自冲剪杆1的向下推力，上支座5的周边受到多个第二弹簧7向上的弹簧回复力。为了让两个方向的受力达到均衡，避免出现某处或某方向偏移，当第二弹簧7为多个时，所有第二弹簧7以冲剪孔13的中心为圆心呈圆周分布，每个第二弹簧7到冲剪孔13的中心的位置均相等，受力基本相等，促使上支座5位移量各处相等。

设计三：本情况是在情况二的基础上做的进一步改进，其中，与第一弹簧2内穿有冲剪杆相似，为了规范第二弹簧7的运动轨迹，避免第二弹簧7压缩中发生偏移，每个第二弹簧7内均穿有一根销柱15；销柱15能够引导第二弹簧7在规范的方向上压缩。上支座5开有供销柱15自由滑动的第三通孔12，销柱15的上端穿过第三通孔12，且套有阻挡销柱15从上支座5滑脱的第一挡圈6；销柱15的下端与下支座8固定连接。在上支座5向下运动中，销柱15的上端穿过上支座5；当上支座5复位时，销柱15上端的第一挡圈6挡住其上端，防止上支座5上升脱离销柱15。销柱的下端穿过下支座，且用套有阻挡其从下支座滑脱的第二挡圈9，该第二挡圈9与下支座下表面接触。

本实施例的设计能够达到循环冲剪，冲剪出圆片16后，一方面，冲剪凸模3、上支座5在弹簧力的作用下复位，另一方面，将圆片16取出。巧妙的第一弹簧2、第二弹簧7设计能够实现准确复位，提高工作效率；而设计合理的圆片16取出方式，能提高冲剪的准确性，又能够提高工作效率。如果每次冲剪完都需要搬动加工设备取圆片16，那么效率低，而且，一次次移动加工设备，容易造成组件位置关系错位，造成冲剪偏差，废品率上升。基于这种思路，发明人在下支座8的中心开有固定安装冲剪凹模10的第二通孔14；冲剪凹模10的下底面高于下支座8的下底面，第二通孔14的内壁和冲剪凹模10的下底面围成圆片16储存空间；下支座8的底部开有卸料槽17，卸料槽17与圆片16储存空间连通。

在以往关于该部分的具体设计为：(1)下支座8的底面是平的，冲剪完试样后需要将整个取样设备抬起才能取出圆形试样；(2)冲剪孔13内侧面是球面，无法实现冲剪凸模3、凹模同轴的定位，如果加载过程中存在偏载，很容易导致凸模与凹模的运动干涉，严重时卡死，同时球面的自适应性和互换性差，当球面存在磨损，很难保证配合精度。基于以往设计存在的确定，本实施例中做了如下改进：(1)下支座8的底面设计了长方形的卸料槽17，用于取出圆形试样，方便快捷：(2)冲剪凹模10为倒圆台形，侧面设计成圆锥面，不仅定位准确，自适应性和互换性更好、可多次拆装而不影响定位精度。

由于该加工设备由多套冲剪模组组成，为了方便更换冲剪凹模10，冲剪凹模10的呈倒圆台结构，其侧面上边缘和第二通孔14内侧面上边缘可拆卸连接。以往的设计中，冲剪凹模10由两部分组成，上侧为冲剪凹模10，下侧为冲剪凹模10座，冲剪凹模10座侧面为球形面。球形面虽然可以自动摆动以调整铝合金板下底面与冲剪凹模10、冲剪孔13的垂直度，却调整不了冲剪凸模3的冲剪外圆面与冲剪凹模10冲剪孔13的同轴度，同时加载的时候往往存在偏载，且冲剪凸模3与冲剪凹模10间隙仅有约0.1mm，因此很容发生冲剪凸、凹模的干涉、卡死。基于以往设计中存在的问题，在本实施例中做了如下改进：将冲剪凹模10和冲剪凹模10座合并为一个零件，侧面改为圆锥面。在保证不同孔径冲剪凹模10的简易更换前提下，还少了一个零件，同时侧面改为圆锥面(也可称为倒圆台侧面)，更容易通过装配后再钻、铰销柱15孔配销柱15来提高冲剪凸模3与冲剪凹模10的同轴度，同时圆锥面的互换性更好、拆装更方便。冲剪凹模10侧面上边缘和第二通孔14内侧面上边缘可拆卸连接。比如：卡接、螺纹连接、借助摩擦力的连接等等；可拆卸连接，易于更换冲剪凹模10，调用不同的冲剪模组。

由于在取样过程中会产生很大的冲剪力和强烈的冲击，所以对设备中直接完成冲剪取样动作的主要零部件(冲剪杆1、冲剪凸模3、冲剪凹模10)的材料有较严格的要求。其所受载荷的特性决定了所用材料应当具较高的抗拉强度、良好的冲击韧性以及优良的综合力学性能，并且表面经热处理后具有较高的硬度。综上，本设备的冲剪凸模3和冲剪凹模10选择优质合金钢42CrMo，经氮化后表面硬度达到Hv500-600，氮化层深0.6-0.8mm。

冲剪杆1选择优质合金钢40Cr，经调质硬度达到HB280-300。

上支座5在一个冲剪动作中，其端面承受第一弹簧2反作用力的同时，其销柱15孔和内孔又承受2次冲剪凸模3和销柱15之间的滑动摩擦，因此应选用具有较高的综合力学性能和表面硬度。因此选用42CrMo，经氮化后表面硬度达到Hv500-600，氮化层深0.6-0.8mm。

下支座8因仅承受冲剪凹模10间接传递的冲剪力和基本可以忽略的第二弹簧7力，故选用45钢调质HB260-280。

因在一个冲剪循环中，上支座5与销柱15经历了2次滑动摩擦，因此销柱15表面应具有较高的硬度。选用40Cr，整体淬火后表面硬度达到HRc45-55。

第一弹簧2主要承受和传递冲剪力，因此选用60Si₂Mn，第二弹簧7受力小选用65Mn即可满足使用要求，两者热处理均采用油淬+回火。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上做的改进：

为了实现准确冲剪，在本实施例中还提供了设计四：弹簧套筒，其套于第一弹簧的外面，其下表面与上支座5的第一通孔边缘固定连接。一方面固定第一弹簧2的运动轨迹，规范第一弹簧2的弹力方向，避免第一弹簧2压缩中促使冲剪凸模3偏离移动方向；另一方面能够包裹第一弹簧2，外部观赏美观。

弹簧套筒选用Q235，在其加工好后与完工的上支座进行点焊组合成一体。第一挡圈因属于标准件故采用相关标准规定的材料。

不过，在本实施例中，对实施例1中的设计二做了改进，本实施例中采用一个第二弹簧，第二弹簧需要处于中心区，与冲剪杆同轴。

实施例3

针对上述实施例1和实施例2，发明人对冲剪间隙、冲剪凸模、冲剪凹模、第一弹簧、第二弹簧的选择和参数设定都进行了非常具体的分析：

一、有关冲剪间隙的分析

冲剪间隙对冲剪操作影响较大：(1)减小间隙，应力状态中拉应力减小，推迟了裂纹的产生，使断面光亮带增大，塌角、断裂面及毛刺减小，从而提高了待冲剪片断面的质量。但减小间隙，会增大制模、修模的难度，且增大了冲剪力，缩短模具的寿命。(2)增大间隙，使断面光亮带变窄，塌角、断裂面及毛刺增大，降低待冲剪片断面的质量，且影响待冲剪片11的尺寸精度。但增大间隙，可使制模、修模较为容易，且减小了冲剪力，提高了模具的寿命。发明人在本实施例中主要考虑以下几方面因素以选取合理的间隙值：

(1)待冲剪片的厚度

待冲剪片的厚度是影响冲剪间隙的最主要的因素。材料越厚，间隙应越大。以如下公式表示两者关系：

c＝x％*t

式中c—间隙(双面)；x—比例系数；t—料厚

随着材料的增厚即t增大，可以适当提高比例系数x％。

(2)冲剪表面质量要求

根据GB/T5125-2008铝及铝合金冲杯试验方法中对试样圆片质量的要求：表面平整不能有划痕，周边无毛刺试样圆片的标准直径公差为-0.05～-0.20mm。

可知所设计的间隙值既要保证落料试样的直径公差，又要保证较好的外观质量。因此，应取较小的间隙值。

(3)材料的力学性能

由于硬性材料冲剪时，表面不易弯曲，且因韧性不足，毛刺难于拉长，可以相对使用较大的间隙。而较软的材料因表面易弯曲，断面易产生毛刺，当选用过大的间隙时，容易将搭边拉进模腔内，将冲剪凹模挤坏。故软材料冲剪模具设计应选用较小之间隙值。

(4)模具磨损量

在实际工作中，凸、凹模由于磨损而导致间隙不断增大，因此选用间隙时，应留有一定的磨损量。

冲剪间隙直接影响模具的寿命，影响待冲剪片的质量。它不是一个不变的定值，需要设计者依据实际，灵活选择。而且间隙选定后，要继续追踪，要深入生产现场，根据冲出来的工件及模具的使用情况进行调查，其结果是否满意，再增大(或减小)间隙，只有这样，模具的寿命和待冲剪片的质量才能不断提高。

综合考虑上述因素，本项目共设计了52mm、55mm和60mm三种规格的冲剪凸、凹模组，适用于制取冲杯试验圆片16的直径有52mm、55mm和60mm，冲杯试验圆片的厚度为0.1mm-3mm。最大许用冲剪力为150000N。每种规格分别有一个公用的冲剪凹模和与之对应的六个冲剪凸模，此六个冲剪凸模能满足冲剪不同厚度试样时对冲剪模具的间隙要求。冲剪间隙和板厚对应关系见表1。该冲剪凸、凹模可根据试验要求快捷、方便地进行更换。

二、第一弹簧、第二弹簧的分析

在这个设计中充分利用了第一弹簧、第二弹簧的弹力及缓冲效果，避免刚性状态操作造成设备损害冲剪不准确的问题。另一方面，该设计借助两个弹簧的弹力，达到了冲剪后复位、为下一次冲剪做准备的效果，利于循环操作，而且加工圆片中，试样尺寸一致性好。停止对冲剪杆施加压力后，第一弹簧、第二弹簧会进行复位运动，进而带动各组件达到未冲剪时的位置。待铝及铝合金板材冲剪完成后，靠第一弹簧的恢复力将冲剪凸模和铝及铝合金板材分离；靠第二弹簧的恢复力将上支座和冲剪凹模分离。GB/T 5125-2008《铝及铝合金冲杯试验方法》中，对冲杯试验圆片试样的尺寸要求，使得第一弹簧的内径不得小于圆片试样的尺寸。

关于第一弹簧2、第二弹簧7的具体设计思路为：

1.第一弹簧的具体设计思路：

第一弹簧的受力分析

(1)初始状态时，也即万能试验机没有施加冲剪载荷时的受力情况如图5所示：

此时：G+Fr＝0；

上式中，G—冲剪杆和冲剪凸模的重量；Fr—上支座对弹簧的反作用力；H1—初始状态第一弹簧高度。

(2)向下冲剪动作完成，处于最大工作行程时的极限受力情况如图6所示：G+F+Fr＝0；

上式中：G—冲剪杆和冲剪凸模的重量；Fr—上支座对弹簧的反作用力；F—冲剪杆对第一弹簧的作用力；H₂—处于最大工作行程时第一弹簧高度。

1.2第一弹簧的选型

第一弹簧的作用主要是用于在压力机卸载后，能够将冲剪杆向上回弹至设备的初始状态。因此，第一弹簧仅需要在压力机卸载后能够克服冲剪杆的重力即可。但是在设计过程中，考虑到GB/T 5125-2008《铝及铝合金冲杯试验方法》对圆片试样的要求，第一弹簧内径需要大于60mm。再则由于设备结构的尺寸限制，根据GB/T 2089-2009《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数(两端圈并紧磨平或制扁)》，选择第一弹簧参数如下：

类型：普通圆柱螺旋压缩弹簧

材料：60Si2Mn

材料直径d：10mm；

弹簧中径D：75mm；

自由高度H0：120mm；

有效圈数n：4.5圈；

弹簧刚度p′：52N/mm；

最大恢复力：2763N。

1.3第一弹簧刚度计算

$p^{\text{'}}=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{8D^{3}n}=\frac{79\×{10}^3\×{10}^4}{8\×{75}^3\×4.5}\≈52N/\mathrm{mm}$

式中：p′—弹簧刚度(N/mm)；G—材料切变模量(N/mm²)；

d—材料直径(mm)；D—弹簧中径(mm)；n—有效圈数。

1.4极限工作状态第一弹簧切应力计算

其受力状态如图6所示。

旋绕比：

$C=\frac{D}{d}=\frac{75}{10}=7.5$

曲度系数：

$K=\frac{4C-1}{4C-4}+\frac{0.615}{C}=\frac{4\×7.5-1}{4\×7.5-4}+\frac{0.615}{7.5}=1.2$

极限状态第一弹簧所受力：

P＝F+G＝p'L+G＝52×15+20＝800N

上式中：L为第一弹簧的极限工作行程，设计时取L＝15mm。

第一弹簧的极限切应力：

$\mathrm{\&tau;}=K\frac{8D}{\mathrm{\&pi;}{d}^3}P=1.2\frac{8\&times;75}{\mathrm{\&pi;}\&times;{10}^3}\&times;800=183.4\mathrm{MPa}<\left[\mathrm{\&tau;}\right]=750\mathrm{MPa}$

上式中：[τ]为弹簧的许用切应力，根据设计时所选弹簧的材料和热处理方式，取[τ]＝750MPa。

从上述计算结果可以得出所设计的第一弹簧满足使用要求。

2.第二弹簧的具体设计

(1)第二弹簧要克服冲剪杆、第一弹簧、弹簧套筒、上支座和冲压冲剪凸模的自重，将上支座和冲剪凹模分离；

(2)第二弹簧的内径要大于销柱的直径；

(3)第二弹簧设计为两个并联安装。

2.1第二弹簧的受力分析

(1)初始状态时，也即万能试验机没有施加冲剪载荷时的受力情况如图7所示：

$\frac{G}{2}+\mathrm{Fr}=0$

其中，在该公式中：G—冲剪杆、第一弹簧、第一弹簧套筒、上支座和冲剪凸模总重；Fr—下支座通过销柱轴肩对第二弹簧的反作用力；H1—初始状态第二弹簧高度。

(2)最大工作行程，也即上支座和凹模压紧待冲剪试样板时的极限受力情况如图8所示：

$\frac{G}{2}+F+\mathrm{Fr}=0$

上式中：G—冲剪杆、第一弹簧、第一弹簧套筒、上支座和冲剪凸模总重；Fr—下支座通过销柱轴肩对第二弹簧的反作用力；F—上支座对第二弹簧的作用力；H2—处于最大工作行程时第二弹簧高度。

2.2第二弹簧的选型

(1)第二弹簧恢复力的确定

第二弹簧需要支撑的零件为：冲剪杆(约1.5kg)、第一弹簧(约0.41kg)、第一弹簧套筒(约0.8kg)、上支座(约3kg)、冲剪凸模(约0.55kg)。

单个第二弹簧需要支撑的重量：

$\frac{G}{2}=(1.5+0.41+0.8+3+0.55)\&times;9.8\&times;0.5=30.7N$

即：第二弹簧恢复力需大于30.7N。

(2)第二弹簧规格的确定

在样机的设计过程中，销柱的直径为20mm，所以，第二弹簧内径应大于20mm。

综上：根据GB/T 2089-2009《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数(两端圈并紧磨平或制扁)》，选择第二弹簧参数如下：

类型：普通圆柱螺旋压缩弹簧

材料：65Mn

材料直径d：2.5mm；

弹簧中径D：25mm；

自由高度H0：30mm；

有效圈数n：2.5圈；

弹簧刚度p′：10N/mm；

最大恢复力：163N。

2.3第二弹簧刚度计算

$p^{\text{'}}=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{8D^{3}n}=\frac{79\&times;{10}^3\&times;{2.5}^4}{8\&times;{25}^3\&times;2.5}\&ap;10N/\mathrm{mm}$

式中：p′——弹簧刚度(N/mm)；G——材料切变模量(N/mm²)；d——材料直径(mm)；D——弹簧中径(mm)；n——有效圈数。2.4极限工作状态第二弹簧切应力计算

其受力情况如图8所示。

旋绕比：

$C=\frac{D}{d}=\frac{25}{2.5}=10$

曲度系数：

$K=\frac{4C-1}{4C-4}+\frac{0.615}{C}=\frac{4\&times;10-1}{4\&times;10-4}+\frac{0.615}{10}=1.14$

极限状态第二弹簧所受力：

$P=\frac{G}{2}+F=\frac{G}{2}+p^{\text{'}}L=30.7+10\&times;9=120.7N$

上式中：L为第二弹簧的极限工作行程，设计时取L＝9mm。

工作时第二弹簧的极限切应力：

$\mathrm{\&tau;}=K\frac{8D}{\mathrm{\&pi;}{d}^3}P=1.14\frac{8\&times;75}{\mathrm{\&pi;}\&times;{2.5}^3}\&times;120.7=560\mathrm{MPa}<\left[\mathrm{\&tau;}\right]=750\mathrm{MPa}$

上式中：[τ]为弹簧的许用切应力，根据设计时所选弹簧的材料和热处理方式，取[τ]＝750MPa。

从上述计算结果可以得出所设计的第一弹簧2满足设计要求。

三、销柱的设计

有关销柱15的设计，在以往的设计中，采用的销柱直径小长度长，定位精度均较差，上支座销柱孔与下支座销柱孔孔径不一致，加工时无法配钻、配铰导致加工精度差，滑动引导方式为上支座与销柱紧配合并通过销柱一起相对下支座滑动，由于本身销柱细长，这种引导方式如在加载时稍微存在偏载即可导致销柱与下支座孔之间产生干涉影响正常滑动，严重时导致整个机构卡死。基于以往设计出现的问题，在本实施例中，对其进行了改进，销柱15直径大，长度短定位精度更高，且上支座5与下支座8销柱15孔孔径一致，有利于加工时配钻、配铰，销柱15与下支座8通过弹簧第一挡圈6和一侧台阶安装到一起，上支座5可自由上、下相对销柱15和下支座8滑动，即使存在一定的偏载，由于销柱15为短粗结构，刚度大，也会有很好的引导效果。

实施例4

针对上述铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备加工圆片的加工方法包括，如图4所示：

步骤101，将铝或铝合金质的待冲剪片放置于冲剪凹模的上表面上；

待冲剪片保持平整，其下平面与冲剪凹模的上表面充分接触。

步骤102，利用驱动组件将冲剪凸模位移至与待冲剪片上表面接触；

具体为：利用驱动组件向上支座施加压力，上支座向冲剪凹模方向移动，待上支座的下表面与待冲剪片接触，利用驱动组件向冲剪凸模施加压力，冲剪凸模穿过上支座向冲剪凹模方向移动；

步骤103，冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪，得冲杯试验圆片。

冲剪凸模继续下移，利用冲剪凸模和冲剪凹模二者的刃口实现冲剪，圆片落下。

其中，

步骤102中，当驱动组件设计为上述实施例1中的结构时，该步骤的具体执行方式为：

步骤102-1，外部施力装置向冲剪杆施加压力；

步骤102-2，冲剪杆带动冲剪凸模、上支座、第一弹簧同步向下运动，第二弹簧受挤压；

步骤102-3，上支座的下表面与待冲剪片接触；

步骤102-4，第一弹簧受挤压，冲剪杆带动冲剪凸模继续向下运动。

实施例5

基于实施例4，在步骤103之后，该加工方法还可以继续进行如下操作：

步骤104，自卸料槽将冲杯试验圆片取出。

考虑到循环冲剪，实施例1中在下支座设计了卸料槽，基于该设计，在实际操作中可以从卸料槽轻松、顺利的取出冲杯试验圆片，而无需搬动加工设备取出，方便、快捷。

实施例6

基于实施例4，在步骤103之后，该加工方法还可以继续进行如下操作，如图4所示：

步骤105，停止向驱动组件施压，利用驱动组件将冲剪凸模复位。

基于实施例1的设计，该步骤的具体执行方式为：

步骤105-1，停止向冲剪杆施加压力；

步骤105-2，第一弹簧做复位伸长运动，第一弹簧将冲剪杆弹起，冲剪杆带动冲剪凸模向上运动；

步骤105-3，待第一弹簧复位后，第二弹簧做复位伸长运动，推动上支座向上运动；

步骤105-4，上支座带动冲剪杆、冲剪凸模向上运动复位。

需要说明的是，实施例5、实施例6可以在同一个实施例中进行，二者新增的步骤可以同时进行，也可以先后进行。比如：

(1)选择合适规格的冲剪凸模和冲剪凹模组，并安装好。

(2)检查销柱、上支座销柱孔、第二弹簧处的润滑脂是否充足，第一弹簧、冲剪杆和套筒内侧润滑脂是否充足，并及时补充。

(3)将本设备移到电子式万能试验机下方，并使电子式万能试验机压头和本设备的冲剪杆保持在一条轴线上。

(4)将待冲剪铝合金板放置到冲剪凹模上平面。

(5)操作人员及其他相关人员离开本设备，并在冲剪期间始终保持在安全范围内。

(6)设置电子式万能试验机的冲剪参数。

(7)再次确认操作人员及其他相关人员是否处于电子式万能试验机和本设备的安全范围内以及是否佩戴相应的防护装备。

(8)开启电子式万能试验机进行冲剪动作。

(9)等待冲剪完成，并确保电子式万能试验机停止工作，冲剪取样设备自动恢复到初始状态后，将冲剪好的圆片试样和冲剪剩料取出，并及时清理冲剪凸模和冲剪凹模上粘着的冲剪毛刺，以便进入下一次冲剪循环。

另一需要说明的是，外部施力装置选用电子式万能试验机。将待取样的铝及铝合金板材放置在冲剪凹模上，通过电子式万能试验机，对设备的冲剪杆施加匀速向下的力。

对冲剪杆停止施加压力后，冲剪凸模复位，利于循环操作，而且加工圆片中，试样尺寸一致性好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，包括：上支座、下支座、一套以上的冲剪模组、驱动组件；其中，

所述冲剪模组包括：一个以上的冲剪凸模和一个冲剪凹模；所述冲剪凹模开有供所述冲剪凸模陷入的冲剪孔，每一套所述冲剪模组中所有冲剪凸模的高度相同，横截面直径不同；

所述上支座开有供所述冲剪凸模穿过的第一通孔；

所述冲剪凹模固定于所述下支座上，其上表面为待冲剪片的放置面；

所述驱动组件分别与所述上支座、所述冲剪凸模相连接，以推动所述上支座向所述冲剪凹模移动，待所述上支座的下表面与所述待冲剪片接触后，继续推动所述冲剪凸模向所述冲剪凹模移动。

2.如权利要求1所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，所述驱动组件包括：冲剪杆、第一弹簧、一个以上的第二弹簧；其中，

所述冲剪杆的下端与所述冲剪凸模固定连接，上端与外部施力装置连接；

所述第一弹簧套于所述冲剪杆外，其上端与所述冲剪杆的上端连接，其下端与所述上支座的上表面固定连接；

所述第二弹簧设置于所述上支座和所述下支座之间；

所述第一弹簧的刚度大于所述第二弹簧。

3.如权利要求2所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，所述冲剪孔、所述冲剪杆、所述第一通孔同轴。

4.如权利要求2所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，当所述第二弹簧为多个时，所有所述第二弹簧以所述冲剪孔的中心为圆心呈圆周分布。

5.如权利要求4所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，

每个所述第二弹簧内均穿有一根销柱；

所述上支座开有供所述销柱自由滑动的第三通孔，所述销柱的上端穿过所述第三通孔，且套有阻挡所述销柱从所述上支座滑脱的第一挡圈；所述销柱的下端穿过所述下支座，且用套有阻挡其从所述下支座滑脱的第二挡圈。

6.如权利要求1-5任一项所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，所述下支座的中心开有固定安装所述冲剪凹模的第二通孔；所述冲剪凹模的下底面高于所述下支座的下底面，所述第二通孔的内壁和所述冲剪凹模的下底面围成圆片储存空间；

所述下支座的底部开有卸料槽，所述卸料槽与所述圆片储存空间连通。

7.如权利要求6所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，

所述冲剪凹模的呈倒圆台结构，其侧面上边缘和所述第二通孔内侧面上边缘可拆卸连接；和/或

所述加工设备还包括：弹簧套筒，弹簧套筒套于第一弹簧的外面，其下表面与上支座的第一通孔边缘固定连接。

8.如权利要求7所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备，其特征在于，所述冲剪凸模、冲剪凹模采用合金钢42CrMo；冲剪杆采用合金钢40Cr；所述上支座采用合金钢42CrMo；所述下支座采用45钢。

9.利用权利要求1-8任一项所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备加工圆片的加工方法，其特征在于，包括：

将铝或铝合金质的待冲剪片置于冲剪凹模的上表面上；

利用驱动组件将冲剪凸模位移至与所述待冲剪片上表面接触；

所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪，得冲杯试验圆片。

10.如权利要求9所述的铝或铝合金冲杯试验圆片的加工设备加工圆片的加工方法，其特征在于，

所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪之后，所述加工方法进一步包括：自卸料槽将所述冲杯试验圆片取出；和/或，

所述冲剪凸模对待冲剪片进行冲剪之后，所述加工方法进一步包括：利用驱动组件将所述冲剪凸模复位。