CN110014072B

CN110014072B - 一种径向掰断高效精密的低应力下料方法

Info

Publication number: CN110014072B
Application number: CN201910311292.3A
Authority: CN
Inventors: 张立军; 张军伟; 金永山; 张德潇; 李增辉
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2039-04-18
Also published as: CN110014072A

Abstract

本发明公开了一种径向掰断高效精密的低应力下料方法，属于智能制造技术领域，其采用沿棒料的圆周方向上对称分布的4组下料单元依次间隔对棒料进行施加载荷，每组下料单元包括设置在第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆端部的下料夹具、分别固定在第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆端部的推力锤头，下料夹具和推力锤头相对设置，在对棒料进行掰断的过程中，推力锤头顶住棒料之后，有下料夹具向棒料的V型槽两端同时施加载荷，4组下料单元中的下料夹具和推力锤头相互配合将会在V型槽处产生交变的力，在这个作用力下，V型槽处萌生裂纹，并保证沿V型槽尖端截面呈圆周逐渐向圆心扩展，具有效率高、疲劳裂纹扩展区面积大、断面质量好等优点。

Description

一种径向掰断高效精密的低应力下料方法

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，尤其涉及一种径向掰断高效精密的低应力下料方法。

背景技术

低应力下料是将裂纹技术应用于棒材下料中，先人为地在棒材表面上预制一条环向V型槽，然后对带有环向V型槽表的棒材施加一定外力，使其以低应力脆断的形式动态分离。它利用环向V型槽的缺口效应和弯曲效应，实现材料在低应力水平下的脆断。目前学者们已就低应力弯曲下料技术从应力集中、机构设计、断口形貌等方面进行了一些研究。但低应力弯曲下料的材料分离机理、高效精密实现方法和质量评价标准等关键核心技术仍未突破，因而提高产品精度和生产效率，降低能耗以及减少污染等的综合目标也未能真正实现。为加快振兴我国装备制造业发展，研究高效、高品质、节能、环境友好型金属材料近净成形下料新技术及材料分离机理势在必行。

参考图1所示，目前的低应力下料装置在对棒料施加载荷的方式上具有一定的局限性，主要体现在其对棒料的加载方式为一端夹紧，对另一端施加载荷，这样的加载方式即没有让V型槽的应力集中效应得到充分发挥，又增大了V型槽处裂纹的起裂角和扩展路径控制难度，进而导致棒料断面不平整，下料力较大，影响断面质量。

作为金属材料成型加工的第一道工序，所下棒料的断面质量直接影响到后续加工效率和成本。棒料V型槽尖端起裂角会影响到最终的下料断面质量，在裂纹的萌生阶段，起裂角会决定裂纹的扩展路径和断面的平整度。理想的裂纹起裂角应该是0°，这样棒料断面较为平整，但由于现有的低应力下料装置中棒料的受载方式不是纯弯曲而是横力弯曲，即V型槽尖端裂纹是以I型为主、II型为辅的复合型裂纹，所以外载荷除了会在棒料V型槽底部以弯矩的形式产生正应力外，还会在V型槽尖端截面产生切应力，正应力和切应力的合应力会出现在V型槽尖端截面偏右的位置，导致裂纹起裂角增大，棒料断面不平整；并且由于现有下料装置的加载方式为一端夹紧，另一端加载，所以无法从根本上消除裂纹的起裂角大的问题，进而影响断面质量。

发明内容

本发明提供一种径向掰断高效精密的低应力下料方法，旨在解决已有技术中对棒料采取的加载方式导致的断面质量较差、断面平整度较低的问题，具有下料范围广、效率高、疲劳裂纹扩展区面积大、断面质量好等优点。

本发明提供的具体技术方案如下：

本发明提供的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法包括：

将待下料的棒料安装在径向掰断高效精密的低应力下料机上，其中，所述低应力下料机包括4组下料单元，4组下料单元中的2组下料单元安装在待下料的棒料的上下方向，另2组下料单元安装在待下料的棒料的左右方向，每组下料单元包括第一液压油缸和第二液压油缸、设置在第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆端部的下料夹具、设置在第一液压油缸和第二液压油缸对侧的第三液压油缸和第四液压油缸、分别固定在第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆端部的推力锤头；

第一下料单元中的第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆向外伸出，进而固定在第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆端部的推力锤头抵接在待下料的棒料的V型槽的两端，同时，第一下料单元的第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆逐渐伸出，进而安装在第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆端部的下料夹具分别对待下料的棒料的V型槽的两端施加载荷；

第一下料单元中的第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆运动到行程末端之后，向内缩回，之后，第二下料单元重复第一下料单元的下料过程，其中，第二下料单元和第一下料单元对称分布；

第二下料单元工作完成之后，第三下料单元和第四下料单元依次重复第一下料单元的下料过程，第三下料单元和第四下料单元对称分布，第一下料单元和第三下料单元相互垂直分布；

当第三下料单元和第四下料单元执行完毕下料过程之后，再由第一下料单元和第二下料单元重复执行下料过程，如此循环，以实现裂纹沿V型槽尖端的圆周方向均匀扩展直至棒料断裂，直至完成下料。

可选的，4组下料单元均安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠安装在机架上，进而可以通过滚珠丝杠调整下料单元在导轨上移动，实现改变作用力臂和适应待下料的棒料的长度变化。

可选的，将待下料的棒料安装在径向掰断高效精密的低应力下料机上之后，待下料的棒料的右端夹持在内锤头的内部，内锤头安装在关节窝外壳的关节窝内，内锤头的内腔中安装有滑块、内承圈和夹紧卡爪，内锤头的中部设置有第一通孔，滑块、内承圈和夹紧卡爪均安装在第一通孔内，内承圈采用齿轮啮合与滑块相配合，夹紧卡爪通过侧面的滑槽与滑块和内承圈相配合。

可选的，第一下料单元、第二下料单元、第三下料单元和第四下料单元分布在待下料棒料的左右和上下方向上，第一下料单元、第二下料单元、第三下料单元和第四下料单元依次间隔工作且同一时刻仅有其中的一组下料单元处于工作状态。

可选的，关节窝外壳和内锤头的端部之间采用弹簧支撑，当滑块转动，内承圈随之转动，进而使夹紧卡爪夹紧棒料，在进行下料时，随着裂纹深度的扩展，棒料右端的挠度会越来越大，当棒料右端挠度较大时，内锤头在关节窝中随棒料运动，以防止棒料与低应力下料机的其他部件发生干涉。

可选的，每一组下料单元中的第一液压油缸和第二液压油缸并排设置，第三液压油缸和第四液压油缸并排设置，第一液压油缸和第三液压油缸相对设置，第二液压油缸和第四液压油缸相对设置。

可选的，每一组下料单元中的2个下料夹具以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的2个推力锤头以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的下料夹具设置在推力锤头的外侧。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法，其采用沿棒料的圆周方向上对称分布的4组下料单元依次间隔对棒料进行施加载荷，每组下料单元包括第一液压油缸和第二液压油缸、设置在第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆端部的下料夹具、设置在第一液压油缸和第二液压油缸对侧的第三液压油缸和第四液压油缸、分别固定在第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆端部的推力锤头，下料夹具和推力锤头相对设置，在对棒料进行掰断的过程中，推力锤头顶住棒料之后，有下料夹具向棒料的V型槽两端同时施加载荷，4组下料单元中的下料夹具和推力锤头相互配合将会在V型槽处产生交变的力，在这个作用力下，V型槽处萌生裂纹，并保证沿V型槽尖端截面呈圆周逐渐向圆心扩展，也即通过改变棒料的加载方式提高棒料的断面质量和断面平整度，具有下料范围广、效率高、疲劳裂纹扩展区面积大、断面质量好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为已有技术的低应力下料装置对棒料的加载方式示意图；

图2为本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料机的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例的图2中的A-A向剖视结构示意图；

图4为本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料机的剖视结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合图2～图4对本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法进行详细的说明。

一方面，参考图2和图3所示，本发明实施例提供的一种径向掰断高效精密的低应力下料机包括机架6、安装机架6上的滚珠丝杠1和关节窝外壳11、安装在滚珠丝杠1上的下料装置3、安装在关节窝外壳11的关节窝13内的内锤头7、安装在内锤头7上的滑块8、内承圈9和夹紧卡爪10，其中，下料装置3包括沿圆周方向对称分布的4组下料单元，参考图4所示，每组下料单元包括第一液压油缸301和第二液压油缸302、设置在第一液压油缸301和第二液压油缸302的活塞杆端部的下料夹具2、设置在第一液压油缸301和第二液压油缸302对侧的第三液压油缸303和第四液压油缸304、分别固定在第三液压油缸303和第四液压油缸304的活塞杆端部的推力锤头5，关节窝外壳11和内锤头7的端部之间采用弹簧12支撑，4组下料单元依次间隔工作且同一时刻仅有一组下料单元处于工作状态。

具体的，参考图2和图4所示，第一液压油缸301和第二液压油缸302并排设置，第三液压油缸303和第四液压油缸304并排设置，第一液压油缸301和第三液压油缸303相对设置，第二液压油缸302和第四液压油缸304相对设置。并且，第一液压油缸301、第二液压油缸302、第三液压油缸303和第四液压油缸304之间联动控制。当需要对棒料施加载荷时，可以同时驱动第一液压油缸301、第二液压油缸302、第三液压油缸303和第四液压油缸304的活塞杆外伸，进而推力锤头5顶住棒料4，推力锤头5顶住棒料4之后，下料夹具向棒料的V型槽两端同时施加载荷，下料夹具和推力锤头相互配合将会在V型槽处产生交变的力，在这个作用力下，V型槽处萌生裂纹，并保证沿V型槽尖端截面呈圆周逐渐向圆心扩展，也即通过改变棒料的加载方式提高棒料的断面质量和断面平整度，具有下料范围广、效率高、疲劳裂纹扩展区面积大、断面质量好等优点。

进一步的，参考图2和图3所示，下料夹具2位于推力锤头5的外侧，也即2个推力锤头位于棒料4的V型槽的两端，2个下料夹具2位于推力锤头的对侧外端，每一组下料单元中的两个下料夹具和两个推力锤头以V型槽为对称中心线依次分布，可实现径向加载疲劳掰断下料。

参考图2和图3所示，4组下料单元均安装在滚珠丝杠1上，滚珠丝杠1安装在机架6上，进而可以通过滚珠丝杠1调整下料单元在导轨上移动，实现改变作用力臂和适应待下料的棒料的长度变化。

参考图2和图3所示，4组下料单元中的第一下料单元和第二下料单元对称分布，第三下料单元和第四下料单元对称分布，第一下料单元和第三下料单元相互垂直分布，也即4组下料单元分别分布在棒料4的上下和左右方向，进而可以通过第一下料单元和第二下料单元的下料夹具和推力锤头交替加载，第三下料单元和第四下料单元中的下料夹具和推力锤头交替加载，可以保护棒料后面的V型槽不发生不可控的裂纹萌生。

参考图2和图4所示，内锤头7的中部设置有第一通孔701，滑块8、内承圈9和夹紧卡爪10均安装在第一通孔701内，内承圈9采用齿轮啮合与滑块8相配合，夹紧卡爪10通过侧面的滑槽与滑块8和内承圈9相配合。内锤头7安装在关节窝外壳11的关节窝中，内锤头7中安装有内承圈9，内承圈9通过齿轮啮合与滑块8相配合，夹紧卡爪10通过侧面的滑槽与滑块8、内承圈9的滑槽相配合，当滑块8滑动时，通过齿轮使内承圈9转动，带动夹紧卡爪10夹紧棒料。

参考图2和图3所示，关节窝外壳11为中空结构，关节窝外壳11的内腔包括椭球腔1101和圆锥腔1102，也即关节窝13包括椭球腔1101和圆锥腔1102，椭球腔1101的底部设置有用于穿过棒料4的第二通孔1103，圆锥腔1102的小端靠近椭球腔1101。内锤头7的底部安装在椭球腔1101内，内锤头7的底部直径大于其顶部直径，内锤头7的底部为椭球结构。并且，参考图2和图3所示，弹簧12连接内锤头7和关节窝外壳11，弹簧12在垂直棒料轴线的平面内沿水平、竖直轴线均布四个，低应力下料机停止工作时能够使内锤头7复位。下料时当棒料右端挠度较大时，内锤头7可以在关节窝13中随棒料运动，以防止棒料与低应力下料机的其他部件发生干涉，同时，还能防止正在加载的V型槽之外的V型槽提前发生裂纹的萌生和扩展。

具体的，参考图2和图3所示，为防止待下棒料后面的V型槽提前发生不可控裂纹萌生与扩展，本发明实施例的低应力下料机采用了随动夹紧机构，也即内锤头安装在关节窝外壳的关节窝中，内锤头中的滑块与内承圈通过滑槽相互配合，当滑块转动时，内承圈随之转动，进而使夹紧卡爪夹紧棒料，在进行下料时，随着裂纹深度的扩展，棒料右端的挠度会越来越大，此时内锤头就可以在关节窝中随着棒料摆动，这样就可以保护棒料后面的V型槽不发生不可控的裂纹萌生，还能防止棒料与低应力下料机之间产生干涉。

另一方面，本发明实施例提供一种用于上述径向掰断高效精密的低应力下料机的低应力下料方法，该方法包括：

进一步的，将待下料的棒料安装在径向掰断高效精密的低应力下料机上之后，待下料的棒料的右端夹持在内锤头的内部，内锤头安装在关节窝外壳的关节窝内，内锤头的内腔中安装有滑块、内承圈和夹紧卡爪，内锤头的中部设置有第一通孔，滑块、内承圈和夹紧卡爪均安装在第一通孔内，内承圈采用齿轮啮合与滑块相配合，夹紧卡爪通过侧面的滑槽与滑块和内承圈相配合。关节窝外壳和内锤头的端部之间采用弹簧支撑，当滑块转动，内承圈随之转动，进而使夹紧卡爪夹紧棒料，在进行下料时，随着裂纹深度的扩展，棒料右端的挠度会越来越大，当棒料右端挠度较大时，内锤头在关节窝中随棒料运动，以防止棒料与低应力下料机的其他部件发生干涉。

具体的，每一组下料单元中的2个下料夹具以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的2个推力锤头以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的下料夹具设置在推力锤头的外侧，可实现径向加载和疲劳掰断下料。第一下料单元、第二下料单元、第三下料单元和第四下料单元依次间隔工作且同一时刻仅有其中的一组下料单元处于工作状态，也即当一组下料单元对棒料施加载荷，同时，其推力锤头向上移动，顶住棒料，此时其他下料单元的推力锤头不接触棒料，下料单元的最大力小于材料的极限强度，当第一下料单元工作完成后，第二下料单元中的下料夹具和推力锤头开始联动，重复第一下料单元的下料过程，第三下料单元和第四下料单元如此循环，以实现裂纹沿V型槽尖端沿圆周均匀扩展直至棒料断裂，完成下料。

本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法，在棒料V型槽的两侧进行掰断加载，改变了已有技术中对棒料一端夹紧、另一端加载的加载方式，消除了V型槽尖端截面的切应力，增大了V型槽尖端截面拉应力的作用，使裂纹起裂角减小到0°，可以极大地提高断面的平整度，同时，将每组下料单元中的下料夹具和推力锤头以V型槽为对称中心对称放置，能够充分利用V型槽的应力集中效应，使裂纹从已有技术中的Ⅰ、Ⅱ型裂纹混合且Ⅰ型裂纹占主体，转变为完全为Ⅰ型裂纹，使棒料的裂纹扩展更为可控，可以极大地提高断面质量。

而且，本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法采用的是径向掰断加载，加载力在V型槽两侧对称加载，能够使Ⅰ型裂纹沿棒料截面均匀地向圆心扩展，显著增大断面的疲劳裂纹扩展区面积，减小瞬断区面积，提高了下料效率和质量，该方法采用相互对立的下料夹具和推力锤头之间的联动，适应性强，能够方便的更换下料模具，能够扩大所下棒料的直径范围，而且能够调节作用力臂，扩大所下棒料的长度范围。本发明实施例的一种径向掰断高效精密的低应力下料方法采用的关节窝外壳、内锤头、滑块、内承圈和夹紧卡爪组成的棒料夹持装置能够实现对棒料的夹紧，防止棒料的轴向移动以使V型槽两侧受力均匀；而且棒料夹持装置能够实现内锤头与棒料之间的随动，能够解决棒料端面挠度变大的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种径向掰断高效精密的低应力下料方法，其特征在于，所述低应力下料方法包括：

2.根据权利要求1所述的低应力下料方法，其特征在于，4组下料单元均安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠安装在机架上，进而可以通过滚珠丝杠调整下料单元在导轨上移动，实现改变作用力臂和适应待下料的棒料的长度变化。

3.根据权利要求2所述的低应力下料方法，其特征在于，将待下料的棒料安装在径向掰断高效精密的低应力下料机上之后，待下料的棒料的右端夹持在内锤头的内部，内锤头安装在关节窝外壳的关节窝内，内锤头的内腔中安装有滑块、内承圈和夹紧卡爪，内锤头的中部设置有第一通孔，滑块、内承圈和夹紧卡爪均安装在第一通孔内，内承圈采用齿轮啮合与滑块相配合，夹紧卡爪通过侧面的滑槽与滑块和内承圈相配合。

4.根据权利要求3所述的低应力下料方法，其特征在于，第一下料单元、第二下料单元、第三下料单元和第四下料单元分布在待下料棒料的左右和上下方向上，第一下料单元、第二下料单元、第三下料单元和第四下料单元依次间隔工作且同一时刻仅有其中的一组下料单元处于工作状态。

5.根据权利要求4所述的低应力下料方法，其特征在于，关节窝外壳和内锤头的端部之间采用弹簧支撑，当滑块转动，内承圈随之转动，进而使夹紧卡爪夹紧棒料，在进行下料时，随着裂纹深度的扩展，棒料右端的挠度会越来越大，当棒料右端挠度较大时，内锤头在关节窝中随棒料运动，以防止棒料与低应力下料机的其他部件发生干涉。

6.根据权利要求5所述的低应力下料方法，其特征在于，每一组下料单元中的第一液压油缸和第二液压油缸并排设置，第三液压油缸和第四液压油缸并排设置，第一液压油缸和第三液压油缸相对设置，第二液压油缸和第四液压油缸相对设置。

7.根据权利要求6所述的低应力下料方法，其特征在于，每一组下料单元中的2个下料夹具以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的2个推力锤头以棒料的V型槽为对称中心对称设置，每一组下料单元中的下料夹具设置在推力锤头的外侧。