CN112588937A - 一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具及方法，属于低应力精密下料技术领域。本发明在现有下料模具基础上进行结构的优化设计，通过在现有锤头滑块内设置自转减磨锤头，从而将棒料表面与下料模具之间的滑动摩擦接触转化为纯滚动接触，极大减小甚至消除棒料与下料模具之间的摩擦磨损，显著提高了下料机的使用性能与寿命，同时也极大提升了棒料的表面质量。其中，自转减磨锤头包括与轴承内圈过盈配合的内锤头，内锤头通过联轴器与内锤头电机相连，内锤头电机的内锤头电机座固定安装在锤头滑块内腔，锤头滑块下端通过连杆与轴头连接，主轴与棒料的轴线重合。

Description

一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具及方法

技术领域

本发明涉及一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具及方法，属于低应力精密下料技术领域。

背景技术

低应力下料是将裂纹技术应用于棒材下料中，先人为在棒材表面上预制一条环向裂纹，然后对带有环向裂纹的棒材施加一定外力，使其以低应力脆断的形式动态分离。低应力弯曲断裂下料被公认为是未来最有发展潜力的精密下料方法，它充分利用环向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，获得无几何畸变、断口垂直平整、无需倒角的毛坯。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。

参考附图1、附图2所示，现有技术中的基于液压补偿的低应力下料机主要包括变频电机100、液压传动系统200、双滑块机构300、下料模具400、可移动夹持机构500和机架600，下料模具400是下料机的主要磨损部件，很大程度上决定了下料机的使用性能与寿命，主要包括轴头700、锤头滑块800和轴承900，并且轴承900内圈与棒料表面接触。下料过程中，将开有V型槽的棒料一端放入下料模具400的轴承900内，另一端固定在可移动夹持机构500中，变频电机100通过液压传动系统200、双滑块机构300带动下料模具400进行旋转；因下料机主轴转速较高，较小的质量和旋转半径即可产生较大的离心力，并通过轴承900作用于棒料，从而在棒料V型槽尖端产生裂纹，通过控制加载力，V型槽尖端裂纹萌生后会迅速地沿着径向扩展，最终完全断裂，实现下料。申请人通过以往的大量下料试验发现，棒料与下料模具400之间摩擦副的摩擦剧烈导致棒料磨损严重，其主要原因是在下料过程中棒料表面与下料模具400的轴承900内圈一直在发生滑动摩擦，使得棒料表面与轴承900内圈接触面都产生较大磨损，且棒料表面磨损更加严重。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具及方法，极大减小甚至消除了棒料与下料模具之间的摩擦磨损，显著提高了下料机的使用性能与寿命，同时也极大提升了棒料的表面质量。其采用的技术方案如下：

本发明提供一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，包括锤头滑块、设置于锤头滑块内的轴承、与锤头滑块滑动连接的轴头，所述轴头与主轴固定连接，其特征在于，还包括设置于所述锤头滑块内部的自转减磨锤头，所述自转减磨锤头包括与轴承内圈过盈配合的内锤头，所述内锤头通过联轴器与内锤头电机相连，所述内锤头电机的内锤头电机座固定安装在所述锤头滑块内腔，所述锤头滑块下端通过连杆与轴头连接，所述主轴与棒料的轴线重合，所述轴头、主轴和连杆用于控制锤头滑块相对棒料做偏心圆转动，所述内锤头电机通过联轴器带动所述内锤头相对于头滑块进行反向自转。

优选的，所述内锤头内表面开设有多个等间距分布的环形槽，在所述环形槽内嵌入一定量的润滑油，用于棒料与内锤头的润滑与冷却，同时降低二者接触时的磨损。

优选的，所述连杆包括与所述锤头滑块铰接的横杆以及与所述轴头铰接的竖杆，并且所述横杆与所述竖杆铰接在一起。

优选的，下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头，低应力下料机带动主轴定轴转动，与主轴固连的轴头随之同步转动，在离心力作用下，与轴头活动连接的连杆驱动与轴头滑动连接的锤头滑块相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机通过联轴器带动内锤头相对于锤头滑块自转，并且内锤头自转方向与锤头滑块偏心转动方向相反。

本发明还提供一种与棒料纯滚动接触的低应力下料方法，采用上述的一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，包括如下步骤：

首先，根据不同的棒料直径和加载力计算出下料模具的偏心距e；

e＝r-R+y (1)

式(1)中，e为内锤头轴线O1与主轴轴线O2之间的距离，r为内锤头半径，R为棒料半径，y为棒料挠度，其中，

式(2)中，F为加载力，L为加载力臂，E为棒料的弹性模量，I为棒料的惯性矩，其中，

将上述式(2)、式(3)带入式(1)可得：

其次，确定内锤头电机和主轴电机的转速比i；

已知，内锤头与主轴的转速比为(r-e)/r，内锤头电机与内锤头同步转动，传动比为1：1，主轴电机与主轴的传动比为3：1，因此，内锤头电机与主轴电机的转速比；

再者，保证内锤头电机和主轴电机的转向相反；当内锤头电机与主轴电机的转速比为(r-e)/3r且转向相反时，棒料与内锤头接触面无滑动为纯滚动接触；

最后，利用低应力下料机进行下料；下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头，低应力下料机带动主轴定轴转动，与主轴固连的轴头随之同步转动，在离心力作用下，与轴头活动连接的连杆驱动与轴头滑动连接的锤头滑块相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机通过联轴器带动内锤头相对于锤头滑块自转，并且内锤头自转方向与锤头滑块偏心转动方向相反；因主轴电机转速较高，较小的质量和旋转半径即可产生较大的离心力，离心力通过轴承作用于棒料，从而在棒料V型槽尖端产生裂纹，通过控制加载力，棒料的V型槽尖端裂纹萌生后会迅速地沿着径向扩展，最终完全断裂，实现下料。

本发明具有如下优点：

1、本发明在现有下料模具基础上进行结构的优化设计，通过在现有锤头滑块内设置自转减磨锤头，从而将棒料表面与下料模具之间的滑动摩擦接触转化为纯滚动接触，极大减小甚至消除棒料与下料模具之间的摩擦磨损，显著提高了下料机的使用性能与寿命，同时也极大提升了棒料的表面质量。

2、在低应力下料过程中，内锤头与主轴的转速比为内锤头半径与偏心距之差和内锤头半径的比值且二者转向相反时，棒料与内锤头之间为纯滚动接触，极大减少棒料和内锤头之间的摩擦磨损。

3、本发明的内锤头内表面开设有多个等间距分布的环形槽，并且在环形槽内嵌入一定量的润滑油，用于棒料与内锤头的润滑与冷却，同时还用于降低二者接触时磨损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中基于液压补偿的低应力下料机的结构示意图；

图2为现有技术中基于液压补偿的低应力下料机的下料模具的结构示意图；

图3为本发明一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的结构示意图；

图4为本发明一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的运动简图；

图5为本发明一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具在下料过程中棒料受力的挠度原理图；

图6a为本发明一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的内锤头与棒料之间的运动简图一；

图6b为本发明一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的内锤头与棒料之间的运动简图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1-2所示，现有技术中的基于液压补偿的低应力下料机主要包括变频电机100、液压传动系统200、双滑块机构300、下料模具400、可移动夹持机构500和机架600，其中，下料模具400是下料机的主要磨损部件，很大程度上决定了下料机的使用性能与寿命，它主要包括轴头700、锤头滑块800和轴承900，并且轴承900内圈与棒料表面接触。在下料过程中，将开有V型槽的棒料一端放入下料模具400的轴承900内，另一端固定在可移动夹持机构500中，变频电机100通过液压传动系统200、双滑块机构300带动下料模具400进行旋转；因下料机主轴转速较高，较小的质量和旋转半径即可产生较大的离心力，并通过轴承900作用于棒料，从而在棒料V型槽尖端产生裂纹，通过控制加载力，V型槽尖端裂纹萌生后会迅速地沿着径向扩展，最终完全断裂，实现下料。但是通过以往的大量下料试验发现，棒料与下料模具400之间摩擦副的摩擦剧烈导致棒料磨损严重，其主要原因是在下料过程中棒料表面与下料模具400的轴承900内圈一直在发生滑动摩擦，使得棒料表面与轴承900内圈接触面都产生较大磨损，且棒料表面磨损更加严重。

本发明实施例正是为解决上述问题，在现有下料模具400基础上进行结构的优化设计，通过在现有锤头滑块800内设置自转减磨锤头，从而将棒料表面与下料模具400之间的滑动摩擦接触转化为纯滚动接触，极大减小甚至消除棒料与下料模具之间的摩擦磨损，显著提高了下料机的使用性能与寿命，同时也极大提升了棒料的表面质量。

参考图3所示，本发明实施例提供一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，包括锤头滑块4、设置于锤头滑块4内的轴承3、与锤头滑块4滑动连接的轴头8，轴头8与主轴9固定连接。还包括设置于锤头滑块4内部的自转减磨锤头，该自转减磨锤头包括与轴承3内圈过盈配合的内锤头1，内锤头1通过联轴器5与内锤头电机6相连，内锤头电机6的内锤头电机座7固定安装在锤头滑块4内腔，锤头滑块4下端通过连杆10与轴头8连接，主轴9与棒料的轴线重合，其中，轴头8、主轴9和连杆10用于控制锤头滑块4相对棒料做偏心圆转动，内锤头电机6通过联轴器5带动所述内锤头1相对于头滑块4进行反向自转。需要说明的是，图3为本发明实施例一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的工作位置，此时锤头滑块4在离心力作用下相对棒料做偏心圆转动，其与棒料轴线(也即主轴轴线)之间距离为偏心距e；在初始位置时锤头滑块4轴线与棒料轴线(也即主轴轴线)重合。

具体的，内锤头1内表面开设有多个等间距分布的环形槽2，在环形槽内嵌入一定量的润滑油，用于棒料与内锤头1的润滑与冷却，同时还用于降低二者接触时磨损。连杆10包括与锤头滑块4铰接的横杆以及与轴头8铰接的竖杆，并且横杆与竖杆铰接在一起。需要说明的是，锤头滑块4与横杆之间、轴头8与竖杆之间、横杆与竖杆之间除了铰接连接方式，也可以为销连接以及其他常见的转动连接方式，本发明再此不再赘述。

下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头1，低应力下料机带动主轴9定轴转动，与主轴9固连的轴头8随之同步转动，在离心力作用下，与轴头8活动连接的连杆10驱动与轴头8滑动连接的锤头滑块4相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机6通过联轴器5带动内锤头1相对于锤头滑块4自转，并且内锤头1自转方向与锤头滑块4偏心转动方向相反。

参考图4、图5所示，本发明实施例还提供一种与棒料纯滚动接触的低应力下料方法，采用上述的与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，包括如下步骤：

首先，根据不同的棒料直径和加载力计算出下料模具的偏心距e。

e＝r-R+y (1)

式(1)中，e为内锤头轴线O1与主轴轴线O2之间的距离，r为内锤头半径，R为棒料半径，y为棒料挠度，其中，

式(2)中，F为加载力，L为加载力臂，E为棒料的弹性模量，I为棒料的惯性矩，其中，

将上述式(2)、式(3)带入式(1)可得：

其次，确定内锤头电机和主轴电机的转速比i。

已知，内锤头与主轴的转速比为(r-e)/r，内锤头电机与内锤头同步转动，传动比为1：1，主轴电机与主轴的传动比为3：1，因此，内锤头电机与主轴电机的转速比；

再者，保证内锤头电机6和主轴电机的转向相反；当内锤头电机6与主轴电机的转速比为(r-e)/3r且转向相反时，棒料与内锤头接触面无滑动为纯滚动接触。

需要说明的是，棒料与内锤头1为纯滚动接触最终是通过内锤头1与主轴9的转速比为(r-e)/r来保证；也即若内锤头电机6与内锤头1的传动比或者主轴电机与主轴9的传动比发生改变时，则内锤头电机6与主轴电机的转速比必然会发生适应性改变，因此对于不同的内锤头电机6与内锤头1的传动比或者主轴电机与主轴的传动比来实现棒料与内锤头接触面无滑动为纯滚动接触均为本发明保护的范围。

如图6a、图6b所示，AA’为内锤头1接触棒料一周，棒料与内锤头1接触点在内锤头1上的路径，长度即为棒料的周长。棒料表面点a与内锤头表面点A重合，随棒料滚动一周后，点a到达点A’。由于实际工况中棒料静止，整个下料模具以主轴9为轴线(也即棒料的轴线)旋转，A点始终与棒料表面接触，因此与棒料表面为滑动接触，若给内锤头1一个自转速度，使内锤头1随主轴9旋转一周时内锤头1恰好自转棒料一周周长(即AA’)的距离，即可实现内锤头1与棒料表面没有滑动，为纯滚动接触，从而极大减少甚至消除摩擦磨损。

最后，利用低应力下料机进行下料；下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头1，低应力下料机带动主轴9定轴转动，与主轴9固连的轴头8随之同步转动，在离心力作用下，与轴头8活动连接的连杆10驱动与轴头8滑动连接的锤头滑块4相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机6通过联轴器5带动内锤头1相对于锤头滑块4自转，并且内锤头1自转方向与锤头滑块4偏心转动方向相反；因主轴电机转速较高，较小的质量和旋转半径即可产生较大的离心力，离心力通过轴承3作用于棒料，从而在棒料V型槽尖端产生裂纹，通过控制加载力，棒料的V型槽尖端裂纹萌生后会迅速地沿着径向扩展，最终完全断裂，实现下料。

需要说明的是，图4内锤头实线部分为本发明实施例一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的工作位置，此时内锤头1在离心力作用下随锤头滑块4相对棒料做偏心圆转动，其与棒料轴线(也即主轴轴线)之间距离为偏心距e；图4内锤头虚线部分为本发明实施例一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具的初始位置，此时内锤头1轴线与棒料轴线(也即主轴轴线)重合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，包括锤头滑块、设置于锤头滑块内的轴承、与锤头滑块滑动连接的轴头，所述轴头与主轴固定连接。其特征在于，还包括设置于所述锤头滑块内部的自转减磨锤头，所述自转减磨锤头包括与轴承内圈过盈配合的内锤头，所述内锤头通过联轴器与内锤头电机相连，所述内锤头电机的内锤头电机座固定安装在所述锤头滑块内腔，所述锤头滑块下端通过连杆与轴头连接，所述主轴与棒料的轴线重合，所述轴头、主轴和连杆用于控制锤头滑块相对棒料做偏心圆转动，所述内锤头电机通过联轴器带动所述内锤头相对于头滑块进行反向自转。

2.根据权利要求1所述的一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，其特征在于，所述内锤头内表面开设有多个等间距分布的环形槽，在所述环形槽内嵌入一定量的润滑油，用于棒料与内锤头的润滑与冷却，同时降低二者接触时的磨损。

3.根据权利要求1所述的一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，其特征在于，所述连杆包括与所述锤头滑块铰接的横杆以及与所述轴头铰接的竖杆，并且所述横杆与所述竖杆铰接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，其特征在于，下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头，低应力下料机带动主轴定轴转动，与主轴固连的轴头随之同步转动，在离心力作用下，与轴头活动连接的连杆驱动与轴头滑动连接的锤头滑块相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机通过联轴器带动内锤头相对于锤头滑块自转，并且内锤头自转方向与锤头滑块偏心转动方向相反。

5.一种与棒料纯滚动接触的低应力下料方法，采用权利要求1-4所述的一种与棒料纯滚动接触的低应力下料模具，其特征在于，包括如下步骤：

首先，根据不同的棒料直径和加载力计算出下料模具的偏心距e。

e＝r-R+y (1)

式(1)中，e为内锤头轴线O1与主轴轴线O2之间的距离，r为内锤头半径，R为棒料半径，y为棒料挠度，其中，

式(2)中，F为加载力，L为加载力臂，E为棒料的弹性模量，I为棒料的惯性矩，其中，

将上述式(2)、式(3)带入式(1)可得：

其次，确定内锤头电机和主轴电机的转速比i。

已知，内锤头与主轴的转速比为(r-e)/r，内锤头电机与内锤头同步转动，传动比为1：1，主轴电机与主轴的传动比为3：1，因此，内锤头电机与主轴电机的转速比；

再者，保证内锤头电机和主轴电机的转向相反；当内锤头电机与主轴电机的转速比为(r-e)/3r且转向相反时，棒料与内锤头接触面无滑动为纯滚动接触。

最后，利用低应力下料机进行下料；下料时，棒料一端固定，另一端插入内锤头，低应力下料机带动主轴定轴转动，与主轴固连的轴头随之同步转动，在离心力作用下，与轴头活动连接的连杆驱动与轴头滑动连接的锤头滑块相对棒料做偏心圆转动；与此同时，内锤头电机通过联轴器带动内锤头相对于锤头滑块自转，并且内锤头自转方向与锤头滑块偏心转动方向相反；因主轴电机转速较高，较小的质量和旋转半径即可产生较大的离心力，离心力通过轴承作用于棒料，从而在棒料V型槽尖端产生裂纹，通过控制加载力，棒料的V型槽尖端裂纹萌生后会迅速地沿着径向扩展，最终完全断裂，实现下料。

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