CN203973302U - 一种金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置。包括有上圆盘刀、下圆盘刀、上传动轴、下传动轴、机架、三向力测量平台，本实用新型通过伺服电机控制系统实现上传动轴和下传动轴同步反向旋转实现圆盘剪分切加工，三向力测量平台实时测取加工过程的力信号，本实用新型适用于0.1-3mm厚度的各类金属板材在不同工艺参数下的圆盘剪分切三向力测量，适用于新材料圆盘剪分切工艺分析、圆盘剪纵向分切机结构优化设计等，也可用于测量分断辊压迫分离作用力。本实用新型的测量装置结构简单，操作方便，解决了现有技术中金属板材圆盘剪分切加工三向力难以测量的问题，填补了分断辊滚压分离加工三向力在线测量的空白。

Description

一种金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置

技术领域

本实用新型属于金属板材圆盘剪分切加工技术领域，涉及一种将宽幅面的金属板材纵向分切成一组特定宽度用于金属制品成形加工的金属条带，特别涉及金属板材圆盘剪分切力的测量装置及其方法，用于测量不同工艺参数下的不同材质金属板材的三向分切力，可以测量金属板材直接分切剪断成条带或者是特定剪切滑移深度而不分离板材条带的三向力，以及剪切未分离条带经分断辊滚压分离的三向力。

背景技术

圆盘剪是纵向分切厚度3mm以下金属板材的重要加工方法,被广泛用于冶金、五金加工等行业，用于将宽幅面的金属板材分切成特定宽度金属条带。按其用途和构造可分为两大类:切边圆盘剪及分条圆盘剪。圆盘剪纵向分切机的主要性能参数之一为剪切力、剪切力矩和驱动功率，而圆盘刀的剪切力是计算剪切力矩和驱动功率的基础，是圆盘剪纵向分切机设计的依据。随着IT、电工电讯、办公机器、五金制品等行业的迅速发展，尤其是应用级进模高速冲裁技术的发展，对金属条带的尺寸精度、形状精度、毛刺等性能指标提出了更高要求，因此需要研究分切过程的机理和变形规律,进行材料应力应变状态的分析和优化，提高金属板材分切的质量、材料利用率以及生产率等，在理论上和工业应用上都有着重要的意义。

采用实验方法测量金属板材圆盘剪分切力，能够全面掌握圆盘剪剪切力特性以及组刀工艺等相关参数对分切力的影响，用于圆盘剪分切力学、材料分切断裂机理等理论研究，优化设计纵向分切机结构、关键零部件的强度刚度分析、驱动电机选型等，为优化新材料的分切工艺提供依据，提高分切加工质量和经济效益。

由于金属板材圆盘剪纵向分切机结构复杂，直接测量圆盘剪分切力一直很困难，鲜见有圆盘剪分切力测量的实验研究，因此大部分的金属板材纵向分切机的设计主要以分切力理论公式计算为参考，成为提高圆盘剪纵向分切机设计和制造水平的技术瓶颈。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，本实用新型能够实时测量金属板材圆盘剪分切加工时的三向力，解决了现有技术中金属板材圆盘剪分切加工三向力难以在线测量的问题，也可以测量未分离条带经分断辊滚压分离的三向力，填补了分断辊滚压分离加工三向力在线测量的空白。本实用新型操作简单，方便实用。

本实用新型通过以下技术方案来实现：本实用新型的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，包括有上圆盘刀、下圆盘刀、上传动轴、下传动轴、机架、三向力测量平台，其中上传动轴固定在滑块上，滑块通过滑块移动机构固定在机架上，并且滑块能沿机架右侧板上下移动，能随同机架右侧板沿上传动轴左右移动，上传动轴上至少装配一组上圆盘刀、上橡胶环垫、上间隔环，且通过上液压锁紧螺母固定在上传动轴上，上间隔环安装在上圆盘刀和上橡胶环垫的两侧调节其轴向位置；下传动轴上至少装配一组下圆盘刀、下橡胶环垫、下间隔环，且通过下液压锁紧螺母固定在下传动轴上，下间隔环安装在下圆盘刀和下橡胶环垫的两侧调节其轴向位置；上传动轴和下传动轴分别与上伺服电机和下伺服电机的输出轴连接，上伺服电机固定在在机架上，下传动轴及下伺服电机安装在三向力测量平台上，上伺服电机和下伺服电机与伺服电机控制系统连接，伺服电机控制系统控制两个伺服电机带动上传动轴和下传动轴同步反向旋转 ,实现与生产实际相同工况的圆盘剪分切加工；三向力测量平台测取安装在其上的下圆盘刀及下传动轴在分切过程受到的三向作用力，三向力测量平台与力信号处理系统连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

1）本实用新型可以测量金属板材圆盘剪分切加工时的三向力动态值和静态值，其中径向力是使材料产生剪切变形和形成裂纹的关键因素，分切过程中径向力一般为主切削力，是传动轴强度刚度、轴承结构、分切机构力能参数设计的基础数据；轴向力的大小对圆盘刀切削刃应力分布和板材条带形状精度、尺寸精度等有直接影响，对圆盘刀侧面磨损和板材横曲变形的研究具有重要意义；切向力则是纵向分切机驱动电机参数设计的主要依据，也是圆盘剪对金属板材分切咬合能力分析的依据。在实际分切过程中测得的三向力具有实时性、有效性、误差小等优点。

2）本实用新型可以测取传统分切工艺的三向力，也可以测取“塑性剪切压迫分离”无毛刺工艺（实用新型专利ZL201110136574.8）的三向分切力和压辊分断压迫分离作用力，装置结构简单，使用方便。本实用新型的测量装置及其测量方法可以用于各类金属板材圆盘剪分切与分断辊滚压分离的三向力测量。

       附图说明  

图1是本实用新型的金属板材圆盘剪分切加工过程三向测力装置示意图；

图2是本实用新型的金属板材分断辊滚压分离加工过程三向测力装置示意图；

图3是本实用新型的竖直位移调节机构示意图；

图4是本实用新型的金属板材圆盘剪滚剪加工对称式组刀及圆盘刀滚剪过程受力示意图；

图5是本实用新型的金属板材圆盘剪滚剪加工非对称式组刀及圆盘刀滚剪过程受力示意图；

图6是本实用新型的金属板材分断辊滚压分离加工及分断辊压迫分离过程受力示意图；

图中：1.上圆盘刀，2.下圆盘刀，3.上传动轴，4.下传动轴，5.机架，6.三向力测量平台，7.滑块，8.滑块移动机构，9.左轴承座，10.上伺服电机，11.下伺服电机，12.伺服电机控制系统，13.金属板材，14.上橡胶环垫，15.上液压锁紧螺母，16.上间隔环，17.下橡胶环垫，18.下液压锁紧螺母，19.下间隔环，20.机架右侧板，21.右轴承座，22.力信号处理系统、23.上分断辊，24.下分断辊，25.千分表。

        具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明：

图1所示是本实用新型的板材圆盘剪分切三向力测量装置的示意图，包括有上圆盘刀1、下圆盘刀2、上传动轴3、下传动轴4、机架5、三向力测量平台6，其中上传动轴3固定在滑块7上，滑块7通过滑块移动机构8固定在机架5上，并且滑块7能沿机架右侧板20上下移动，并能随同机架右侧板20沿上传动轴3左右移动，机架右侧板20装设在机架5的右侧，上传动轴3上至少装配一组上圆盘刀1、上橡胶环垫14、上间隔环16，且通过上液压锁紧螺母15固定在上传动轴3上，上间隔环16安装在上圆盘刀1和上橡胶环垫14的两侧调节其轴向位置；下传动轴4上至少装配一组下圆盘刀2、下橡胶环垫17、下间隔环19，且通过下液压锁紧螺母（18）固定在下传动轴4上，下间隔环19安装在下圆盘刀2和下橡胶环垫17的两侧调节其轴向位置；上传动轴3和下传动轴4分别与上伺服电机10和下伺服电机11的输出轴连接，上伺服电机10固定在在机架5上，下传动轴4及下伺服电机11安装在三向力测量平台6上，上伺服电机10和下伺服电机11与伺服电机控制系统12连接，伺服电机控制系统12控制两个伺服电机带动上传动轴3和下传动轴4同步反向旋转 ,实现与生产实际相同工况的圆盘剪分切加工；三向力测量平台6测取安装在其上的下圆盘刀2及下传动轴4在分切过程受到的三向作用力，三向力测量平台6与力信号处理系统22连接，由力信号处理系统22记录分析三向力的动态值和静态值。在伺服电机控制系统12的控制下，下传动轴4可以与上传动轴3同步反向旋转实现圆盘刀分切加工，三向力测量平台6内置三向测力仪测得加工过程的三向力信号，并输出到力信号处理系统22，获得三向力动态载荷和静态载荷曲线。

本实施例中，上述上圆盘刀1和下圆盘刀2的轴向间隙和径向间隙能调整，上圆盘刀1与下橡胶环垫17对应安装，下圆盘刀2与上橡胶环垫14对应安装，上圆盘刀1和下圆盘刀2的轴向间隙通过改变固定在上传动轴3上的上间隔环16以及固定在下传动轴上的下间隔环19的轴向尺寸设定，上圆盘刀1和下圆盘刀2的径向间隙由滑块7的上下移动调节上圆盘刀1与下圆盘刀2刃口的距离来设定。

本实施例中，上述下传动轴4通过左轴承座9和右轴承座21固定在三向力测量平台6上，并且右轴承座21能沿下传动轴4左右移动。上述安装在上传动轴3的上圆盘刀1装拆更换时，机架右侧板20能够协同滑块7和滑块移动机构8整体沿上传动轴3轴向移动和固定，安装在下传动轴4上的下圆盘刀2装拆更换时，右轴承座21能够沿下传动轴4轴向移动和固定，从而实现圆盘刀的更换和安装。

本实施例中，如图3所示，上传动轴3固定在滑块7上，通过滑块移动机构8上下调节上传动轴3的竖直位置，上传动轴与下传动轴之间径向距离的上下调节量通过安装在机架右侧板20上的千分表25测量。

如图4和图5所示，金属板材圆盘剪分切加工的组刀方式分为对称式组刀和非对称式组刀。对称式组刀时，上传动轴3上的零件从左到右排列顺序是上圆盘刀1、上橡胶环垫14、上间隔环16、上橡胶环垫14、上圆盘刀1，下传动轴4上的零件从左到右排列顺序则是下橡胶环垫17、下圆盘刀2、下间隔环19、下圆盘刀2、下橡胶环垫17，对称式组刀安装偶数对的圆盘刀，传动轴的轴向力Fa相互抵消，有利于分切加工的平稳进行，但三向力测量平台6只可以测得分切加工的径向力Fr和切向力Ft。非对称式组刀时，只安装一对圆盘刀或奇数对的圆盘刀，三向力测量平台（6）可以测得分切加工的三向力，包括径向力Fr、轴向力Fa和切向力Ft。

如图5所示，根据金属板材13的物理机械性能，上圆盘刀1和下圆盘刀2的轴向间隙c正值可以为金属板材13厚度的0～30%，轴向间隙c负值（即轴向重叠）可以为金属板材13厚度的0～10%。上圆盘刀1和下圆盘刀2的径向间隙δ正值为金属板材13厚度的0～80%，径向间隙δ负值(即径向重叠)可以为金属板材13厚度的0%～100%；圆盘刀轴向间隙c与径向间隙δ具有切削刃不发生几何干涉的匹配关系，轴向间隙c取负值时径向间隙δ必须取正值。

如图1和图2所示，图1中上圆盘刀1和下圆盘刀2可由图2中的上分断辊23和下分断辊24分别取代。分断辊轴向长度较大，仅需安装一对分断辊；上分断辊23和下分断辊24通过定距环和液压锁紧螺母轴向对齐安装在上传动轴3和下传动轴4上，径向间隙由滑块7的上下移动调节上分断辊23与下分断辊24棍隙的距离来设定，大小为金属板材（13）厚度的100～200%，如图6所示。 

如图1和图2所示，本实用新型装置的加工方法如下：

1）金属板材仅进行圆盘剪分切加工时，圆盘刀采用轴向正间隙值、径向负间隙（即径向重叠）组刀，金属板材13在上圆盘刀1和下圆盘刀2切削刃的作用下沿板材厚度方向相对滑移产生塑性变形，由于圆盘剪的轴向正间隙剪切区域材料在拉应力的作用下形成裂纹并扩展贯穿后导致板材分离形成金属条带。三向力测量平台6测得板材圆盘剪分切分离的三向力。

2）金属板材先后进行圆盘剪分切加工和分断辊滚压加工时，圆盘刀采用轴向负间隙值（即轴向重叠）、径向正间隙组刀，金属板材13经过上圆盘刀1和下圆盘刀2时一定厚度被剪开，由于圆盘剪的轴向负间隙剪切区域板材在压应力的作用下不产生裂纹,金属条带沿厚度方向错开但仍联接在一起并不分离。拆卸圆盘刀，安装分断辊，对未分离条带采用分断辊滚压分离加工，调节上分断辊23与下分断辊24的径向间隙，使沿厚度方向错位滑移后的相邻金属条带经过分断辊间隙时在切口处沿剪切方向反向错位产生二次剪切，使其余未剪开材料再次滑移产生塑性变形，在剪切力的作用下实现条带滚压分离。三向力测量平台6分别测得板材圆盘剪塑性分切和分断辊滚压分离的三向力。

本实用新型装置通过伺服电机控制系统12实现上传动轴3和下传动轴4同步反向旋转，分切加工过程与生产实际完全一致，三向力测量平台在线测取圆盘刀分切加工过程的力信号，测得的三向力具有实时性、有效性、误差小等优点，也可以测取“塑性剪切压迫分离”无毛刺分切工艺的三向分切力和分断棍滚压分力力，装置结构简单，使用方便。本实用新型的测量装置及其测量方法可以适用于0.1-3mm厚度的各类金属板材在不同径向间隙、轴向间隙等组刀方式以及其他工艺参数下的圆盘剪分切与分断辊滚压分离的三向力测量。

Claims (8)

1.一种金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于包括有上圆盘刀（1）、下圆盘刀（2）、上传动轴（3）、下传动轴（4）、机架（5）、三向力测量平台（6），其中上传动轴（3）固定在滑块（7）上，滑块（7）通过滑块移动机构（8）固定在机架（5）上，并且滑块（7）能沿机架右侧板（20）上下移动，能随同机架右侧板（20）沿上传动轴（3）左右移动，上传动轴（3）上至少装配一组上圆盘刀（1）、上橡胶环垫（14）、上间隔环（16），且通过上液压锁紧螺母（15）固定在上传动轴（3）上，上间隔环（16）安装在上圆盘刀（1）和上橡胶环垫（14）的两侧调节其轴向位置；下传动轴（4）上至少装配一组下圆盘刀（2）、下橡胶环垫（17）、下间隔环（19），且通过下液压锁紧螺母（18）固定在下传动轴（4）上，下间隔环（19）安装在下圆盘刀（2）和下橡胶环垫（17）的两侧调节其轴向位置；上传动轴（3）和下传动轴（4）分别与上伺服电机（10）和下伺服电机（11）的输出轴连接，上伺服电机（10） 固定在在机架（5）上，下传动轴（4）及下伺服电机（11）安装在三向力测量平台（6）上，上伺服电机（10）和下伺服电机（11）与伺服电机控制系统（12）连接，伺服电机控制系统（12）控制两个伺服电机带动上传动轴（3）和下传动轴（4）同步反向旋转 ,实现与生产实际相同工况的圆盘剪分切加工；三向力测量平台（6）测取安装在其上的下圆盘刀（2）及下传动轴（4）在分切过程受到的三向作用力，三向力测量平台（6）与力信号处理系统（22）连接。

2.根据权利要求1所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）的轴向间隙和径向间隙能调整，上圆盘刀（1）与下橡胶环垫（17）对应安装，下圆盘刀（2）与上橡胶环垫（14）对应安装，上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）的轴向间隙通过改变固定在上传动轴（3）上的上间隔环（16）以及固定在下传动轴上的下间隔环（19）的轴向尺寸设定，上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）的径向间隙由滑块（7）的上下移动调节上圆盘刀（1）与下圆盘刀（2）刃口的距离来设定。

3.根据权利要求1所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述下传动轴（4）通过左轴承座（9）和右轴承座（21）固定在三向力测量平台（6）上，并且右轴承座（21）能沿下传动轴（4）左右移动。

4.根据权利要求1所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述上传动轴（3）与下传动轴（4）之间径向距离的上下调节量通过安装在机架右侧板（20）上的千分表（25）测量。

5.根据权利要求1所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）的轴向间隙正值为金属板材（13）板厚的0～30%，轴向间隙负值为金属板材（13）厚度的0～10%；上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）的径向间隙正值为金属板材（13）厚度的0～80%，径向间隙负值（径向重叠）为金属板材（13）厚度的0～100%。

6.根据权利要求1至5任一项所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述圆盘剪分切加工的组刀方式包括有对称式组刀与非对称式组刀，对称式组刀时，上传动轴（3）上的零件从左到右排列顺序是上圆盘刀（1）、上橡胶环垫（14）、上间隔环（16）、上橡胶环垫（14）、上圆盘刀（1），下传动轴（4）上的零件从左到右排列顺序则是下橡胶环垫（17）、下圆盘刀（2）、下间隔环（19）、下圆盘刀（2）、下橡胶环垫（17），对称式组刀的圆盘刀数量为偶数对。

7.根据权利要求1所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述上圆盘刀（1）和下圆盘刀（2）能由上分断辊（23）和下分断辊（24）分别取代，仅安装一对分断辊。

8.根据权利要求7所述的金属板材圆盘剪分切加工三向力测量装置，其特征在于上述分断辊（23）和下分断辊（24）通过定距环和液压锁紧螺母轴向对齐安装在上传动轴（3）和下传动轴（4）上，径向间隙由滑块（7）的上下移动调节上分断辊（23）与下分断辊（24）棍隙的距离来设定，大小为金属板材（13）厚度的100～200%。