专利名称：一种棒管料非对称径向锻冲高效精密下料方法
技术领域：
本发明属于低能耗近净高效精密成型技术领域。具体涉及一种棒管料非对称径向锻冲高效精密下料方法，该方法采用径向锻冲原理，实现棒料在周期径向加载下的疲劳裂纹周向产生、扩展直至断裂，从而完成精密下料。
背景技术：
金属棒料的下料问题广泛存在于冷挤压、模锻、金属链条销、滚动轴承滚子、螺栓、螺母、销子、轴类件的备料工序之中，并且在这些下料工序中，下料数量巨大，例如浙江金华地区的链条之乡每年生产金属链条长度可达上亿米，北京滚针轴承厂每年需要的滚针达上千万个，辽宁金伟汽车电机电器有限公司每年生产的冷挤压件需下棒料达200万件。但目前金属棒料常用下料方法中不同程度地存在着材料利用率低、噪声大、模具寿命低、下料力大、生产效率低、能耗高、断面质量差等问题，不符合绿色制造可持续发展的战略，尽快研发出棒料高效节能节材的精密下料工艺及其装备势在必行，以促进中国机械制造业发展，振兴中国机械装备制造业。
最初也是最简单最直接的精密下料方法包括车床切断和老式弓锯床锯断，这两种下料方法虽然获得平整断面，但存在生产效率低，浪费原材料严重等缺点。虽然高速带锯机较早期下料方法有了一定改进，但其下料效率仍显太低，无法满足工业生产中大批量的要求，并且锯逢浪费原材料。为此，工业生产中后来广泛采用在冲床或专用棒料剪切机上剪切下料的方法，但普通的剪切下料方法下料力大、能耗大、所下的棒料断面呈现明显的马蹄形，为了满足下道工序如冷挤压的要求，不得不在普通的剪切下料之后再安排一道车床车削平整断面的工序，这样就降低了生产效率、浪费了材料、增加了生产成本。鉴于剪切下料方式的不足，低应力下料方法得到人们极大关注。
棒料低应力下料方法将断裂力学的理论应用于棒料的精密下料之中，该方法人为地在棒料上预制一条环向表面裂纹，然后对预制环向表面裂纹的棒料施加一定力剪切分离，并使棒料断裂时不发生宏观的塑性变形，以低应力脆断的形式进行。前苏联的研究人员于20世纪70年代曾设计了一种基于棒料旋转、载荷静止的旋转弯曲疲劳下料法。国内学者在八十年代也开始进行了低应力旋转弯曲疲劳下料设计，西安交通大学锻压教研室在1992年就对常用材料的旋转弯曲疲劳下料进行了系统深入的研究，甘肃工业大学的魏庆同教授等人也在该领域进行了大量的研究。这么多年的研究弯曲疲劳下料方法已经有了很大进展，对于高强度低塑性材料，如高碳钢、工具钢、轴承钢和高速钢等的下料已经体现出其优越性，但总的说来，这种下料方法的生产率偏低，对棒料的长径比L/D要求较大(通常要求L/D≥1)，因此这种下料方式对短毛坯的下料有较大困难，往往会造成下料力大、断面质量差。
西安交通大学于德弘教授、赵升吨教授、陈金德教授所领导的研究小组从20世纪的80年代开始就致力于金属棒料的低应力下料的研究工作，提出的低应力剪切方法已获得了国家发明专利。该方法的剪切应力水平低，生产率很高，导致剪切变形的工件畸变很小甚至没有，而且大大改善了剪切棒料的质量，因此很适合黑色金属特别是高硬度和低塑性的材料下料。但其可应用的材料范围仍显有限，难于突破材料长径比的限定。
发明内容
鉴于目前国内外在棒管料高效下料方面存在的问题，本发明的目的在于，提供一种棒管料非对称径向锻冲高效精密下料方法，并完成了机械结构部件的设计开发。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种棒管料非对称径向锻冲高效精密下料方法，其特征在于，该方法将棒管料安装在非对称径向锻冲精密下料装置上，该非对称径向锻冲精密下料装置的主要工作部件包括主轴、机身、微调蜗轮、微调基座、微调杆、锤头进给圆柱、微调蜗杆、微调基座轴套、锤头杆、进给凸轮，主轴，锤头；微调蜗杆由交流伺服电动机驱动，控制微调蜗轮转过的角度，微调蜗轮带动微调杆转过一角度，微调基座就会转动；锤头杆可在主轴滑动槽内进行滑动，锤头杆工作曲面与进给凸轮配合，推动锤头杆的径向压下；为保证每一时刻只有一个锤头被压下，采用4个锤头均匀布置，7个进给凸轮组成圆形滚子结构，当主轴驱动锤头杆进行圆周运动时，锤头杆带动锤头便在进给凸轮的作用下不断沿径向给棒料加载，利用棒料的疲劳断裂机理，促使裂纹由棒料表面沿径向圆周扩展，从而完成下料，并获得良好的断面质量。
本发明具有加工范围宽、效率高、质量好等优点。主要技术特点如下4锤头7滚轮的全周向循环加载，实现单周28次径向加载疲劳下料；径向行程可调的蜗轮蜗杆传动系统，可控行程范围0～4mm，可加工不同材料、不同直径的棒料；异步电机变频调速系统，建立智能化控制系统，实现下料参数的采集、优化、控制等功能，可实现直径10mm～55mm、长径比为0.2～10的棒料下料。该下料系统的主要工作部件包括径向锻周向加载机构，可完成瞬间单向加载，加载时间的占空比0.5；摆线型锤头曲面结构，保证下料过程无冲击，过载现象，具有平稳的动力学特性，最大径向加速度3.5m/s2，最大惯性力8.75N；径向行程的蜗轮蜗杆调解机构，蜗轮采用可组合拆卸的分体壁型结构，可有效降低行程调解机构的整体质量，改善动力学性能，并保证下料机的安全性和自锁性。
图1是本发明的下料装置原理图；图2是工作曲线拟定；图3是工作速度曲线；
图4是工作加速度曲线；图5是锤头压下量0.2mm时应力云图；图6是锤头压下量0.1mm时应力云图；以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明的棒管料非对称径向锻冲精密下料方法，是利用棒管料的疲劳断裂机理，由锤头沿棒管料径向压下循环加载。锤头工作轮廓曲线采用摆线，其可在径向滑动槽的约束下，作径向滑移运动。为实现锤头的径向进给运动，采用圆柱凸轮与其配合，圆柱凸轮可围绕其中心轴线自由转动，锤头和圆柱凸轮之间相对运动为滚动摩擦。棒管料被固定静止不动，采用均匀布置的4个锤头，不断与沿圆周分布的7个圆柱凸轮相接触，从而不断沿径向施加载荷，促使疲劳裂纹的产生和扩展，从而完成精密下料。为实现径向压下量的连续调节，采用蜗轮蜗杆调节机构，实现径向压下量连续调节。
本发明的下料装置如图1所示，主要工作部件包括主轴、机身等部件，还包括微调蜗轮1，微调基座2，微调杆3，锤头进给圆柱4，微调蜗杆5，微调基座轴套6，锤头杆7，进给凸轮8，主轴9，锤头10；锤头杆7和微调蜗杆5在微调基座上偏心放置。锤头杆7可在主轴滑动槽内进行滑动，锤头杆7工作曲面与进给凸轮8配合，推动锤头杆7的径向压下。为保证每一时刻，只有一个锤头10被压下，采用4个锤头10均匀布置，7个进给凸轮8组成圆形滚子结构。棒管料通过固定装置被固定在中心处。当主轴驱动锤头进行圆周运动时，锤头便在进给凸轮的作用下不断沿径向给棒料加载，从而完成下料。
这些工作部件的运动学、力学等性能对下料机的工作性能具有较大的影响，下面分别对上述部件进行说明。
为保证锤头具有较好的运动学性能，分别对正弦、余弦、摆线等各种行程曲线进行了计算分析。分析表明正弦和余弦行程曲线存在惯性力冲击现象，在高速转动状态下将会导致对机体较大的冲击力；摆线行程曲线则无冲击现象，且运动特性平稳，故采用了摆线作为锤头行程曲线。按照该行程曲线的要求，设计该锤头杆的工作曲线，设计思路如图2所示。采用反转法确定锤头理论廓线方程，由包络线规则可确定锤头实际工作廓线，并表达成参数方程形式，如式(1)所示。
其中，xc、yc分别为理论廓线的坐标，xd、yd分别为实际工作廓线的坐标，为滚子的半径，ρ为理论廓线的曲率半径，如式(2)所示。
由此，可得到锤头的运动速度和加速度方程，如式(3)和(4)所示。
a=v.=2πhω2θ02sin2πθ0θτ...(4)]]>其中，θτ＝w·t表示锤头工作旋转角度。该锤头工作曲线的速度曲线如图3所示，加速度曲线如图4所示。可见该速度和加速度曲线变化平稳，无冲击。此外，通过该设计思路，可以分别对各种形式的行程曲线加以讨论，如正弦曲线、余弦曲线、多项式曲线等，均存在冲击现象，从而确定锤头的摆线工作曲线。
根据设计要求，对于所要求下的长径比相当的棒管料可以直接在该径向锻冲机上下料，不用加其它附加零件；但是如果所要求下的棒料长径比太小，比如要想获得直径55mm长24mm的棒料，下料时棒料V型槽断面上的切应力远大于拉应力，因此会直接切断棒料，但这种下料方式既没有充分利用V型槽尖端的应力集中效应，达到按I型裂纹扩展的目的；又需要很大外加力。为此课题组研究人员在模具设计的过程中提出在棒料上加一套筒，以增加棒料的长径比，达到下料时V型槽尖端所受应力以拉应力为主，实现裂纹按I型扩展的目的。为了考察这种下料方案的可行性，对45#钢棒料进行了ANSYS有限元数值分析。棒料在不同的初始锤头压下量下，对其V型槽尖端附近的应力进行有限元模拟。对直径分别为55mm的棒料，在距离V型槽根部120mm的套筒左端施加0.2mm、0.1mm的初始载荷(径向压下量)，棒料在V型槽尖端处的拉应力云图分别如图5和图6所示。
从上面两个拉应力云图可以看出，当非对称径向锻冲下料机锤头的初始压下量为0.2mm时，直径为55mm棒料V型槽尖端的拉应力已经超过材料的强度极限(σb＝600MPa)，即产生了局部微小裂纹(损伤)。这说明通过对长径比较小的棒料施加套筒以加大力臂，并给定锤头一初始压下量，V型槽的尖端能够产生初始裂纹，随后随着棒料挠度的增加，疲劳裂纹会逐渐扩展直到棒料断裂，这个过程是由交流伺服电机来控制的。另外通过计算锤头最小初始压下量还可以获得该下料机主电机的最大功率，因为当棒料产生初始宏观裂纹以后，为了保证裂纹缓慢地扩展，获得高质量的下料断面，外加作用力应随着裂纹长度的增加而减小，棒料的挠度应随着裂纹长度的增加而增大。这可通过交流伺服电动机控制锤头压下量来调节。由此可见本发明提出的径向锻冲下料机的设计方案的可行性。
权利要求
1.一种棒管料非对称径向锻冲精密下料方法，其特征在于，该方法将棒管料安装在非对称径向锻冲精密下料装置上，所述的非对称径向锻冲精密下料装置的主要工作部件包括主轴、机身、微调蜗轮、微调基座、微调杆、锤头进给圆柱、微调蜗杆、微调基座轴套、锤头杆、进给凸轮，主轴，锤头；微调蜗杆由交流伺服电动机驱动，控制微调蜗轮转过的角度，微调蜗轮带动微调杆转过一角度，微调基座就会转动；锤头杆在主轴滑动槽内进行滑动，锤头杆工作曲面与进给凸轮配合，推动锤头径向压下；为保证每一时刻只有一个锤头被压下，采用4个锤头均匀布置，7个进给凸轮组成圆形滚子结构，当主轴驱动锤头杆进行圆周运动时，锤头杆带动锤头便在进给凸轮的作用下不断沿径向给棒料加载，利用棒料的疲劳断裂机理，促使裂纹由棒料表面沿径向圆周扩展，从而完成下料，并获得良好的断面质量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的锤头杆和微调蜗杆在微调基座上偏心放置。
全文摘要
本发明公开了棒管料非对称径向锻冲精密下料方法，将棒管料安装在非对称径向锻冲精密下料装置上，下料装置的主要工作部件包括微调蜗轮、微调基座、微调杆、锤头进给圆柱、微调蜗杆、微调基座轴套、锤头杆、进给凸轮，主轴，锤头；微调蜗杆由交流伺服电动机驱动，控制微调蜗轮转过的角度，锤头杆可在主轴滑动槽内进行滑动，锤头杆工作曲面与进给凸轮配合，推动锤头杆的径向压下；在每一时刻只有一个锤头被压下，采用4个锤头均匀布置，7个凸轮组成圆形滚子结构，当主轴驱动锤头杆进行圆周运动时，锤头杆带动锤头便在进给凸轮的作用下不断沿径向给棒料加载，利用棒料的疲劳断裂机理，促使裂纹由棒料表面沿径向圆周扩展，从而完成下料，并获得良好的断面质量。
文档编号B21J7/00GK101058109SQ200710017999
公开日2007年10月24日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者赵升吨, 王振伟, 张立军, 雷净 申请人:西安交通大学