棒料精密剪切模设计与制造

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摘要：介绍了用在冲床上的一种双件精密剪切模的结构、工作过程和设计制造要点，并给出了实用的模具结构。该剪切模剪切效率高，剪切质量好，模具成本低。
关键词：模具制造；剪切模；模具设计；精密剪切

2 s3 b; ^& O- Z% t2 j! _1 引言
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剪切是在通用冲床上用剪切模或在棒料剪切机上将棒料或线材剪断。虽然剪切法下料精度不如锯切法高，但是因为生产率高，对于大批量生产来说是不可缺少的。

剪切模有开式、半封闭式和全封闭式。剪切直径40mm以下的棒料一般用全封闭式模具加工，即套筒式剪切模。通常的套筒模只能剪切单件，虽然比开式模的剪切精度高，但是有时仍然满足不了精密塑性成形工艺对其毛坯的要求，特别是对于直径较大的热轧棒料，由于直径公差大，轴向直线度误差较大等问题，使棒料与模孔的间隙较大，致使产生较大的剪切斜度，剪切件质量较差。同时，一般单件套筒式剪切模需有机构或动力将截下的料块从套筒形剪刀中排出(简称出件)。出件方式分为机械式和气动式。机械式出件是在模具上设置顶出装置。依靠压力机滑块的动力将剪下的料块顶出套筒剪刀，因此整副模具结构比较复杂，而且当截下的料较长时则难以实现。气动式出件是依靠车间里空气压缩站提供的压缩空气将工件从剪切模内吹出，消耗能源。
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  C7 I8 ?0 X) e3 N8 g4 Z下面介绍的棒料双件精密剪切法则克服了上述剪切法的不足，可显著提高剪切件质量。所谓双件剪切，就是压力机滑块1次行程剪下2个料块。双件剪切时棒料处于对称受力状态，使剪下的坯料相对于棒料平行下移，从而剪切面变形很小，断面光滑平整，显著提高剪切件精度和质量。同时在连续工作过程中，送进的棒料陆续将切下的料块顶出套筒剪刀，无需专门的出料机构或专门的出料推力，出料方便。

2 模具工作过程与结构特点

; X9 h9 [3 x7 K8 A2.1 模具结构和工作过程
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图1所示为剪切模的结构图。安装在2500kN机械压力机上使用，可剪切直径为40mm以下的棒料，剪切坯料的长径比1.2-3。

* D" m1 i- z4 {: b7 T3 T图1棒料双件剪切模结构
1、27.螺钉 2.托料销 3、25弹簧 4、10、28.盖板 5.托料架 6.卸料板
7.动刀片 8 橡皮 9，挡料销 1.挡料架 12.打料杆 13、17 定刀架
8 m- e7 C  {( Y2 J. B4 Q  V% M+ v14.上模座 15.动刀架 16.紧定螺钉 18.挡板 19.螺母 20.定刀片
21.预紧套 22.导板 23螺栓 24.弹簧座26，下模座

! D6 e1 p/ ?/ W- U# @& Z图1的动刀架15由箱形框架导向，箱形框架是由定刀架13和17、导板22、螺栓23组成，4个M30mm的大螺栓23加热装配，使其产生很大的轴向预应力，将定刀架13、17和导板2紧紧固定在一起，因而具有良好的轴向刚度，抵抗棒料剪切时产生的轴向张力。

* L( m5 \1 z& n4 X* ^7 e# _2个定刀架上安装预紧套的阶梯沉孔朝向相同，是为了2个定刀架的刀片能以另一端面作为刃口面互换使用，即为了定刀片的两端刃口都能使用。

; l/ M3 H) z8 a) Z3 h1 H如图1所示，控制剪切坯料长度的挡料架11上装有挡料销9和橡皮8。挡料销的作用是限定坯料送进长度，橡皮的作用是打料杆12打料时，通过橡皮可能产生的微小轴向变形，保证打料更顺利。剪切前棒料送进时，挡料销因限定棒料长度传给橡皮的轴向力很小，而橡皮刚度较大，所以橡皮基本不变形，不影响坯料送进精度。

3 w' ^* t! V: K4 t- t在棒料剪切时，上模和下模之间无需较大操作空间，所以该模具的上模不是固定在压力机滑块上，而是浮动的。
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工作前，由打料杆12、上模座14、动刀架15和动刀片7组成的上模在弹簧25和螺钉27的作用下处于其上极限位置，定刀架13中的定剪刀内已有1个上次剪下的料块(以下称为原料块)，2个托料销2在弹簧3作用下处于最近距离的位置(见图2)，由于螺钉1的导向作用，托料销2不转动，2个托料销的斜面构成1个V形槽。送进棒料时，棒料将原料块顶到V形槽上(如图2所示)，原料块的一端顶在挡料销9的端面上，另一端则抵住棒料，从而确定了下1个料块的剪切长度。
. \3 y: d- u" q6 Y剪切时，压力机滑块下行，碰到上模座，推动上模下行，剪下2个料块。与此同时，打料杆12推动托料架上的原料块下移，依靠托料销2的斜面使弹簧3压缩，2个托料销距离增大，使原料块从2个托料销中间落下，动刀片加下面的料块通过模具中间的方孔落到料箱里，定刀架13里的料块则暂时留在里面，作为下次送进棒料时的原料块，如图1所示。
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压力机滑块回程时，上模在弹簧25张力作用下回到其上极限位置。继续送进棒料，进行下一个工作循环。

) {4 x, S, R8 s5 z2 V" s2.2模具结构特点

(1)压力机1次工作行程剪切2个料块，剪切效率高。
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0 N9 F3 y2 Q: ^0 C1 x: K; x(2)工件自动出模。在连续工作过程中，剪下的2个料块，1个自行落下，另1个被送进的棒料顶出剪刀套筒，无需专门的出料机构，也无需压缩空气等专门的出料动力。

(3)双件剪切时棒料处于对称受力状态，使剪下的坯料相对于棒料平行下移，从而剪切面变形很小，断面光滑平整，从而显著提高剪切件精度和质量。
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(4)定刀片制造更换方便。模具的定刀片加是易损件，预紧套21是耐用件，应使定刀片便于加工。因此定刀片20与预紧套21过盈配合，预紧套21与定刀架间隙配合，预紧套21上有锥形沉孔，用紧定螺钉定位，使刀片圆周方向固定(不转动)，定刀片上则无沉孔，便于加工。

  \+ T1 F: C2 b; m(5)刀片可8次换位使用，模具寿命高，使用成本低。刀片刃口的磨损范围仅为圆周的1/4左右，即刃口磨损在刀片上部90°圆弧以内，越靠近中部刃口磨损越严重。为使定刀片磨损后周向旋转90°换位使用，衬套外圆沿圆周均分布4个沉孔从而1个定刀片的1个端面可换位使用4次。同时，定刀架13、17的刀片完全相同，而且2个定刀架上安装预紧套的阶梯沉孔朝向相同，所以2个定刀架的刀片可以用刀片的另一端面作为刃口面互换使用，即定刀片的两端刃口都能使用。因此，1个定刀片的刃口能换位使用8次，大大提高了定刀片的寿命，降低了模具的使用成本。
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(6)因上模浮动，行程很小(仅略大于棒料直径)，模具的导向性比上模固定在滑块上好。
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& D7 ~9 ?2 y. w! m6 h3 模具设计和制造要点

3.1 模具主要结构参数的确定

上模处于其上限位置时，模具有关零件和料块局部放大图如图2所示，图2中的几个重要结构参数取值原则如下：a为动刀片长度，若忽略动刀片和定刀片的轴向间隙影响，a等于料块长度；b为2个定刀架的定刀片和预紧套长度，b=(a-1)；c为2个托料销间距，c=(0.5~0.6)d，d为棒料直径(以下同)；e为打料杆下端面与托料架上的料块距离，e=(0.07-0.1)d；f为动刀片与棒料的最大间隙(因动刀片刃口是半圆形的，故此处为最大间隙)，f=(0.1-0.15)d；h为定刀片轴线与托料架上料块轴线的高度差，h=(0.07--0.1)d。
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# x2 F7 [/ C# j; R" y7 O从理论上说，e,f,h值应为零，但实际考虑到模具制造、装配和模具导向的误差以及棒料直径公差等因素影响，为确保模具工作可靠，棒料送进和料块落下顺畅，设计时应按上述原则选取。

在取值范围内确定以上各式中d前面的系数值时，若d较小，系数取较大的值，若d较大，系数取较小的值。
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3.2 刀片设计与制造
( _9 D8 r3 Q- s: p- l. D# `( h4 x
! J3 u$ G% ^3 L9 V) z  c7 a% Q动刀片刃口直径和定刀片的内径相同均为D,按下式确定

  P6 C# r& D2 |, ^" dD>d+Q+0.2d d>10mm
) [: Y4 G7 S! ]/ a3 j6 z9 o) BD>d+Q+0.2 d≤10mm

$ M" k  T4 Q" a$ |5 _式中d-棒料直径，mm
( Q& F; Z1 l7 M; wQ-棒料公差的上限，mm
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无预紧套时，对于工具钢刀片，t>0.3d(t为圆简形定刀片的壁厚)；对于普通硬质合金和钢结硬质合金刀片，0.2d
. j4 }- f' g  p- U1 e5 F5 k有预紧套时，对于工具钢刀片，t>0.22d；对于普通硬质合金和钢结硬质合金刀片，0.16d
5 I4 g$ M, C7 B2 l$ o9 _刀片材料的选取和热处理硬度如表1所示。为避免热处理变形对刀片精度的影响，以及考虑硬质合金和钢结硬质合金的难切削性能，应在热处理后用电火花线切割加工。表1刀片材料及热处理硬度
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" d1 d9 h* N1 `; `/ T# _0 h3.3 轴向间隙
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# \2 b9 F5 k5 c6 M0 W动刀片和定刀片的轴向间隙△对剪切质量有较大影响。合理的△值与剪切材质和棒料直径大小有关。为了体现出棒料直径的影响，采用相对间隙δ，其值为轴向绝对间隙与棒料直径之比，即δ=△/d。对于热轧45钢棒料：δ=1%-1.5%，即△=(1%-1.5%)d；对20Cr,20CrMnTi,40Cr钢：δ=1.5%一2%,即△=(1.5%-2%)d。在上述取值范围内，对较大的直径d取较大的相对间隙δ。
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3.4 拉紧螺拴和螺母的制造

; }( V: }# m2 x) ^图1中的4个大螺栓23决定剪切模框架的刚度，需要热装配，加热到250-300℃为宜。为保证螺栓具有较高的抗拉强度和热装配时不退火，螺栓材料应选用35CrMo,17CrMo1V,27Cr2MoV等高温螺纹紧固材料，进行调质处理，可承受500℃的高温。也可用40Cr调质处理，这种材料综合机械性能和淬透性好，适于如螺栓23这样的变载荷场合。螺纹是拉紧螺栓强度的薄弱环节、应尽可能增加受力螺纹的长度。因此螺母19采用六角头厚螺母，其厚度是螺纹外径的1.2--1.5倍，材料为40Cr调质处理。
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受结构空间限制(挡料架11必须紧靠定刀架13)，螺栓23的六角头部必须沉入定刀架13。定刀架13的六角沉孔用电火花加工出来