馮淑敏， 談 理

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，上海 200235）

0 引言

高低壓開(kāi)關(guān)柜及輸變電設(shè)備是電力行業(yè)及制造業(yè)不可缺少的配電設(shè)施，各配電器件間大電流的輸配均需采用銅排。銅排是截面為矩形或倒角（圓角）矩形的長(zhǎng)導(dǎo)體，在電路中起輸送電流和連接電氣設(shè)備的作用，一般在配電柜中的U、V、W相母排和PE母排均采用銅排。銅排的加工質(zhì)量直接影響到電線安裝的精確度甚至影響到電路傳輸?shù)馁|(zhì)量和功能，因此，對(duì)銅排加工設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)有著重要的實(shí)際生產(chǎn)意義。

銅排加工機(jī)一般由沖孔、折彎及剪切三個(gè)工站組成，采用液壓驅(qū)動(dòng)，由PLC實(shí)現(xiàn)各工序的控制，可自動(dòng)完成對(duì)銅排的沖孔壓花、折彎及剪切工序，是電氣行業(yè)大批量加工母排的高效率小型機(jī)床。作為三個(gè)主要工站之一的剪切工站，其功能是將寬20～140mm、厚3～15mm的銅排切斷并保證切口的光滑及斷面的垂直度，該工站是銅排加工機(jī)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 現(xiàn)有剪切工站設(shè)計(jì)不足之處

剪切工站的功能主要是完成銅排的剪切工序，本次設(shè)計(jì)中對(duì)剪切質(zhì)量的要求是保證切口斷面光整，垂直度較高。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上現(xiàn)有的大多數(shù)銅排加工機(jī)剪切工站設(shè)計(jì)采取一般的錯(cuò)位剪切技術(shù)，結(jié)果切口往往不平整，且與銅排上下兩平面的垂直度不夠，剪切精度差。安裝剪切刀具的模架部分結(jié)構(gòu)采取“U”型框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)存在受力不均、長(zhǎng)期使用后易產(chǎn)生變形等缺陷，從而無(wú)法保證剪切精度。

因此，本文在進(jìn)行銅排加工機(jī)剪切工站的設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)以上幾個(gè)方面的不足，分別從剪切方法、刀具結(jié)構(gòu)、模架結(jié)構(gòu)等多方面入手做了重大改進(jìn)。

2 銅排加工機(jī)剪切工站的設(shè)計(jì)

2.1 剪切技術(shù)

目前的剪切技術(shù)分為錯(cuò)位式剪切和沖剪。

2.1.1 錯(cuò)位剪切

大多數(shù)銅排加工機(jī)剪切工站所采用的剪切方式如圖1(a)，屬于錯(cuò)位剪切。這樣設(shè)計(jì)模具制造簡(jiǎn)單，剪裁方式簡(jiǎn)明，便于使用者理解、操作和維護(hù)。但銅排切口往往不平整，切口光滑區(qū)域小，切口傾斜，無(wú)法滿足使用要求。

2.1.2 沖剪

經(jīng)過(guò)調(diào)研和相關(guān)資料分析，本設(shè)計(jì)采取沖剪方式，如圖1(b)。這種加工方式較剪切來(lái)說(shuō)更類似于沖孔，只不過(guò)沖孔的形狀是一條很窄的矩形，是一種封閉剪切。沖剪時(shí)由于刀具切削刃兩邊都接觸銅排，兩邊受力對(duì)稱，因此加工出的銅排切口的整齊度和質(zhì)量較前者好。

2.2 剪切工站的刀具設(shè)計(jì)

圖1 兩種剪切方式的比較

剪切刀具是銅排成型的主要工作部分。整套剪切刀具分為上下兩部分，上部分為上切刀，下部分為固定刀，左右各一，如圖1(b)所示，以上刀具向下運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行加工。這樣設(shè)計(jì)是考慮到銅排一般都放在較低處的加工臺(tái)上，定位和加工較為方便；其次在加工的時(shí)候可以充分利用刀具自身的重量，將其轉(zhuǎn)化為有用功，提高加工質(zhì)量。避免了固定刀向上運(yùn)動(dòng)重力成為阻力這樣的弊端。

在刀具外形的設(shè)計(jì)中，一般有平刃口刀具和斜刃口刀具。用普通的平刃口刀具沖剪時(shí)，其整個(gè)刃口平面都同時(shí)接觸板料，故在沖裁大型或厚板工件時(shí)，沖裁力往往很大。若將刀具刃口平面做成與水平面傾斜一個(gè)角度，沖剪時(shí)刃口就不是同時(shí)切入，而是逐步?jīng)_切材料，這就等于減少了剪切斷面面積，因而可降低沖裁力，同時(shí)可以減小對(duì)刀具的沖擊，因此本設(shè)計(jì)采用斜刃口刀具。

下文是對(duì)平刃口及斜刃口刀具剪切力大小的計(jì)算及對(duì)比分析。

1）平刃口剪切力計(jì)算

由于采用沖剪方式，剪切面有兩個(gè)，則剪切力計(jì)算公式如下：

圖2 平刃口剪切

其中，T0—平刃口剪切力 （N）

Smax—最大剪切面積(mm2)，Smax=bmaxhmax

τmax— 銅排抗剪切強(qiáng)度(MPa)

由圖2可知，剪切面積Smax= bmaxhmax

hmax—銅排最大厚度(mm)

bmax—銅排最大寬度(mm)

經(jīng)計(jì)算得：T0=2×140×10-3×15×10-3×150×106=6.30×105(N)

即平刃口剪切力為6.30×105(N)。

2）斜刃口剪切力計(jì)算

圖3 斜刃口剪切

可將刀具做成一定傾角θ，如圖3所示。若θ較大，將導(dǎo)致切刀將銅排向右側(cè)推出，若θ太小，改善效果不理想，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將θ定為7.5°。

由于刀具為斜刃口，因此沖剪時(shí)刃口不是同時(shí)切入銅排，而是逐步切入，那么實(shí)際剪切寬度并非h，相應(yīng)地實(shí)際剪切面積也并非bh，此時(shí)，實(shí)際剪切面積是如圖所示的陰影部分（通常情況下是一個(gè)直角三角形）。剪切力T1為：

由圖3可知，剪切面積Smax=0.5×(hmax/tanθ)×hmax

經(jīng)計(jì)算得：

T1＝2.56×105N

計(jì)算可知：斜刃口的剪切力為2.56×105N。

將(1)、(2)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，T0/T1=2.46

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，因?yàn)檫@個(gè)傾角，剪切面積減小了，因而使剪切力相應(yīng)減小近2.5倍。而剪切力的減小一方面提高了刀具的使用壽命和剪切口的斷面質(zhì)量。另一方面，由于剪切力的減小，提供上、下切刀相對(duì)運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力也相應(yīng)減小，那么在選擇油缸和電動(dòng)機(jī)時(shí)，就可以選擇功耗較小的型號(hào)，其外形尺寸也會(huì)相應(yīng)減小，可使整臺(tái)銅排加工機(jī)體積更加精巧。因此，本設(shè)計(jì)選擇斜刃口剪切刀具是合理的。

普通上切刀的整體形狀很簡(jiǎn)單，沒(méi)有導(dǎo)向設(shè)計(jì)，只有一個(gè)斜角，如圖4(a)。但如果將外形設(shè)計(jì)成如圖4(b)形狀，可以節(jié)省材料，左側(cè)伸出部分可起到導(dǎo)向作用，減少加工面積。

圖4 有導(dǎo)向與無(wú)導(dǎo)向上切刀的形狀比較

下切刀固定在底座上，又稱為固定刀。為了提供封閉式剪切，要用兩塊固定刀。刃口處的剪切間隙大小也是保證剪切光整的重要因素之一。間隙選擇合理，則斷面平直，光潔，毛刺小；而間隙過(guò)小，斷面兩端光亮帶大，中間撕裂面擠出毛刺；間隙過(guò)大，光亮帶減小，斷裂帶大，毛刺大。間隙的選擇還影響到尺寸精度以及刀具的使用壽命。

本文選用兩塊固定刀，可方便調(diào)節(jié)上下切刀之間的間隙，保證加工銅排的質(zhì)量。

2.3 模架設(shè)計(jì)

模架是整套剪切裝置的主體支撐部分，是安放剪切刀具和連接液壓缸體的構(gòu)件，須承受剪切時(shí)的沖擊力，因此模架的設(shè)計(jì)非常重要。模架結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，便于在其上面進(jìn)行其它部件的安裝，模架還應(yīng)拆卸方便而且耐沖擊。

現(xiàn)有設(shè)備沖剪模架的外形多采用“U”型框架結(jié)構(gòu)，由三個(gè)獨(dú)立零件連接裝配而成，總體剛度較差，本文對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用“O” 型整體結(jié)構(gòu)的模架。如圖5 所示，分別為兩種框架的有限元模型圖，圖6所示為兩種框架的應(yīng)力圖，圖7所示為兩種框架的變形圖。

由圖6和圖7對(duì)比可看出，在相同載荷作用下，“O”型框架比“U”型框架的應(yīng)力及變形量均減小了近15%，因此，O型框架與U型框架相比，改善了受力，增加了剛度，變形小，應(yīng)力小，可以有效的減小疲勞，提高使用壽命。而以現(xiàn)代加工水平加工圓盤(pán)式的“O” 型框架也比較容易，因此本文中選擇“O” 型結(jié)構(gòu)的模架。

圖5 框架的有限元模型

圖6 框架的應(yīng)力圖

圖7 框架的變形圖

3 結(jié)論

本次基于沖剪方式而設(shè)計(jì)的銅排加工機(jī)是一種新型銅排加工設(shè)備，與傳統(tǒng)采用錯(cuò)位剪切方式的銅排加工設(shè)備相比，其切口更加平整，切口光滑區(qū)域帶更多；將上切刀設(shè)計(jì)出與水平成7.5°夾角的斜刃口，與傳統(tǒng)的平刃口剪切刀具相比，剪切力更小，不但可提高剪切刀具的使用壽命，而且使得提供剪切力的液壓系統(tǒng)的外形尺寸縮小，如液壓缸、液壓泵、電機(jī)等，因而也使整臺(tái)銅排加工機(jī)體積更加小巧；工站的主體支撐部分–模架采取 “O”型結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“U”型結(jié)構(gòu)，使模架受力狀況得到改善，受力更均勻、耐沖擊，能有效保證模架及設(shè)備長(zhǎng)期使用不變形，使用壽命更長(zhǎng)。

[1] 黃肯.基于ANSYS不等肢L形截面柱正截面承載力分析.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008,19(3):58-61.

[2] 陳曼龍.液壓擺式剪板機(jī)剪切力計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2008,(3):54-55.

[3] 溫彤,陳霞.金屬板材剪切變形全過(guò)程的模擬[J].模具技術(shù),2006,(4):3-6.

[4] 鄭百戰(zhàn).鈦板防松動(dòng)剪切刀具設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù),2003,(2):32-34.

[5] 曹秋霞.對(duì)斜刃剪切力計(jì)算公式適用范圍的分析與探討[J].工具技術(shù),2000,34(10):12-13.