淺析四點(diǎn)式直角剪板機(jī)設(shè)計注意事項

直角剪板機(jī)是一種具有兩個互成直角的刀刃，可對板料進(jìn)行直角形剪切的機(jī)床。全伺服控制直角剪板機(jī)與數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床、自動上下料裝置、堆垛裝置、分揀裝置等組成數(shù)控沖剪復(fù)合線，可以自動完成沖剪加工，加工完成的工件可直接傳送至折彎、焊接等工序，該系統(tǒng)具有板材利用率高、無框料、部件邊角質(zhì)量高、整個過程中框料狀態(tài)穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)自動化控制、工件加工成本低等優(yōu)勢。沖剪設(shè)備可以作為獨(dú)立的生產(chǎn)設(shè)備，也可以成為智能工廠中材料處理的重要設(shè)備，目前已頻繁用于生產(chǎn)各類產(chǎn)品，如電梯門板、采暖通風(fēng)設(shè)備與電氣開關(guān)柜等。常見的主傳動結(jié)構(gòu)數(shù)控直角剪板機(jī)的主傳動結(jié)構(gòu)主要有液壓式、離合器式、單點(diǎn)伺服球頭式、四點(diǎn)伺服驅(qū)動式四種形式。液壓式結(jié)構(gòu)需要設(shè)置液壓油的冷卻系統(tǒng)，液壓油的泄漏及廢油處理會造成一定的環(huán)境污染，另外液壓站中的油泵是連續(xù)工作的，會產(chǎn)生大量的熱能損耗，剪板機(jī)不剪切時也會耗電，從而產(chǎn)生大量能耗。離合器式結(jié)構(gòu)電機(jī)始終處于工作狀態(tài)，能耗較高，此外，剪板機(jī)的剪切行程需現(xiàn)場調(diào)整，其調(diào)整方式為機(jī)械式調(diào)整，調(diào)整速度慢，且精度不易得到保證。單點(diǎn)伺服球頭式伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠直接帶動上刀架運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)板料的剪切，這種結(jié)構(gòu)比較緊湊，省去了中間傳遞環(huán)節(jié)，可完成比較高效和節(jié)能的剪切工作。但是剪切時刀架會在兩個方向上產(chǎn)生較大的側(cè)向力，刀架存在翻轉(zhuǎn)風(fēng)險，而這種單點(diǎn)球頭式結(jié)構(gòu)無法克服這種弊端，所有的側(cè)向力均由刀架后面直立的導(dǎo)軌承受，刀架在剪切不同厚度或不同強(qiáng)度的板料時，會產(chǎn)生不同的側(cè)向力，導(dǎo)軌也會產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而影響到兩個方向的剪切精度。為避免產(chǎn)生過大的側(cè)向力，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床其最大剪切長度會受到限制。四點(diǎn)伺服驅(qū)動式結(jié)構(gòu)通過雙伺服電機(jī)四點(diǎn)驅(qū)動，具有行程可調(diào)、抗偏載、節(jié)能等特點(diǎn)，與其他主傳動結(jié)構(gòu)相比優(yōu)勢明顯，本文以此主傳動方式直角剪板機(jī)為研究對象，對其設(shè)計過程中的注意事項進(jìn)行分析說明。結(jié)構(gòu)組成及原理四點(diǎn)伺服驅(qū)動直角剪板機(jī)主要由機(jī)架、上刀架、下刀架、驅(qū)動裝置、壓料裝置、潤滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等組成，兩套成直角安裝的剪切刀片分別平行安裝于上下刀架的X軸、Y軸上，實(shí)現(xiàn)板材在水平面內(nèi)直角剪切。直角剪板機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、楔形塊等組成，如圖1所示。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠推動楔形塊向右運(yùn)動，楔形塊下表面下壓上刀架推動上刀架向下運(yùn)動，進(jìn)而帶動上刀片對板材進(jìn)行剪切。為了保證上刀架在剪切運(yùn)動過程中能有效地抵抗X/Y兩個方向的剪切力，設(shè)置了兩組傳動機(jī)構(gòu)，兩組傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動斜楔與上刀架的滾輪相接觸，當(dāng)直角剪板機(jī)進(jìn)行剪切動作時，兩組傳動機(jī)構(gòu)上的左右斜楔共同推動上刀架向下運(yùn)動，完成剪切動作。四點(diǎn)伺服驅(qū)動式直角剪板機(jī)抗偏載原理為：上刀架剪切板料瞬間，兩組驅(qū)動裝置由伺服電機(jī)同步控制，同步驅(qū)動裝置剛性極強(qiáng)，斜楔就如剛性約束一般四點(diǎn)推壓上刀架，平衡了任意點(diǎn)剪切力引起的翻轉(zhuǎn)趨勢，使得上刀架在剪切力作用下的讓刀變形很小，進(jìn)而保證剪切質(zhì)量。圖1直角剪板機(jī)結(jié)構(gòu)示意導(dǎo)軌裝配分析四點(diǎn)伺服驅(qū)動式直角剪板機(jī)上刀架位于機(jī)架中部，四面導(dǎo)向裝配難度較大，成本較高，因此行業(yè)內(nèi)上刀架的導(dǎo)向多采用雙面導(dǎo)向，兩個導(dǎo)向裝配面相互垂直，最常用的導(dǎo)軌裝配方式有靠近刀片和遠(yuǎn)離刀片兩種方式，如圖2所示。圖2導(dǎo)軌裝配方式圖2中上刀架與滑枕通過螺釘連接，導(dǎo)軌與機(jī)架間用螺釘連接，剪切板料過程中，板料對上刀片的反作用力除了豎直方向的剪切力外，還有水平方向的推力，該推力由上下刀片擠壓板料產(chǎn)生。導(dǎo)軌靠近刀片裝配時，作用力通過其附近滑枕傳遞給機(jī)架，通過機(jī)架的剛性限制剪切過程中的讓刀情況，優(yōu)點(diǎn)是上刀架變形影響小，缺點(diǎn)是滑枕承載力不均，作用力附近的滑枕承載力大，導(dǎo)軌緊固螺釘在作用力下呈拉伸趨勢，厚板剪切時導(dǎo)軌容易滑移，偏離初始裝配位置。導(dǎo)軌遠(yuǎn)離刀片裝配時，作用力通過上刀架傳遞給機(jī)架，由于上刀架變形協(xié)調(diào)，各個滑枕的承載力均勻，導(dǎo)軌緊固螺釘不受作用力影響，不會偏離初始裝配位置，缺點(diǎn)是作用力傳遞過程中，上刀架產(chǎn)生一定變形，在剪切不同板厚的材料時，刀片間隙的調(diào)節(jié)要綜合考慮上刀架的變形影響。壓料氣缸作用分析板料剪切斷面分四個區(qū)域，分別是塌角區(qū)、光滑區(qū)、裂紋區(qū)、毛刺區(qū)，光滑區(qū)為擠壓應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形，其他三個斷面區(qū)均為拉應(yīng)力狀態(tài)下的塑性變形，在擠壓階段，由于上下刀片的限位約束，板材并不產(chǎn)生滑移，在拉伸階段，板材被拉伸而產(chǎn)生滑移，工程上多采用壓料方式限制板料滑移。在實(shí)際剪板機(jī)設(shè)計中，壓料力設(shè)計遠(yuǎn)小于經(jīng)驗(yàn)計算公式的計算值，以芬寶剪板機(jī)為例，壓料選擇40組缸徑為25mm的氣缸，工作氣壓選擇0.6MPa，氣缸所能提供的最大理論輸出力為9080N。在剪切尺寸為2500mm×1500mm×4mm的不銹鋼板時，經(jīng)驗(yàn)公式計算得出的壓料力為87529N，實(shí)際設(shè)計值遠(yuǎn)小于理論計算值，說明剪板機(jī)壓料缸并非用于限制板料滑移，而是用于限制板料剪切過程中的翹起，以及防止上刀片返程中將板料帶起，板料滑移主要通過夾鉗限制，但在遠(yuǎn)離夾鉗區(qū)域，由于板材剛性較弱，這種限制將不明顯，因此剪切精度變差。壓料角距離刀片過近，壓料力提供的抗翹起力矩小，剪切厚板時壓料缸限制翹起能力不足；壓料角距離刀片過遠(yuǎn)，剪切薄板時上刀片返程帶料頻繁，板材廢料邊過寬，板材利用率低。剪板機(jī)精度保障措施板材剪切質(zhì)量缺陷主要有塌邊、毛刺、相對邊平行度差、相鄰邊垂直度差等，這與刀片間隙、上下刀片平行度、板材與刀片垂直度等有關(guān)。剪刃間隙太小會使剪切力增加，同時增加了刃口與板邊的摩擦，加速了刃口的磨損，間隙太大，會使塑性材質(zhì)的鋼板產(chǎn)生毛刺，脆性材質(zhì)的鋼板斷口粗糙。間隙的取值與鋼板厚度及鋼板機(jī)械性能有關(guān)，目前剪板機(jī)多配備間隙自動調(diào)整裝置。上、下刀片平行度差，會使得上刀片運(yùn)行過程中刀片間隙變化，上刀片垂直度也隨之變化，剪切過程中將會出現(xiàn)塌邊、毛刺、拉料、刀片帶料等缺陷；板材與刀片垂直度的變化，除刀片自身原因外，板材自身變形也會對其產(chǎn)生影響。雙伺服電機(jī)同步控制四點(diǎn)式伺服驅(qū)動剪板機(jī)采用雙伺服驅(qū)動、半閉環(huán)控制方式，電機(jī)采用同步控制，將龍門同步軸接入到NC數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，主從電機(jī)同時由NCU（數(shù)控系統(tǒng)控制單元）進(jìn)行位置控制，在空行程中，雙伺服電機(jī)同步性非常好，但在剪切過程中，某個瞬間雙伺服電機(jī)的同步精度有所波動，雙電機(jī)不同步導(dǎo)致上刀架及上刀片傾斜，進(jìn)而影響加工精度。通過控制雙電機(jī)的相位差允許波動范圍，控制上刀架平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)而保證上下刀片的平行度。斜楔與上刀架滾輪配合裝配過程中斜楔與上刀架的配合未必是非常貼合的，這其中有以下幾點(diǎn)因素。⑴裝配誤差。裝配過程中，需要斜楔能很好地與上刀架滾輪貼合，并且接觸力均勻，如果個別斜楔施加給上刀架的力過大，在運(yùn)行過程中也會導(dǎo)致斜楔與滾輪出現(xiàn)間隙。⑵制造誤差。組裝在驅(qū)動裝置上的斜楔角度有誤差，這是導(dǎo)致運(yùn)行過程中斜楔與滾輪出現(xiàn)動態(tài)間隙的主要原因。⑶裝配應(yīng)力。如果雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)與上刀架連接的方式不合理，或者同步電機(jī)通電前未合理清零，將會導(dǎo)致雙驅(qū)動機(jī)構(gòu)與上刀架之間存在應(yīng)力，在空行程運(yùn)行中，將只有一組驅(qū)動機(jī)構(gòu)提供主要動力，長時間下來，另外一組斜楔與上刀架之間會出現(xiàn)間隙。斜楔與上刀架滾輪之間有間隙，對加工精度的影響與伺服電機(jī)同步誤差的影響類似，在剪切過程中均會導(dǎo)致上刀架左右側(cè)高度差出現(xiàn)波動，從而影響刀片間隙。這種情況還容易引起運(yùn)行過程中的沖擊，造成噪聲和關(guān)鍵零件的損壞，因此在實(shí)際裝配過程中，需要慢速動態(tài)監(jiān)測不同時間段斜楔與滾輪之間的間隙。板料下垂直角剪板機(jī)剪切大工件時，比如X/Y兩個方向均大于300mm的工件，板材平放時其剛性較差，在剪切開始前，板材因重力下垂，遠(yuǎn)離夾鉗固定區(qū)域的板材因變形偏離設(shè)定位置，板材相鄰邊垂直度、相對邊平行度剪切質(zhì)量變差。最簡便的措施是設(shè)計一套托料機(jī)構(gòu)，限制板料下垂，圖3所示為剪板機(jī)最常用的托料原理圖，氣缸通過杠桿原理推動另一端