一種用于薄金屬板剪切機(jī)的新型動態(tài)保持系統(tǒng)摘 要金屬剪切機(jī)是重型設(shè)備，由于采用少量技術(shù)設(shè)備，通常與低附加值相關(guān)。但是，這種情況可以通過設(shè)備設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力來改變。分析一些特定的操作，可以觀察到，一些工具在與設(shè)備耦合時應(yīng)大大提高切割工藝生產(chǎn)率和最終產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)于薄金屬板的剪切過程，可以發(fā)現(xiàn)，在切割最終階段，切割材料的重量由仍需要切割的小材料部分懸掛。這會導(dǎo)致鋼帶尖端變形，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量不佳，無法保持完全規(guī)劃。這項(xiàng)工作是圍繞這個問題開發(fā)的，研究了開發(fā)一種能夠避免切割后缺乏平板性的新工具的最佳解決方案。設(shè)計(jì)了一種新穎的設(shè)備，能夠在整個切割操作后沿著刀片運(yùn)動方便地連接到剪切機(jī)。該系統(tǒng)是全自動的，由機(jī)器操作員提供的單一切割指令操作。該系統(tǒng)允許制造公司增加每臺機(jī)器的附加價值，為客戶提供先進(jìn)和理想的解決方案，并為公司業(yè)務(wù)的可持續(xù)性做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：剪板機(jī)切割工藝聚合工具 鈑金切割可持續(xù)性設(shè)計(jì)1.介紹雖然作為一種舊技術(shù)，但是落料仍然是當(dāng)今金屬加工行業(yè)中最常用的切割工藝之一[1]。這項(xiàng)技術(shù)是在許多年前研究的，但最近的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，例如將有限元模型適用于這些技術(shù)，以預(yù)測新材料行為，探索過程容量，重點(diǎn)在于提高生產(chǎn)率并實(shí)施新設(shè)備，關(guān)于新的市場要求和期望的質(zhì)量改進(jìn)。因此，一些研究已經(jīng)由不同的作者進(jìn)行，即在參數(shù)改善的領(lǐng)域，Breitling 等人 [2] 探索該過程的競爭力并研究消隱速度，結(jié)果表明消隱速度隨著消隱速度的增加在 1-4ms 范圍內(nèi)下降\，結(jié)果證實(shí)了 Goijaerts 等人的結(jié)論。[3]在 0.01-1000mm 的范圍內(nèi)\。Neugebauer 等進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。[4]和 Subramonian 等人。[5]當(dāng)使用高速機(jī)械壓力機(jī)時，沖裁速度增加時動態(tài)效果更高。Mackensen 等人[6]研究了沖頭傾斜角度，得出當(dāng)沖頭傾斜角度上升時切削力較低。但是，較高的沖頭傾斜角會導(dǎo)致空卷曲。正如其他作者所提到的[7–9]，通過沖頭形狀的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)沖切部分的更好的幾何精度并清除.然而，仍然清楚的是，諸如刀具磨損狀態(tài)，間隙，刀具半徑和幾何形狀，材料幾何形狀，金屬板厚度，摩擦，與切削相關(guān)的材料性質(zhì)（延展性和硬度） ，金屬片涂層，潤滑用途，沖程率而沖裁速度是影響剪切邊緣方面的關(guān)鍵因素[10]。熱效應(yīng)也被深入研究，以便將溫度與沖切力相關(guān)聯(lián)[11–13]導(dǎo)致材料溫度升高時消隱力下降。這些研究包括預(yù)熱過程，以引導(dǎo)材料溫度達(dá)到不同的水平，并測量切割不同材料所需的沖切力。在分析和數(shù)值方法領(lǐng)域進(jìn)行了許多其他研究，試圖獲得可靠的模型，幫助研究人員預(yù)測關(guān)于不同材料和切削條件的沖裁操作效果[10,14–16]。然而，盡管有這些強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，但由于剪切帶形成的狹窄和缺乏合適的斷裂準(zhǔn)則，下料切削過程仍然是一個有吸引力的問題。斷頭臺切割工藝也是金屬加工行業(yè)使用的最下沖工藝之一。為了獲得最終產(chǎn)品，原材料需要經(jīng)過許多過程，通常是切斷其中的一個。這種切割過程可以手動或自動完成，并可以作為初始，中間或結(jié)尾步驟進(jìn)行集成[17]。斷頭臺切割工藝原理，如圖所示 圖 1 包括將板定位在固定刀片和可移動刀片之間，向下移動穿透板，并且當(dāng)其超過剪切拉伸強(qiáng)度時，板被切割。圖 1.斷頭臺切割工藝方案[18]盡管刀片的操作特性直接影響最終切割質(zhì)量，但這種切割原理橫向于不同類型的剪切機(jī)。雖然斷頭臺切割的表面質(zhì)量不能與機(jī)加工相媲美，但這是獲得直線形狀的最經(jīng)濟(jì)的切割方法[19,20]。切割過程有一些典型的相關(guān)缺陷，其中大部分與框架變形，刀片間隙或不正確的切割角度調(diào)節(jié)有關(guān)。無論如何，這些問題中的大多數(shù)已經(jīng)被制造商提供的一些設(shè)備作為選擇已經(jīng)被固定或削弱。眾所周知，質(zhì)量較高的切割表面將避免后續(xù)的拋光操作，以及切割精度對于保留在工作臺中的印版是不同的，并且切割條不通過壓緊千斤頂保持或固定的切割條傾向于在切割過程中彎曲或扭曲，產(chǎn)生如圖所示的缺陷圖 2。圖 2.斷頭臺切割過程的典型缺陷[19]弓是在切割過程中由可移動刀片的漸進(jìn)作用導(dǎo)致的切割典型缺陷。切割好的條帶在沒有支撐的情況下被分離，在自重下彎曲[20]。條形弓變得更明顯，切割寬度越小，切割角度越大。但是，減小切割角度可以減小但不能完全消除彎曲[19]。扭曲是一種缺陷，被描述為傾向于將切割材料卷曲成螺旋狀。高切割角度通常與扭轉(zhuǎn)缺陷相關(guān)，扭轉(zhuǎn)缺陷也是板材內(nèi)部應(yīng)力的結(jié)果。這種效果在窄條中更為明顯，是最后一種更容易獲得永久變形的耐磨帶材[20]。曲面是由條帶分離產(chǎn)生的缺陷，主要由材料內(nèi)部應(yīng)力引起[19,21,22]。2.方法和結(jié)果本節(jié)分為三個小節(jié)：首先確定問題，然后是最初設(shè)計(jì)的解決方案以消除問題，最后介紹采用的解決方案來解決問題。如前所述，剪切過程有一些典型的限制，但其中一些已被剪切機(jī)制造商解決。這個問題影響了使用斷頭臺切割高長度薄板的客戶。第二小節(jié)將討論想要消除問題的主要初始思想，并提供一些解決方案，但只有一個解決方案呈現(xiàn)最佳成本--關(guān)系。因此，在第三小節(jié)中，描述了所采用的解決方案，以及從初始設(shè)計(jì)到最終設(shè)計(jì)的一些變化。2.1 問題在薄板切割過程中，檢測到一個非常特殊的問題，這是在切割厚度小于 3 毫米，長度大于 700 毫米的薄片時發(fā)生的。由于切割過程是用編程的刀片斜面進(jìn)行的，這會導(dǎo)致后一個切割片部分的翹曲（圖 3a） ，由已經(jīng)切割的片材的重量引起，這在尚未切割的小區(qū)域處導(dǎo)致高彎曲應(yīng)力，如圖 3 這種情況可以防止將截切機(jī)直接包含在生產(chǎn)線中，因?yàn)樵诩垙垈鬟f到另一個加工步驟之前，拉直操作是強(qiáng)制性的。在不斷切割具有上述尺寸特征的印版時，這種缺點(diǎn)是一個主要的尷尬和煩惱，導(dǎo)致生產(chǎn)率降低。 市場上有一些配件可以減少這種缺陷。但是，在切割過程中，動態(tài)保持器的整合只是預(yù)期完全消除這種缺陷。圖 3.傳統(tǒng)缺陷（a）和高應(yīng)力集中（紅色區(qū)域） （b）2.2 途徑圖 4 展示了構(gòu)思平臺的三維模型，能夠在斷頭臺結(jié)構(gòu)上進(jìn)行組裝，這使得可以對預(yù)期的事物給出真實(shí)的看法，并且體現(xiàn)了檢測待改進(jìn)問題的好方法。 該平臺由一個由四個氣壓缸組成的框架組成，其中一個導(dǎo)向系統(tǒng)可以使結(jié)構(gòu)上下移動以及傾斜，但總是不會執(zhí)行水平運(yùn)動而導(dǎo)致撞擊斷頭臺的主框架。圖 4.初步支架版本的等軸測圖（a）和分解圖（b）該設(shè)備的主要目標(biāo)是與生產(chǎn)中的新的鍘刀兼容，并且已經(jīng)在市場上銷售大部分鍘刀，從而可以輕松地將該設(shè)備適配于它們。2.3 方法2.3.1 動態(tài)持有人動態(tài)支架將在切割過程中支撐切割條，第一種設(shè)計(jì)是一種簡單的板，頂部有中間加強(qiáng)管和方形管，但這種結(jié)構(gòu)在維護(hù)操作和氣瓶檢查時顯示為非常沉重，要求拆除整個保持系統(tǒng)來修理和檢查任務(wù)（圖 5 一個） 。模塊化機(jī)箱包括兩個可移動的盤子，圍繞中央一個（ 圖 5b） ，可以接近氣瓶并減少結(jié)構(gòu)的重量，從而便于組裝和維護(hù)程序?？刹鹦栋寰o固系統(tǒng)由埋頭螺栓和螺母構(gòu)成。由于保持架靜止位置中保持架與地面之間的空間受到限制，所以螺母被焊接以便于拆卸蓋板。圖 5.動態(tài)保持系統(tǒng)演化：（a）第一和（b）nal 設(shè)計(jì)2.3.2 引導(dǎo)系統(tǒng)首先，有必要解釋為什么這個系統(tǒng)需要一個指南。在 圖 6 用綠色箭頭指出預(yù)期的自由度，而紅色的十字指示由導(dǎo)向系統(tǒng)促進(jìn)的限制性運(yùn)動。圖 6.預(yù)期的自由度和系統(tǒng)受限制的運(yùn)動第一個開發(fā)的設(shè)計(jì)如圖所示 圖 7 其工作原理是基于夾具兩側(cè)的兩組兩個定位軸承。軸承 A 限制水平運(yùn)動，同時軸承 B 將保持系統(tǒng)保持在正確的垂直路徑中。圖 7.引導(dǎo)系統(tǒng)的第一種方法。因此，在這個階段，系統(tǒng)需要改進(jìn)，因?yàn)樗茈y制造，最終成本會高于預(yù)期。 該設(shè)計(jì)已經(jīng)重新考慮，現(xiàn)在它將包括在支架下方使用中央導(dǎo)軌，使用桿端軸承將夾持系統(tǒng)保持在正確的位置，同時為系統(tǒng)傾斜運(yùn)動提供必要的自由度。桿端軸承允許在切割過程和旋轉(zhuǎn)過程中傾斜以提取帶材或?qū)A持系統(tǒng)保持在靜止位置。 這個新系統(tǒng)的一個薄弱環(huán)節(jié)與負(fù)責(zé)豎直運(yùn)動的方軸和軸套有關(guān)，這些軸很難制造。因此，方軸和襯套被直線導(dǎo)向器取代。 這種改變使得該系統(tǒng)完全標(biāo)準(zhǔn)化，并且最終結(jié)果是易于制造的系統(tǒng)，其中可以容易地更換所有部件 圖 8.圖 8.（a）指導(dǎo)系統(tǒng)的第二種方法和（b）最終概念2.3.3 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是該項(xiàng)目最重要的部分之一，因?yàn)樗砹俗畲蟮南嚓P(guān)成本。因此，要選擇正確的一個，有必要關(guān)注所需的位置：2.3.3.1 上位。 在這個位置上，動態(tài)保持系統(tǒng)與鍘刀臺處于同一水平面，使用后備系統(tǒng)確保水平板位置和待切割帶材的正確測量。定位后，壓緊千斤頂固定壓板，后蓋自動后退100mm，防止切割過程中帶材與壓力表接觸產(chǎn)生的應(yīng)力。2.3.3.2 中間位置。 開始切割時，會給出一個命令，使氣缸從正確位置的平臺邊緣退出，導(dǎo)致支架傾斜。千分之一秒后，相同的順序被賦予對面的氣缸。氣瓶運(yùn)動協(xié)調(diào)對于保持系統(tǒng)在每個時刻接近剝離點(diǎn)至關(guān)重要。2.3.3.3 放電位置。 帶材切割后，兩個內(nèi)筒被驅(qū)動以盡可能傾斜，從而導(dǎo)致帶材卸料操作。2.3.3.4 休息位置。這個位置對應(yīng)于循環(huán)的最后階段，當(dāng)板厚度超過 5mm 時也被使用，因?yàn)闅鈩硬考H被設(shè)計(jì)為處理結(jié)構(gòu)并且板厚達(dá) 5mm。有人認(rèn)為有必要實(shí)施一種結(jié)構(gòu)，以便優(yōu)化設(shè)備，使切割厚度超過 5 毫米成為可能。因此，決定包括兩個縱向加強(qiáng)件，以吸收超過 5 毫米厚度的鋼帶沖擊載荷落在支架上。其他已確定的要求與氣壓缸的連接空間有關(guān)，并且組件的價格應(yīng)盡可能低。經(jīng)過漫長而細(xì)致的市場調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)的最佳選擇如下。2.3.4 選項(xiàng) 1 - 傳統(tǒng)的氣瓶這些氣缸的優(yōu)點(diǎn)是對軸負(fù)載的高垂直阻力，可調(diào)的氣動阻尼，并且可以很容易地在市場上找到。但是，要使用此解決方案，必須使用“多位置套件” 。該套件將同軸對接兩個氣缸，允許四個可能的位置：后退位置和三個前進(jìn)位置，如圖所示圖9。 這些氣瓶的巨大優(yōu)勢在于其價格。圖 9.（a）裝配兩個帶多位置套件的氣瓶和（b）可能的裝配位置[23]2.3.5 選項(xiàng) 2 - 伺服氣壓缸這個選項(xiàng)滿足了最初為這個項(xiàng)目繪制的最大數(shù)量的需求。與僅允許后退和前進(jìn)位置的傳統(tǒng)氣缸相反，這些氣缸具有確保更高的定位精度并且能夠沿其路徑在多個位置停止的特性。這些是帶定位控制的標(biāo)準(zhǔn)氣缸圖 10，這使得位置精度達(dá)到±左右0.2 毫米[24]，從而確保支架在期望位置的精確定位。這些氣缸可以提供的位置多功能性可以在切割過程中精確跟隨切割過程，而與切割角度無關(guān)，這無疑是一個巨大的優(yōu)勢。但是，這個系統(tǒng)有一個缺點(diǎn)：購置成本高。因此，必須找到能夠滿足需求的解決方案，同時考慮到系統(tǒng)和預(yù)算約束。圖 10. FESTO 提供的伺服氣動缸 DNCI / DDPC[24]關(guān)于這兩種驅(qū)動系統(tǒng)的可能性，可能有至少兩個不同的制造選項(xiàng)。 圖 11 和圖12 介紹了不同駕駛系統(tǒng)的總體情況。由于伺服油缸的最長長度，其裝配需要考慮可用的最大長度。因此，必須方便地研究它們的位置，以便將氣缸支架放入可用空間中 圖 11） 。傳統(tǒng)的缸體具有較低的長度，允許它們的組裝平行于機(jī)體的側(cè)面（ 圖 12)。圖 11.氣動伺服缸定位圖 12.傳統(tǒng)的氣缸定位2.4 結(jié)果根據(jù)初始條件和完成的所有工作，保持系統(tǒng)可按如下方式移動：1.解決方案 1——傳統(tǒng)的氣瓶;2.解決方案 2——伺服氣壓缸;3.解決方案 3——混合版本。2.4.1 選項(xiàng) 1 - 傳統(tǒng)的氣瓶該版本由四組兩個裝有“多位置套件”的氣壓缸組成。 操作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動時，所有氣缸都伸出，使平臺處于上部位置，從而實(shí)現(xiàn)正確的平板放置（ 圖 13)。圖 13.傳統(tǒng)的氣缸 - 上部位置開始切割過程后，刀片開始切割的一側(cè)的圓柱體開始收縮（ 圖 14)。圖 14.傳統(tǒng)的氣缸 - 中間位置為了準(zhǔn)確地監(jiān)測刀片的傾斜度，另一側(cè)的圓柱體也會縮回，但要緩慢，以便保持系統(tǒng)的 Z 位置與刀片在每個時刻切割金屬板的位置一致。在切割過程結(jié)束時，平臺呈水平位置，每個氣缸組件都縮回（ 圖 15)。圖 15.傳統(tǒng)的圓柱形切割階段如果需要繼續(xù)切割厚度小于 5 毫米的板材，則支撐動態(tài)保持系統(tǒng)前部的圓柱體會縮回，導(dǎo)致平臺傾斜并將切割板排出（ 圖 16)。圖 16.傳統(tǒng)的氣缸 - 排氣位置幾秒鐘后，再次啟動所有氣缸，使保持系統(tǒng)處于上部位置。否則，所有氣缸退回，將保持系統(tǒng)置于靜止位置（ 圖 17)。圖 17.傳統(tǒng)的氣缸 - 靜止位置這個選項(xiàng)的巨大優(yōu)勢在于它使用了常規(guī)的以合理的價格在市場上很容易找到的氣瓶。 作為缺點(diǎn)，它們表現(xiàn)出非常有限的操作，因?yàn)樗鼈冎煌鈨蓚€位置，即延伸或縮回，不允許控制中間位置。在這種情況下，還需要進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整以便使氣缸的運(yùn)動和支架位置與下降刀片和切割點(diǎn)匹配。2.4.2 選項(xiàng) 2 - 伺服氣壓缸操作原理與選項(xiàng) 1 中描述的類似。但是，該選件使用四個伺服氣壓缸。在上部位置，所有氣缸都被延伸（ 圖 18)。圖 18.伺服氣壓缸 - 上部位置開始切割過程后，切割側(cè)的汽缸開始收縮，跟隨刀片的角度（ 圖 19)。圖 19.伺服氣壓缸 - 中間位置在金屬片切割過程結(jié)束時，氣缸將保持系統(tǒng)置于水平位置，略低于葉片（ 圖 20)。圖 20.伺服氣壓缸 - 最終切割臺如果操作人員希望繼續(xù)裁切小于 5 毫米厚度的薄片，則支撐前方支撐系統(tǒng)的圓筒縮回，導(dǎo)致平臺傾斜，這又導(dǎo)致紙張通過重力排出（ 圖 21)。圖 21.伺服氣壓缸 - 排氣位置如果需要轉(zhuǎn)動斷頭臺或切割厚度大于 5 毫米的鋼板，所有氣缸都會縮回，將平臺置于靜止位置（ 圖 22)。圖 22.伺服氣壓缸 - 靜止位置該系統(tǒng)提供了許多方法，如停在中間位置或控制臺架之間的夾持器移動速度。這個選項(xiàng)的其他優(yōu)點(diǎn)是正面放電能力，因?yàn)榭梢韵铝顚⒅Ъ苈晕⑻Ц叩健吧稀蔽恢茫?圖 23)。圖 23.伺服氣壓缸 - 正面排氣位置后擋板自動將板推到前側(cè)，操作員可以在斷頭臺前側(cè)接收切割條，避免浪費(fèi)時間收集板后側(cè)。2.4.3 選項(xiàng) 3 - 混合版本選項(xiàng) 3 是以前的組合。這種解決方案被理想化為能夠通過機(jī)器前部提取板，其包括使用兩套兩個氣缸以及兩個多位置套件和兩個伺服氣壓缸。因此，操作與選項(xiàng)2 中描述的操作相同，但是，當(dāng)操作員希望通過機(jī)器前側(cè)移除印版時，伺服氣動缸置于稍高于“上部位置”的位置，從而導(dǎo)致夾持器定位有些在斜坡上（ 圖 24） 。這種坡道位置對于避免在將板推到前側(cè)時避免板與下刀片之間的碰撞非常重要。此外，伺服氣缸可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)更精確的運(yùn)動。圖 24.選項(xiàng) 3 - 上部位置和正面排放位置2.5 比較不同的解決方案關(guān)于這項(xiàng)工作中考慮的不同選擇，現(xiàn)在是時候總結(jié)每個設(shè)備型號的優(yōu)點(diǎn)和局限性，以便根據(jù)應(yīng)用和客戶要求選擇最佳特性。從而， 表格 1 打算濃縮關(guān)于所有發(fā)展的主要想法。3.結(jié)論這項(xiàng)研究提出了一種新型剪切機(jī)或已投入使用的機(jī)器的新技術(shù)裝置，可提高生產(chǎn)率。該設(shè)備包括一個新穎的支架，可以在剪切機(jī)的背面進(jìn)行組裝。通過適當(dāng)編程四個氣缸和一個 PLC（可編程邏輯控制器） ，可以實(shí)現(xiàn)該夾具的受控移動，這將隨切割過程中從一側(cè)到另一側(cè)的剪切刀片的演變密切相關(guān)，避免在最后部分的變形當(dāng)它很薄并且很寬時，切割條帶?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：? 這種技術(shù)設(shè)備可以很容易地在任何新的或已經(jīng)投入使用的剪切機(jī)中實(shí)施，不需要改變總體安排，與剪切機(jī)一起或分開。? 該系統(tǒng)的最終價格將具有競爭力，在切割薄金屬板材時可大大節(jié)省切割操作。? 金屬板最后部分的金屬板變形問題切割條被淘汰，賦予剪切更多的可操作性 這臺設(shè)備的機(jī)器。 此外，剪切機(jī)產(chǎn)品 -Cers 有一個新的商業(yè)化設(shè)備，客戶有一個新的解決方案能夠解決切割薄金屬板時的系統(tǒng)問題。? 最好的解決方案是基于四個伺服氣動氣缸，允許一個完整和協(xié)調(diào)的運(yùn)動持有系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)碾娮涌刂葡嗤?一個 低成本的解決方案可以采用，使用傳統(tǒng)的汽缸和 需要一個精確的定位控制。? 通過這項(xiàng)工作提出的所有解決方案都可以使用，并且使用低成本解決方案構(gòu)建了原型，證明了它的可行性工作得很好，可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)不同的傾斜速度，? 這是一個創(chuàng)新的系統(tǒng)，可以輕松商業(yè)化控制單元。 位置的調(diào)整由控制單元通過反饋位置信號實(shí)時進(jìn)行。? 該系統(tǒng)的維護(hù)被認(rèn)為是為了保持它簡單;? 這種新穎的裝置將有助于確保作為主要切割金屬帶的正面和背面之間的平行布置這項(xiàng)工作的目的。致謝作者要感謝 ISEP - 波爾圖理工學(xué)院工程學(xué)院，因?yàn)樗麄冊谶@項(xiàng)工作中給予了支持和合作。參考J.Slavi?，?。 Bolka，V.Bratu?，M.Bolte?ar，一種用于實(shí)驗(yàn)識別沖裁參數(shù)的新型實(shí)驗(yàn)室沖裁裝置，J.Mater。 處理。 TECHNOL。 214（2） （2014）507-513。 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.10.006。J. 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