铜排加工机剪切工站的改进设计

冯淑敏， 谈 理

（上海应用技术学院 机电工程学院，上海 200235）

0 引言

高低压开关柜及输变电设备是电力行业及制造业不可缺少的配电设施，各配电器件间大电流的输配均需采用铜排。铜排是截面为矩形或倒角（圆角）矩形的长导体，在电路中起输送电流和连接电气设备的作用，一般在配电柜中的U、V、W相母排和PE母排均采用铜排。铜排的加工质量直接影响到电线安装的精确度甚至影响到电路传输的质量和功能，因此，对铜排加工设备的研究和设计有着重要的实际生产意义。

铜排加工机一般由冲孔、折弯及剪切三个工站组成，采用液压驱动，由PLC实现各工序的控制，可自动完成对铜排的冲孔压花、折弯及剪切工序，是电气行业大批量加工母排的高效率小型机床。作为三个主要工站之一的剪切工站，其功能是将宽20～140mm、厚3～15mm的铜排切断并保证切口的光滑及断面的垂直度，该工站是铜排加工机设计中的重点和难点。

1 现有剪切工站设计不足之处

剪切工站的功能主要是完成铜排的剪切工序，本次设计中对剪切质量的要求是保证切口断面光整，垂直度较高。

经调查发现市场上现有的大多数铜排加工机剪切工站设计采取一般的错位剪切技术，结果切口往往不平整，且与铜排上下两平面的垂直度不够，剪切精度差。安装剪切刀具的模架部分结构采取“U”型框架结构，该结构存在受力不均、长期使用后易产生变形等缺陷，从而无法保证剪切精度。

因此，本文在进行铜排加工机剪切工站的设计时，针对以上几个方面的不足，分别从剪切方法、刀具结构、模架结构等多方面入手做了重大改进。

2 铜排加工机剪切工站的设计

2.1 剪切技术

目前的剪切技术分为错位式剪切和冲剪。

2.1.1 错位剪切

大多数铜排加工机剪切工站所采用的剪切方式如图1(a)，属于错位剪切。这样设计模具制造简单，剪裁方式简明，便于使用者理解、操作和维护。但铜排切口往往不平整，切口光滑区域小，切口倾斜，无法满足使用要求。

2.1.2 冲剪

经过调研和相关资料分析，本设计采取冲剪方式，如图1(b)。这种加工方式较剪切来说更类似于冲孔，只不过冲孔的形状是一条很窄的矩形，是一种封闭剪切。冲剪时由于刀具切削刃两边都接触铜排，两边受力对称，因此加工出的铜排切口的整齐度和质量较前者好。

2.2 剪切工站的刀具设计

图1 两种剪切方式的比较

剪切刀具是铜排成型的主要工作部分。整套剪切刀具分为上下两部分，上部分为上切刀，下部分为固定刀，左右各一，如图1(b)所示，以上刀具向下运动的方式进行加工。这样设计是考虑到铜排一般都放在较低处的加工台上，定位和加工较为方便；其次在加工的时候可以充分利用刀具自身的重量，将其转化为有用功，提高加工质量。避免了固定刀向上运动重力成为阻力这样的弊端。

在刀具外形的设计中，一般有平刃口刀具和斜刃口刀具。用普通的平刃口刀具冲剪时，其整个刃口平面都同时接触板料，故在冲裁大型或厚板工件时，冲裁力往往很大。若将刀具刃口平面做成与水平面倾斜一个角度，冲剪时刃口就不是同时切入，而是逐步冲切材料，这就等于减少了剪切断面面积，因而可降低冲裁力，同时可以减小对刀具的冲击，因此本设计采用斜刃口刀具。

下文是对平刃口及斜刃口刀具剪切力大小的计算及对比分析。

1）平刃口剪切力计算

由于采用冲剪方式，剪切面有两个，则剪切力计算公式如下：

图2 平刃口剪切

其中，T0—平刃口剪切力 （N）

Smax—最大剪切面积(mm2)，Smax=bmaxhmax

τmax— 铜排抗剪切强度(MPa)

由图2可知，剪切面积Smax= bmaxhmax

hmax—铜排最大厚度(mm)

bmax—铜排最大宽度(mm)

经计算得：T0=2×140×10-3×15×10-3×150×106=6.30×105(N)

即平刃口剪切力为6.30×105(N)。

2）斜刃口剪切力计算

图3 斜刃口剪切

可将刀具做成一定倾角θ，如图3所示。若θ较大，将导致切刀将铜排向右侧推出，若θ太小，改善效果不理想，根据经验将θ定为7.5°。

由于刀具为斜刃口，因此冲剪时刃口不是同时切入铜排，而是逐步切入，那么实际剪切宽度并非h，相应地实际剪切面积也并非bh，此时，实际剪切面积是如图所示的阴影部分（通常情况下是一个直角三角形）。剪切力T1为：

由图3可知，剪切面积Smax=0.5×(hmax/tanθ)×hmax

经计算得：

T1＝2.56×105N

计算可知：斜刃口的剪切力为2.56×105N。

将(1)、(2)计算结果进行对比，T0/T1=2.46

由计算结果可见，因为这个倾角，剪切面积减小了，因而使剪切力相应减小近2.5倍。而剪切力的减小一方面提高了刀具的使用寿命和剪切口的断面质量。另一方面，由于剪切力的减小，提供上、下切刀相对运动的液压系统驱动力也相应减小，那么在选择油缸和电动机时，就可以选择功耗较小的型号，其外形尺寸也会相应减小，可使整台铜排加工机体积更加精巧。因此，本设计选择斜刃口剪切刀具是合理的。

普通上切刀的整体形状很简单，没有导向设计，只有一个斜角，如图4(a)。但如果将外形设计成如图4(b)形状，可以节省材料，左侧伸出部分可起到导向作用，减少加工面积。

图4 有导向与无导向上切刀的形状比较

下切刀固定在底座上，又称为固定刀。为了提供封闭式剪切，要用两块固定刀。刃口处的剪切间隙大小也是保证剪切光整的重要因素之一。间隙选择合理，则断面平直，光洁，毛刺小；而间隙过小，断面两端光亮带大，中间撕裂面挤出毛刺；间隙过大，光亮带减小，断裂带大，毛刺大。间隙的选择还影响到尺寸精度以及刀具的使用寿命。

本文选用两块固定刀，可方便调节上下切刀之间的间隙，保证加工铜排的质量。

2.3 模架设计

模架是整套剪切装置的主体支撑部分，是安放剪切刀具和连接液压缸体的构件，须承受剪切时的冲击力，因此模架的设计非常重要。模架结构要简单，便于在其上面进行其它部件的安装，模架还应拆卸方便而且耐冲击。

现有设备冲剪模架的外形多采用“U”型框架结构，由三个独立零件连接装配而成，总体刚度较差，本文对此结构进行了改进，采用“O” 型整体结构的模架。如图5 所示，分别为两种框架的有限元模型图，图6所示为两种框架的应力图，图7所示为两种框架的变形图。

由图6和图7对比可看出，在相同载荷作用下，“O”型框架比“U”型框架的应力及变形量均减小了近15%，因此，O型框架与U型框架相比，改善了受力，增加了刚度，变形小，应力小，可以有效的减小疲劳，提高使用寿命。而以现代加工水平加工圆盘式的“O” 型框架也比较容易，因此本文中选择“O” 型结构的模架。

图5 框架的有限元模型

图6 框架的应力图

图7 框架的变形图

3 结论

本次基于冲剪方式而设计的铜排加工机是一种新型铜排加工设备，与传统采用错位剪切方式的铜排加工设备相比，其切口更加平整，切口光滑区域带更多；将上切刀设计出与水平成7.5°夹角的斜刃口，与传统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寿命，而且使得提供剪切力的液压系统的外形尺寸缩小，如液压缸、液压泵、电机等，因而也使整台铜排加工机体积更加小巧；工站的主体支撑部分–模架采取 “O”型结构代替传统的“U”型结构，使模架受力状况得到改善，受力更均匀、耐冲击，能有效保证模架及设备长期使用不变形，使用寿命更长。

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