自动剪切机结构设计毕业设计

1、本 科 毕 业 设 计题目自动剪切设备系统设计剪切模块结构设计作 者： 专 业： 指导教师： 完成日期： 南 通 大 学 毕 业 设 计（论文）题目：自动剪切设备系统设计剪切模块结构设计姓 名： 指导教师： 专 业： 南通大学机械工程学院2007年6月摘 要剪切机是钢板连续生产线上不可缺少的重要的设备,它的用途就是用来剪切定尺、切边、切试样及切除钢板的局部缺陷等。使用自动剪切设备，实现连续方式的生产，可以大大提高生产效率。目前，对剪切机的功能需求在不断的扩展，同时也对剪切机的生产效率和加工精度提出更高的要求。在对国内外剪切机的应用和技术发展情况进行综合论述基础上，我们分析研究了剪切机结构及原理

2、。由于现有剪切机在实际生产中剪刃间隙调整难、耗时较长，造成设备生产能力降低或出现故障而停机，影响快速、连续生产。板材的需求量越来越大，这里对剪切机的结构重新进行了改良设计，并利用可编程序控制器取代继电器、接触器，改进剪切机的控制系统，提高设备的可靠性与生产柔性。通过重新改造设计，改善了设备的控制精度，提高了产品质量，减少了废品量，降低了维修率。关键词:剪切机，可编程控制器，结构设计，控制系统ABSTRACTThe shearing machine is one of the most indispensability and pivotal equipment in the continuou

3、s producing line of steel. The purposes of using shear machine are achieving definite dimension, edge shearing, sample cutting and disfigurement chucking. Using automatic shearing equipment can realize continuous mode of production and improve production efficiency greatly. Now, the function of the

4、shearing machine is increasing incessantly. The production efficiency and machining precision are required more consuming at the same time.After discussing domestic and overseas applications and technology improvements of the shearing machine generally, the framework and the theory of shearing machi

5、ne are also studied. Because the adjustment of the shearing blade gap is time-consuming and difficult in existing shearing equipment, the throughput of the device is depressed. Sometime it has been stopped for the errors. And celerity and continuity of the producing line are induced by these factors

6、. With the increasing requirement of steel board roughcast, the structure of the shearing machine is reformed here. To amending the control system of shearing machine, the old control system using relays is replaced by PLC. In this way, the reliability and flexibility of control system are improved

7、hardly. Through innovatory design of shearing machine, the controlling accuracy of the equipment is ameliorated, and the product quality is enhanced. And more, the waster is reduced, and the maintenance is decreased.Key words: Shear Machine, Programmable Logic Controller, Structural Design, Control

8、System 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题概述11.2 剪切机的发展及现状11.3 剪切机的分类31.4 本课题的研究意义及主要工作任务5第二章 自动剪切设备的总体设计62.1 机械部分62.2 控制部分7第三章 剪切机方案分析及原理93.1 剪切机方案分析93.2 剪切机的工作原理9第四章 剪切机的结构设计124.1 支架124.2 上刀架134.3 压板装置144.4 剪刃154.5 曲轴164.6 滚动轴承174.7气缸174.8 其它零件18第五章 剪切机部分控制系统设计19第六章 总结21参考文献22致 谢24第一章 绪论当今世界，科技进步突飞猛进，特

9、别是机电一体化技术日臻完善，深刻影响着制造领域。与此同时，全球经济一体化和市场竞争国际化的趋势又对制造业提出了全球化和国际化的新挑战。曾一度被视为 “夕阳产业”的传统制造业，其发展方向和出路重新又引起了人们的思考和探索。近几年来，制造业的全球化为我们带来了新的契机，并且在国内外呈现出了良好的市场前景。这必须引起我们的高度关注。为了加快我国改造传统制造业的步伐，参与制造业国际竞争，我们有必要深入研究我国的制造技术，大力推动制造业的高技术化。1.1 课题概述剪切机是在轧件运动中对轧件实施剪切工艺的一种设备，是连续式轧钢生产线上不可缺少的、非常关键的设备之一。特别是，随着现代化钢材生产的产量和品种不

10、断增加，要求轧钢生产向高速、连续化生产方式发展的今天，剪切机的需求量不断增加，自然而然地对的设计和制造质量提出了更高的要求。由于是在运动中对轧件实施剪切，因此，对剪切机的运动特性、反应灵敏性、动作准确性，以及工作稳定可靠件等各方面，都必须具有很高的要求。对金属材料进行剪切的剪机随所剪材料的不同有各种不同形式。有类似剪刀的插口剪，有剪刃为水平放置的平口剪，还有剪刃有一定斜度专门用来剪切较宽板带材的斜刃剪。以上几种传统剪机有一共同的特点:都是往复式的，也就是说它们工作方式不是连续的，当剪刃向某一方向移动剪断了被剪物后，它们还需要有一个返回不工作的空行程，让剪刃回到原来的位置，准备着再从事另一次的剪

11、切。而本机组通过PLC自动控制，使被剪材料进入刀刃间后，刀架不断上下移动，被剪材料就会连续地被剪下去，直至被剪的材料剪完为止，这是一种连续作业的剪机。1.2 剪切机的发展及现状剪切机是冶金行业用于切断金属材料的一种机械设备。在冶金行业轧制的生产过程中，大断面的钢坯经过轧制后，其断面变小，长度增加。为了满足后续工序和产品尺寸规格等生产功能的要求，各种钢材生产过程中都必须有剪切工序。剪切机的用途就是用来剪切定尺、切头、切尾、切边、切试样及切除钢板的局部缺陷等。剪切机是轧钢机械中重要的辅助设备之一，剪切机的能力大小，直接影响轧机生产能力能否充分发挥以及轧制生产线金属流程的平衡问题。剪切机还广泛地在机

12、械制造和修理等部门使用。剪切机是随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。近二十年来，国内的轧钢生产得到了长足的发展，由于市场对产品不断提出新的要求，生产厂对各种剪切机的要求也在不断的变化。从理论上来说，最初的金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H. Cocquihat, Wiebe和Joessele 1851年，H. Cocquihat研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin则在1893

13、年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker等力学家的工作。第二研究阶段可称为切削可加工性时期，大致从19001930年共约30年时间。在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著Metal Cutting中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率。第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期，传统意义上的金属切削

14、理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度，其研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。比较重要的工作有:Bisacres和Chao在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数的概念。在正交切削模型的研究方面，Pisspen, Merchant, Lee和Shaffer, Shaw以及Oxley等都做了重要的开创性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方

15、法也值得加以重视。我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。东北重型机械学院连家创先生在实验的基础上利用滑移线理论推导出平行刃剪切机剪切力计算公式，陈艳丽等在针对平行刃剪切机冷剪不同材质的金属，在改变剪刃相对侧向间隙o /h0(五种值)以及有无压板的情况下，实测了剪切铅、铝、钢时的剪切力，并结合理论计算进行了分析比较。在实践方面，西安重型机械研究所、华东冶金学院、辽宁冶金技术装备设计研究所等单位也对超过20mm规格的钢板剪切机也作了技术研究，成功地实现了25mm钢板的在线剪切，提高了生产率，改善了钢板的剪切质量，满足了生产的需要。随着2002年国家科技部将制造业信息化列为重大专项，剪切设备的

16、研究方向逐步向新产品自动控制技术方向发展。自动化技术是本世纪以来发展极其迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的重要手段，对人类的生产活动和物质文明起着巨大的推动作用。因此，受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。当前，我

17、国剪切机械制造业中自动化装备少、水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上、质量上、应用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。在这种国情下，要把庞大的劳动力大军从剪切机械制造业生产岗位上撤一下来，投入巨额资金改造现有的大量落后设备和研制大量的现代自动化装备及控制装置，在科学技术水准和人员素质不太高的情况下采用先进的技术装备，都是不现实的。而大力发展低成本自动化技术，却是潜力大，前景广，投资省，见效快，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。1.3 剪切机的分类剪切机的种类很多。对剪切机的分类，从不同的角度出发，有不同的分法。按剪切方式可分为横剪和纵剪；按被剪切

18、钢板的温度分为热剪和冷剪；按剪切机的驱动方式分为机械剪、液压剪和气动剪；按机架的形式分为开式剪和闭式剪；按剪切钢板的品种又可分为钢坯剪切机、钢板剪切机、型钢剪切机和切管机等。通常，按剪切机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪切机、斜刃剪切机和圆盘剪切机。下面按剪切机的剪刃形状的分类对三种结构分别进行介绍：1、平行刃剪切机图1.1 平行刃剪切机见图1. 1 为平行刃剪切机示意图。平行刃剪切机的两个剪刃是彼此平行的，它通常用来在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯。也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的钢板。平行刃剪切机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。上切式剪切机的

19、下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。下切式剪切机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的。其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。平行刃剪切机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。 2、斜刃剪切机图1.2 斜刃剪切机图1.2为斜刃剪切机示意图。斜刃剪切机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置。斜刃剪切机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。上切式斜刃剪:这种剪切机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。上切式斜刃剪通常是作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于20mm时，可

20、用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于25mm不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。下切式斜刃剪:这种剪切机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动进行剪切。由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。这种剪刃机的剪刃通常上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证钢板的剪切面相对带材中心线及表面垂直度。其缺点是由于压板要放在下面而造成结构复杂化。复合式斜刃剪:在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式

21、斜刃剪切机。这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称上下双层斜刃剪切机。当带材通过固定双刃刀架上部，带材由一台卷取机卷取。当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定双刃刀架下部，由另一台卷取机卷取。3、圆盘式剪切机图1.3为圆盘式剪切机示意图。这种剪切机的上下剪刃是圆盘状的。剪切时，圆盘刀以相等于钢板的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。圆盘剪通常设置在板材或带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或带材。图1.3 圆盘式剪切机1.4 本课题的研究意义及主要工作任务随着国内经济的进一步发展和市场的全球化，市场对于钢板的需求会进一步加大，对于钢板尺寸精度的要求也会进一

22、步提高。通过剪切机的优化分析可以提高钢板的剪切精度，提高钢板的生产效率，降低设备的故障率，减少成品的成本，降低废品率，提高钢板在市场上的占有率。对于提高我国板材剪切技术，提升我国钢铁产品在国际市场上的竞争力，为其他行业的进一步发展提高打下坚实的基础，以及振兴民族经济具有较大的作用。毕业设计的主要任务是设计自动剪切设备中剪切模块结构，并进行控制系统的改造。毕业设计论文的内容就本人所做的主要工作展开说明，具体内容如下：第一章：绪论第二章：自动剪切设备的总体设计第三章：剪切机的方案分析及工作原理第四章：剪切机的结构设计第五章：剪切机部分控制系统设计第六章：总结第二章 自动剪切设备的总体设计在此次剪切

23、机的设计中，分为机械部分设计和控制部分设计两大部分。2.1 机械部分机械部分设计即设计出能够实现剪切机功用的机构组合。所谓机构是人们将能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合。各种机器设计的共同问题可以归纳成机构的结构和运动学以及机构机器的动力学两大部分来讨论。（1）机构的结构和运动学：分析机构的结构是为了研究机构运动的可能性和确定性，并进一步讨论机构的组成原理；机构的运动学不考虑引起机构运动的力的作用，而从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法，以及按已知条件来设计新机构的方法。（2）机构和机器的动力学：研究在机械运动过程中作用在机构各结构上的力分析和惯性力的平衡

24、问题；并研究确定机械效率的方法和已知力作用下机械的真实运动规律，以及作用力、运动构件的质量和这些构件的运动之间的关系，即机械的运转和调速问题。图2.1 钢板卷材整平自动剪切设备的工艺流程图图2.1为钢板卷材整平自动剪切设备的工艺流程图。图2.2为钢板卷材整平剪切机总结构示意图，剪切机的机械部分由放料机构、校平机构、防偏机构、定尺装置、剪切机、出料机构组成。放料机构是由原料架及恒张力控制装置组成。带材在夹送动力作用下前进，为防止其自身的重心偏移造成的不良因素，设置恒张力控制，使得带材以恒定阻力被夹送。校平机构是由电动机、蜗轮减速器、齿轮、夹送辊、保护膜架、保护膜放送装置、制动器构成。电动机经蜗轮

25、减速箱减速后，再通过齿轮传动使得夹送胶辊在同一线速下夹送带材，同时，在夹送辊前上方设置保护膜放送架，配套制动装置，使得带材在前进过程中可稳定的同定时贴上保护膜，以保证板材在下一个工序(拉伸或成型)时，尽量减少制品表面的伤痕。钢板经过整平有定长装置定长，最后有平行刃剪切机切断，在由出料部分出料，完成整个过程。 图 2.2 自动剪切设备总结构示意图2.2 控制部分控制部分设计分为继电器控制系统设计和可编程控制系统设计，以及气动、电气等机械系统与控制系统的关联设计。用继电器、行程开关、转换开关等有接触点低压电器构成的电器控制系统，称为继电器控制系统。其特点是动作状态一目了然，但系统接线比较复杂，变更

26、控制过程以及扩展比较困难，灵活性和通用性比较差。可编程控制器PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机。其基本工作原理是建立在计算机工作原理的基础上的，即在硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制任务。随着科学技术的发展，自动控制技术已被广泛应用于工农业生产和国防建设。实现自动化的技术手段，在目前主要有两个：电气(电子)控制和流体动力控制。流体动力控制有三类：(1) 液压控制，工作流体主要是矿物油；(2) 气压控制，工作介质主要是压缩空气，还有燃气和蒸气；(3) 射流技术，工作介质有气体也有液体，该技术在一些多管道的生产流程

27、中得到应用。以下对液压传动和气压传动作了一下比较。液压传动的优点：（1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻， 功率密度大，结构紧凑；（2）液压装置工作比较平稳；（3）液压装置能在大范围内实现无级调速；（4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制；（5）液压装置易于实现过载保护；（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便；（7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。液压传动的缺点：（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等）；（2）液压传

28、动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作；（3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感；（4）液压传动出现故障时不易找出原因。气压传动的优点：（1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境； （2）空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应(空压站)和远距离输送；（3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.30.8MPa），因此，对气动元件的材料和制造精

29、度上的要求较低；（4）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题；（5）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。气压传动的缺点：（1）气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340ms）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难；（2）空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动；（3）气压传动系统出力较小，且传动效率低。结合此次所设计的剪切设备的具体情况，选取气动控制。气动控制系统选用气动装置中被广泛采用的顺序控

30、制系统。根据JIS的定义；按照预先确定的顺序或条件，控制动作逐渐进行的系统叫做顺序控制系统。即在一个顺序控制系统中，下一步执行什么动作是预先确定好的。前一步的动作执行结束后，马上或经过一定时间间隔再执行下一步动作，或者根据控制结果选择下一步应执行的动作。第三章 剪切机方案分析及原理3.1 剪切机方案分析如前所述，剪切机结构分为平行刃剪切机、斜刃剪切机、圆盘剪切机三大类型。以下对其各自的特点进行分析：（1）斜刃剪切机：斜刃剪切机的剪切方式可分为上切式、下切式和复合式等类型。上切式斜刃剪切机的类型中传统形式主要有单面传动斜刃剪切机、双面传动斜刃剪切机、下传动斜刃剪切机；现在为提高剪切质量，也出现了

31、上刀台作摆动或滚动的摆式剪切机。斜刃剪切机的优点是结构简单，制造方便，应用较广，但是剪后的钢板弯曲变形大，同时也不能用来进行剖分剪切。（2）圆盘式剪切机：其广泛应用于纵向剪切厚度小于20-30mm的钢板及薄带钢。由于刀片是旋转的圆盘，因而可连续纵向剪切运动着的钢板或带钢。由于上述特点，目前各国都在研究扩大圆盘剪剪切厚度的范围。圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带钢。根据其用途可将圆盘剪分为两种型式：剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。圆盘剪切机在连续剪切钢板的同时要对其切下的板边进行处理，通常在圆盘剪后面设置碎边机，将板边剪成碎段送到专门的滑槽中去。此外，对

32、于薄带带也有用卷取机来处理的，其缺点是需要一定手动操作，卸卷时要停止剪切等。（3）平行刃剪切机：平行刃剪切机的剪切方式有上切式和下切式两种。平行刃剪切机通常采用曲柄连杆机构，运动和结构简单。剪切过程的特点是：剪切开始时，上剪刃下降，几乎达到与钢板接剪切长的钢板时，压板先压住钢板，然后进行剪切。这种剪切方法钢板不会产生弯曲；活动压板保证剪切断面较垂直；机架不承受剪切力；由于能缩短剪切周期的间隙时间，提高了剪切生产率。通过上述几种剪切机的对比，决定选用平行刃剪切机。3.2 剪切机的工作原理通过生产实践和科学实验证实：剪切过程是由压入变形和剪切滑移两个阶段组成，剪切过程的实质是金属塑性变形的过程。如

33、图3. 1所示，当上剪刃下移与钢板接触后，剪刃便开始压入钢板，由于P力在开始阶段比较小，在钢板剪切断面上产生的剪切力小于钢板本身的抗剪能力，因此钢板只能发生局部塑性变形，故这一阶段称为压入变形阶段。随着上剪刃下移量增加，钢板压入变形增大，力P也不断增加。当剪 刃压入到一定深度，即力P增加到一定值时，钢板的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于由压入变形阶断过渡到剪切滑移阶段的临界状态。当剪切力大于钢板本身的抗剪能力时，钢板沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段被称为剪切滑移阶段。在剪切滑移阶段，由于剪切断面不断变小，剪切应力也不断变小，直至钢板的整个断面被剪断为止

34、，完成一个剪切过程。下面分析一下剪切过程中作用力的变化。为了便于分析，我们忽略剪刃与钢板之间的摩擦力、剪刃的间隙、钢板的重量以及其它因素。图3.1 剪切过程作用力图由图3.1看出，当剪刃压入钢板后，上下剪刃对钢板的压力P形成一力偶Pa，次力矩使钢板转动，但在钢板转动过程中，将遇到剪刃侧面的阻挡，即剪刃侧面给钢板以侧推力T，则上、下剪刃的侧推力又构成另一力偶Tc，力图阻止钢板转动。随着刀片的逐渐压入，钢板转动角度不断增大，当转过一个角度Y后便停止转动，此时两个力矩平衡，即 式 （3-1）假设在压入变形阶段，沿面积x和0.5Z(这里取钢板宽度为1)上的单位压力均匀分布且相等，则 式 （3-2） 式

35、 （3-3）式中z一为剪刃压入钢板的深度。由图3.1中的几何关系，得 式 （3-4） 式 （3-5）将式(3-3), (3-4), (3-5)代入式(3-1)中可得，剪切时，钢板的转角与剪刃压入深度z的关系 式 （3-6）由式（3-6）可知，剪切过程中作用力及其变化规律：剪切力随着Z的增加而变化，当剪切力P为最大值后，钢板开始产生滑移。剪切力P的值是同单位剪切抗力有关。 单位剪切抗力并非常数，其数值大小和钢板材质、剪切温度、剪切速度、剪刃形状、剪刃间隙及相对切入深度等因素有关。单位剪切抗力的确定有实验曲线法和理论计算法两种。以下对影响单位剪切抗力的因素进行定性的描述： 金属性质：金属材料的强度

36、极限越高，则单位剪切抗力越大;塑性越低，对应于剪断时的相对切入深度越小，即金属断的越早。因此单位剪切抗力与金属的强度和塑性有关。 剪切温度：钢板剪切时的温度越高，单位剪切抗力越小，对应于剪断时相对切入深度则越大。 变形速度：热剪时，理论上变形速度与剪切速度成正比关系，单位剪切抗力随变形速度增加而增加;冷剪时，剪切速度对单位剪切抗力的影响很小，一般可不加以考虑。 剪刃侧向间隙：剪刃侧向间隙的大小，可以使剪切时的受力状况发生变化。当侧向间隙由零逐渐增大时，钢板的受力状况分别为压缩剪切弯曲状态，侧向间隙过小或过大都会使单位剪切抗力增加。因此，合理选择和保持剪刃侧向间隙的大小，对于正确使用剪切机是十分

37、重要得。 刀钝半径：刀钝半径的大小，直接影响单位剪切抗力的大小。刀钝半径越大，刀就越不“快”，剪切抗力就越大。但在压入阶段剪切力的计算中，不考虑刀钝半径的影响是允许得。 剪切断面的宽高比b/h：当b/h小于1时，与b/h几乎无关;当b/h大于I时，值随b/h的增大而迅速增大。除上述因素影响外，压板、剪刃与钢板的摩擦系数及剪刃的儿何形状等因素，对单位剪切抗力也都有一定的影响，但这些因素相对来说影响很小，可以忽略不计。 第四章 剪切机的结构设计自动剪切设备的剪切机模块是由支架、上刀架、下刀架、气缸、压板装置、剪刃、曲轴等几大部分组成。图4.1为设计的剪切机模块装配图。 图4.1 剪切机模块装配图4

38、.1 支架根据剪切机的外形及内部要求，支架的材料选择为：HT200，表面淬火的铸件。外形如图4.2所示。由于所设计的为平行刃剪切机，刀刃通常是由连杆机构来带动，因此在支架的中下部设计一个mm的通孔，用来安装轴。支架上部有一宽度为50mm的导轨槽，剪切机工作时，下刀刃不动，上刀刃沿槽往下运动，进行剪切，在设计支架时保证槽的垂直度。上刀架带动上剪刃上下往复运动，为了使其路线与工作台时刻保持垂直，需要一垫块来压紧刀架。而剪切机的下刀架则是通过3个M24的六角螺栓固定在支架上。支架上半部有2个螺纹孔，工作台通过M36的内六角螺钉来固定在支架上。为了提高剪切钢板的精度，安装在两个支架之间的工作台必须得有

39、高的平行度，所以在设计支架时必须保证加工精度。在支架上还有厚度为20的肋，用来加强支架的强度。所设计的支架外形高度为1500mm,而实际剪板高度为1250mm,适合工人操作，在特殊情况下，为配合整条生产线，需要提高剪板高度，支架底部留有两个mm的通孔，可以将支架安装在一底座上面，来达到所需的剪切钢板的高度。 图4.2 支架4.2 上刀架在此次剪切机设计中，上刀架放置于两个支架之间，用于安装上刀块，刀架的材料选择为H200的表面淬火的铸件，外形如图4.3所示。在平行刃剪切机中，有两种剪切方式：上切式和下切式。现所设计的为上切式，也就是说下剪刃固定不动，上剪刃往下运动。上剪刃通过8个M20的内六角

40、螺钉固定在刀架上，要确保剪刃安装的垂直度，刀架与剪刃接触面必需要要有高的粗糙度要求。通常上剪刃式剪切机采用连杆机构，虽然它运动和结构都很简单，但是被剪切的钢板易弯曲，剪切断面不垂直，以致影响剪切后钢板的工艺线上的顺利运行。因此在此次剪切机上刀架的设计中，加上了一个压板，刀架上方有两个螺纹孔，用来固定压板装置，连接面也得有一定的粗糙度值。刀架两边带有拉环，它和连杆用mm的销连接，再用mm的销进行固定，然后通过连杆来拉动刀架上下移动，实现剪切动作。 图4.3 上刀架示意图4.3 压板装置如上述所提到的，由于工作台上钢板的没有平齐，高度不同，导致剪切机很难保证剪切精度，这就需要使用压板装置来把钢板压

41、紧在工作台上。压板装置是由导轨座、弹簧、压板、导轨、调节螺母、弹性垫圈7个部分组成。整个压板装置的工作过程如下：剪切开始时，上刀刃下降，连接在刀架上的导轨座跟着下降，下方的压板也往下移动；由于上剪刃和压板存在高度差，在往下移动中，压板先接触到钢板，弹簧被压缩，产生足够的力来压紧钢板来进行剪切；钢板切断后，上刀架回程，螺母和弹性垫圈起到了缓冲作用，最终上剪刃上升到原始位置，一次剪切过程完成。压料力的大小可以用调节调节螺母来实现。导轨座的长度为1200mm，高为60mm,中间均匀分布了7个导轨筒，以便于合理有效地起到导轨的作用。导轨座是用两个M16的六角头螺栓与上刀架固定在一起，导轨是直接焊接在压

42、板上面，结构如图4.4所示。导轨座的材料选用A3，它直接是安装在刀架上的，因此在连接表面保证一定的粗糙度，最重要的是它的导向性要好，能保证导轨垂直上下移动。调节螺母和螺母都是标准件，分别选用的是M16和M24。所选择的弹簧是圆柱形螺旋压缩弹簧，直径D1为mm，中径D2为mm它所产生的的弹簧力是用来抵消惯性力，并使压板在剪切过程中紧紧压牢钢板。弹簧力必须适当，不能太大但也不能太小。弹簧力太大往往导致产生不必要的动态力和过度磨损。弹簧力太小，就不能产生足够的力来压紧钢板，结果往往导致钢板剪切得不垂直，所以要合理地调节调节螺母来使弹簧发挥作用。图4.4 压板装置示意图4.4 剪刃在此次剪切机设计中，

43、剪切机的两块剪切刃分别装在上下刀架上。我们只所以把部分叫做剪切机，就是因为它能起到剪切的作用。由于所剪切的钢板最大宽度为1200mm，并且考虑到上刀架和压轨的长度，把剪刃的长度定为1260mm，宽度定为40mm。由于所剪切的是钢板，而不是纸张和木板之类的，这次所设计剪切机的剪刃承受着巨大的冲击力和剪切力，所以要求刀刃必须具备高的强度和硬度，同时还要具备一定的塑性和韧性。剪切机在工作的时候，剪刀刃口与被剪切钢板的接触面并不是剪刀刃的全厚度。也就是说，剪刀刃与被剪切钢板的接触面积与钢板的硬度和强度有一定的关系，对塑韧性好、强度较低的钢板，接触的面积就较大，剪刀刃口所受的剪切应力相对较小；对强度高、

44、硬度高、塑性差或板材厚度大的钢板，则剪刀刃口与所承受的剪切力就相对较大。在实际的生产过程中，为了能使材料顺利的剪切下来，后者往往还要承受较大的冲击力，产生蹦齿的情况就非常容易发生。因此在设计的时候，必须合理选择剪刃材料。选择剪刃材料时考虑到两种材料9SiCr和6CrW2Si。9SiCr是十分常用的合金工具钢之一，它淬透性好、耐磨性好、强度高、价格相对便宜。但在进行热处理时，要求其组织均匀性要好，且在淬火及低温回火后脆性较大。因此，9SiCr材料主要用于制作板牙、丝锥、钻头、绞刀、冷轧辊等承受冲击较小的刃具产品，作为剪刀刃用材仅限于轻剪刃方面。而且，在剪刀片刃口的设计上，一般采用圆形刃口或直剪刀

45、。此外，为了充分发挥9SiCr的优点、克服韧性差的弱点，在热处理工艺的设计上，一般选择等温淬火等热处理工艺，使其产生下贝氏体组织，从而获得较高的韧性指标。经查，9SiCr的热处理是采用860 淬火+320回火，获得HRC5457的硬度值。但是，在实际工作中却反应出脆性大的特点。经过不同温度的热处理以后，可以看出其韧性指标(包括裂纹扩展功和裂纹扩展时间)并没有得到很好的改善，因此9SiCr不适用。而6CrW2Si钢是在铬硅钢的基础上加入了一定量的钨而形成的钢种，因为钨有助于在淬火时保存比较细的晶粒，而使回火状态下获得较高的韧性。6CrW2Si钢具有比4CrW2Si和5CrW2Si,钢有较高的淬火

46、硬度和一定的高温强度。通常用于制造承受冲击载荷而又要求耐磨性高的工具，如风动工具，凿子和冲击模具，冷剪机刀片，冲裁切边用凹模，空气锤用工具等。在GB1299合金工具钢技术条件标准中，6CrW2Si属于耐冲击工具用钢，而9SiCr是量具刃具钢之一。经以上两种材料的比较，并为了提高剪切精度，此剪切机选用6CrW2Si钢作为剪刃材料。4.5 曲轴曲轴在曲柄压力机中是很重要的零部件，在此次剪切机设计中我们也用到了曲轴。它的主要作用是同过连杆来拉动剪刃作上下剪切运动。曲轴受力复杂，故制造条件要求较高。一般选用45号钢锻制而成。锻比一般取2.53。有些大型的曲轴则用合金钢锻制。如40Cr、18CrMnMo

47、B，锻比需要大于3。对于小型的国内有些制造厂用球墨铸铁QT60-2铸造。锻制的曲轴加工后需要进行调质处理，有时还要在两端切割试件进行机械性能试验，对于大型曲轴，有时在支承颈和曲柄颈中心处钻深孔，以改善淬透性，提高机械性能。外形如图4.5所示。曲轴是安装于两个支架之间，和支架连接处使用滚动轴承。曲轴支承颈需加以精车或磨光()，确保曲轴能自由旋转。大轴为一个阶梯轴，最大直径为mm,长度为1340mm，二级轴直径为mm,两端留有直径为mm，长度为19mm，用来安装轴承。小轴的直径为mm,长度为1290mm。在中部开一小孔，用螺栓连接连杆。顶部通过使用连接器直接和气缸相连。 图4.5 曲轴4.6 滚动

48、轴承轴承是支承轴颈的部件，根据轴承工作的的摩擦性质，可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两类。在滚动轴承工业还不发达的时候，滚动轴承的精度尚不能满足精度要求，因此一般都采用滑动轴承。随着滚动轴承工业的发展，现在已有能提供高精度、高刚度的滚动轴承。滚动轴承比滑动轴承，优点是：滚动轴承可以在无间隙，甚至在预加载荷条件下工作，有利于提高刚度；滚动轴承的摩擦系数小；滚动轴承的润滑比滑动轴承容易，可以用润滑脂，如果用油，则做需的流量也比滑动轴承小。因此选择滚动轴衬，由于它是标准件，所以直接选择相应的型号。4.7气缸气动技术是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。由于

49、它具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和生产线上。由于该设计的剪切机用于工业生产中，自身的体积比较大，所选取的气缸要能提供足够的动力来满足剪切所需的力。设计中选择了CS1单出杆活塞气缸，参数如下：缸径（mm） 250使用流体 空气动作方式 双作用耐压试验压力 最高使用压力 最低使用压力 环境和流体温度 活塞速度 缓冲 气缓冲 给油 不需要 图 4.6 气缸运动示意图气缸的行程选为300mm，如图4.6为气缸运动示意图，单出杆气缸要能摆动，这就得必须在气缸底部连接一个单耳环，来实现转动功能。4.8 其它零件在剪切机零件装配中，还有轴承端盖、轴承挡圈、垫片、

50、螺栓、螺钉、圆柱销、工作台、连接器等其他零部件在装配图中都有表示，详见装配图。第五章 剪切机部分控制系统设计剪切机的控制系统部分采用可编程控制器PLC控制系统。可编程控制器是20世纪60年代末在美国首先出现的，目的是用来取代继电器，以行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器做了如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其

51、相关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显特点：1）可靠性高，抗干扰能力强；2）编程直观、简单；3）适应性好；4）功能完善，接口功能强。可编程控制器对用户来说，是一种无接触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。图5.1 气动系统回路设计图由于本人毕业设计的主要任务是剪切机剪切模块的结构部分，因此以下仅对部分控制系统进行分析。对于气动系统设计主要就是回路设计。在此次剪切机课题设计任务中，气动和液压系统的回路设计极其相类似，仅仅只是气动系统和液压系统所用的介

52、质一个是气体另一个为液压油的区别。以气动回路系统为例，图5.1为气动回路原理图。气动系统回路其工作原理流程是利用一个双电控三位四通电磁换向阀，通过电磁得失电情况改变整个气动系统，使气缸两个腔室冲气或者排气，来驱动活塞杆的伸长和缩短，从而使得上刀架上升和下降；并且该三位四通电磁换向阀具有中位机能。第六章 总结此次毕业论文的课题是自动剪切设备的设计，从总体上来讲，是一次机电一体化设计，分为机械系统设计和控制系统设计两大部分。在机械系统部分设计中对支架、上刀架、下刀架、气缸、压板装置、剪刃、曲轴等几等剪切机的几大部分分别进行了细致的设计；控制系统部分主要采用可编程控制器PLC控制系统，由于此次设计重

53、点部分在于剪切机的结构设计，所以只是大概介绍了一下PLC控制。在设计中遇到不少的困难，虽然在毕业设计正式进行前，老师带我们参观了一企业的自动剪切设备，由于当时对毕业设计不太了解，因此没有真正地去收集资料，只是在参观时拍了几张照片，所以在后来的设计中造成了不小的困难。通过指导老师的帮助，以及大量的实物资料的补充，使自身不断得到了锻炼，同时也克服了一个又一个困难。通过本次毕业设计，对自身四年来所学到的机械方面知识做了一个比较充分地综合运用。设计即将画上一个句号。虽然自己设计的思路有不成熟的地方，有些地方甚至有可能出现些小的错误；但是这次设计使自身的机械专业素养得到了新的修业，有了明显的提高。设计的结束意味着自己从事机械事业的开始，前面的路对于我来说很长。参考文献1 杜君文机械制造技术装备及设计M天津：天津大学出版社，19982 雷天觉液压工程手册M北京：机械上业出版社，19903 钱学义高速剪切的新进展J锻压机械，1977(4)：8S-884 胡国清机电控制工程理论与应用基础M机械工业出版社，19975 梁景凯. 机电一体化技术与系统M 北京：机械工业出版社，199676 殷洪义可编程序控制器选择、设计与维护M北京：机械工业出版社，20027 缪尔康，向风红自动化技术改造传统产业J昆明工学院学报，l995(6)：41428 熊幸明PLC控制系统的可靠 95tJ自动化