CN103949713A - 一种碱土金属切片方法及其专用切片机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碱土金属切片方法及其专用切片机,其切片步骤为:A、将物料置于载料平台上的切片处;B、调节喂料进给装置,使物料的剪切进给量等于切片的厚度;C、开启驱动控制系统,驱动上刀以P的作用力向下做剪切运动,D、当上刀施加的力P达到最大值的同时,下刀以上刀等大的力向上运动,即完成一次切片;E、通过喂料进给装置向前推进物料的剪切进给量;F、重复A-E,即完成全部切片。该切片方法可在没有压料装置固定物料的情况下,完成物料的全部切片,并保证物料在剪切过程中受力平衡,不发生翻转,无尾料浪费。本发明还提供了与上述方法配套的专用切片机,其结构简单,体积小,重量轻,便于安装在密闭的手套箱内工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种碱土金属的切割设备及方法,具体地说涉及一种碱土金属切片方法及其实施该方法的专用切片机。
背景技术
碱土金属为银白色(铍为灰色)活泼金属固体,在空气中容易与水、氧气、氮气、氢发生反应而变质。由于碱土金属是活泼金属,其硬度在1~2之间,密度比较小的一般质地较软,所以国内外的生产厂商,为了减少产品的氧化,一般将结晶状小块的碱土金属,加压成型至直径Φ12~Φ18cm,厚度3~6cm或厚度15cm圆饼状整块的金属块,以减小产品的比表面积;然后通过严格的密封软包装,密封在充入惰性气体的金属罐中。当用户使用时,首先要把圆饼状整块的碱土金属,在惰性气体保护下,进行切片、称重,然后与其它材料混合使用,这就需要一种在惰性气体保护下进行精准切割的小型切片机。
目前,人们采用切片机对物料进行切片的方法较多,如CN100540195C公开了一种金属切片机,包括:滑动机构、驱动系统、刀体组件、压料机构和送料机构;滑动机构设置在机架上,刀体组件固定在滑动机构的可动部分上;驱动系统的动力输出端耦合到刀体组件上,驱动其相对滑动机构的固定部分往复直线运动;压料机构在刀体组件进行切削的过程中压紧待加工基材;送料机构在压料机构释放待加工基材的松料阶段,使基材以设定步距进给。该设备具有剪切精度高,设备维护方便,切割效率高等优势,但是该设备的结构零部件较多、体积庞大、需要压料机构压紧物料才能进行切割。再如CN202123284U公开了一种改进型钣金横剪机,包括压下液压缸,液压压紧机构,连接在压下液压缸的滑动机架,设置在滑动机架上的上刀,下刀架及安装在下刀架上的下刀,下刀的上端低于所述下刀架上表面;该液压压紧机构包括固定横梁,固定横梁上安装有压紧液压缸,固定横梁上压紧液压缸的两侧设置有导杆,压紧液压缸及两侧导杆的下部设置有压块,压块的下平面低于上刀的下端。该设备对刀片设置进行了改进,从而延长了其使用寿命,但在剪片时同样需要专门的压紧装置对物料进行压紧固定,其结构庞大复杂、剪切工序繁琐。可见,如果将现有切片机用于碱土金属块切片会存在如下缺陷:1、结构复杂、体积庞大,无法安装在充有惰性气体的密封手套箱内进行切片,2、切片时一般需要压料装置对物料进行压紧,但压料装置与刀刃之间存在一定距离,尽管这段距离减缩到最小,碱土金属块仍然有一小部分样料无法切片,造成尾料浪费;3、如果取消设置压料装置,那么刀刃对物料的压力会形成一个力矩,物料受剪切力的作用容易翻转或移动。因此,研发一种能够合理切割碱土金属的方法及设备是行业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种碱土金属的切片方法,以解决最后部分物料无法切片,造成尾料浪费的问题。
本发明的目的之二就是提供碱土金属专用切片机,已解决目前切片机结构复杂,体积庞大,无法安装于密闭箱内使用,不能满足圆饼状碱土金属的切片需求。
本发明的目的是这样实现的:一种碱土金属的切片方法,包括以下步骤:
A、将碱土金属块置于载料平台上,通过定位装置调整所述碱土金属块位于载料平台的物料切片处;
B、调节喂料进给装置,使碱土金属块的剪切进给量等于切片的厚度;
C、开启驱动控制系统,驱动上刀下移做剪切运动,所述驱动控制系统给所述上刀施加向下的力为P,所述P随上刀相对切入碱土金属块的深度分为两个阶段:压入阶段压力PPr1和剪切变形阶段压力Psh1,即:
所述式中的FPr1和Fsh1分别为:
FPr1=k(2.57-γ)εS/tgγ
Fsh1=(secγ-ε-mtgγ+2n)(1+tg2α)kS/(1-λtgγ(μ+tgα))
所述FPr1和Fsh1中λ和S分别为:
λ=(f+γ)/(2.57-γ)
S=bh
其中公式中所述ε为相对切入深度,ε∈[0,1],ε0为由压入变形进入剪切变形的临界相对切入深度;所述θ为上刀的刃倾角,所述μ为摩擦系数,λ为碱土金属块宽高方向变形抗力的比值,f取值由μ决定,k与碱土金属剪切强度及相对切入深度有关,γ为碱土金属块转角,S为被切碱土金属块原始断面积,h为碱土金属块最大厚度,b为碱土金属块最大宽度,n为相对刀钝半径,α为断面倾斜角,m为上、下刀侧向相对间隙;
D、当所述上刀施加的力P达到最大值的同时,通过所述驱动控制系统驱动下刀向上运动,所述下刀向上的作用力P′=-P,即完成一次切片;
E、通过所述喂料进给装置将碱土金属块向前推进一个切片厚度的剪切进给量;
F、重复步骤A-E,即可完成碱土金属块的全部切片。
本发明中所述上刀的刃倾角θ为10-40°,更优选18-28°。该刃倾角如果设计太大则所需上刀的压力增大,整个液压驱动系统动力能耗较大;如果太小,则上刀在切片时受力较大,寿命易于缩短,所以只有选择合适的角度,才能保证切片细腻,液压驱动系统省力而刀片耐用。
本发明中所述上刀和下刀的制作材料为陶瓷,可减少对碱土金属的污染,避免碱土金属与切片刀具发生化学反应而变质。
本发明提供的碱土金属的切片方法充分利用了力平衡原理,其上刀作为主剪切,下刀既是支点,又起到平衡上刀对物料施加力矩的作用,通过驱动控制系统调控上刀和下刀的剪切力大小及剪切顺序,使下刀在物料受到上刀最大压力的同时,下刀以等大反向的力做相对运动,由于下刀向上的作用力时间短、位移量小,可将碱土金属块的支点微微抬高,从而起到平衡上刀对碱土金属块施加的力矩的作用,使得碱土金属块在整个切片过程中,即使没有压料装置固定的情况下,也能保持其受力平衡、不发生翻转,这不仅避免了以往使用压料装置出现物料切割不完全,造成尾料浪费,而且使切片机减少了零部件,其体积变小、重量减轻,便于安装在密闭容器箱内。
本发明同时提供了配套于碱土金属切片方法的专用切片机,包括:
载料平台,
设置于所述载料平台上的喂料进给装置,
调整碱土金属初始位置的定位装置,
用于切割所述碱土金属的上刀和下刀,以及
驱动所述上刀和所述下刀做相对运动的驱动控制系统;
所述上刀和下刀相向设置,并位于所述载料平台的前沿,所述上刀位于所述碱土金属块的上方,其刃倾角为10-40°;所述下刀的刀口为无刃的条形平面,所述下刀刀口贴近所述载料平台的前沿,其刀口平面与所述载料平台的顶面相平齐。
所述上刀的刃倾角优选为18-28°。
所述定位装置包括定位挡板以及用于调节所述定位挡板位置的丝杠,所述定位挡板包括相向竖直设置于所述载料平台上的左定位挡板和右定位挡板,所述喂料进给装置设置于所述左定位挡板和所述右定位挡板的一端。
所述驱动控制系统包括油泵、由油泵驱动的第一液压缸和第二液压缸、驱动连杆以及控制所述上刀和所述下刀运动的压力控制单元,所述第一液压缸和所述第二液压缸通过所述驱动连杆分别与所述上刀和所述下刀连接。
所述喂料进给装置为手动推板、丝杠旋进推板或液压驱动推板。
本发明设计的碱土金属专用切片机,其上刀和下刀可做相对运动,下刀既是支点,又起到平衡上刀对碱土金属块施加的力矩的作用,通过液压驱动控制系统对上、下刀的驱动控制,从而使得本发明即使没有压料装置压紧物料也能实现平稳切片,其结构简单,占用空间小,重量轻、成本低,效率高、非常有利于安装在充有惰性气体的手套箱内使用。
本发明是通过以下步骤实现的:
定义上刀向下运动的作用力为P,在切片过程中,P主要分解为:向下运动的压力F2、作用于上刀侧面剪切力F1,其F1正交分解为Fn和Ft,上刀面侧面推力为T,上刀的刃倾角θ,刃倾角系数刀刃静摩擦角为φ,下刀向上的作用力为P′。
上刀切片过程由压入变形和剪切变形两个阶段组成。其中压入变形阶段,碱土金属块受力主要产生弹性变形,当力增加到一定数值后,金属块受力点沿整个断面产生滑移,剪切过程开始。根据切入深度不同及刃倾角系数的影响,其上刀的压力P由压入阶段压力PPr1和剪切变形阶段压力Psh1两部分组成,即:
式中:ε为相对切入深度,ε∈[0,1],ε0为由压入变形进入剪切变形的临界相对切入深度;
Fpr1=k(2.57-γ)εS/tgγ,式中:μ为摩擦系数,λ=(f+γ)/(2.57-γ)为金属块宽高方向变形抗力的比值,f取值由μ决定,k与材料剪切强度及相对切入深度有关,γ为金属块转角,ε为相对切入深度(ε∈[0,ε0]),S=bh(金属圆饼料厚度为h、最大宽度为b)为被切金属块原始断面积。
Fsh1=(secγ-ε-mtgγ+2n)(1+tg2α)kS/(1-λtgγ(μ+tgα)),式中:n为相对刀钝半径,α为断面倾斜角,ε∈[ε0,1],m为上、下刀侧向相对间隙,其余各参数物理意义同上。
本发明中上刀的刃倾角θ为10-40°,在材料确定后,根据连家创“平行刃剪切机剪切力的计算及实验研究”一文提出的算法,得到在相对切入深度为ε0时所对应的P的最大值,此时,所述下刀以P′=-P的作用力向上运动,从而实现了无压料装置也平稳剪切碱土金属的目的。
但在确保完成切片的前提下,①使液压缸施加的压力P与P′尽量的小,这可以使受力零件截面小,有利于减小切片机的结构尺寸,便于安装在手套箱内进行密闭剪切;②上刀片的刃倾角θ也决定了压力F1的大小,F1对切片的平直度与表面粗糙度关系紧密,F1过大,切片就容易弯曲且表面粗糙,所以F1要合理;③为了确保上刀片自身的强度及寿命,刃倾角θ不能过小。所以,为了使得整个剪切系统最省力,则需要进一步优化上刀刃倾角,以确定出当剪切压力P最小时所对应的上刀的最佳刃倾角θ。
本发明确定上刀最佳刃倾角θ的主要依据为:上刀作匀速运动,由受力平衡知,刀刃在x,y方向合外力为零,即:
Σx=0:F1cos(φ+θ)-T=0 公式3
Σy=0:P1-F1sin(φ+θ)-F2=0 公式4
其中,F2=μT,T为刀刃侧面推力,φ为刀刃静摩擦角,则公式4可写为:
Σy=0:P-F1sin(φ+θ)-μF1cos(φ+θ)=0 公式5
整理得:
P=(sin(φ+θ)+μcos(φ+θ))F1,
又
则
推导整理得
θ=arcsin(P1(Fn(1+μ2))-1)-2φ。
由此可得P(θ),Fn(θ);由于定义上刀倾角系数Y=dP(θ)/dθ,上刀刃倾角经验取值10-40°,当被切片的碱土金属材料确定后,其他表征材料特性的参数:与材料剪切强度相关系数k,金属块变形抗力比值λ,剪刃与金属块摩擦系数μ,静摩擦角φ均可确定,以F1为中间量,将金属材料、刀刃倾角θ和上刀剪切力P联系起来,根据连家创“平行刃剪切机剪切力的计算及实验研究”一文提出的算法,即可计算刀刃倾角系数Y,结合公式1和公式2,即可得到上刀剪切力与刃倾角和相对切入深度的关系;从而确定出当剪切压力P最小时所对应的上刀的刃倾角θ为上刀的最佳刃倾角。
由于本发明中碱土金属切片机上刀的压力P随切入深度ε和金属块转角γ变化而变化,是一个先逐渐增加后又逐渐减小的过程。所以当确定了最佳刃倾角θ后,即得出上刀的剪切力达到最大时所对应的相对切入深度为ε0。
当上刀剪切力达到最大时,下刀开始向上运动,由力矩平衡方程有:
P(c+L)=P′L 公式6
其中,c为上、下刀侧向间隙,可忽略,L为金属块剩余部分的长度。
在切片时,驱动控制系统以P的力驱动上刀,当剪切到ε0位置,即上刀的剪切力达到最大时,下刀以P′=-P与上刀做相对运动,由角动量定理可知,下刀产生力矩略大于或等于上刀产生力矩,故可平衡上刀力矩产生的金属块偏转。由此,实现了发明目的。
本发明所提供的切片机进行切片时,安装在手套箱内,箱体中充有氩气或其它惰性气体,切片过程不能渗入水、油和空气等杂质。
附图说明
图1是切片机的结构示意图。
图2为上刀切片受力示意图。
图3为切片机俯视图。
图4为切片机驱动控制系统示意图。
图5为实施例中上刀剪切力与刃倾角和相对切入深度的关系图。
图6为实施例中上刀最佳刃倾角为22°时,剪切力和相对切入深度的关系图。
图中:1、上刀,2、碱土金属块,3、下刀,4、丝杠,5、载料平台,6、定位挡板,7、喂料进给装置,8、第一液压缸,9、第二液压缸,10、油泵,11、压力控制单元。
具体实施方式
下面实施例用于进一步详细说明本发明,但不以任何形式限制本发明。
如图1、图3所示,本发明提供的碱土金属专用切片机安装在密闭的手套箱内,其结构包括载料平台5、设置于载料平台5上的喂料进给装置7和调整碱土金属块2位置的定位装置、做相对运动的上刀1和下刀3、刀架以及驱动上刀1和下刀3运动的驱动控制系统;其上刀1和下刀3相向设置,并位于载料平台5的前沿,上刀1位于碱土金属块2的上方,其刃倾角为10-40°,更优选为18-28°;下刀3的刀口为无刃的条形平面,下刀2的刀口贴近载料平台5的前沿,且刀口平面与载料平台5的顶面相平齐。
其中定位装置包括定位挡板6以及用于调节定位挡板6的丝杠4,定位挡板6包括左定位挡板和右定位挡板,左定位挡板和右定位挡板相向竖直设置于载料平台5上,喂料进给装置7垂直设置于定位挡板6的一侧。其喂料进给装置7可以为手动推板、丝杠旋进推板或液压驱动推板。
如图4所示,其驱动控制系统包括油泵10、由油泵10驱动的第一液压缸8和第二液压缸9、驱动连杆以及压力控制单元11,第一液压缸8通过驱动连杆与上刀1的刀架连接,第二液压缸9通过驱动连杆与下刀3的刀架连接。
本发明以碱土金属锶切片为例,但不以任何形式限制本发明对其他碱土金属进行切片。
锶是一种银白色有光泽的碱土金属,密度为2.63g/cm3,莫氏硬度为1.8,抗拉强度为98MPa,加热到熔点(769℃)时即燃烧,呈红色火焰,生成氧化锶(SrO),在加压条件下跟氧气化合生成过氧化锶(SrO2);跟卤素、硫、硒等容易化合;加热时跟氮化合生成氮化锶(Sr3N2);加热时跟氢化合生成氢化锶(SrH2);跟盐酸、稀硫酸剧烈反应放出氢气;常温下跟水反应生成氢氧化锶和氢气;锶在空气中会转黄色。
如图2所示,定义上刀向下运动的作用力为P,在切片过程中,P主要分解为:向下运动的压力F2、作用于上刀侧面剪切力F1,其F1正交分解为Fn和Ft,刀面侧面推力T,上刀的刃倾角θ,刃倾角系数刀刃静摩擦角φ,下刀向上的作用力为P′。
上刀切片过程由压入变形和剪切变形两个阶段组成。其中压入变形阶段,碱土金属块受力主要产生弹性变形,当力增加到一定数值后,金属块受力点沿整个断面产生滑移,剪切过程开始。根据切入深度不同及刃倾角系数的影响,其上刀的压力P由压入阶段压力PPr1和剪切变形阶段压力Psh1两部分组成,即:
式中:ε为相对切入深度,ε∈[0,1],ε0为由压入变形进入剪切变形的临界相对切入深度;
Fpr1=k(2.57-γ)εS/tgγ,μ为摩擦系数,λ=(f+γ)/(2.57-γ)为金属块宽高方向变形抗力的比值,f取值由μ决定,k与材料剪切强度及相对切入深度有关,γ为金属块转角,ε为相对切入深度(ε∈[0,ε0]),S=bh(金属圆饼料厚度为h、最大宽度为b)为被切金属块原始断面积。
Fsh1=(secγ-ε-mtgγ+2n)(1+tg2α)kS/(1-λtgγ(μ+tgα)),n为相对刀钝半径,α为断面倾斜角,ε∈[ε0,1],其余各参数物理意义同上。
上刀作匀速运动,由受力平衡知,刀刃在x,y方向合外力为零
Σx=0:F1cos(φ+θ)-T=0 公式3
Σy=0:P1-F1sin(φ+θ)-F2=0 公式4
其中,F2=μT,T为刀刃侧面推力,φ为刀刃静摩擦角,则(4)式可写为:
Σy=0:P-F1sin(φ+θ)-μF1cos(φ+θ)=0; 公式5
整理得:
P=(sin(φ+θ)+μcos(φ+θ))F1,
又
则
推导整理得
θ=arcsin(P(Fn(1+μ2))-1)-2φ。
由此可得P(θ),Fn(θ);由于定义刀片倾角系数Y=dP(θ)/dθ,上刀片刃倾角经的验取值为10-40°,其碱土金属锶的圆饼料厚度为h=150mm,最大宽度为b=150mm,k∈[0,0.6],本发明中上下剪刀使用陶瓷材料,对金属锶的摩擦系数μ=0.6,f=1.286,刀片侧向相对间隙m=0.05,相对刀钝半径n=0.02,一般临界转角γ=17°~23°,本发明中取γ=20°,查得[σb]=98。
由公知技术所知,对于一般塑性材料,材料的许用剪应力与许用拉应力关系为[τ]=0.6~0.8[σb]=(0.6~0.8)×98。
以F1为中间量,将金属材料、刀刃倾角θ和上刀剪切力P联系起来,根据连家创“平行刃剪切机剪切力的计算及实验研究”一文提出的算法,将上述公式采用软件Matlab R2012b进行编程,得由压入进入剪切时相对切入深度为ε=0.1366;故在ε∈[0,0.1366]范围内,根据公式计算压入阶段压力FPr1,在ε∈[0.1366,1]范围内,根据公式确定剪切阶段压力Fsh1,再根据经验估计,在θ=10°~40°范围内取值,计算刀刃倾角系数Y,根据公式1和公式2,即可得到相对切入深度、压力P以及刃倾角的关系分布图,结果如图5所示。
为了直观反映刀刃倾角度与最大压力的关系,将图5中的一些参数列表1。
表1刀刃倾角度与最大压力的关系表
由图5可知,在相同条件下,当刃倾角为θ=18°~28°时,刀刃压力较小;根据表1可看到,当θ=21°~23°时压力达到最小,因此,我们取θ=22°为碱土金属锶切片机上刀的最佳刃倾角。当θ=22°时,根据公式1和公式2计算得刃倾角θ切入过程中,当相对切入深度为55%时,压力达到最大为5.98×104N,如图6所示。
因此,可以设定压力控制单元11在5.98×104N时驱动第二液压缸也产生压力,推动下刀向上施加作用力为5.98×104N向上顶碱土金属块2,使碱土金属块2的所受的合力矩约为零,以确保了切片过程中的平稳,同时,也能确保整个切片系统最省力,使用寿命最长。
本发明的碱土金属切片机安放在手套箱中工作,箱体中充有氩气。
Claims (9)
1.一种碱土金属的切片方法,其特征是,包括以下步骤:
A、将碱土金属块置于载料平台上,通过定位装置调整所述碱土金属块位于载料平台的物料切片处;
B、调节喂料进给装置,使碱土金属块的剪切进给量等于切片的厚度;
C、开启驱动控制系统,驱动上刀下移做剪切运动,所述驱动控制系统给所述上刀施加向下的力为P,所述P随上刀相对切入碱土金属块的深度分为两个阶段:压入阶段压力PPr1和剪切变形阶段压力Psh1,即:
所述式中的FPr1和Fsh1分别为:
FPr1=k(2.57-γ)εS/tgγ
Fsh1=(secγ-ε-mtgγ+2n)(1+tg2α)kS/(1-λtgγ(μ+tgα))
所述FPr1和Fsh1中λ和S分别为:
λ=(f+γ)/(2.57-γ)
S=bh
其中公式中所述ε为相对切入深度,ε∈[0,1],ε0为由压入变形进入剪切变形的临界相对切入深度;所述θ为上刀的刃倾角,所述μ为摩擦系数,λ为碱土金属块宽高方向变形抗力的比值,f取值由μ决定,k与碱土金属剪切强度及相对切入深度有关,γ为碱土金属块转角,S为被切碱土金属块原始断面积,h为碱土金属块最大厚度,b为碱土金属块最大宽度,n为相对刀钝半径,α为断面倾斜角,m为上、下刀侧向相对间隙;
D、当所述上刀施加的力P达到最大值的同时,通过所述驱动控制系统驱动下刀向上运动,所述下刀向上的作用力P′=-P,即完成一次切片;
E、通过所述喂料进给装置将碱土金属块向前推进一个切片厚度的剪切进给量;
F、重复步骤A-E,即可完成碱土金属块的全部切片。
2.根据权利要求1所述的碱土金属切片方法,其特征是,所述上刀的刃倾角θ为10-40°。
3.根据权利要求2所述的碱土金属切片方法,其特征是,所述上刀的刃倾角θ为18-28°。
4.根据权利要求3所述的碱土金属切片方法,其特征是,所述上刀和下刀为陶瓷刀。
5.一种权利要求1所述的碱土金属的专用切片机,其特征是,包括:
载料平台,
设置于所述载料平台上的喂料进给装置,
调整碱土金属初始位置的定位装置,
用于切割所述碱土金属的上刀和下刀,以及
驱动所述上刀和所述下刀做相对运动的驱动控制系统;
所述上刀和下刀相向设置,并位于所述载料平台的前沿,所述上刀位于所述碱土金属块的上方,其刃倾角为10-40°;所述下刀的刀口为无刃的条形平面,所述下刀刀口贴近所述载料平台的前沿,其刀口平面与所述载料平台的顶面相平齐。
6.根据权利要求5所述碱土金属专用切片机,其特征是,所述上刀的刃倾角为18-28°。
7.根据权利要求6所述碱土金属专用切片机,其特征是,所述定位装置包括定位挡板以及用于调节所述定位挡板位置的丝杠,所述定位挡板包括相向竖直设置于所述载料平台上的左定位挡板和右定位挡板,所述喂料进给装置设置于所述左定位挡板和所述右定位挡板的一端。
8.根据权利要求7所述碱土金属专用切片机,其特征是,所述驱动控制系统包括油泵、由油泵驱动的第一液压缸和第二液压缸、驱动连杆以及控制所述上刀和所述下刀运动的压力控制单元,所述第一液压缸和所述第二液压缸通过所述驱动连杆分别与所述上刀和所述下刀连接。
9.根据权利要求8所述碱土金属专用切片机,其特征是,所述喂料进给装置为手动推板、丝杠旋进推板或液压驱动推板。
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