線材成形刀具尺寸統型研究

張樹麗 馮峰

摘 要：針對線材成形刀具尺寸缺乏標準化且鮮有學者對其進行研究的現狀，本文開展線材成形刀具尺寸統型研究。分析線材成形刀具現有的尺寸體系，基于事物特性表對線材成形刀具結構尺寸進行存儲與標準化表達。研究線材成形刀具尺寸統型依據，基于線材尺寸偏差以及刀具磨損數據，構建線材成形刀具型腔寬度、型腔角度與型腔長度的尺寸體系。該研究對于提高線材成形刀具制造加工精度、完善線材成形刀具設計理論體系有重要意義。

關鍵詞：線材成形刀具，型腔尺寸，尺寸統型

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.12.011

0 引 言

隨著線材成形行業的快速發展，線材成形刀具種類繁多、結構也愈復雜。尺寸是線材成形刀具結構附帶的重要屬性，處于上游的設計環節。作為專業化生產的前提，線材成形刀具尺寸將指導下游的制造與安裝。目前，線材成形刀具還沒有標準化的元件，缺乏統一的技術規范。各生產制造商多是執行自己的企業標準或是遵守客戶制定的個人標準，導致產品尺寸差異性較大，亟需加強線材成形刀具尺寸統型研究。統型是產品設計、制造的基礎，是實現產品高質量生產的必備條件，因此，進行標準化技術研究是發展所需[1-4]。本文開展線材成形刀具尺寸統型研究，旨在對現有的尺寸開展規范化工作，減少設計復雜度，使設計選型具有通用性和互換性，以制定科學的尺寸標準并將其貫徹到全生產過程中。同時，尺寸統型可促進市場擁有更大的供應彈性，避免線材產品生產商因成形刀具尺寸差異而對其進行的修改調整，可更加靈活地對成形刀具進行調配使用。該研究是實現線材成形刀具現代化、專業化生產的前提，也是實現線材成形刀具科學管理的基礎。

1 線材成形刀具尺寸體系現狀

目前，市場上的線材成形刀具尺寸規格比較雜亂，分析原因為線材成形刀具制造商多為中小型企業，研發能力較弱，理論基礎薄弱，且缺乏技術交流，甚至為保留住各自的“小市場”而故意不統一[5]。另外，隨著德國、日本等先進成形技術的引進，線材成形機更新換代比較快，促使線材成形刀具也在不斷改進。

線材成形刀具尺寸主要分為裝配尺寸與關鍵工作尺寸，裝配尺寸通常是指刀具整體的長度、寬度與高度，與安裝空間有關。關鍵工作尺寸是指與線材接觸并決定線材產品幾何形狀的工作型面的尺寸，如曲線規的型腔尺寸。基于事物特性表對線材成形刀具結構要素進行存儲及標準化表達[6]，根據實測數據賦予結構要素數值，可形成每個結構要素的尺寸體系，同時為構成線材成形刀具零件族提供數據支持。

現以曲線規、頂簧桿及切刀為例，基于事物特性表對其尺寸體系進行表達，其幾何結構如圖1所示。統計生產車間常用的曲線規，將不同型號的曲線規記錄于事物特性表中，根據結構參數不同將其編號為0001、0002、0003等，并將具體參數數值記錄于表1中。同時，以相同方式完成頂簧桿及切刀事物特性表的創建，具體如表2、表3所示。通過事物特性表的記錄和存儲，可對線材成形刀具各結構要素的取值范圍進行合理劃分，形成一系列設計推薦值。

2 線材成形刀具尺寸統型依據

線材成形刀具是沒有標準化的元件，初期基礎的尺寸體系沒有建立牢固，導致后續的線材成形刀具尺寸規格也較難梳理。精確的線材成形刀具尺寸是保證線材產品高質量成形的關鍵，因此如何合理設計其尺寸是困擾設計人員的難題。GB/T 2822-2005規定了0.01～20000 mm范圍內機械制造業中常用的標準尺寸（直徑、長度、高度）系列，適用于有互換性或系列化要求的主要尺寸[7]。線材成形刀具結構多樣，直接與線材接觸，使線材發生塑性彎曲變形的結構部位為型腔。通過對線材成形刀具尺寸體系的調研，得到型腔尺寸是線材成形刀具的關鍵工作尺寸。基于GB/T 2822-2005，同時借鑒ISO/TC29/SC 8開展的國際標準化工作，以型腔結構為例對尺寸標準依據進行探討。

2.1 線材直徑

型腔尺寸屬于包容尺寸。線材直徑是進行型腔尺寸設計的基本依據。加工過程中，需保證型腔寬度不小于線材直徑，否則線材無法進入型腔影響產品正常加工。型腔與線材之間的配合應以線材為基準形成間隙配合。線材材料不同，其直徑取值范圍也不同。常用的線材直徑取值范圍為0.08～12 mm，具體規格尺寸如表4所示。另外，不同材料的線材直徑允許偏差也有所差別，以琴鋼絲為例（Y B/ T5311-2010[8]），其直徑允許偏差如表5所示。

統計某彈簧廠進購的不同廠家、不同直徑的琴鋼絲材料，分別抽檢4 0個樣本進行實際直徑測量，以檢測其尺寸是否在允許偏差范圍內。韓國KISWIRE公司生產的直徑為0.8 mm、1.7 mm的線材實測尺寸以及日本NIPPON STEEL公司生產的直徑為0.8 mm的線材實測尺寸如表6、表7、表8所示。對抽檢數據進行分析，得到直徑實際數據皆分布在公差帶內，且集中于基本尺寸線與最小極限尺寸線之間，無超差數據出現，如圖2所示。因此，基于線材直徑設計型腔尺寸通常可滿足產品加工要求。

2.2 型腔磨損量

線材成形刀具型腔與線材直接接觸發生摩擦磨損，其型腔寬度會逐漸增大，導致成形的線材產品尺寸發生偏差[9]。另外，磨損嚴重的型腔還會劃傷線材產品表面，降低產品成形合格率。在保證線材產品質量的前提下，基于線材直徑與磨損量對線材成形刀具型腔尺寸進行統型，以得到合理的型腔尺寸系列。

在實際生產中，型腔長度對磨損量無影響。磨損量隨型腔角度、型腔寬度的減小而增大。型腔角度的選定與所成形的線材產品直徑有關，除非根據線材產品預先定制成形刀具，否則由型腔角度變化引起的磨損量無法直接映射到上游的型腔尺寸設計環節中。型腔寬度由線材直徑決定，型腔寬度小，接觸位置處的線材受到的約束應力大，則產生的磨損量大。增大型腔寬度，磨損減弱，但由于線材受到的型腔約束力變小，成形的線材產品形狀易發生歪斜。

3 線材成形刀具尺寸統型探討

3.1 型腔寬度統型

型腔與線材間的配合為間隙配合，因此型腔寬度的公差帶要在線材直徑公差帶的上方。最小間隙為型腔寬度的最小極限尺寸減去線材直徑的最大極限尺寸之差值，最大間隙為型腔寬度的最大極限尺寸減去線材直徑的最小極限尺寸之差值。型腔與線材間無需潤滑，僅存在一定的相對運動，無自由轉動，其間隙值應按照線材直徑允許偏差合理設定。

以直徑為0.8 mm的琴鋼絲線材為例，其允許偏差為0.014 mm，則最大極限尺寸為0.814 mm，最小極限尺寸為0.786 mm。間隙配合的最小間隙為零，因此，型腔寬度的最小極限尺寸為0.814 mm。另外，根據加工生產經驗，為減小型腔磨損，型腔的最大極限尺寸通常要比線材直徑的最大極限尺寸大0.0 5 m m，即型腔寬度的最大極限尺寸為0.864 mm、最大間隙為0.078 mm，具體見表9。由此，根據線材不同材料、不同直徑[10 -12]，并結合型腔與線材間的配合關系，可得到相對應的型腔尺寸系列，如表10所示。

3.2 型腔角度統型

在線材成形刀具進給量不變的情況下，型腔角度越大，成形的線材產品直徑越大。經調研統計，常用的刀具型腔角度包括5°、10°、15°、20°、25°等多個常用規格。型腔角度與線材成形刀具進給量互相配合，可用于加工不同直徑尺寸的線材產品，如表11所示。線材產品生產要求尺寸一般通過調整型腔角度或進給量獲得，其中，調整進給量是最簡單易行、常用的方法。然而當線材產品的材料、形狀等要求特殊時，需與廠家進行特殊定制型腔角度。比如，某彈簧廠定制的線材成形刀具型腔角度為21°。

根據實際情況，型腔角度無法統一到某一個尺寸，但可以確定幾組優選尺寸，進而形成尺寸系列化，即把多個規格的尺寸合理化壓縮為少量有規律性的尺寸系列。通過對現行的ISO標準及GB標準進行分析，得到尺寸體系一般采用優先數系進行規制，如R5系數、R10系數及R20系數等。但線材成形刀具尺寸從設計初期就缺乏合理的標準化，現有的尺寸數據并不滿足國際上統一的數值分級制度。在沒有可遵守的選用數據準則的前提下，現在常以5°為間隔的型腔角度設計方法，形成型腔角度5°、10°、15°、20°、25°尺寸系列。同時，統計廠家所需的特殊型腔角度，將其作為派生尺寸補充型腔角度尺寸體系，具體如表12所示，其中，黑色字體為優先選用的第一系列。

3.3 型腔長度統型

線材成形刀具型腔長度有23 mm、24 mm、25mm及26 mm 等多個規格。該尺寸與型腔磨損量無關，且對線材產品成形尺寸、線材成形刀具安裝沒有影響，所以可將其統型為一種尺寸規格（如2 5mm）。該統型方法是基于通用化統型原理把多個規格的尺寸合理化壓縮為一個尺寸，實現將一個尺寸通用到多個產品中。型腔長度通用化統型是通過統一規格治理尺寸體系的雜亂無章，可最大限度地擴大同一尺寸的使用范圍，減少在設計和制造過程中的重復勞動。

4 結 論

統型是促進產業良好發展的有利因素，是實現現代化生產的重要方式。本文通過分析線材成形刀具尺寸體系現狀，基于統型原理，得出以下結論：

（1）以線材成形刀具型腔結構為例，對其尺寸統型依據進行分析，得到基于線材尺寸偏差與刀具磨損數據對型腔尺寸進行統型，可得到合理的型腔尺寸系列。

（2）以直徑為0.8 mm的琴鋼絲線材為例，結合型腔與線材間的配合關系，得到了其型腔寬度尺寸系列，同時構建了不同材料、不同直徑的線材所對應的型腔寬度尺寸體系。

（3）通過對型腔角度現有的規格尺寸進行分析，以為間隔的型腔角度設計方法，將其優選尺寸形成尺寸系列化，形成型腔角度5°、10°、15°、20°、25°的尺寸系列。

（4）通過對型腔長度現有的規格尺寸進行分析，基于通用化統型原理將其統型為一種尺寸規格（如25 mm），實現型腔長度“多成一”的歸并與簡化。

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作者簡介

張樹麗，博士，工程師，研究方向為工業零部件標準化。

馮峰，通信作者，本科，高級工程師，研究方向為工業零部件標準化。

（責任編輯：張瑞洋）