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A058 高精度 数控 旋切机 控制系统 设计

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毕业设计（论文）中期检查表学生姓名杜显峰班级机教042指导教师陈锡渠论文题目钢管旋切机设计控制部分设计目前已完成任务(1)制定毕业设计方案；(2)查找相关文献；(3)完成毕业论文开题报告；(4)翻译外文资料；(5)学习AutoCAD、Pro/E3.0相关软件和PLC编程；(6)毕业设计单元部分设计。是否符合任务书要求进度：是尚需完成的任务1继续对论文材料进行组织和整理；2争取到规定的时间完成论文初稿；3根据指导老师的指导意见和全部材料完成论文；4按照论文进度要求，有步骤有计划的开展论文工作，存在问题及时与老师沟通；5对已完成的论文内容进行检查审核，发现问题及时修改；能否按期完成论文（设计）：能存在问题和解决办法存在问题所查找的资料不足，对论文主题的研究不够透彻，对理论知识的掌握还不够全面，尤其是Pro/E和PLC编程软件的使用；与指导老师的交流不够深刻。拟采取的办法继续查找资料，加强对相关理论知识的理解和掌握，加强对编程软件的熟练操作和运用，及时与指导教师沟通。指导教师签 字日期年 月 日教学院长（主任）意 见 负责人签字： 年 月 日外文译文 院 （系）： 机电学院 专 业： 机电技术教育 姓 名： 杜 显 峰 学 号： 20040315033 指导老师： 陈 锡 渠 New tools maximize new machine designsThe primary tooling concerns when machining aluminum are: minimizing the tendency of aluminum to stick to the tool cutting edges; ensuring there is good chip evacuation form the cutting edge; and ensuring the core strength of the tools is sufficient to withstand the cutting forces without breaking.Technological developments such as the Makino MAG-Series machines have made tooling vendors rethink the any state-of-the-art machine technology. It is vital to apply the right tooling and programming concepts.Materials coatings and geometry are the three elements in tool design that interrelate to minimize these concerns. If these three elements do not work together, successful high-speed milling is not possible. It is imperative to understand all three of these elements in order to be successful in the high-speed machining of aluminum.Minimize Built-Up EdgeWhen machining aluminum, one of the major failure modes of cutting tools the material being machined adheres to the tool cutting edge. This condition rapidly degrades the cutting ability of the tool. The built-up edge that is generated by the adhering aluminum dulls the tool so it can no longer cut through the material. Tool material selection and tool coating selection are the two primary techniques used by tool designers to reduce occurrence of the built-up edge.The sub-micron grain carbide material requires a high cobalt concentration to achieve the fine grain structure and the materials strength properties. Cobalt reacts with aluminum at elevated temperatures, which causes the aluminum to chemically bond to the exposed cobalt of the tool material. Once the aluminum starts to adhere to the tool, it quickly forms a built-up edge on the tool rendering it ineffective.The secret is to find the right balance of cobalt to provide adequate material strength, while minimizing the exposed cobalt in the tools for aluminum adherence during the cutting process. This balance is achieved using coarse-grained carbide that provides a tool of sufficient hardness so as to not dull quickly when machining aluminum while minimizing adherence.Tool coatingsThe second tool design element that must be considered when trying to minimize the built-up edge is the tool coating. Tool coating choices include TiN, TiAIN, AITiN, chrome nitrides, zirconium nitrides, diamond, and diamond-like coatings(DLC). With so many choices, aerospace milling shops need to know which one works best in an aluminum high-speed machining application.The Physical Vapor Deposition (PVD) coating application process on TiN, TiCN, TiAIN, and AITiN tools makes them unsuitable for an aluminum application. The PVD coating process creates two modes for aluminum to bond to the toolsthe surface roughness and the chemical reactivity between the aluminum and the tool coating.The PVD process results in surface that is rougher that the substrate material to which it is applied. The surface”peaks and valleys” created by this process causes aluminum to rapidly collect in the valleys on the tool. In addition, the PVD coating is chemically reactive to the aluminum due to its metallic crystal and ionic crystal features. A TiAIN coating actually contains aluminum, which easily bonds with a cutting surface of the same material. The surface roughness and chemical reactivity attributes will cause the tool and work piece to stick together, thus creating the built-up edge. In testing performed by OSG Tap and Die, it was discovered that when machining aluminum at very high speeds, the performance of an uncoated coarse-grained carbide tool was superior to that of one coated with TiN, Ticn, TiAIN, or ALTiN. This testing does not mean that all tool coatings will reduce the tool performance. The diamond and DLC coatings result in a very smooth chemically inert surface. These coatings have been found to significantly improve tool life when cutting aluminum materials.The diamond coatings were found to be the best performing coatings, but there is a considerable cost related to this type of coating. The DLC coatings provide the best cost for performance value, adding about 20%-25%to the total tool cost. But, this coating extends the tool life significantly as compared to an uncoated coarse-grained carbide tool.GeometryThe rule of thumb for high-speed aluminum machining tooling designs is to maximize space for chip evacuation. This is because aluminum is a very soft material, and the federate is usually increased which creates more and bigger chips.The Makino MAG-Series aerospace milling machines, such as the MAG4, require an additional consideration for tool geometry-tool strength. The MAG-Series machines with their powerful 80-hp spindles will snap the tools if they are not designed with sufficient core strength.In general, sharp cutting edges should always be used to avoid aluminum elongation. A sharp cutting edge will create high shearing and also high surface clearance, creating a better surface finish and finish and minimizing chatter or surface vibration. The issue is that it is possible to achieve a sharper cutting edge with the fine-grained carbide material than the coarse grained material. But due to aluminum adherence to the fine-grained material, it is not possible to maintain that edge for very long.Coarse compromiseThe coarse grained material appears to be the best compromise. It is a strong material that can have a reasonable cutting edge. Test results show it is able to achieve a very long tool life with good surface finish. The maintenance of the cutting edge is improved using an oil mist coolant through the tool. Misting gradually cools down the tools, eliminating thermal shock problems.The helix angle is an additional tool geometry consideration. Traditionally when machining aluminum a fool with a high helix angle has been used. A high helix angle lifts the chip away from the part more quickly, but increases the friction and heat generated as result of the cutting action. A high helix angle is typically used on a tool with a higher number of flutes to quickly evacuate the chip from the part. When machining aluminum at very high speeds the heat created by the increased friction may cause the chips to weld to the tool. In addition, a cutting surface with a high helix angle will chip more rapidly that a tool with a low helix angle. A tool design that utilizes only two flutes enables both a low helix angle and sufficient chip evacuation area. This is the approach that has proven to be the most successful in extensive testing performed by OSG when developing the new tooling line, the MAX AL.翻译新工具使新机器设计最优当加工铝时，我们主要关心的是：铝粘住加工切削边缘的倾向；保证有好的碎片排屑形成切削边缘；和保证工具有足够的中心强度来承受切削力而不被破坏。技术发展，比如：Makino MAG系列，已经使工具商重新考虑任何工艺水平的机器技术。用正确的加工和编程思路是很重要的。材料，涂料和几何形状是与减小我们所关注问题相关系的工具设计的三个因素。如果这些因素不能一起很好的配合，成功的调整磨削是不可能的。为了成功进行高速铝加工，理解这三个因素是很必要的。使组合边缘最小化当加工铝时，一个失败的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削边缘。这种情况会很快削弱工具的切削能力。由粘着的铝形成的组合边缘会导致工具变钝，以至不能切削材料。工具材料选择和工具涂料选择是被工具设计者用来减小组合边缘出现的主要工艺。亚微米微粒碳化物材料要求很高的钴浓度来获得良好的微粒结构和材料强度属性。随着温度的升高，钴与铝发生反应，钴使铝与暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦铝开始粘住工具，铝会在快速的在工具上形成组合边缘，使工具不可用。在切削的进程中，减小铝粘合着的工具的暴露碳化物的秘诀就是找到正确的碳化物的平衡来提供足够的材料强度。在加工铝时，为了减小粘附，使用能提供足够硬度的纹理粗糙的碳化物来获得平衡，来使变钝变慢。工具涂料当尝试减小组合边缘时，第二个应该考虑的工具设计因素是工具涂料。工具涂料的选择包括：TiN, TiAIN, AITiN，铬氮化物，锆氮化物，钻石和钻石般的涂料（DLC）。拥有这么多的选择，航空航天磨削商店需要知道在铝的高速加工应用中哪一种工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂装应用进程使这些选项不合适铝的应用。PVD涂装进程建立了两个使铝粘住工具的模式-表面的粗糙程度和铝与工具涂料之间的化学反应。PVD进程形成了一个表面，这表面是比底层材料更粗糙的。由这个进程形成的表面“凹凸”使工具中的铝在凹处快速集结。由于涂料有金属晶体和铁晶体特征，PVD涂料是可以和铝发生化学反应的。一种TiAIN涂料通常是包含铝的，这铝很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化学反应特性将会导致工具和工作片体粘在一起，以致形成组合表面。OSG Tap and Die主导的试验中，人们发现在高速加工铝时，一个没有涂染过纹理粗糙的碳化物的工具的表面优于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染过的工具。这个试验不意味着所有工具涂料将减小工具的表现。钻石和DLC涂料可生成一个非常光滑的化学惰性的表面。在切削铝材料时，这些涂料很认为是能非常有效的提高工具的寿命。钻石涂料被认为是表现最佳的涂料，但这种涂料要一个很可观的成本。对于表现价值，DLC涂料提供最佳成本，增加大约20%-25%的总工具成本，而寿命相对于未涂染过纹理粗糙的碳化物的工具来是，是增长得很明显的。 几何形状高速铝加工工具设计的拇指定律就是使微粒排屑空间最大化。这是因为铝是一种非常柔软的材料。Federate通常是可以增长的，它生成更多更大的微粒。Makino MAG-Series航空航天磨削机器，比如MAG4,要求额外关注工具几何休和工具强度。拥有强大的80-hp的心轴的 MAG-Series机器将折断工具如果他们不是用足够的中心强度设计的。总的来说，锋利的切削边缘一直都可以用来避免铝的延伸。一个锋利的切削边缘将形成高剪切和高表面清洁，形成一个更好的表面和使表面振动最小化。结果是用优良的纹理碳化物材料比纹理粗糙的碳化物材料更有可能获得一个锋利的切削边缘。但由于铝能粘住纹理好的材料，长久保持这各边缘是不太可能的。粗略的折衷方案纹理粗糙的材料是最好的折衷。那是一种很强大的材料，它能拥有一个可观的切削边缘。试验结果表明；在获得长的工具寿命的同时拥有好的表面的可以的。通过工具来进行油雾冷却是可以改进切削边缘的保持的。雾化逐渐使工具冷却，消除温度急增的问题。螺旋角度是一个额外的工具几何考虑因素。传统上来说，当加工铝时，带有高螺旋角度的工具已经被运用。高螺旋角度可以使微粒更快地从部分脱离，但却增加力和热，这是由切削运动导致的。一个高螺旋角被用在工具上，并且很大数量的凹槽可以使微粒排泄。当以非常高的速度加工铝时，由增加的力形成的热量可能会引起微粒与工具焊接在一起。此外，一个有很高螺旋角的切削表面将比低角度的更快产生微粒。仅仅利用两个凹槽工具设计使低螺旋角和足够微粒排泄区域成为可能。由OSG主导的延伸性试验中，当发展新工具流水线时，这被证明是最成功的方法。河南科技学院毕业论文（设计）课题审核表院（系）名称机电学院专业名称机电技术教育指导教师姓名及职称陈锡渠（副教授）课题名称钢管旋切机的设计控制部分课题来源自选课题立题理由和所具备的条件目前我国机械工业钢管使用量已达到数千吨以上，钢管的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。之所以选钢管旋切机这个课题，就是为了提高薄壁钢管的切割精度，防止切削时钢管变形，降低材料浪费，防止工业污染，实现无屑切屑。使钢管旋切机的技术水平、整机性能不断取得进步，逐步赶上国际先进水平，满足用户的需要，进一步提高市场竞争力。因此要求钢管旋切机在许多方面需要形成自身独有的特点，以实现“自动化、多功能和高可靠性”的要求。教研室审批意见教研室主任签字： 年 月 日毕业论文（设计）工作领导小组审批意见组长签字： 年 月 日注：本表经教务处复审后存院（系）备查。河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告题目名称 钢管旋切机设计控制部分设计学生姓名杜显峰所学专业机电技术教育学号20040315033指导教师姓名陈锡渠所学专业机械设计制造及其自动化职称副教授完成期限2008年12月16日2009年2月27日1、 选题的目的和意义钢管在我们生活中起着非常重要的作用，可以说是随处可见，出现在建筑，交通，汽车等诸多领域。在不同领域对钢管的性能，精度，规格要求也不近相同，以至于钢管的种类也繁多，对他的制造和加工方法也很多。目前我国机械工业钢管使用量已达到数千吨以上，钢管的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。钢管的切割技术随着科学技术的飞速发展也取得了长足的发展，特别是数控技术，传感器技术等所取得的突破，钢管切割技术也进入数控伺服技术的快轨道，相继出现了等离子钢管切割机，激光钢管切割机，数控钢管切割机，空气等离子钢管切割机，火焰钢管切割机，数控钢管等离子切割机，数控火焰钢管切割机等等。但是对于薄壁钢管的切割目前的方法多不理想，切割质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低等缺点，之所以选钢管旋切机这个课题，就是为了提高薄壁钢管的切断精度，防止切削时钢管变形，降低材料浪费，防止工业污染，实现无屑切屑。使钢管旋切机的技术水平、整机性能不断取得进步，逐步赶上国际先进水平，满足用户的需要，进一步提高市场竞争力而钢管旋切机在许多方面需要形成自身独有的特点，以实现了“自动化、多功能和高可靠性”。且在某些方面的技术性能要超过国外的产品。该钢管旋切机是机电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工旋切机相比，钢管旋切机的加工精度更高、柔性化好，对制造业来说，可以说是一次大的跨步。钢管旋切机技术作为新的加工手段，不仅加工精度高、速度快，而且加工部位质量可靠、外形美观、能大大提高产品质量，而且设备运行成本低，操作简单，维护方便，故障率低，走向国际市场将起到新的推动作用。此钢管旋切机主要应用于薄壁钢管材料的加工，随着国内企业融入世界的程度逐步加深，这种新的加工技术必将受到广大用户的接受和采用。在设计的过程中，能培养我综合运用所学知识，分析和解决实际中所遇到的问题，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，对所学过的一些东西又有了许多新的认识，同时在理解分析能力、制定设计或试验方案能力、设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次毕业设计中，能充分发挥出我们的创新能力和团队精神，树立良好的学术思想和工作作风，牢牢把握住这次在走上岗位之前的实践机会，充分提高自己的实际动手能力，增强自己的工作能力。二、国内外研究现状钢管旋切机在上世纪80年代到90年代，在西方发达国家日渐成熟并得到广泛的应用，显示出巨大的优越性和市场空间。我国在90年代末及本世纪初，钢管旋切工艺技术的制造水平有了重大突破，关键传感器件实现了国产化，机电一体化技术也有了很大的发展，在集成上述技术与装备的基础上，我国自行研制的旋切技术诞生了。近年来，通过引进国外先进技术和消化吸收，中国造的钢管旋切机在质量、功能、稳定性、灵敏度、精度等方面与国外知名品牌的同类产品差距进一步逐渐缩小，并以理想的性价比得到了广大用户的青睐。随着技术水平的不断进步，加之我国劳动力成本，设计、生产成本较国外低，售后服务优势明显，钢管旋切机中国造将逐步缩小国外产品的市场空间，并使竞争更趋激烈。在此形势下，为提高在需求巨大的中国市场上的综合竞争力，国外旋切机制造商将不得不在国内建厂，机电一体化技术和传感技术的应用及钢管旋切机制造在中国的兴起，将实现我国的旋切产业化，世界旋切产业格局因此也将进一步改写。三、主要研究内容1对现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点进行分析，拟定改进方案。2进行钢管旋切机的工作原理设计。3对钢管旋切机的结构进行设计。4.对钢管旋切机的控制系统进行设计。5利用Pro/ENGINEER软件设计出钢材旋切机各主要涉及部件的形状及钢管旋切机的总体形状。.四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线研究方法：1. 采用理论与实际相结合的方式并利用现有的条件来设计旋切机；2. 结合指导教师的教学经验来提高自己对旋切机各组成部分的研究； 3. 查阅大量的有关书籍和资料来扩充自己对旋切机的认识，提高加工的技术含量和加工效率；4. 通过多次对各组成部分的计算和思考来提出更好的加工工艺，尽量的能从生产的实际出发来进行设计；五、 主要参考文献与资料1中国机械工程学会.金属材料手册M.北京：化学工业出版社，20052施平.机械工程专业英语M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20023孙波.机械专业毕业设计宝典M.西安：西安电子科技大学出版社，20084杨黎明.机电一体化系统设计手册.国防工业出版社，19975孙波.机械专业毕业设计宝典M.西安：西安电子科技大学出版社，20086张以鹏.实用切削手册M.辽宁：辽宁科学技术出版社，20077上海市金属切削技术协会.金属切削手册M.上海：上海科学技术出版社，20068杜祥瑛、薛顺德.机电一体化技术词典M. 北京：机械工业出版社，19979梁桂芳.切割技术手册M. 北京：机械工业出版社，199710李春胜、黄德彬.金属材料手册M. 北京：化学工业出版社，200411于民治、张超.新编金属材料速查速算手册M. 北京：化学工业出版社，200712曾正明、彭福泉.机械工程材料手册M. 北京：机械工业出版社，199813三浦宏文.机电一体化实用手册.北京：科学出版社，200714何庆.机械制造专业毕业设计指导与范例M.北京：化学工业出版社，200815王少怀.机械设计实用手册. 北京：机械工业出版社，200816成大先.机械设计手册. 北京：化学工业出版社，200217李生智.金属压力加工概况. 北京：北京冶金工业出版社，198418胡正炎、许协和、沙德元.斜轧与楔横轧原理、工艺及设备.北京:冶金工业出版社,198519张庆生.螺旋孔塑斜轧工艺. 北京：北京机械工业出版，198520濮良贵、纪名刚，机械设计，北京：高等教育出版社，第八版，200621陈立德.机械设计基础课程设计. 北京：高等教育出版社，200622机械设计手册委员会.机械设计手册单行本减速器和变速器. 北京：机械工业出版社，200723机械工业出版社.机械设计手册单行本带传动和链传动. 北京：机械设计手册委员会，200724机械设计手册委员会.机械设计手册单行本齿轮传动. 北京：机械工业出版社，200725黄观尧、刘保河.机械制造工艺基础.天津：天津大学出版社，199926孙成通.液压传动. 北京：化学工业出版社，2005六、指导教师审批意见 签名： 年 月 日 题目名称 钢管旋切机设计控制部分设计学生名称陈君强杜显峰所学专业机电技术教育班级042班指导教师姓名陈锡渠所学专业机械设计制造及其自动化职称副教授完成期限2008年12月12日 至 2008年12月21日一、 论文（设计）主要内容及主要技术指标（一） 主要内容 现有钢管切断方法的原理、特点、优缺点分析，钢管旋切机原理设计、结构设计、控制系统设计。（控制部分设计）（二） 主要技术指标1割管直径5080mm 2割管壁厚1.55mm3割管长度201000mm 4钢管长度6m5轧切精度0.15mm 6液压工作压力7.85MPa7压缩空气压力0.49MPa二、 毕业论文（设计）的基本要求1 毕业设计报告：由400字左右的中英文摘要，正文后由20篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。2 由不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料。3 毕业设计字数在20000字以上。4 三维模型，相关图纸。三、 毕业论文（设计）进度安排12008年12月12日12月16日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。22009年2月15日2月27日（第12周），指导老师审核开题报告和设计方案。32009年2月28日4月24日（第310周），毕业设计单元部分设计。42009年4月25日5月1日（第11周），毕业设计中期检查。52009年5月2日5月22日（第1214周），结构设计、三维建模，整理、撰写毕业设计论文。62009年5月23日6月5日（第1516周），上交毕业设计论文，指导教师、评阅教师审查评阅设计论文，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计论文。毕业论文（设计）任务书河南科技学院河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）届本科毕业论文（设计）论文题目：钢管旋切机设计论文题目：钢管旋切机设计 控制部分设计控制部分设计学生学号：学生学号：20040315033学生姓名：杜显峰学生姓名：杜显峰所在院系：所在院系： 机电学院机电学院所学专业：所学专业： 机电技术教育机电技术教育导师姓名：导师姓名： 陈锡渠陈锡渠完成时间：完成时间：2009 年年 5 月月 20 日日摘摘 要要本设计通过对薄壁钢管的工艺性分析和无削切削工艺方案的分析，确定采用理论与实际相结合的方式并利用现有的条件来设计旋切机，在此基础上对钢管旋切机电气控制系统进行设计，从而得出整体结构方案。通过主要技术指标对钢管和选择，最终确定其装配总图。通过此次设计，掌握了机床电控的相关知识以及 plc 自动控制的知识，对于 ProE3.0/AutoCAD 等软件的应用方面有了进一步的提高。旋切机的电控部分进行选择和安装，然后对钢管旋切机的其它主要零件进行设计关键词：关键词：电气控制，薄壁钢管，无屑切削，自动切割，旋切机，plc.AbstractThe design of thin-walled tube through analysis of technology and no cutting process analysis and determination by combining theory with practice and use the existing conditions of the way to design the cutting machine, on the basis of steel lathe cutting electrical control system design, and the whole structure scheme. Through the main technical indexes of steel tube and selection, determine the general assembly. Through the design, master knowledge of electric machine and PLC automatic control of knowledge, for ProE3.0 / AutoCAD software applications have further improved. Part of the electronic spin machine, and then choose to install and steel lathe cutting machine of the other major parts designKeywords: electrical control, tubes, without crumbs cutting, automatic lathe cutting machine, cutting, PLC目目 录录1 绪论.12 设计要求.13 主要技术指标.14 现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点.1 4.1 国内外研究现状.2 4.2 现有钢管旋切机的工作原理.2 4.3 特点及优缺点.25 钢管旋切机改进方案.26 切割工艺分析.2 6.1 工艺特点.2 6.2 钢管轧切过程.3 6.3 钢管轧切时的变形分析.5 6.4 各参数对轧切工艺的影响.66.4.1 压下量的影响.66.4.2 轧切速度的影响.6 6.5 刀具参数的影响.6 6.6 结论.77 旋切机的自动控制.7 7.1 贮料与上料部分.7 7.2 装料与进料部分.7 7.3 轧切部分.88 电控系统.8 8.1 系统构成.8 8.2 程序设计思想.9 8.3 割刀运动控制.9 8.4 卸料运动控制.10 8.5 钢管旋切机传感器及行程开关的选择.10 8.6 电气控制系统电器的选择.11 8.7 旋切机自动控制 PLC 系统原理.12 8.8 故障保护.15致谢.15参考文献.1611 绪论绪论目前我国机械工业钢管使用量已达到数千吨以上，钢管的切割量非常大；但就目前钢管旋切技术过于陈旧落后，自动化程度不高，加工精度低，噪声环境污染严重，随着国内 plc 和变频技术的不断发展，为钢管旋切机的改进提供了技术支持，此设计通过 plc 技术和传感技术对钢管的从上料到切断完全实现了机电一体化和自动控制，不尽节省了人的体力劳动，而且提高了生产率，节约了钢材的浪费。在设计的过程中，能培养我综合运用所学知识，分析和解决实际中所遇到的问题，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，对所学过的一些东西又有了许多新的认识，同时在理解分析能力、制定设计或试验方案能力、设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次毕业设计中，能充分发挥出我们的创新能力和团队精神，树立良好的学术思想和工作作风，牢牢把握住这次在走上岗位之前的实践机会，充分提高自己的实际动手能力，增强自己的工作能力。2 设计要求设计要求钢管旋切机的具体设计要求为：（1）对现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点进行分析，拟定改进方案。（2）进行钢管旋切机的工作原理设计。（3）对钢管旋切机的结构进行设计。（4）对钢管旋切机的控制系统进行设计。（5）利用 Pro/ENGINEER 软件设计出钢材旋切机各主要涉及部件的形状及钢管旋切机的总体形状。3 主要技术指标主要技术指标（1） 切管直径 5080mm （2） 割管壁厚 1.55mm（3） 割管长度 201000mm （4） 钢管长度 6m（5） 轧切精度0.15mm （5） 液压工作压力 7.85MPa （7） 压缩空气压力 0.49MPa4 现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点旋切机的发展状况国内和国外有很大差别，主要原因是自动控制技术和传感技术以及 plc 和变频技术的落后。24.1 国内外研究现状国内外研究现状 国外旋切技术已经相当成熟，无论从机械部分还是自动控制部分，随着传感技术和变频技术的不断发展，机电一体化技术日趋完善，国内旋切技术也一定的提高，但和外国相比还有很大差距。4.2 现有钢管旋切机的工作原理现有钢管旋切机的工作原理主运动：一台主电机加一组减速机构和一组切割片。主电机通过减速装置进而带动切割片旋转。进给运动：主电机装在一机架上，通过移动机架，使切割片对固定的壁钢管进行切割。4.3 特点及优缺点特点及优缺点优点：工作原理简单，工作可靠，使用维护方便，便于携带运输，价格便宜，适用于加工精度不高的场合。缺点：加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大。5 钢管旋切机改进方案钢管旋切机改进方案根据现在旋切机加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大的缺点，做如下改进：采用无屑轧切工艺，生产效率高管材利用好，可对不同直径，壁厚和长度的钢管作定长切断，钢管自动上料，自动切断，是一种典型的机电一体化产品，有可编程控制器对液压缸，电机，电磁阀，传感器等系统进行控制，从上料、装料、定位、进料到轧切，整个加工过程完全实现了自动化。该设备还装有累加计数和预置计数装置，分别对切断的工件进行累计和设定计数，便于统计产量和计数更换刀具。6 切割工艺分析切割工艺分析此钢管切割机是利用金属材料的塑性，对钢管进行塑性切断，以此来满足下道加工工序要求的、符合规定形状和尺寸的坯件。6.1 工艺特点工艺特点此设备是利用管料塑性轧制切断，简称塑性轧切工艺它具有如下特点： （1） 效率高-轧切速度为 12mm/s，与普通车削工艺相比，可提高功效 10倍以上。（2） 材料利用率高-因为无屑切削，切断过程中不产生切屑，管材可得3到充分利用。同有屑切断工艺相比，材料利用率可提高 13%左右，割管长度越短，效果越为明显。（3） 精度高-采用专门的机械定位装置，切割长度偏差不超过士0.15mm， 表面粗糙度Ra可达1.6。m（4） 断口直接成形凡对断口形状有一定要求的工件，利用刀具刀刃形状， 就可一次直接成形。（5） 刀具形状简单与斜轧或楔横轧所用的轧辊相比，本工艺所用刀具形状简单，因而易于制造，成本低廉，且安装、调整方便。在轧切工艺中，各工艺参数、刀具形状参数及轧切温度等因素对轧切过程与轧切质量均有较大的影响。6.2 钢管轧切过程钢管轧切过程6.2.1 切割阶段分析切割阶段分析 如图1 所示，被轧切的管子2置于一对托轮3上，首先刀具1先旋转，随后液压缸带动连杆迫使刀具向下运动进行切割。整个切割过程可分为三个阶段：(1) 切入阶段旋转的刀具开始切入静止的管子，并通过摩擦力带动管子转动；(2) 轧切阶段刀具在带动管子转动的同时，继续向下运动轧切工件，此时管子材料因屈服而产生塑性变形，刀具刃口下部的管材沿径向、轴向和切向三个方向产生流动，使管壁厚度逐渐减小。(3) 切断阶段在刀具持续轧切下，管壁越来越薄，直到管子被切断为止。图 1 管子扎切示意1刀具；2工件；3托盘6.2.2 管子的旋转条件管子的旋转条件为使旋转的刀具压住管子后能带动它转动，某些工艺参数和刀具参数必须满足一定条件，称之为旋转条件。轧切初期，沿刀刃和管子之间的接触圆弧A B ，4工件受到刀刃所加的压力，该压力是一种分布载荷，同时工件还与刀刃处于转动接触状态，而受到摩擦力的作用，如图2 所示。为简化分析起见，作如下两点假设。(1) 刀刃作用于工件的分布压力和刀刃与工件间的摩擦力均看作为集中力，它们均作用于接触弧的中点C；刀刃对工件的压力以P 表示, 其方向为沿刀具法向；摩擦力以T 表示，方向沿刀具的切向，顺转向为正。 图2 中a T 力离工件中心的垂直距离；bP 力离工件中心的垂直距离； 接触弧A B 所对应的刀具圆心角；r0 工件入口处的半径；r 工件出口处的半径；R 刀具半径；Z 压下量； (2) 工件在转动过程中所受的其他阻力忽略不计。由图2 可知，作用于管子的力P 与T 分别产生轧制力矩Mp和摩擦力矩Mt，为满足旋转条件，Mp必须大于或等于Mt，即MtMp ，或T a P b 6-1因T = P ，得到b/a 其中为摩擦系数。由图2分析可得cos/2=a+R/R+r推出a=rcos/2-Rcos/2(1/cos/2-1) 于是可得a=r-R(1/cos/2-1)cos/2 6-2将b = (R + r) sin/2，及a = r - R ( 1/cos/2- 1) cos/2 6-3代入上式，且当 0 时，cos/2 1 ，可得 (1 + R/r) tg/2经变换，上式可简化为2图 2 轧切力分析5 (1 +d/D)( Z/d) 或Z/d(1 + d/D) 6-422由上式可见，值越大，旋转条件越容易满足，这是很显然的。当摩擦系数，管子与刀具直径之比d/D 一定时，存在有一个相应的满足旋转条件的极限相对压下量Z/d 。当管子与刀具直径之比d/D较大时，相对压下量必须取较小的值，而d/D 较小时，则允许的相对压下量就比较大。当刀具直径D = 300mm，管子直径d = 70mm，根据设备的实际工况取摩擦系数= 0.1时，可算出极限压下量Zmax = 0. 6mm。而设备工作时的实际压下量仅0.10.2mm，故旋转条件能充分得到满足。6.3 钢管轧切时的变形分析钢管轧切时的变形分析 轧切时，随着楔形刀刃的轧入，钢管在径向压力的作用下，产生剧烈而复杂的变形，这种变形，是由刀刃刃口及两侧作用于钢管所引起的。刃口作用于钢管主要产生径向压缩、切向扩展及轴向延伸等变形。其中径向压缩包括钢管的径向压缩和材料本身的径向压缩，前者指材料向钢管内部流动产生的减径作用后者则是轧切的主要变形，唯此钢管才得以被塑性切断。刀刃轧入工件后，部分材料沿切向流动，使工件呈椭圆状。刀刃下部的材料还会沿轴向延伸而变形，这时在连皮材料内部将产生拉应力，成为延伸变形的阻力。刀刃侧面作用于钢管,使材料产生径向压缩、切向扩展、轴向压缩和外径扩展等变形。其中径向压缩和切向扩展同刀刃刃口作用时所产生的变形情况相似。轴向压缩使刃口下部的连皮材料产生拉应力，外径扩展是指切口斜面受压后，材料向管子外径方向流动，致使工件沿切口外径边缘处略微鼓起并呈椭圆状。以上凡由切向扩展和外径扩展所引起的椭圆变形，在整个轧切过程中沿整个圆周不断重复交替出现，随着轧切深度的增加将逐渐减弱，甚至接近消失。因外径扩展产生的凸起状，将在托轮的对滚碾压作用下渐趋敷平。轧切时，管子在刀具刃口及两侧的作用下，产生剧烈而复杂的变形。刃口作用于管子，主要产生径向压缩、切向扩展及轴向延伸。径向压缩包括管子的径向压缩和材料本身的径向压缩，前者指材料向管子内部流动产生的减径作用，后者则是轧切的主要变形，唯此管子才得以被塑性切断。刀刃轧入工件后，部分材料沿切向移动产生切向扩展，并使工件呈椭圆状。同时刀刃下部的材料还会向轴向压缩，这时管壁尚相连部分材料内部将产生拉应力，成为延伸变形的阻力。刀刃两侧作用于管子，使管子材料产生径向压缩、切向扩展、轴向压缩和外径扩展等变形。其中，径向压缩和切向扩展同刃口作用时情况相似。轴向压缩使刃口下部尚相连部分材料产生拉应力，外径扩展是指材料向管子外径方向流动， 致使切口外径边缘处略显鼓起并呈椭圆状。由切向扩展和外径扩展共同引起的椭6圆变形，在整个轧切阶段中，沿整个圆周不断地重复交替出现，随着轧切深度的增加，这种变形逐渐减小，甚至近乎消失。至于外径扩展产生的突起状，将在托轮的对滚碾压作用下趋于敷平。在轧切初期，变形主要由刃口的作用引起，到轧切后期，刀刃两侧造成的轴向压缩变形所产生的轴向拉应力起主要作用，当拉应力超过材料的拉伸强度时，管子就被切断。根据以上的工艺分析，在设计过程中，对各有关的工艺参数、刀具形状、参数、轧切温度以及润滑条件等因素，作了细致、合理的选择，实践表明本设备的工艺要求能得到充分的满足。6.4 各参数对轧切工艺的影响各参数对轧切工艺的影响6.4.1 压下量的影响压下量的影响压下量Z 一方面影响到管子的旋转，另一方面影响到轧切压力、轧切力矩与轧切效率。压下量Z 越大，轧切效率就越高，但轧切压力与轧切力矩也越大，对机床的力学要求也就越高，当然压下量的增大受到极限压下量Zmax 的限制，否则将影响轧切过程的顺利进行。压下量Z 越小，轧切压力与轧切力矩就越小，但轧切效率也就越低。在轧切初期刀刃开始作用于管子时，刀刃与管子摩擦时间增多，刀刃受到的冲击力增多。在轧切时刀刃两侧与管子的摩擦时间增多，特别在管子不直时，刀刃受到的轴向冲击力增多，刀具极易崩刃。另外，压下量Z 越大，在轧切时每一瞬时对管子端面的压下量也大，在轧切结束时管子端面的不平整程度就大，成形质量差，尺寸精度下降，反之成形质量好，尺寸精度高。故应从整体上选择合适的压下量Z，使刀具具有较长的寿命，对机床的力学要求相对较低，同时具有较高的生产效率。6.4.2 轧切速度的影响轧切速度的影响轧切速度直接影响轧切效率，速度越低效率越低，反之速度越高效率越高。但轧切速度不可能无限提高，因其受到机床输入功率与机床力学性能的限制, 特别是在被轧切管子的直线度较差时，刀刃受到的不稳定冲击力大增，刀刃极易崩裂。另外，轧切速度提高将使刀具温升增大，磨损增大，刀具寿命降低。故应在保证轧切能顺利进行的前提下，尽可能选取大些的轧切速度，同时采取有效措施降低刀具温升，减小摩擦。6.5 刀具参数的影响刀具参数的影响7(1)刀具直径刀具直径对轧切过程的影响主要在同样刀具转速下，管子转速随刀具直径变大而变大，此时相对压下量可适当取大些，可提高工作效率。其次，当刀具直径增大时，其对管子产生的切向扩展将会变小，可减小轧制力矩。(2)刀刃角刀刃角的大小对管子材料的变形有较大影响，当刀刃角较大时，其两侧作用于管子，使材料产生的径向压缩增大，轴向延伸与外径扩展减小，其对轧切压力与轧切力矩的影响也较大。刀刃角越大所需轧切压力与轧切力矩也越大。当然，刀刃角的大小决定了切割后工件端面的倒角，也就是说其实际上取决于工件的形状要求。如果可能的话，将其设计得小些，对减小轧切压力与轧切力矩是有利的。6.6 结论结论(1) 轧切的旋转条件为：2 (1 + d/D)( Z/d) 或Z/d2/(1 +d/D)； 6-5(2) 刀具直径D 越大，允许的相对压下量Z/d也越大；(3) 刀刃刃角越大，轧切压力与轧切力矩也就越大；(4) 应选择合适的刀刃圆角，以提高其强度与使用寿命；7 旋切机的自动控制旋切机的自动控制该设备的机械部分主要由贮料、上料、装料、送料及轧切等部分组成，下面对各部分的构成与作用作扼要叙述。7.1 贮料与上料部分贮料与上料部分这部分主要由贮料架和上料机构组成。每次可在储料板上放置10根钢管，储料板设置一定的斜度，可使钢管自动向下滚落。储料板上装料完成时，按下启动开关，挡块缩回，物料慢慢向下滚落，当检测物料的传感器检测到传动链上有物料后，驱动控制电器使挡块伸出，以挡住上面的物料不再继续下落，同时送料电机启动，通过减速器带动传动链轮转动，当物料传动过去时，检测物料的传感器再次启动，挡块收回，再次使物料向下运动，当有物料放到传动链上时，检测物料的传感器再次启动，挡块挡住上面的物料不继续下落，如此循环。7.2 装料与进料部分装料与进料部分装料部分主要由管子支架、挡块、装料机构、检测装置、传送装置等部件组成。支架起支承钢管的重量和储料的作用；挡块起防止储料板上的物料持续下落8的作用；检测装置主要由传感器控制其它电器来完成；传送装置主要是完成钢管的传送。装料时,先使物料挡块缩回，因储料板有一定的倾斜度，钢管开始向下慢慢滚动，当检测物料的传感器检测到有物料经过时，挡块伸出以防止上面的物料继续向下运动，同时送料电动机开始旋转，通过减速机构带动链轮旋转，从而带动传动链转动实现送料的目的。由液压缸带动控制轧切部分沿滑槽上下移动，实现刀具的向下压紧或抬起放松。轧切时，首先切削电机旋转并通过带轮带动传送带转动，从而带动刀具旋转，通过液压缸带动切削部分沿滑槽向下运动或上升，实现轧切。液压缸带动轧切部分以适当的压力压住钢管，以减少钢管转动时产生的径向跳动。进料机构由传动链实现，进料时，传动链带动钢管向前运动,直到钢管端头被挡块挡住为止，送料电机随即停转。进料传感器检测到物料到达后，轧切电机开始启动并通过传送带带动刀具旋转，通过液压缸的伸缩使轧切部分沿滑槽上下移动，依此控制刀具上下移动，控制刀具以适当的压力逐渐切入钢管，随着切入深度的一步步加深，直到拉应力超过材料的拉伸强度时，管子就被切断为止，切断的钢管自动落入料槽，检测物料传感器控制液压缸带动刀具上升，进料电机再次启动进行送料，实现下一次的切削。7.3 轧切部分轧切部分这部分主要由割刀部件、支撑托轮、挡块和导向滑槽等组成，其中割刀部件包括主轧电动机、传送带、控制液压缸等机件。刀具安装在传送带轮的输出轴上，主轧电动机通过传送带装置带动刀具转动，电机转速也可通过变频器调节。刀具的进给运动，由液压缸带动轧切部分上下移动来实现，支撑轮在轧切过程中起支撑工件的作用。挡块装在所需料长的固定位置上。当传送带传送钢管到位被挡块挡住后，切割电动机通过传送带带动刀具旋转，控制液压缸带动轧切部分沿滑槽向下运动，随着轧切深度的不断加深，钢管最终被切断，随后刀具在控制液压缸的作用下向上运动，送料电机随后起动继续向前等待下一次的切削，滚轮主要起支撑物料实现轧切的目的。挡块前端顶盘的仲出长度及其中心高度，可分别予以调整，以适应不同直径的钢管和不同长度的割件。导向滑槽的作用是通过液压缸带动轧切部分上下移动。切断的物料可直接掉入料槽中。8 电控系统电控系统8.1 系统构成系统构成9本系统采用FP0型可编程控制器(PLC)作为控制核心，选用了一个十槽的CPU框架和一个十槽的扩展框架。除CPU模块外, 框架中共装有11个输入、输出模块和1个拨盘模块，模块的选用，主要根据触点的数量，负载的大小和动作频率的高低而定。输入器件中包括操作控制面板上的按钮和选择开关，各种功能和限位传感器。其中输出部分还包括：三项交流电动机、以及接触器和直流电磁阀线PLC体积小，可靠性高，尤其是它无需改动任方便地改变输出器件的状态或动作顺序的控制柔性，特别适用于本设备这一类机电一体化产品。8.2 程序设计思想程序设计思想PLC的控制程序，是根据管子的轧切工艺、设备功能和操作要求来进行设计的。设备开机后只需按下启动按钮，设备即开始自动连续运行。对这一运行状态，程序的基本设计思想如下：首先判定支承上有无料，若有料，进入正常轧切循环, 直到将割剩的料尾推出为止。此时支承处于无料状态，于是需判定支架上是否有料，如有料，则向支承装料，然后返回前面的程序，如无料，进一步判定贮料架中是否有料，若贮料架有料，则先向支架上料，然后再向支承装料。8.3 割刀运动控制割刀运动控制割刀运动是整个加工过程中极为重要的一个环节，它将直接关系到轧切的质量和效率。前已提及割刀的进给运动，是由轧切液压缸带动轧切机构上下运动来图 3 系统结构图10实现的。为控制进刀距离，采用了一对行程开关控制轧刀的上下运动，根据薄壁钢管的直径和厚度进行适当的调整，已达到切断钢管的目的。8.4 卸料运动控制卸料运动控制 当薄壁钢管被切断后，轧刀停止转动，1.5秒后刀具上升至上限位行程开关处，等待下一循环，当上料电机开始上料时将滚筒上的钢管顶落入料巢。8.5 钢管旋切机传感器及行程开关的选择钢管旋切机传感器及行程开关的选择（1）传感器选择）传感器选择物料检测和扎切长度检测用传感器检测，物料检测用电感式传感，长度检测用对射光电传感器。电感式接近开关（见图4）型号：LJ6A3-1-Z/BX 泄漏,消耗,静态电流: DC三线消耗3.0mA检测物体：A3铁材(磁性金属) 响应频率：DC:150HZ AC:25HZ输出电流：300mA(要求更大电流可定做) 工作环境温度：-25摄氏度-+55摄氏度输出电压降：DC三线=0.8VDC二线=4V外壳材料：黄铜镀铬对射传感器（见图5）产品型号：XL-E3KG-10D工作电压：DC12-24V感应距离：10米内输出方式：继电器输出，一种常开+常闭触点出触点容量：1A 250V AC从直径8mm-直径30m