自动钢管无屑切割机的研究与设计.doc

摘 要本文在详细分析钢管无屑切断特点的基础上，基于金属塑性加工原理，开发了一种钢管无屑切割机，主要进行了无屑滚切原理分析、无屑切割机总体方案以及机械结构设计和计算，无屑切割机虚拟样机设计。提出了一种创新的无屑切割机构，选择了新型的直线电机传动方法并设计了整机的自动控制系统，最佳地满足了钢管定尺度的无屑切割工艺要求。钢管切割的传统机械生产加工工艺大多应用切削加工方法来制造有精确的尺寸和形状要求的零件，生产过程中坯料的30以上成为切屑，这不仅浪费大量的材料和能源，而且占用大量的机床设备和人力。采用无屑滚切的工艺，工件不需要或只需要少量切削加工即可，大大节约了材料、设备和人力。在结构设计上，使用Pro/E软件建立了切管机机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估了系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供了参考依据。通过利用虚拟样机技术，从设计的初始阶段概念设计阶段就对整体系统进行了完整的分析，观察并试验了各组成部件的相互运动情况，使用系统仿真插件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，直接在计算机上修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统不断的改进，最后获得最优化的设计方案。本文在研究了钢管无屑切割机结构特点的基础上依托Pro/E软件为平台，实现了无屑切管机的可视化、自动化和参数化设计。系统地提高了设计、三维造型的效率和准确性。实现了设计计算、数据修正、三维造型与绘制工程图纸的有机结合，同时也为同类产品的设计提供了有益参考。在动力、传动、控制方面，根据直线电机的结构特点、性能优势和控制特性配合PLC控制，设计出结构紧凑、动态响应快、精度高、振动和噪声小、节能、高效的切管机系统。本文通过选用两台直线电机成功地解决了切管机系统中定位、卸料和进给的直线运动问题。关键词：切管机；无屑滚切；系统设计；PLC控制；虚拟样机AbstractOn the basis of the characteristic analysis of steel pipe chip-less cutting, the paper develops a steel pipe chip-less cutting machine, basing on the principium of plastic working of metals. Mainly on the analysis of the principle of chip-less of hobbing, chip-less cutting machine general planning and mechanical structure design and calculation, virtual prototype design of chip-less cutting machine, put forward an innovative cutting Chip-less agencies, Select a new type of linear motor drive method and design the machines automatic control system, meet the requirements of chip-less cutting of set-scale steel pipe at best.The traditional mechanical processing technology of steel cutting mainly is the method of cutting to The manufacture precise size and shape parts as required, more than 30% of the billet quality turns into chip in this production process. This is not only a waste of a large number of materials and energy and use up a lot of machine and human. If chip-free cutting process was used, work piece will became mechanical parts with only a little cutting or none, which greatly saving materials, equipment and human.In structural design, we have established a pipe cutting machine mechanical system of three-dimensional solid model and the mechanical model, analysis and assessment of the performance of the system with Pro/E software, so as to provide a reference to physical prototype design and manufacturing. Through the use of virtual prototyping technology, from the initial stages of design - conceptual design phase of the overall system on a complete analysis of observation and test the various components of the mutual movement of components, plug-ins using the system simulation environment in a variety of virtual real simulate the movement system directly on the computer modify the design defects, simulation experiment with different design, the entire system of continuous improvement, and finally obtain the optimal design, for the manufacture of the physical prototype of the fully prepared to do. This paper realize the visualization, automation and parameters in chip-less pipe cutting machine design based on Pro/E software after studied the structural characteristics of chip-less steel pipe cutting machine. Improved the efficiency and accuracy systematically in design, three-dimensional modeling. Achieved a seamless integration between design, calculation, data amendment, three-dimensional modeling and engineer drawing, as well as provided a useful reference to the design of similar products at the same time.About power, transmission, control, design a fast, dynamic response and high precision, according to the structure of linear motor characteristics, performance characteristics and control with the advantages of PLC control, which is small vibration and noise, energy saving, efficient system of pipe cutting machine. In this paper, by using two linear motors have successfully resolved the pipe cutting machine positioning system, and discharge into the problem to the linear motion.Key words: Pipe cutting machine; Chip-less cutting; System design; PLC control; Virtual prototype目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 绪论11.1 课题提出背景及研究的目的和意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究目的和意义11.2 切管工艺与设备技术发展综述21.2.1 切管机的种类31.2.2 国内外切管机及技术的发展概况31.3 课题研究的主要内容5第二章 无屑滚切的原理72.1 无屑滚切的工艺过程72.2 无屑滚切的工艺特点82.3 工艺参数分析计算92.4 切削功率的理论计算122.4.1 理论假设122.4.2 正压力的理论计算122.4.3 摩擦面积的理论计算132.4.4 切削功率的理论计算13第三章 系统方案设计153.1 功能要求153.2 功能分析163.3 功能方案综合163.3.1 柔性进给163.3.2 刚性进给18第四章 结构设计与计算204.1 刀架组合的设计计算214.1.1 刀轴214.1.1.1 刀轴的材料214.1.1.2 刀轴的强度、刚度校核计算224.1.1.3 刀轴的振动稳定性校核计算234.1.2 刀片的设计计算254.2 进刀与退刀机构的设计计算284.2.1 径向进给导轨的设计计算294.2.2 轴向运动转化为径向运动的结构设计314.2.3 轴向运动与径向运动的组合设计334.3 定位与卸料装置的设计34第五章 传动系统设计365.1 主切削运动的传动375.2 进给运动的传动425.3 定位与卸料运动的传动46第六章 电气自动控制系统设计496.1 系统控制功能分析496.2 PLC介绍516.3 PLC的选型526.4 I/O地址分配及控制流程图53第七章 总结与展望56参考文献57第一章 绪论在钢材生产以及机械制造过程中，对管材按定尺长度要求进行切割是必不可少的加工工序。在机械加工企业，以前所采用的钢管切割方法主要有锯割、车削、砂轮切割、气焊切割、电火花线切割、激光切割等方法。这些钢管切割方法在不同程度上都存在着切割效率低、工人劳动强度大、材料消耗等缺点1。锯割中严重的摩擦消耗了大量的能源，同时产生大量的锯屑，浪费大量的钢材，相对应的锯片损耗也很严重。车削产生切屑，材料成材率低，既耗能又浪费材料。砂轮切割采用高速旋转的砂轮片切割钢管，产生高分贝的噪声和大量的铁屑，同时砂轮损耗大。在熟练的手工操作中，砂轮可进行快速、准确地切割，而且切口整齐、无毛刺。砂轮机一般安装有冷却系统，这样，既可以减少粉尘，又可以防止对材料造成热损伤。气焊切割（即氧乙炔切割）是利用氧乙炔预热火焰使金属在纯氧气流中能够剧烈燃烧，生成熔渣和放出大量热量的原理而进行的。此法产生大量烟气，切口粗糙、凹凸不平、浪费材料。电火花线切割利用电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，生产效率相对也比较低。激光切割采用激光束照射到钢管材料表面时释放的能量来使钢管材料熔化并蒸发，但是激光切割设备的价格相当昂贵，效率相对也比较低。由此可见以前使用的钢管切割工艺方法已不能满足高效、节能和环保的要求，必须进行技术创新，开发高效、节能、节材又环保的钢管切割工艺和设备。本文即针对此要求开发了一种节能、高效且自动化程度高的无屑切管工艺及相应的自动无屑切管机。1.1 课题提出背景及研究的目的和意义1.1.1 选题背景南昌钢铁有限责任公司是全国500家最大工业企业之一，创建于1958年，属江西省重点钢铁联合企业。目前，南钢占地面积223万平方米，职工1.1万人，各类专业技术人员2100人，总资产44.3亿元，资产净值133亿元。公司具有年产铁175万吨、钢220万吨、材坯210万吨的综合生产能力。该公司为拓展经营范围，在原机修厂引进了钢质齿环生产线，该产品为某汽车发动机的传动原配件，齿环由切成定尺的钢管段经精密压铸制而成。目前钢管定尺切割是采用锯床切割的，切割效率低，又产生大量切屑，已满足不了生产要求。为此，南昌钢铁公司立项由论文作者负责开发了一种高效、节能的全自动无屑切管机。1.1.2 研究目的和意义钢管切割机的作用是按坯料定尺长度要求，将长钢管切成坯料段，使之满足下一道加工工序的加工生产要求。为了满足现代文明生产的要求，切管工艺及切管机应达到以下要求： 切断的坯料的尺寸精度以及断口形状、表面质量应达到要求； 尽量减少切割过程的功率消耗，以实现节能； 保证少或无切屑、工具磨损小，以实现节材； 劳动强度小，自动化程度高，以提高加工效率； 生产安全与环保。上述要求就是本文的研究目标，即研究一种高效、节能、节材的自动无屑切割机。改革开放以后，我国的切管机工业虽然取得了较大的进步与成绩，但是与先进的工业国家相比，差距还是比较大的。我国的切管机行业的现状是全国的切管机拥有量大，但是设备水平落后，低档多、中高档少，成套性差，机械化、自动化水平低，劳动生产率低下等的情况。虽然我国厂多人众，却没有掌握高档次切割机的关键技术，数控切管机还需要大量进口，生产不能满足需求，而且在发展速度上落后于韩国、台湾地区等3，严重影响了我国切管机装备水平的提高。2008年中国国际工业博览会上，多位专家呼吁，面对国际金融危机，我国应大力发展切管机业，提升行业的国际竞争力，在金融危机中寻找机遇，进一步提升基础装备工业的自主创新能力，做强实体经济的根基。中国工业设计协会理事长朱焘认为，中国切管机业要实现升级，完成从“中国制造”到“中国创造”的飞跃,不能忽视其中的一个关键环节中国设计，工业设计实际上就是工业创新的灵魂，而中国工业设计相对来讲还是还比较薄弱的。国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)，确定了16个重大专项，其中就包括了“高档切管机与基础制造装备”。国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见也把发展高档切管机和基础制造装备作为16个重点之一。实现工业现代化所需的各类装备和设施，都离不开高档切管机与基础制造装备。所以说快速提高我国的切管机技术，是任重道远，意义重大的。因此，本文选择高效、节能的自动钢管无屑切割机的研究与设计作为本工程硕士学位论文课题，既具有巨大的现实意义，也将对我国高档次切管机的技术创新具有促进作用。1.2 切管工艺与设备技术发展综述切管机是装备制造业的工作母机，是实现装备制造业现代化的重要标志，它在很大程度上代表着一个国家的科学水平、创新能力和综合实力2。“焊接与切管”素来有着钢铁裁缝之称，已成为桥梁、锅炉压力容器及金属结构等行业的关键制造技术。切管断面质量、切管效率及材料利用率的高低都直接影响着产品的质量和生产成本。自从有了管材就有了切管机，人类使用管材的历史很久，乌尔(Ur)遗址曾发现有残破的铅管；古代罗马的遗迹中也发现了输送饮水的铅管。但是,大量使用金属管还只是近二百年的事情。1815年在苏格兰发明了用钢管制作气灯和炮筒；1824年将加热的铁板两边弯曲对焊成管,1825年生产出炉焊管；1836年英国采用挤压法生产无缝钢管。在此之后，出现了铸钢管坯锻制成管和钢板冲裁拉深成管的方法；1885年，德国曼尼斯曼兄弟用穿孔法生产无缝钢管，1890年开始用于工业生产。20世纪中叶，焊接技术发展后，电焊管在管材中所占比重日益增加。在管材的生产、加工和应用过程中自然而然就出现了切管机3。管材广泛用于输送各种固态、液态、气态物质和能量，并用作机械和建筑用轻型结构等方面。工业发达的国家目前钢管产量占钢材产量916。用于能源开发和输送的钢管数量却逐年增加，同时对质量的要求越来越高。金属管材按周边有、无接缝分为无缝管和焊接管。管材规格品种繁多，圆管的规格用外径（D）和壁厚(S)表示。目前生产金属管材的外径为0.14000mm，壁厚为0.01200mm，除圆形以外，还有各种异形管材。1.2.1 切管机的种类在现代化建设中有各种各样的切管机，按照管材的材料不同可以分为金属管切割机和非金属管切割机。非金属管主要指塑料管材，金属管有钢管，合金管，铜管等。按照自动化程度可以分为手动管材切割机和自动切割机，手动切割机虽然切割效率存在一定的局限性，但是在生产建设过程中仍然发挥着很大的作用，比如在野外作业的时候或者小批量切割生产的时候使用手动切割机是恰当的。按照切割管材的壁厚不同可以分为薄壁管切割机和厚壁管切割机，壁厚小于2mm属于薄壁管，大于2mm属于厚壁管。按照管材切割工艺有无切屑可以有屑切割机和无屑切割机。如今切管机行业的一个研究热点就是无屑切割。按照切割工艺的机械性可以分为机械力切割机和非机械力切割机。其中锯割、滚轮挤压、砂轮切割等属于机械力切割，气焊切割、电火花线切割、激光切割、水切割等属于非机械力切割机。按照切割工艺是否发生在管材生产线上可以分为在线切割机和静止切割机。1.2.2 国内外切管机及技术的发展概况中国的切管机与基础制造装备经过上世纪末和本世纪初的发展，特别是20022004年，我国连续三年成为世界上最大的切管机生产国，经过努力，我国的机床和基础制造装备取得了长足进步，国内市场占有率稳步提高，一批大型企业迅速崛起，甚至兼并国外知名企业，获取知识产权和优秀人才，首台(套)应用取得突破。1） 国外切管机及技术的发展概况自从上世纪90年代以来，国外切管机行业进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术、新材料的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善操作人员的工作条件，向节能、环保等方向发展，以提高经济效益5。近几年，国外切管机产品以信息技术为先导，在电控、液压控制系统、自动操纵、可视化操作、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面，进行了大量的研究，开发出许多新结构（或系统）和新产品，提高了切管机的高科技含量，促进了切管机行业的快速发展。各工业发达国家，如德国、日本、美国、英国和俄罗斯等都不断发展和完善了各式各样的切管设备（包括光电跟踪切管机和数控切管机），由单一的火焰切管发展为具有高能的等离子弧切管、激光切管及综合性的切管技术。被裁切的材料也从碳钢、不锈钢、铜、铝等金属，扩大到绝大部分非金属材料，使切管的效率、切管的断面质量，以及切管的尺寸精度均达到了一个新的水平6。德国Cypress焊接设备公司新近研制了1台新型自动切管机MM1。该切管机为计算机控制的双辊式运行模式，能在钢管上自动切割各种形状、轮廓和大小的孔洞，切割钢管直径范围在50mm406mm之间。该切管机辊式接管台的基本长度可容纳1830mm长的钢管，并且可以按2500mm为一级增加长度，最长可以增加4级，达到10m长。切管时，辊式接管台用三爪夹盘夹紧钢管旋转。并且，同时沿钢管轴线方向前后运动切刀进行切割7。德国曼内斯曼德马克公司制造的钢管飞铣切管机，可以切断在线的或静止的钢管，切管范围：直径60.8mm610 mm，壁厚2mm50 mm，该切管机是国外同类产品中技术性能比较先进的一种8。日本板桥机械公司设计制造的全自动切管机M218027，对口径300的铁管约7分钟既可切断，并且可以在水中进行作业，若一个人单独操作安装也是简单方便的，只需要1分钟，非常方便，小型轻巧，主机重量只有8公斤，最大切割厚度(深度)达到60mm。2） 国内切管机及技术的发展概况当前，我国切管机与基础制造装备行业仍然存在的突出问题是：自主开发能力薄弱，专业化的配套体系尚未形成，功能部件的发展滞后，产品自动化水平低，可靠性、精度保持性差。改革开放40多年以来，我国数控切管机产量增加近200倍，拥有量增加了500倍左右。2007年，我国切管机产值达107.5亿美元，同比增长44.14%，占全世界切管机产值总量的14.7%，这是我国连续第三年切管机产值位居世界第三。2007年，我国切管机产量的数控化率从2001年的9.12%上升到20.31%，产值数控化率从26.2%上升到44%；国产切管机市场占有率从39.3%提高到56.3%，这是国产切管机市场占有率首次突破509。但是与先进的工业国家相比，差距还是比较大的。各有关单位包括生产切管装备的企业在内，先后研制和开发了各种半自动和全自动的切管设备4。天津和丰机械制造有限公司是专业制造金属管材类加工机械设备的企业，最近推出新型CNC超高速切管机，8小时连续切断7000刀，切管范围：直径76mm175mm，壁厚2mm50mm，是国内同类产品中技术性能比较先进的一种10。在产品技术方面，国外管材切管机的主要特点正是我们的主要差距。 标准化、系列化和通用化； 自动化、智能化； 节能、环保； 速度低、精度低、可靠性低。由于管材的材料、形状、壁厚、和下料长度等差别都很大，所以即使是同一类型的管材切割机，也不可能广泛适应各种管材的切割，必须要有针对性的去设计研究或采用不同的机构或不同的材料。近年来，我国切管机行业虽然采用了一些PLC和具有智能控制的仪器仪表，但总体来说，大多数还处于低水平的机电控制，还没有带有数据存储、采集、修正功能的切管机。综上所述，要推动我国切管机械工业的发展，切管机的研究和开发不容忽视，要密切关注国外同类产品的发展动态，准确选择和把握我国切管机的发展重点和方向，以推动我国经济的不断发展。1.3 课题研究的主要内容本课题的目标是针对我公司齿环生产线的工艺要求，研究、开发一种自动钢管无屑切割机。其中包括了切管机系统的功能分析、实现功能的机构设计、结构设计以及非标准件的设计分析，在此基础上进行运动学，动力学分析及相应的参数确定；整机的运动仿真和动力学仿真；依次完成整个系统的机构设计以及相应的控制系统设计；工程图纸的绘制。本文的结构如下：第一章：绪论简要阐述课题自动钢管无屑切割机的研究与设计的选题背景、研究的目的和意义，综述国内外切管工艺的资料，总结出本文的主要内容。第二章：无屑滚切的原理研究金属材料冷塑性变形的机理，并运用于本文的钢管无屑切割过程中，为研究钢管无屑切割机建立相关的工艺参数、计算理论与方法。第三章：系统方案设计应用现代系统设计方法，分析了无屑切管工艺，归纳了系统的功能，进行功能分解，由此确定了无屑切管机的总体设计方案。第四章：结构设计与计算在系统方案设计的基础上，对无屑切管机的机械系统进行了结构设计及方法计算，并利用Pro/E软件进行了系统建模，形成了虚拟样机。由此对样机转动件的质量、形心和离心力的分析计算，对关键零件进行有限元分析。第五章：传动系统设计对切管机系统主运动和辅助运动的传动系统进行方法计算，选定了整机系统的传动方案，并进行了相关的设计。第六章：电气自动控制系统设计应用S7-200 PLC，对所设计的无屑切管机进行了控制对象分析，选定了控制方案，设计了自动控制系统硬件和软件，实现了系统的自动控制。第七章：总结与展望对切管机的研究设计工作进行了总结分析。第二章 无屑滚切的原理无屑滚切是利用金属材料的冷塑性变形实现对钢管的定长切断，其原理是金属的塑性变形。金属塑性变形（plastic deformation of metals）指的是固体金属在外力作用下产生非断裂的永久变形的现象，又称金属范性形变。金属塑性变形理论应用于两个领域：解决金属的强度问题，包括基础性的研究和使用设计等；探讨塑性加工，解决施加的力和变形条件间的关系，以及塑性变形后材料的性质变化等11。金属材料塑性变形分为冷变形加工、热变形加工和温变形加工。冷变形加工是在没有回复和再结晶的条件下进行的塑性变形加工，即塑性变形温度低于回复温度。变形后的金属具有全部的加工硬化特征，如板料冲压、冷挤压等。热变形加工是在再结晶过程得到充分进行的条件下进行的塑性变形加工，即塑性变形温度高于（或等于）再结晶温度。变形后的金属具有细小的等轴晶组织，无任何加工硬化痕迹。如铅和锌的再结晶温度为室温，因此室温下的加工就是热变形加工。温变形加工是在再结晶温度以下，回复温度以上进行的塑性变形加工。变形后的金属既产生加工硬化也产生回复12。金属的重要特性之一就是具有塑性。当金属受的外力（切应力）超过其屈服点（s）时，除继续发生弹性变形外，同时还发生永久变形，又称塑性变形。它主要通过滑移和孪生方式进行。滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生移动的现象。孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。45钢是中碳钢的代表，属于多晶体结构，其特点是切削性能好。多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒，使位错在晶界附近塞积，当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。2.1 无屑滚切的工艺过程如图2.l所示，将被滚切的钢管2由附属送料机构轴向送料，再由切管机内置定位板定位，然后由专用夹具夹紧，刀具1绕着钢管高速公转并径向进给，刀具由于摩擦作用而自转，对钢管进行滚切，直到钢管被塑性切断为止，属于无火花冷切割。切割过程不产生切屑，材料得到充分利用，且噪声很小。滚切过程可以分为以下三个阶段：1) 切入阶段刀具1绕钢管2主动高速公转并径向进给，刀片接触钢管后由于摩擦而自转，开始切入夹紧静止的钢管。2) 滚切阶段刀具一边主动公转并从动自转，一边继续径向进给向下滚切钢管，此时钢管材料因为屈服而产生塑性变形而流动。其中刀刃刃口下部的材料沿钢管的径向、轴向和切向三个方向产生流动，同时连皮厚度越来越小。3) 切断阶段在刀具的滚切作用下，连皮越来越薄，最后钢管材料的轴向拉力大于径向压力，钢管被切断（实为拉断）。1.刀具1 2.钢管 3.刀具2图2.1 滚切过程示意图2.2 无屑滚切的工艺特点钢管无屑滚切是由于钢管材料的冷塑性变形而无屑切断，切断过程中对钢管材料同时进行剪切作用和挤压作用，由上述的无屑滚切过程分析该无屑滚切工艺具有如下的特点：1) 效率高滚切速度为l3mm/s，与普通车削工艺相比，可提高工作效率l0倍以上。2) 材料利用率高因切断过程中不产生切屑，管材可得到充分利用。以切割加工10mm长齿坯为例，与传统的有屑切断工艺相比，材料利用率可提高20%左右，割件长度越短，效果越为显著。3) 精度高采用专门的机械定位装置，切割长度偏差不超过0.15mm，表面粗糙度可达1.6m。4) 断口直接成形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，本工艺所用刀具为内圆装轴承的圆刀片，楔角为单斜角，形状简单，因而易于加工制造，成本低廉；轴承为滑动轴承，安装、调整方便。6） 刀具耐用刀片只沿初始的割辙运动，无轴向弥隙，刀刃整圆参与切割，温升较慢较低，磨损量也小，不易出现崩刀现象。正常情况下，刀片平均耐用度可达到100min以上。2.3 工艺参数分析计算钢管材料为45钢, 管材长度L为10m，外径D为100mm，管材壁厚S为10mm，定长下料长度l为10mm，滚切精度为0.15mm，滚切余量为0.05mm，相当于10mm壁厚的钢管分200刀切断，每切一刀所需要的力是很小的，按钢管在5s内被切断计算分析。1） 滚切力的分析计算滚切力的大小表征滚切的难易程度，也是计算切削功率的主要依据；另外还是刀具选择和判断刀具磨损、耐用度的根据；最后对加工表面质量以及加工精度的预期判断的参考。众所周知力的作用是相互的，滚切力被认为是由与其大小相等、方向相反的滚切阻力引起的。滚切力包含以下三个方面的阻力： 抵抗钢管材料变形的变形阻力。我们把克服这种变形的力称为变形力，如图2.2中的Fr和Ft； 抵抗钢管材料分离的分离阻力。我们把克服这个分离阻力的力称为分离力，如图2.2中的Fa； 抵抗钢管材料与刀片之间摩擦阻力的摩擦力，如图2.2中的法向压力Fn所产生摩擦力。下面对滚切力进行理论分析：理想刀片的刀刃是前后两刀面的交线，但实际刀片的刃口并不是绝对锋利、规则的一条线，而是一个不规则的曲面。我们把这个不规则的曲面近似看作如图2.2中的b图所示的具有一定曲率半径的圆弧曲面。刀片刃口的这个圆弧曲面称为刃口圆角。当刀片切进钢管材料后，不仅刀片刃口与钢管材料接触作用，而且刀片前后的两个楔形刀面也与钢管相接触作用，这时钢管材料的受力情况如图2.2。为了简化计算，将图b简化成图c形式。刀尖顶点对钢管材料的压力最大，刀片的楔形刀面与钢管圆柱面的相贯线压力最小。如图b所示，各点的单位压力并不相同。刀片对钢管的径向压力F可以分解为对钢管的轴向分离力Fa1、Fa2，对钢管的径向变形力Fr、对钢管的切向变形力Ft和对钢管的正压力Fn。所以，这三个方面的力的作用效果分别克服了前面所述钢管材料的变形力、分离力和摩擦力。由前面的理论分析可知，刀片对钢管进行滚切过程中，变形力在整个滚切力中所占的比例要比分离力与摩擦力大得多。要顺利完成滚切，就必须克服变形阻力并形成一定的分离力和摩擦进给力。楔形刀片切入钢管材料的力克服了变形阻力，使钢管发生塑性变形并流动，同时，楔形刀片切入钢管材料的分离力使钢管材料轴向分离，并对刀片刃口部分的钢管材料形成拉拔作用，有助于楔形刀片的切入。刀片对钢管的正压力Fn形成刀片与钢管材料之间的摩擦力Fx，该摩擦力带动刀片转动使得刀片能够进行连续滚切，并且该摩擦力Fx的方向与刀片的滚切方向一致，是主切削力。主切削力与切削速度的乘积就是所要推导的切削功率，在后面的2.4中将对切削功率进行理论计算。下面对楔形刀片进行无屑滚切的滚切力进行理论推导。滚切过程中，沿刀刃和钢管之间的接触圆弧AB，钢管受到刀刃所施加的径向压力F，该压力是一种分布载荷，钢管承受到剪切和挤压的作用，如图2.2所示。为简化分析，可以假设刀刃作用于钢管的分布压力为集中力F，作用于接触圆弧AB的中点C。图2.2 滚切力分析图Z滚切余量，0.05mm/r,即2mm/s；钢管受到刀刃剪切作用，按照剪切力的计算公式有： （2.1）式中：钢管所受到的剪切应力，单位为MPa；F钢管所受到的径向载荷，单位为N；剪切面面积，单位为mm，极限状态是刀刃切断钢管的瞬间即刀片绕钢管公转的最后一圈，此时钢管直径为100mm,取刀片直径为80mm，滚切余量为0.05mm，接触刀刃刃口如图2.2中的圆弧AB，剪切面面积为弧弦长AB=21.2993mm（软件分析得到）乘上滚切余量0.05mm，由Pro/E软件分析得到数据为1.065mm2；钢管抗剪强度，单位为MPa,查手册得到45钢的抗剪应力为178MPa；钢管受到刀刃挤压作用，按照挤压力的计算公式有： （2.2）式中：钢管所受到的挤压应力，单位为MPa；挤压面面积，单位为mm，极限状态同，挤压面面积为弦长AB乘上刀刃刃口圆角直径，由Pro/E软件分析得到数据为21.1mm0.10mm=2.11mm2（0.1mm为刀刃圆角直径）；钢管的抗压强度，单位为MPa,查手册得到45钢的抗压应力为360MPa；通过代入数值计算得到刀具至少需要对钢管施加189.57N的剪切力和759.6N的挤压力，取安全系数S=1.3，工件受到刀刃所施加的径向压力放大为1000N。根据设备的实际工作情况并结合设备的具体参数，可算出极限压下量=0.2mm，而设备工作时刀具由于高速公转并自转，实际压下量仅0.020.1mm 。说明0.05mm的预期滚切余量是安全可靠的。2） 滚切割刀的选择刀具可用Cr12MoV或W18Cr4V材料制作，淬火硬度分别为58HRC和62HRC。由于刀片需要做公转运动和自转运动，所以刀具宜采用圆形刀片。在钢管的滚切过程中，刀片刀刃的剪切作用和刀刃侧面的挤压作用是刀片对钢管的基本作用。在相同的切削条件下，刀刃的切割作用和侧面的推挤作用将随圆形刀片的横向楔角的变化而变化。当割轮的楔角及刃口圆角半径都较小时则刀片是锋利的，其径向剪切作用更为显著，轴向挤压作用则相应减弱。但是刀片过于锋利其强度和刚度将不足。相反，如果刀片不够锋利，强度和刚度虽然得到保证了，但是剪切作用将减弱，挤压作用将增强，刀片将不容易切入钢管。对于一般的强度、硬度、塑性较好的软金属管材，刀片的楔角可取2835，对于强度、硬度较大的中硬材质的管件，则应适当增大楔角，可以取364213。本文刀片的楔角取40。圆形刀片楔角的形式有双斜角和单斜角。双斜角刀片对管材材料的挤压作用要比单斜角刀片要好，但是管材材料轴向的塑性流动方向将沿双轴向流动。单斜角刀片对管材材料的挤压作用比双斜角刀片要逊色，但是管材材料轴向的塑性流动主要沿刀片的斜面方向。由于本设计的落料长度很短（10mmm左右），夹紧处离刀刃很近，所以采用单斜角刀片，刀片斜面背对夹紧装置，使得材料大部分的轴向塑性流动往悬臂方向流动，利于滚切。而刀刃刃口圆角半径一般在0.0408mm之间选取，本设计采用0.05mm进行设计计算。3） 滚切变形分析滚切过程中时，随着楔形刀刃的切入，钢管在刀片的径向压力作用下，产生了剧烈而复杂的塑性变形。刃口发挥了剪切作用，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。前者是指材料向钢管内部流动产生的减径作用，后者则是滚切的主要变形。刀刃切入钢管后，部分材料沿切向流动，使工件微观上呈椭圆状。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。刀刃侧面发挥了挤压分离作用，钢管主要产生径向压缩、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，材料向钢管外径方向流动，致使工件延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，在整个滚切过程中沿整个圆周不断重复交替出现，随着滚切深度的增加将逐渐减弱，甚至接近消失。在滚切初期阶段，变形主要由刀刃刃口的作用而引起，随着滚切深度的增加，刀刃两侧对产生变形所起的作用越来越大。到滚切后期，连皮材料越来越薄，故径向压缩变形的阻力也越来越小。这时因刀刃两侧造成的轴向压缩变形而产生的轴向拉应力起主要的作用，当该拉应力超过材料的抗拉强度时，钢管就被切断。整个工作过程没有力的突变，不会产生系统震动和高频噪音。同时由于径向进给量很少（0.05mm/r），所以产生的毛刺也很小。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、滚切温度以及润滑条件等因索，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。2.4 切削功率的理论计算对无屑滚切工艺过程的切削功率进行理论计算，为后期的传动系统和和电气控制系统提供数据参考。2.4.1 理论假设影响切削功率有很多因素很，而且各个因素之间还有相互影响，因此精确计算切削功率是很复杂的问题。为了简化计算，在计算切削功率之前，根据该无屑滚切工艺的特点和材料的特点做如下假设： 假设刀片和钢管之间的相对运动为纯滚动，忽略两者之间相对滑动造成的影响，包括功率损失等。 忽略钢管材料轴向的弹性恢复量，45钢是弹塑性材料，切开表面会产生弹性恢复，但由于刀片很薄，变形量很小，使得钢管的轴向弹性恢复量很小，而且工件是空心钢管，也就是抗拉层（也叫做中性层）几乎不存在，因此，当刀片楔入钢管材料后，可以忽略钢管轴向的弹性恢复量，认为滚切力只对钢管材料进行剪切、挤压的作用，和克服正压力Fn所产生的摩擦力，进而忽略钢管的轴向恢复对刀片两侧面的压力。 假设刀片的径向压力F等于钢管的径向作用力Fr，由于刀片的径向压力F与刀片和钢管的连心线的夹角很小，可以认为F等于Fr。 假设刀片与钢管材料的有效摩擦面为两倍接触楔面面积，由于假设忽略了钢管的轴向弹性恢复量，所以可以忽略刀片接触斜面以及接触斜面的背面以外的接触面积。2.4.2 正压力的理论计算如图2.2所示，刀片能够顺利将钢管材料轴向分离的条件是Fr应大于或者等于钢管材料的抗压强度和抗剪。由上述理论假设可知Fr=F=1000N。根据几何关系得到正压力的理论计算公式如下： （2.3）式中：刀片斜角，40。代入数据得到Fn=1555.21N。2.4.3 摩擦面积的理论计算极限状态下的摩擦面积为刀片切断钢管的瞬间，利用Pro/E软件分析得到刀片刃口与钢管材料的摩擦面积为64.47mm2。由上述理论假设可知摩擦面积S为两倍接触楔面面积，S=64.472=128.94 mm2。图2.3 摩擦面积示意图2.4.4 切削功率的理论计算刀片对钢管材料进行滚切时，克服刀片接触楔面接触楔面与钢管材料之间的摩擦力Fx如下：Fx=Fn （2.4）=1555.210.15=233.28N式中：Fx刀片接触楔面与钢管材料之间的摩擦力，单位N；Fn刀片与钢管材料之间的正压力，单位N；刀片与钢管材料之间的摩擦系数，0.15。 （2.5）式中：P刀片的切削功率，单位kw；v切削速度，单位m/s； （2.6）第三章 系统方案设计运动方案设计是实现机械设计的关键一步，在机械设计中占有极其重要的地位。基于功能分析的机械系统运动方案设计方法，是一种既便于设计者掌握、又行之有效的方案创新设计方法。使用该方法进行机械运动方案创新设计时，首先对机械系统的预期功能进行分析，在此基础上尽可能多地寻找实现功能的机构，然后对各种可能的方案机构进行综合分析评价，并从中选择最佳方案以满足预期的功能要求14。3.1 功能要求我公司钢质齿环生产线需要对毛坯钢管（管长L=10m，内径d=80mm,外径D=100mm）大批量切断下料，下料长度l=10mm，钢管材料为45钢，以作为压铸齿轮的坯料。切断工艺技术上的难题，一方面是下料长度仅有10mm，属于定长切割，且有精度要求；二方面是壁厚有10mm，对刀片的强度、硬度、耐磨性、耐热性和切割工艺有很高要求。在此之前我们采用砂轮锯，其最大的弊端是切割余量有3mm左右，加上头尾废料最后成品率只有75%。另一方面工人操作生产时产生尖锐的高频噪声，工人长期从事切割工作对身体健康有严重危害，而从砂轮上磨掉的粉尘飘散到空气中伴有刺鼻异味，操作者必须佩带口罩和护目镜才能开展工作。此外，工人为了加快切管速度，往往三、四支钢管一起切割，由于砂轮的偏摆，导致所生产得到的产品长度尺寸误差偏大。用砂轮锯锯断的管材切口毛刺很多，切端面很粗糙，需经打磨去毛刺的附加工序后才能进入下道压铸工序，增加了生产成本，而且对压铸模具的寿命及使用都极其不利。在传统的机械加工中利用车床进行切断工件，工件是由车床主轴上的三爪卡盘夹紧后随主轴在一定的切削速度下旋转，然后由切刀或偏刀横向（径向）进给对工件进行切割。如果长的管材也按传统方法切割，使管材在一定的切削速度(8O150m/min)下旋转，钢管会出现大幅度的跳动甚至存在安全隐患，此时对管材进行切割加工是困难的、危险的。因此，要仿照车床的工作原理来完成钢管的切断加工，只能是使管子固定不动，刀具绕钢管转动而进行的切割15。鉴于以上情况提出，研究并设计开发一种新型切管机，能高效的对管材进行少无切屑切割，有效控制噪声和灰尘对环境的污染，降低电力能源消耗和操作工人的劳动强度。具体功能要求数据如下：钢管材料 45钢钢管长度 10m钢管直径 50100mm钢管壁厚 210mm齿坯长度 520mm滚切精度 0.15mm滚切节拍 10s3.2 功能分析功能是对技术系统输入和输出的转换所作的抽象化描述。根据上述要求，本课题即要切管机实现对钢管“滚切”这一总功能。而切管机的总功能又可分解为“滚”和“切”的功能，配合进给、定位和卸料的辅助功能。这些功能还可进一步细分为独立的功能元，功能元的求解过程是选择实用的科学技术原理，在此基础上可将各功能元载体进行技术综合，从而形成系统总功能的技术解决方案。根据上文论述的滚切工艺，要求钢管由配套的附属送料夹紧机构轴向送料，由切管机内置定位机构定位，定位动作完成后钢管被夹紧静止不动（送料夹紧机构在本文中不作描述，只给出功能要求），圆形