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邦迪管定尺滚切机
设计
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邦迪管定尺滚切机设计含7张CAD图.zip,邦迪管定尺滚切机,设计,CAD
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一、任务书中本阶段工作目标与任务要求根据任务书要求，本阶段需要完成的任务是：总体设计草图的设计、部件设计草图的设计、部分部件的分析与计算。二、目前已完成任务情况 目前，已完成滚切头部分机械结构设计、邦迪管矫直器结构设计、机床床身的结构设计、以及总装配图的设计、滚切部分切削力的计算、矫直部分矫直力的计算以及校核、夹紧部分夹紧力的计算以及校核、滚珠丝杠和电机的选型。1.滚切部分计算管直径3.89.8mm，切断长度200-2000mm，切断精度0.5mm，管材壁厚S为0.5mm-1.25mm，定长下料长度l为10mm，滚切精度为0.5mm，滚切余量为0.05mm，相当于0.5mm壁厚的钢管分10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。图1.1 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： 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， 钢管抗剪强度，单位为MPa通过代入数值计算得到刀具至少需要对邦迪管施加21.495N的剪切力邦迪管受到刀刃挤压作用，按照挤压力的计算公式有：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邦迪管的抗压强度，单位为MPa通过代入数值计算得到刀具至少需要对钢管施加18.94N的挤压力，取安全系数S=2，工件受到刀刃所施加的径向压力放大为43N。如图1.2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。可知Fr=F=43N。根据几何关系得到正压力的理论计算公式如下：式中：刀片斜角，30。代入数据得到Fn=220.83N。极限状态下的摩擦面积为刀片切断钢管的瞬间，利用inventor软件分析得到刀片刃口与钢管材料的摩擦面积为2.245mm2。假设摩擦面积S为两倍接触楔面面积，S=2.2452=4.49 mm2。图1.2 摩擦面积示意图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）=220.8.8960.15=33.43N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。 式中：P刀片的切削功率，单位kw；v切削速度，单位m/s； 2.滚切电动机选型按上一节切削功率的理论计算得到理论切削功率=105W。传动装置的总效率表示组成传动的各个装置部分运动副效率之乘积，即 其中：、.分别为每一传动副（带、齿轮）、每对轴承的效率。取带传动效率，滚动轴承传动效率故总效率初步估计主切削运动的传动系统的效率为则初步得到电动机需要输出的功率为 因为切削运动的转速为2400r/mim，根据经验选择电动机的同步转速（空载转速）为同步转速n=60f/P，式中：f电源频率；P电机的极对数（P=1、2、3、）。根据和，由JB3074-82标准选用电动机型号为Y80M1-2，其额定功率，满载转速，额定转矩2.2N.m. 3.滚珠丝杠的选择3.1 确定滚珠丝杠副的导程根据电机额定转速和X向滑板最大速度，计算丝杠导程。X向运动的驱动电机选择松下MDMA152P1V，电机最高转速为4500rpm。电机与滚珠丝杆通过减速器与联轴器连接，联轴器传动比为0.99，减速器减速比为3。轴向最大运动速度40m/min，即40000mm/min。则丝杠导程为实际取，可满足速度要求。3.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算根据压装力的大小，及工作台，工件总重量可求得滚动导轨副的直线滚动导轨选用FFZL3206型两根导轨副上共有四个直线轴承座安装在工作台上。查得FFZL3206型直线滚动导轨的C0a=32kN；法向载荷中静载荷最大为：P=M9.8=1629.8=1587.6N0时,得最大塑弯比为1.7，则最大弹塑性弯矩为1.7Mt。粗棒半径为R，细棒半径为r,r/R=a,可以得到管材的矫直力矩，在任意一点X处，外力矩和内力矩的平衡式为故可求得如果使材料的达到极限弹塑性弯矩时，可得将此值代入式（2-2）后，得带入管材的数据可得=48N/m,M=951.23N/m,F=778mN式（2-3）表示一条在材料中点产生“塑性铰”的塑性区分布规律的曲线，图2-7中的-x曲线。图4.2 -x曲线，M-x曲线在最大载荷情况下，极限弹塑性弯矩Mt发生在 处，即材料中点两侧0.21L范围内为塑性变形区S=0.42L. 铜的摩擦系数为0.15，根据资料可知，轮数为18时，矫直力大约为2800N，摩擦力为420N，总摩擦力为1680N，气缸夹紧产生的最大静摩擦力为8879N，远远大于总摩擦力，因此，可以夹紧，并且可以进行送料5.已完成结构图图4.1总装图图4.2 矫直器图4.3 滚切装置三、存在的问题和拟解决方法 在做二维图的设计时，有时结构细节存在一些强度和精度问题，轴承的两端支承需要用端盖支撑定位，而不能用轴端挡圈定位，会导致精度存在问题，使得切管时刀具引偏；在选择切割方式时，三刀，两刀，一刀的选择也很重要，因为存在安装精度的问题，安装精度不符合，则会使刃口形状产生很大的偏差，出现废品；在矫直问题上，是否钢丝矫直器的矫直力度可以满足邦迪管的矫直，以及相关矫直原理的适用性的问题；定位方式上，还没有具体确定定位反馈的方式，是用光栅尺作负反馈还是用编码器作半闭环反馈拟解决方法是，遇到的问题首先自己去查阅资料，自己解决问题，无法解决的问题，则去请教老师，经过老师的悉心指导，一定可以解决解决所遇到的问题。再有，画图时，一定要细心领会机械制图的要领，要以制造的眼光看问题，看看是否能制造出来，定位精度和切割精度是否满足。指导教师签字： 年 月 日四、系级教学单位审核意见：中期考核分数： 考核组长签字：年 月 日邦迪管路定尺滚切机设计摘 要邦迪管是一种独特的管材，大量用作汽车的燃油管、制动管，冰箱的冷凝管等。邦迪管对切削质量有很高的要求，但是我国现有的管材切割方式都存在各种不足，无法满足邦迪管的质量要求，因此，需要提出一种新的方案，设计一种机床来满足邦迪管的对切削质量要求，使邦迪管的切断面平整无屑，切割长度准确，切割效率高。本设计应用无屑切割原理，以简单实用为目标，应用电机作为动力源。滚切装置采用装配式刀盘，一把刀，两个刀托的形式进行切割，定位效果好；滚切装置的进给方式采用的是机械式进给，具体结构是应用斜块实现刀具的径向进给，易于调节，扩大了加工直径范围。在原理设计之后，根据文献资料给出的公式，对上述所涉及到的各部分部件进行了选型计算和校核。本设计完成的切管机工作效率高，切削质量较好，结构简单实用，易于维护，大大降低了工人的工作强度，对于企业而言，经济性可行。关键词：邦迪管；切管机；无屑；滚切AbstractBundy Tube is a kind of unique one and substantially used as the fuel manifold and brake pipe of a car, as well as the condenser pipe of the refrigerator, and so on. Moreover, Bundy Tube has high requirements for cutting quality, while Chinas existing methods of tube cutting are all unsatisfactory, and cannot meet the quality requirements of the Bundy Tube. Therefore, new solutions need to be proposed to meet the requirements of the Bundy Tube on cutting quality, so that the cutting edge of the Bundy Tube can be flat and smooth with high accuracy on cutting length and high efficiency on the overall cutting process.This design applies the principle of chip-free cutting, takes simple and practical as the goal and uses electrical machinery as power source. Rolling and cutting device adopts the fabricated cutter head, which is, cutting in the form of a knife and two knife cares, which can guarantee high accuracy of positioning. In addition, it uses the mechanical feed as the feed mode, and the specific structure is to apply the sloping block so as to achieve the radial feed of the cutting tool, which makes it easy to make adjustment and expand the diameter range of the machining. After the principle design, according to the existing formula, this design makes a detailed selection calculation and verification of each unit mentioned above.The tube cutting machine in this design enjoys high work efficiency, and good cutting quality. With simple and practical structure, it is easy to maintain, and greatly reduce the working strength of the workers. Therefore, it is economic and feasible for enterprises.Keywords: Bundy Tube; tube cutting machine; chip-free; rolling and cutting 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1课题背景及研究的目的和意义11.1.1管材切割方式分类11.1.2邦迪管简介31.1.3课题目的和意义41.2国内外切管机发展概况41.2.1国外切管机发展概况41.2.2国内切管机发展概况51.3 课题研究主要内容6第2章 总体方案设计72.1技术要求及设计目的72.2工艺及功能分析72.3方案设计及待解决的问题92.4本章小结10第3章 滚切装置设计113.1切割原理113.2切割工艺过程及特点123.3滚切装置方案的确定133.3.1 柔性切割133.3.2 刚性切割153.4滚切装置工艺参数计算173.4.1滚切力的计算173.4.2滚切功率的计算203.4.2滚切电动机选型203.4.3皮带的选型213.4.4轴承的选型和校核233.5滚切装置二维图253.6本章小结26第4章 定尺装置的设计274.1 定尺原理274.2 定尺装置方案的确定294.3定尺装置工艺参数计算324.3.1滚珠丝杠副的计算324.3.2伺服电机选择354.4夹紧装置的方案设计与计算374.5定尺装置二维图394.6 本章小结39第5章 调直装置的设计415.1 调直原理415.2调直装置的方案设计435.3调直装置的计算445.4调直装置二维图475.4本章小结47第6章48结 论49参考文献50致 谢52- V -第1章 绪 论1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1管材切割方式分类管材广泛地被用于机械、建筑、家电、化工等领域，我国每年的钢管使用量达数千吨以上，管的切断量很大，因此管材的加工技术是每个国家的工业基础技术之一，其中，对管材的切断和定尺技术是关键技术。大多数管材是通过盘成一捆的形式来进行售出，在实际下料时，需要调直和定尺切断。切割工艺的水平直接影响到产品的质量和精度1。金属管的切割方法有很多，传统方式手工切断方式无法满足高效率高质量的企业需求，于是，相应配套的用于下料工作的高性能金属切管机应运而生，用于切割各式各样、各种材料的管材。表1列出了各种常用的管材切割方式。表1 常用管材切断方式切割分类切割方法方法概述特点加工对象手工切割钢锯采用人力使用钢锯或滚刀，以钢管的相对运动方式切断钢管操作方便，刃口不收缩，但切管很慢、生产效率很低、切口平整度差小批量、小直径钢管滚刀切管器操作便捷，切割后断面平整，但容易出现缩口的现象机械切割砂轮切割用高速旋转的砂轮片进行切割生产效率很高、切割刀口位置准确，但刃口有毛刺57以下的管材便携式割管机以刀具与管材的相对运动的 方式切断体积小，易于携带，便于现场施工管径为32108的碳钢管、合金钢管等电动套丝机与滚刀切管器相同替代人力，效率提高，切割速度很快，切削质量高TQ型电动套丝机实用管径为150毫米锯床与手工钢锯切断相同替代人力切断管材大批量管材的切断热力切断氧气-乙炔焰切断用氧气-乙炔火焰进行切割对于不锈钢管、铝管、铜材制钢管的切割不适用DN100以上的普通钢管和合金钢管等离子切断应用等离子电弧使得工件刃口处的材料局部熔化效率高，质量好，切口不易氧化用于氧气-乙炔焰无法切断的合金钢管在上述管材切割方法中，锯切割方法对能源和材料产生了大量的浪费，并伴随着很多锯屑的产生，定尺精度和切削精度也不够，还要经常对锯片进行更换，影响了加工效率。在以车削为加工方式时，加工会产生切屑，原材料的成品率低，耗能又费材料。以砂轮切割为加工方法时，砂轮采用高速旋转形式对管材进行切割，切割过程中伴随着刺耳的噪音和很多的切屑形成，对砂轮片的磨损很大，需要时常更换。在热力切割方式中，气焊切割方式采用金属在纯氧中剧烈燃烧时会生成大量的热量并且生成熔渣进行管材的切割。这种法会产生大量的烟，刃口质量粗糙、对材料浪费率很大。新的切割方式比如激光切割的方式是利用激光束释放的能量使管材熔化、蒸发的原理进行切割，精度很高但是相关的的激光切割设备的造价相当贵，同时效率也相对较低。1.1.2邦迪管简介在各种管材中，邦迪管是一种独特的管材。邦迪管诞生于1920年至1940年的世界汽车工业大发展的二十年，各种新技术和新材料竞相诞生。当时很多的汽车制造商在寻求一种用来做汽车的制动管、燃油管的小直径金属管。这种管材需要具有一些特殊性能，以满足汽车制造工艺的需要：它必须像铜管易于弯曲且能够抗疲劳和耐高压。哈里邦迪先生是美国的工程师，他在生产实践中发明了一种新型管材，被称作邦迪管。与其他管材相比，有其独特的性能和特点。邦迪焊管又称铜焊钢管或双层卷焊管。它是用高精度镀铜钢带经专用轧机卷轧成型后送入还原性气氛的焊炉中，以双层管壁360结合面上的铜为钎料钎焊而成。形成的管材不但可以提供光滑的连接，而且还抗震、耐腐、高寿命、抗裂性能好、具有高清洁度、高精度，能够达到极好的使用性能。邦迪管的生产工艺流程见图12。邦迪管的用途决定了它在加工时切削刃口要平整，切断长度要准确。图1 邦迪管生产流程图如图所示邦迪管的工艺流程，高精度的优质冷轧低碳钢带经过开卷机开卷并测厚，使用低碳量的润滑油，使邦迪管内部十分清洁，到达轧机进行轧制成型，用飞剪方法对钢带进行剪切，涂黑漆之后送到钎焊炉中进行钎焊，最后经检验吹净到达矫直机进行矫直，继续检验探伤之后盘卷成型。1.1.3课题目的和意义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3。在本文上述的切管方式中，如有用锯切、用车床切断、电火花切断、用砂轮切断、气焊切断等等的各种加工方法。然而，这些切割方法都多多少少地存在效率低、刃口质量差、人员劳动强度大等的缺点。综上所述，为了顺应当今时代机械工业的生产的发展，切管机的切管的过程应该达到以下要求： 达标，即切断后的管材的尺寸、粗糙度能够满足所需要求； 高效，即工人的参与时间少，机械的可以自动进行机械化生产； 节约，即切削过程尽量少地产生切屑或无切屑、工具磨损程度小； 节能，即尽量减少切割时对能源的浪费；在自动化快速发展的今天，谁可以开发出自动化程度高，定尺精度高，切削精度、质量高的切管机，谁就可以在竞争激烈的市场上占有一席之地，本设计通过一系列方案提出讨论论证，筛选出最高效，质量最高的邦迪管切割方式，定尺方式，完成邦迪管路的定尺滚切机设计，所设计的切管机与传统的切管机相比，有如下优点：精密切割，切割后邦迪管刃口毛刺很少、表面质量很高、全自动化、切割方法简单、效率高；定尺精度高。1.2国内外切管机发展概况1.2.1国外切管机发展概况机械工业的快速发展使自动化观念深入人心，在钢管切断领域也诞生了自动切管机。市面上有许多种切管机,根据加工方式的不同，可以分为冲压剪剪断式、车刀切断式、旋刀式、碾压式还有锯切式等等4。在切管机、纸管机、卷筒式纸分切机领域，日本属于第一梯队；韩国、马来西亚等国家紧随其后；在欧洲，意大利对包装机械装备和相关设备的生产线的更新最积极。切管机行业越来越向着规范化、组装化、综合化、系列化的方向发展。国外的切割机械主要向着便携式和精密数控切割机械方向发展，图2中是美国的艾默生公司设计生产的电动割管机，能够快速便捷地切割钢管等管材。配备快速方便的脚踏液压泵，切口干净整齐，无金属碎屑，结合轮附件可从事倒坡口作业53。图2 258型电动切管机 另外，国外自动切管机更看重高速加工和高精度加工；全自动切管机被各行业应用，因此切管机被设计成可以实现多任务和多轴同时加工的模式；对机械设备与机器人进行集成，使应用范围更加广范，运动速度有了大幅提高，多种传感器配合工作，自动控制，自动反馈；生产过程的检测技术也在高速发展，通过检测设备的检测可以获得设备的即时信息，基于设备的即时信息针对设备进行调整。控制的方式也由单一化走向多元化，切割机的控制方式越来越简单快捷，更加智能化7；采用最新的机床误差检测与补偿技术，与传统技术相比，可以提高大约3倍精度；刀具的生产技术发展十分迅速，新型刀具能够满足加工时的平稳以及对抗振性能、切削性能的要求57。1.2.2国内切管机发展概况当今我国切管机行业的状况是拥有量大，但设备水平落后，低档设备多、高档的设备少、自动化程度低和效率低。并且我国没有掌握高档的切割设备的关键技术，需要大量进口数控切管机设备，在发展速度上，落后于韩国、台湾等国家和地区8。中国工业设计协会理事长朱焘先生认为，中国切管机业若要实现升级的目标，一定不能忽视关键一环设计，而中国在工业设计方面还是出于人才匮乏的阶段。国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)中16个重大专项其中一项就包含高端切管机的研发与制造。随着我国经济和科技的不断发展，对自动切管机的需求规模将日渐扩大，近几年切管机的市场份额上升相当快，成本价格的不断下降，也不断被中小企业所接受，全自动切管机将逐步进入多个市场领域，市场前景十分可观。综上所述，我国拥有的切管机与国产切管机相比，有相当大的差距，因此我国的切管机行业必须创新改进，实现从根本上的升级改造。1.3 课题研究主要内容本课题要设计一台邦迪管的定尺滚切机，邦迪管的定尺长度和内外径有一定范围，要有一定的通用性，使用滚切的形式进行管路的切割，必须要有高效且高质量的切割效果，实现自动化的邦迪管定长切割。研究的基本内容大致有以下几方面：(1)确定总体方案广泛收集现有的无屑切管方案，并进行对比和比较，在此基础上提出新的方案，并确定最终的方案。(2)分析无屑切削的原理对无屑切割的运动进行分析，并进行受力分析，计算出所需的功率参数和力的参数，以此来确定无屑切割部件的参数设计。(3)定尺装置的设计针对目前的定尺方式进行分析和对比，比较优缺点，并提出较合适的定尺方案。(4)部件的选型及计算在确定各部分方案之后，针对方案进行零件的选型和部分部件设计及其校核，并完成零件图和总装图的绘制。第2章 总体方案设计2.1技术要求及设计目的根据给出的任务要求，将切管机的原始技术要求列出如下表：表2.1原始技术要求调直最大速度40米/分管直径3.89.8mm切断长度200-2000mm切断精度0.5mm。邦迪管材料双层卷焊钢管，表面镀铜邦迪管壁厚0.71mm所设计的自动切管机，要能够实现自动切管，自动送料，继续切割循环工作，并且切割的管材刃口质量高，定尺精度高，可以投入批量生产，使自动化水平提升，效率提高，节约人力成本的目的。本设计的切管机主要用于对邦迪管的定长切断。与其他普通切管机相比，具有自动化程度高、无刃口毛屑、工作可靠、效率高、定尺精确等特点，尤其在汽车和冰箱的制造领域，邦迪管作为制动管和冷凝管的最佳材料，本设计的机床所参与的工序往往被用作加工的第一序，因此，本机的各方面质量决定了后续工序能否顺利进行。2.2工艺及功能分析在实际的切削加工过程中，工人首先将邦迪管放入调直装置的调直辊中，由定尺装置夹紧，定尺装置推进到定位点，定位装置推动钢管进给到定位点，前夹紧装置夹紧，后夹紧装置松开，定位装置复位；滚切刀进行滚切；滚切刀停止转动，拉断装置拉断。完成一次切断过程。其中夹紧装置分为前加紧装置、中加紧装置和后加紧装置。工艺流程如下图2.1所示。 图2.1工艺流程图根据邦迪管切断的工艺分析，可以得到所设计的机床要实现的如下功能：（1）调直功能。邦迪管进料时是盘装放在进料盘上的，切断第一步即是调直，要有一个可以有效调直管材的调直装置来进行调直，碍于空间布局，调直部件不能过于庞大。（2）定尺功能。设计伺服系统，定尺的实现通过与送料机构结合的方式进行，并与滚切机构进行设定，滚切的时机与定尺送料时机相吻合，达到定尺切割的效果，保证尺寸精度。（3）滚切功能。对滚切刀头进行设计，要实现无屑切割的主运动以及进给运动，要能够实现准确的运动模式，切管时的进给，滚切后的退出。(4)其他功能。其他功能主要有夹紧功能，能够实现对邦迪管的有效夹紧；送料功能要可以实现尺寸的准确定长等。2.3方案设计及待解决的问题根据功能分析，可以得到为了实现的所需功能所设计的机床的要设计的几大部分装置，并根据以上进行的工艺分析，按照工艺流程对所要设计的几大装置的布置方式如图2.2所示。图2.2 主要装置布置简图确定了实现所需功能的部件之后，需要具体地对主要部件进行设计，需要主要解决以下问题：（1）调直装置：需要参考相关文献并结合所提供邦迪管的尺寸，确定什么样的调直辊适合邦迪管的调直；多大的调直辊可以完成邦迪管的调直；多大的调直力可以完成邦迪管的调直；如何调整调直辊调直间隙的量，以满足不同的管径的邦迪管的调直。（2)定尺装置：如何进行机械结构的设计使得定尺装置与送料机构结合；如何实现管材的定尺；采用什么样的反馈方式；各种反馈方式有哪些区别。（3)滚切装置：对滚切刀头进行怎样的设计可以实现切削主运动、进给运动和辅助运动；有几种切割、进给方案；如何简便地设计切割头可以产生无屑剪切的效果；如何合理地设计结构实现准确的运动模式，切管时的进给，滚切后的退出。以上都需要进行相关的原理论证和结构设计。（4）辅助装置：主要是夹紧装置，采用什么形式的夹紧装置可以有效夹紧邦迪管并不产生压溃的效果；施加多大的力可以实现夹紧的效果；夹紧力源如何选择以及选择的理由。为了得到最终的合理方案,对提出的各种方案进行原理的分析研究。完成的工作主要是切管机中的切管机的滚切部件设计,定尺送料装置和矫直辊部分的设计。包括方案的原理分析，总体的机械结构设计，关键部件的选型与校核，电动机的选型，最后总装配图和部件图的绘制，以及零件图的绘制。2.4本章小结本章首先列出原始的技术要求，根据技术要求进行功能和工艺分析，在了解了加工过程之后，根据加工过程中要求的功能，对切管机进行了所需装置进行了分析，并在工艺流程的基础上，对各部分装置的空间位置和加工顺序进行了总体设计及分析，最后列出了之后要解决的问题和需要进行的任务，为接下来的章节进行一个总体的概述。第3章 滚切装置设计3.1切割原理在传统的利用车床切断工件的过程中，三爪卡盘夹紧工件并带动工件旋转，车刀从工件的径向进给，以此来切割工件。但是此种方法有较大弊端，由于管材较长，在车床上切割时会产生很大幅度的跳动，并且车刀在径向进给过程中，由于管壁较薄，会使管材弯曲，而且在普通车床上批量加工管件的成本也很高8，因此，采用车床对管材进行加工的方案不可取的。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9。由于对邦迪管有切削质量的高要求，因此邦迪管的切割采用的是无屑切割。无屑切割是一种冷加工，即采用旋转刀片对管材进行冷加工使得管材发生塑形变形，管材产生材料的流动，以此达到无屑的目的。在众多不同形式的切管机中，以刀旋式为切割方式的切管机刃口质量很好，切口断面粗糙度低，适用于一些对工件表面，在这些需要大批量精密切割钢管的场合, 其他切管机因为切口有毛刺、飞边、切屑多等问题而无法达到要求10。 1.滚切刀 2.管材图3.1行星式滚切示意图刀旋式切管机的切割原理是利用的是刀片环绕管材的行星式切割方式(如图3.1所示)。行星式切管方式采用的管材夹紧不动、刀具在管材截面上旋转的切割的方式。这里采用的无屑切削运动有以下三种运动：（1)主运动:刀片环绕邦迪管进行切割，刀片的旋转轴线是邦迪管的中心轴线;(2)进给运动:刀片向着邦迪管的径向移动，切入邦迪管后实现切割;(3)辅助运动:对邦迪管的夹紧，邦迪管的送料运动等等。采用三把刀同时切削，具备自动定心的作用，又可提高切削效率，使管材保持几何精度。3.2切割工艺过程及特点在加工过程中，切削的过程大致为：刀片围绕着管材进行行星式旋转，管材被夹紧装置夹紧不动，此为主运动，之后刀片在进给装置的作用下产生径向进给运动，此时刀片与管壁之间会产生摩擦力，在摩擦力的作用下进行刀片会进行自转，此时刀片在围绕着管材公转的同时，自身也会有转动，刀片开始切入管材，当达到管材材料的屈服极限之后产生塑形变形和流动，刀片旋转若干周之后，管材被刀片逐渐切薄，最终在加紧装置的辅助拉断作用下切断。实际操作中，三把刀具的旋转对于切割是最有利的，效率高而且自带定心准确的特性，但是在实际操作中，三个刀片或者两个刀片不可能安装的时候保证刀刃在同一条直线上，如果三个刀片在安装时刀刃放置的位置不在同一垂直线上，所带来的后果就是使得管材表面有多道切痕，最后管材则是以粗糙的方式切薄，最后拉断时，两段管材将从多出切痕断开，使得刃口质量变得很差，刃口会有很多毛屑，影响加工质量，若要继续加工，则需要增加清毛屑的工序，费时费力，还会污染环境，并有一定的安全隐患。因此，只能使用一把刀具进行加工，而用一把刀具进行加工时，所带来的另一个问题就是无法定心准确，产生割偏的现象。因此，我设计的方法是，采用两个刀托代替两把刀具（见图3.2），虽然切削效率有所下降，但是换来的是切削质量的提高，两把刀托的作用不但起到了支起管材的作用，而且可以支持剩下的一把刀具定心准确，两相比较，效率也有所提高。图3.2 改进刀托示意图采用上述的切割方式有以下几个特点：（1）材料的利用率很高。因为采用了冷加工的方式，无切屑产生，材料可以得到充分的利用，比传统的有屑切割材料的有效利用率高出20。（2）断口的形状容易控制。由于几乎是一次切断成型，断口形状由刀片的刃口形状决定，因此断口的形状容易控制。（3）精度很高。采用机械式进给，切断时，落刀快速，并不发生回复现象，在提高了定尺精度的同时也提高了产品的形状精度。（4）经济型好。采用直接采购的内装轴承刀片，由于切割时每次进给量不大，不容易崩刃，而且市场供给量大，刀具便宜。3.3滚切装置方案的确定在关于滚切装置的方案设计中，根据进给方式的不同，大致可以分为柔性切割和刚性切割，柔性进给是利用弹簧或者惯性进行回复，利用配重块进行进给，由于进给的形式是依靠滚切装置的惯性，并不是依靠机械式的结构，故称之为柔性进给；而刚性进给则相反，依靠的是机械结构的特点，在空间上实现径向进给。3.3.1 柔性切割方案一：方案一是利用的弹簧作为回复装置，工作时，刀盘1高速回转，配重块2与一同连接在摆杆3的刀片7绕着销轴8旋转，配重块2由于离心力的原因，向刀盘外甩出，调整配重块的质量就可以得到不同的进给量，刀片2在配重块的带动下能够实现径向进给，以此来切割管材，限位销4和5起的是限位作用，弹簧9起的是复位作用（见图3.3）。1.刀盘 2.配重块 3.连杆 4.上限位销 5.下限位销 6.固定螺母 7.刀片 8.销轴 9.弹簧簧图3.3 方案一柔性进给结构原理图方案二：方案二同样是利用惯性进行进给，切割刀头3高速旋转，带动配重块向外甩，利用中间的杠杆2将向下的运动形式传递给安装在杠杆另一端的配刀块上的刀片4上，刀片4向下进给，实现径向运动，以此来切割管材。同样的，通过调整配重块的质量大小，再利用配重块的惯性实现进给量的调整。（见图3.4）1.配重块 2.连杆 3.切割刀头 4.刀片 5.管材 图3.4方案二柔性进给结构原理图下面针对柔性切割进行分析。优点：（1）无额外动力。柔性进给采用惯性作为动力，利用杠杆原理运动形式传递给刀片，不需要添加额外的动力实现径向进给；（2）切割过程中利用回弹装置可以保护刀片；（3）由于回弹的特性，可以切割非园截面；（4）结构简单经济性好。（5）利用配重块的质量即可调整进给量的大小，简单方便。缺点：（1）进给压力不稳。由于采用的是柔性切割，会有一定的回复弹力，在压下过程中进给压力不稳定，难以实现有效的进给压力，限位销容易损坏，容易产生飞边毛刺。（2）进给量无法准确设定。进给量的调节是通过配重块的质量大小进行弹性调节，由于进给量的大小与多种因素有关，无法准确衡量进给量的大小，对于需要调节管材直径的加工时会带来是否切断的问题。（3）管材质量可能无法保证。在方案二中，刀头部分又组成了一个杠杆，在径向进给过程中，刀片无法保持垂直，进而对管材的切割产生了斜向切割的可能，因此会使管材的切割质量无法保证。3.3.2 刚性切割方案三采用刚性切割，推力轴承座1静止，推力轴承座2转动，带动刀片4和刀托5高速旋转，在管材到达指定位置后，推力轴承座1向右轴向运动，推动推力轴承座2轴向进给，进而带动连接在推力轴承上的斜块，斜块中的滚轮向下运动，滚轮与刀片和刀托相连接，在一系列的运动联系下，刀片向下进给，实现进给运动，刀片将管材进行切割。1. 推力轴承座1 2.推力轴承座2 3.斜进给块 4.刀片 5.刀托 6.管材 图3.5 刚性进给结构原理图下面对该方案进行分析讨论。优点：（1）轴向进给和高速旋转两个运动是相互独立的，互不干扰，分别有各自的动力源，在上料的过程中，高速旋转运动可以不停止，保证了管材滚切加工的连续不停止，生产效率得到了很大的提升；（2）一把刀片和两个刀托成三角形布置，定心性很好，在高速旋转的过程中，动平衡的控制也得到了相应的保证；（3）采用了机械结构的刚性进给，进给过程中相对于柔性进给灵敏度很高，压下力稳定，保证了切割过程的平稳进行；（4）轴向进给所采用的斜块角度可以调节，能得到不同的进给量，进给量可以调节，对于加工范围有所扩大。缺点：（1） 实际实现的结构会相当复杂，存在带轮传动和气动传动两个力源；（2）对加工精度的要求比较高，尺寸精度达不到则容易出现废品；（3）限于空间，对结构设计的要求比较高，要求不能占用过大空间，而且要实现相应的功能。经过以上综合分析比较，采用刚性进给的方案。3.4滚切装置工艺参数计算3.4.1滚切力的计算管直径3.89.8mm，切断长度200-2000mm，切断精度0.5mm，管材壁厚S为0.5mm-1.25mm，定长下料长度l为10mm，滚切精度为0.5mm，设滚切余量为0.05mm，邦迪管的壁厚为0.71mm，即需要一次14刀来把邦迪管切断，按钢管在5s内被切断计算分析。在加工过程中，滚切力决定了滚切的难度大小，所需要的功率的大小，滚切力还会影响刀片的材料的选择。刀片对管材的力的关系如图3.6所示，刀刃形状有双侧刀和单侧刀之分，在实际计算时，两者是一样的，在这里我们选择单侧刀刃做分析。加工过程中产生的滚切力我们认为是，与其等大反向的阻力所平衡。在滚切过程中，滚切力主要有以下的力组成:切入管材的力，我们称其为切入力，即图2.2中的Fr和Ft；将管材材料分离的沿邦迪管轴向方向的力，即图2.2中的Fa；管材与刀片产生的法向压力Fn；Fn附带产生的刀片于管材的摩擦力。钢管材料的实际受力情况应该如图3.6所示，但是为了简化计算，将分散力简化成集中力进行计算，即图c的形式。当刀片的切入管材时，使管材变形的力是最大的力，要大于摩擦力和轴向力，刀片切入管材，使得管材的材料产生了流动，进而产生塑性变形，使得管材材料沿着刀片的两侧流动，产生轴向的分离，刀片与钢管材料之间会形成正压力Fn，Fn由于邦迪管与刀片的相对运动产生的摩擦力Fx，刀片进行自转依靠的就是这里的摩擦力。在滚切的过程中，如图3.6所示，刀片和邦迪管材料之间存在接触的部分为AB，刀片在管材上有压力F，压力F是一种分布载荷，如图3.6所示。为方便分析，将分布载荷简化为集中力，取C点为受力点。以下是对滚切过程中力的具体推导和功率的计算。图3.6 滚切力分析图Z滚切余量，0.05mm/r,即2mm/s；刀片对邦迪管的剪切力的公式： 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， 钢管抗剪强度，单位为MPa代入数据得到邦迪管要承受21.495N的剪切力刀片对邦迪管挤压力的公式：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邦迪管的抗压强度，单位为MPa代入数据得到邦迪管要承受18.94N的挤压力。取安全系数S=2，将工件受到刀刃所施加的径向压力放大为43N。如图3.6所示，邦迪管材料的顺利分离的条件是刀片对邦迪管的轴向分离的力大于邦迪管的相应的强度，即抗拉和抗剪强度。可知Fr=F=43N。由几何得的公式为：式中：刀片斜角，30。代入数据得到Fn=220.83N。邦迪管与刀片的摩擦接触面积利用inventor软件分析得出为2.245mm2。假设摩擦面积S为两倍接触楔面面积，S=2.2452=4.49 mm2。图3.7 摩擦面积示意图刀片对邦迪管的滚切过程中，需要客服的摩擦力Fx计算如下：Fx=Fn （2.4）=220.8.8960.15=33.43N式中：Fx滚切刀片和邦迪管之间的摩擦力，单位N；Fn滚切刀片和邦迪管之间的正压力，单位N；滚切刀片和邦迪管之间的摩擦系数，0.15。3.4.2滚切功率的计算式中：P刀片的切削功率，单位kw；v切削速度，单位m/s； 3.4.2滚切电动机选型由上一小节的推导得到的切削功率=105W。传动装置的总效率是各部分部件的效率的乘积，即其中：、.分别为每一传动副（带、齿轮）、每对轴承的效率。取带传动效率，轴承的效率，因此总传动效率为0.72即为初估的主要的切削运动的效率是电动机要进行输出的功率是 切削时滚切刀头的转速是1200r/min，选择电动机空载时的的同步转速为同步转速n=60f/P，式中：f电源频率；P电机的极对数（P=1、2、3、）。根据和，由JB3074-82标准选用电动机型号为Y2-80M1-4，其额定功率，满载转速,额定转矩2.3N/mm。表3.1 Y2-08M1-4的主要性能型号额定功率满 载 时转速r/min电流 A效率 %功率因素Y2-80M1-40.5513802.05750.756.02.32.33.4.3皮带的选型带传动的传动形式也非常丰富，带传动的类型有交叉传动、有开口传动、半交叉传动和张紧轮传动等。本次设计结构简单，开口传动即可满足传动要求，所以选择开口传动。下面进行设计计算。a.选择普通V带型号 由表5-4查得载荷变化小时的工况系数KA=1.3求得设计功率为：Pd=KAP=1.31.5 =1.95KW根据以上数据查表选型选取B型V带型号b.确定带轮基准直径查找相关文献和带轮直径选型图，可以选取带轮的直径为dd1=160mmdd2=idd1 =1.25160=200mm选取标准值系列的dd2=200mmc.V带带速的确定V=ddn601000 =1601200601000 =10m/sd.带长、两轴间距和包角的确定带长的估算公式为：0.7dd1+dd2a02dd1+dd20.7160+200a0120e.计算所需V带的根数由单根V带的许用功率表5-7查，P0=4.56KW,由单根V带所能传递的转矩的修正值表5-8得知T=2.9,由传递功率增量计算公式： P0=0.0001Tn1 =0.00012.92400=0.696KW由包角修正系数表5-9得知K=0.98,由带长修正系数表5-10得知KL=0.90由带根数计算公式：z=Pd（P0+P0）KKL=1.954.56+0.6960.980.90=0.8根取z=1根f.张紧力的计算B型V带单位长度质量q=0.17kg/m，根据张紧力计算公式：F0=500Pdvz2.5K-1+qv2 =5001.952012.50.98-1+0.17202 =696.6Nf.作用在轴上的压力的计算根据作用在轴上压力的公式：Fr=2zF0sin12 =21696.6sin174.52 =1391.6Ng.带轮的结构带轮结构采用孔板式结构。3.4.4轴承的选型和校核3.4.4.1轴承的选型在滚切装置当中，大部分部件承受的是径向载荷，轴向载荷很小或没有，速度很高，因此采用深沟球轴承，深沟球轴承对径向载荷的承载效果比较好，对于轴向载荷也可以在一定范围内承受，摩擦力小，转速范围高，结构简单易于维护，价格便宜，经济性好。因此采用深沟球轴承。滚切装置最重要的是径向运动的实现，在前面方案设计中，采用的是推力球轴承带动斜块实现径向进给，推力轴承适用于速度不太高的场合，且只能承受轴向载荷，在推力轴承中，有单向推力球轴承和单向推力滚子轴承之分，相对于球轴承来说，滚子轴承承受的力更大，但是相应的所能适应的转速范围更低，更适用于低速重载，因此这里选择单向推力球轴承。经过查找相关文献，得到了内径120mm的推力轴承极限转速为1400r/min，满足切削速度1200r/min的要求。3.4.4.2轴承的寿命计算（1）滚动轴承的寿命计算轴承预期寿命：a.求轴承受到的径向载荷FN 由皮带计算部分可知，轴承所受径向力为1391.6N，加上轴承承受的其他部件的重力，可得到FN为：FN=1450N不存在轴向力b.求轴承当量动载荷P1和P2X=0.56轴承运转是有轻度冲击的运转，按照课本表11-7，fp=1.21.5,取fp=1.4.则p1=fpXFr1=1.40.561450=1136.8Np2=fpXFr2=1.40.561450=1136.8Nc.验算轴承寿命因为P1= P2，所以按轴承的受力大小验算LN=10660n1CP1Z=106601200162001136.83=40192hLh 故支承端盖上的两个承均满足要求。（2）推力轴承的寿命计算预期寿命：根据推力轴承的受力特性，由参考文献的公式可以得到：基本额定动载荷：Ca=fcZ23DW1.8=412kN基本额定静载荷为：Coa=130kN轴向当量动载荷,经查找文献得，Pa=Fa=17.5kN带入寿命计算公式：LN=10660n1CP1Z=10660120041217.53=181236hLh静载荷验算：查找有关文献得知，推力轴承当量静载荷为轴向力Fa,即P0=17.5kN,远小于基本额定静载荷Coa=130kN3.5滚切装置二维图3.6本章小结本章从无屑切割原理出发，讨论了无屑切割的运动分类，工艺特点，并在此基础上通过查找相关资料，将无屑切割运动根据进给方式的不同分为刚性切割和柔性切割，并讨论了两类方案的不同之处；综合了各种方案之后，提出了自己的方案，即利用推力轴承带动斜块的方式实现径向进给；将方案具体化到了零件上，对滚切装置中所用到的关键的零件进行了选型和校核。第4章 定尺装置的设计4.1 定尺原理定尺，是确定尺寸的简称，对于邦迪管切割而言，长度是邦迪管的一个重要的外形尺寸，因而定位精度在钢管切割时的重要性是显而易见的11。从理论层面讲，定尺的方式有两种，一种是基于机械的定尺，另一种是利用伺服系统的定尺方式。（1）机械定尺方式，对于机械定尺方式，是利用调整夹紧液压缸与限位挡块的距离来进行定尺的方式。如图4.1所示，夹紧液压缸夹紧管材之后进料液压缸推动加紧液压缸进行进料，当夹紧液压缸上的装置触碰到限位挡块时，PLC伺服系统处理信号之后使得液压缸带动锯片向下移动开始切断运动。切割完毕之后，加紧液压缸将管材放松，回到起点，在下一次切割开始后，重复上述过程。图4.1机械定尺方式原理图机械定尺方式的优点是显而易见的，即采用几个限位开关作为信号源反馈以确定管材的位置，结构简单，成本低，比较适合大批大量生产，但是机械定尺方式的致命的问题就是冲击的问题，夹紧液压缸上所在的移动装置与限位挡块之间没有缓冲，到达限定位置时产生刚性冲击，会使邦迪管的定尺精度下降，并且调整方式也很不方便，对于需要各种尺寸长度的邦迪管加工而言，每次都需要调整移动装置到限位挡块的距离，一定程度上限制了加工效率。（2）利用伺服系统的定尺方式第二种方式是基于伺服系统的定尺方式，采用步进电机或者伺服电机，通过编码器或者光栅进行反馈。针对反馈方式的不同，可以分为开环，半闭环和闭环三种控制方式，对于开环系统，仅有步进电机作为驱动力源，步进电机按照控制系统的指令进行送料，是否送到指定位置无法得知，步进电机受各种元气件的加工精度影响，还有机床的震动等外部因素，会出现失步的现象12-14；半闭环是采用编码器与步进电机的方式，编码器将步进电机的转动角度传给PLC控制系统，PLC控制系统将编码器的数据进行对比，对步进电机进行控制，半闭环可消除一定的步进电机失步的现象。但对控制回路外的影响因素，如由传动装置的磨损、变形等引起的定位精度降低则无法消除56；全闭环控制是利用一个距离测量装置，譬如光栅尺，以光栅尺测量夹紧液压缸的位移，并以之作为位置环反馈量控制电机，这种方式称为全闭环控制15。全闭环控制精度最高，检测原件本身的是否出现偏差决定了它的测量误差的大小，以及安装过程中是否有倾斜等，全闭环控制弥补了半闭环控制过程中的误差，但高成本的弊端限制了它的应用，精度高带来的另一个问题就是维护很麻烦。图4.2定尺方式原理图如图4.2是利用伺服系统的定尺方式原理图，如图所示，步进电机使丝杠旋转进给，装在丝杠上有一个移动平台，移动平台上装有夹紧液压缸，夹紧液压缸将钢材夹紧，移动平台在丝杠的带动下进料，整个装置装有编码器或者光栅作为反馈，控制系统控制丝杠螺母副转的圈数，旋转指定的圈数之后，电机停止转动，同时，进给液压缸实现径向进给，带动刀片切断邦迪管。除了以上介绍的两种通用的定尺原理，具体而言现在常见的定尺方式是采用定尺小车的方式，定尺小车移动至指定的距离点上，通过一系列的机械结构，定尺机构上的挡料装置顶在管材的头部，从而进行切割，大部分采用定尺装置移动的机械装置应用的都是将动料的头部顶住再进行切割，区别只在于采用的测量距离装置不同，有才有螺旋式进给，丝杠螺母传动，液压缸传动等等。但是上述所采用的定尺机构对于邦迪管的定尺切割是不适用的，虽然这些机械装置结构比较容易维护、故障率低。但是也存在着在挡管材时施加的力不稳定，由于邦迪管直径比较细，管壁较薄，在挡板的冲击下极易弯折。经过一段时间的工作后，会影响到定尺装置的定尺精度16。因此传统的对于大直径管材的定尺方式不适用于邦迪管的定尺，需要另寻他法。4.2 定尺装置方案的确定下面分别阐述不同方案的优劣。（1）方案一：方案一如图4.3所示，是由测长轮和牵引轮组成，中间连接的摩擦力很大的皮带，利于送料的进行，皮带的质地较软，防止划伤管材的表面。电机开启后，牵引轮带动皮带转动，摩擦力带动邦迪管进行进料，向前送料，经过测长轮时，测长轮与管材同步旋转，测长轮的支撑轴连接编码器，编码器可以发射脉冲给控制系统17，已知编码器每转发射的脉冲数，测长轮的直径也是已知的，因此，可以利用脉冲数来间接测量测长轮的转动圈数，由于测长轮和管材是同步前进的，因此，测长轮的旋转就可以直接作为管材的前进的长度，以此就确定了管材前进的长度。图4.3 方案一定尺原理图方案一的优点：1）结构简单，经济性好，依靠测长轮的转动就可以测出管材的位移，当到达预设的长度时，可以依靠夹紧来使得管材停止；2）节约空间，不需要像机械定尺那样的长距离反复测距；3）送料与定尺相结合，一体程度比较高；4）采用半闭环控制，采取控制系统和编码器的组合方式，使得调整定尺长度十分方便。5)采用比较柔和的进料方式，对管材的保护效果好，停止时还会有一定的缓冲。当然，方案一的缺点也是显而易见的：1）对压下力的调节要求比较高，压下力小，则起不到送料的作用；压下力过大，则会使得邦迪管压弯；2）由于是使用摩擦力进行进给，滚动摩擦是最好的进料方式，然而实际过程中无法做到真正的滚动摩擦，大多数是滑动摩擦，滑动摩擦无法保证管材与测长轮的同步进料，则定尺的精度下降很大。3）定尺停止时，由于是皮带传动，会有摩擦力的影响，有一段缓冲位移，即是测长轮立即停止，在摩擦力的带动下，管材会有一段惯性位移，使得定尺长度出现偏差，导致出现残次品。（2）方案二方案二是采用基于伺服系统的定尺方式，如图4.4所示，A是滚珠丝杠带动的移动平台，移动平台上装有气缸，B为夹紧气缸,C为拉断气缸，在切割的最后一步，C起到拉断的作用，在送料过程中，B,C先松开，移动平台夹紧管材向切割刀头方向进给，到达指定位置后，B,C夹紧，A松开并回复原始位置等待下次送料，此时切割刀头进行切割，切割刀头切割完毕之后，C有向外拉断的动作，结束一次切割，下次切割开始时，重复以上的动作。方案二采用的是伺服电机加编码器作为半闭环控制，相对于开环控制有更好的定尺精度，但是又没有全闭环控制的高昂价格经济性好，又达到了目的。在伺服系统的基础上，为使得移动平台的行程调节更加方便，增加限位挡块作为保险装置，作为在测控系统出现错误时，作为保险措施对移动平台进行保护。图4.4 方案二定尺方式原理图方案二的优点：1）采用的是基于伺服系统的定尺方式，定位准确，且有半闭环系统的反馈，减少了失步现象；2）采用气缸夹紧的方式，避免了液压缸的漏油污染的可能性，并且气缸相对于液压缸来说，气罐比液压站在空间上占地较小；3）有限位挡块的保险措施，使得定尺精度进一步提高。4）滚珠丝杠的精确度很高，避免了伺服电机由于轴向间隙的存在而使得测量失差；5）定尺系统均为标准件，市面上很常见，对于维护来说很简单，大批采购，不用专门定制，在一定程度上来说也使得成本下降，经济性好。方案二的缺点：1）相对于机械式定尺来说，结构比较复杂，比机械式的定尺方式可靠性上有所差别；2)对控制系统的设定的要求比较高，不但要设定好定尺的距离问题，还需要设定好多个气缸的夹紧时机以及切割刀头的启动时机；3）采用了长距离的阶段性进料方式，空间占用比较大，4）在有长段的邦迪管切割要求时，来回往复的进料可能会使定尺精度上有所偏差。图4.5 方案三定尺方式原理图图4.5是方案三的原理图，与方案二的区别在于采用的是伺服液压缸作为力源，伺服液压缸采用电信号作为控制，液压缸作为输出。市面上常见的是电液力控制系统或者电液位置伺服系统。伺服液压缸响应速度和反应速度很快，相对于普通液压缸只能达到位置输出的功能相比，伺服液压缸更加的突出控制能力，伺服液压系统通过将小的电信号放大输出，来控制大的液压力，可以对重型设备进行很灵活的控制。而在邦迪管的切割当中，虽然伺服液压缸可以实现相应的功能，但是，伺服液压缸过于的昂贵，单价上万元，使得机器的成本上升，对于企业的经济性造成了很不好的损失，并且伺服液压缸的施力对象不需要很大的力，会造成很大的浪费。4.3定尺装置工艺参数计算4.3.1滚珠丝杠副的计算a.滚珠丝杠副的导程轴向移动平台的最大速度是根据电机额定转速的大小确定的来确定丝杠的导程。初选松下的伺服电机MDMA152P1V。电机与滚珠丝杆通过减速器与联轴器连接，联轴器传动比为0.99，减速器减速比为3。轴向最大运动速度40m/min，即40000mm/min。则丝杠导程为实际取，可满足速度要求。b.滚珠丝杠副的载荷及转速计算根据已知数据，即移动平台的总重量，选择FFZL3206型滚珠丝杠。滚珠丝杠通过直线轴承与圆柱形导轨形成到导轨副。查得FFZL3206型直线滚动导轨的C0a=32kN；法向载荷中静载荷最大为：P=M9.8=1629.8=1587.6NC0a由于PC0a=1587.632000=0.05 所以取=0.004由此可得滑动导轨副的摩擦力为：式中：工件及工作台质量， 为162kg。导轨与滑块之间的摩擦阻力，共20N。各种转速应用机会相等，则有：滚珠丝杠副的当量载荷：滚珠丝杠副的当量转速：c.滚珠丝杠副的预期额定动载荷滚珠丝杠副的预期工作时间计算：式中： 当量转速 预计的工作时间，取为15000个小时 负荷系数，平稳无冲击选择=1精度系数，2级精度选择=1可靠性系数，一般选择=1滚珠丝杠副的预计运行距离为：式中：预期运行距离，一般选择滚珠丝杠副的预计施加的最大轴向负载为：式中：预计施加的负荷系数，选择=6.7丝杠副最大载荷d. 轴向方向上，滚珠丝杠的最大允许的变形量dm为：式中，为重复定位精度轴向运动的重复定位精度要求为0.5mm，则有e.估计算滚珠丝杠副的螺纹底径 移动平台的轴向运动行程为1000mm，导轨的两端支撑座之间的最大距离可以算得：根据滚珠丝杠的安装方式计算滚珠丝杠的螺纹中径：式中：F0导轨静摩擦力，F0=49.4NL滚珠丝杠上的螺母到支承座的距离，L=1164mm 则有f. 确定滚珠丝杠副规格代号表4.1 滚珠丝杠尺寸规格表按照丝杠P、选择FFZL3206滚珠丝杆。丝杆基本导程Ph=6mm，丝杠外Xd=68mm，螺母外径48mm，珠径3.969mm，额定动载荷Ca =32.3KN Cam，额定静载荷Cao=13KN，精度等级是2级。4.3.2伺服电机选择初选伺服电机为松下MINAS A4系列MDMA152P1*型电机，具体参数见表4.2所示。表4.2松下伺服电机性能参数表轴向运动的部件的重量最大值预估为142Kg。丝杆部分的转动惯量：外部负荷的负荷转动惯量：则有：加在电机上的转动惯量：外部负荷产生的摩擦扭矩：式中：滚珠丝杆副的导程滚珠丝杆没有进行预紧时的效率，取0.9外部施加的轴向载荷，含有摩擦力预紧力产生的摩擦扭矩：式中：滚珠丝杆副的预紧力，支承轴承产生的摩擦扭矩：选择深沟球轴承，轴承代号：6207，查轴承样本可得摩擦力矩：。加速度产生的负荷扭矩：根据设计要求可知：夹紧送料装置的运动速度v=40m/min，在此运动速度对应的伺服电机的转速为 =144rpm，电机的最大加速度为a=32mm/s2。则工作台速度从0升至25mm/s所需时间：当电机转速从=0升至=144rpm时，其负荷扭矩电机总扭矩：查表可得所选择伺服电机额定扭矩为7.15N.m，满足需要超过计算电机的扭矩3倍以上的要求。所选择电机扭矩符合要求。4.4夹紧装置的方案设计与计算夹紧装置是与定尺装置组合使用的装置，因此在本章中列出。最常见的送料方式为辊轧式送料和钳式送料，其中钳式送料又分为机械式和气动式18。辊式送料结构比较简单，操作方便，广泛用于大批大量的生产中，但是辊式送料与钳式送料相比，不如钳式送料的送料准确。送料节距的准确度直接影响加工的质量，可减少不必要的后续加工，或因送料不足导致加工浪费，增加成本18-19。图4.6 三点定圆式夹紧 图4.7钳式夹紧 最终确定的夹紧方案（见图4.9）是基于三点定圆式的新的夹紧方式，即采用半弧状的装配式夹紧块（见图4.8），上下半弧状的形式对于力的均布十分有利，避免使得管材表面夹伤，上下两个装配采用燕尾槽的形式夹块相连接，保证了水平的直线度。与装配式的结构也利于多种不同直径的管材的加工，扩大了通用性，力源采用气缸夹紧的方式，气缸带动夹紧块在直线轴承的传动下向下进给，保证了夹紧的稳定性。图4.8 装配式夹紧块结构图图4.9夹紧方案结构图 夹紧头对管材的夹紧力是分布载荷，为方便计算，将其简化为集中力，查阅气缸技术手册可得气缸的最高压力为0.9Mpa，经过计算可得，夹紧头与管材的接触面积为8059.57mm2。由公式F=PA 式中：F夹紧力，单位NP气缸压力，单位PaA管材与夹紧头的接触面积，单位m2 代入数据得夹紧力为7253.613N，在邦迪管的屈服强度为18.3kgf/mm2的条件下，屈服力为147490N，因此符合邦迪管的夹紧合理范围。4.5定尺装置二维图图4.10 定尺装置二维图4.6 本章小结 本章介绍了定尺装置的方案设计，首先介绍了定尺装置的定尺原理和分类，在原理基础上介绍了市面上常见的定尺方式，在简单分析了各自的优缺点之后，提出了自己的三种方案，并且继续对给出的方案进行了比较，列出了各自的优缺点，在进行一番对比之后，最后确定了自己方案是应用基于伺服系统的滚珠丝杠传动平台；然后又介绍了市面上常见的夹紧方式，结合了上述夹紧方式优化并修改提出了自己的加紧方案并进行了校核。第5章 调直装置的设计5.1 调直原理 邦迪管在出厂时是成盘状出厂（如图5.1所示），在进行定尺切割之前，需要调直的工序，将成环状的邦迪管调直，有助于接下来定尺装置的定尺。无论被调直的对象的截面形状是什么类型，在其调直过程中总是弹塑性变形的过程，即弹性变形和塑性变形都存在的变形。在弹性变形阶段，不论什么型材，均遵循胡克定律这一规律。受到弯曲的各条纤维的变形皆与其应力有线性关系20， 即 =E式中E是弹性模量，是弹性形变。被调直的金属条材经过弹性变形之后，就会达到弹性极限t，在此之后，金属条材开始塑性变形，如图5.2所示。在塑形变形阶段，金属条材会出现永久变形的现象。金属条材的各层材料纤维都会产生相同的弹塑性变形。而且内部的金属条材的材料纤维发生弹性变形，外层的金属条材材料发生塑性变形，两者同时进行。金属条材的弹塑性变形十分发杂，并不是单纯的弹性变形所能相比的。它不仅取决于材料的种类，尚取决于该种材料的材质，以及材料内部的应力历史21。图5.1 邦迪管成品示意图 图5.2 弹塑性变形应力图 矫直与弯曲是两个相反的工艺过程，但它们的变形机理是相同的22。调直的过程的基本原理是利用弹性变形的反弯曲率应等于弹回曲率的原理,如图5.2所示，a,b,是调直工序之前的管材，ab是反弯后的管材，中间 a,b,是理论上成功调直成一条直线的管材，从图中可以看出，反弯量和弹复量相等时，就可以使条材的弯曲变形变直。在传统的矫直方式中，矫直方式大致分为压力矫直、辊式矫直、张力矫直和拉伸弯曲矫直。压力矫直广泛用于大型钢管，张力矫直矫直薄板，拉伸弯曲矫直用于矫直带材，辊式矫直矫直过程中需要使得被矫直管材旋转，这对于邦迪管来说无法实现。因此，需要根据基本的弯曲矫直原理重新采用一种方式来对邦迪管进行矫直。图5.2 反弯矫直原理图由于管材和棒材的矫直区别不大，管材的弯矩的求法是两个大小棒材求差的结果，因此均是一种类型的矫直，故采用棒材矫直的方式对于管材矫直也同样适用。 辊式弯曲矫直的过程和基本原理是使管材通过在一个平面内( 称为标准矫直) 或者通过两排在空间上是相互垂直的调直辊轮的调直器，在经过调直辊轮的过程中，管材经过反复弯曲变形，各部分的变形曲率慢慢的逐步由大变小，最后达到平直的状态（如图5.3），在图5.3中，阴影部分是管材的各阶段的曲率，可以从示意图中看到，阴影部分所代表的曲率逐渐变小，代表管材的形状逐渐变直。图5.3 管材经过调直轮时残余曲率示意图 当采用完全矫直的形式，即令管材通过两个相互垂直的调直轮中，会使管材得到全方位的调直。5.2调直装置的方案设计调直装置的设计是基于上述的辊式矫直原理来进行设计的，即需要设计两排相互垂直的调直辊轮，调直辊轮需要可以径向移动，以此来保证钢管在不同的位置可以得到相应的压下调直。每一个调直轮均采用采购的方式，调直轮内置轴承，只要直接安装即可进行调直。图5.4 调直装置结构示意图图5.4是所设计的调直装置的竖直方向的调直轮组，固定把手采用凸轮的锁死原理，底盘与下面四个活动辊轮进行连接，当下面四个调直轮的压下位置调整好后，用固定把手进行固定，如此设计可以避免卸料或者更换零件后，总是对活动辊轮的压下量进行调节，提高了生产效率。图5.5 调直辊轮移动底座结构示意图如图5.5所示的是调直辊轮的自动底座示意图，调直辊轮安装在特制的连轴上，顶住辊轮中间的滚动轴承，移动块中间开螺纹槽，穿在螺栓上，移动块的两端有类似平行导轨的结构，与底部滑动支承平板开的槽相配合，可在期间自由滑动，螺栓的头部连接螺母，在调整进给量时，可以通过转的圈数进行衡量，导引轮起到导引的作用，使进入调直器的邦迪管事先进行一步调直，方便了后续调直动作的进行。上述方案的优点是：结构简单，采用装配式的结构，可以整体安装在机床上，不需要添加另外的调直机器来进行调直；固定把手的设计使得拆装更加方便，不影响加工进程；调直轮用采购的方式进行装配，经济性好，省去了设计的繁杂。5.3调直装置的计算外力会产生内应力，外加弯矩会产生内力矩，弯矩会引起弯曲变形，任何弯曲状态都是内力与外力平衡的结果。在邦迪管的矫直中，按照管材的矫直方式进行矫直。管材和棒材的区别是管材的矫直是粗棒减去细棒，根据矫直原理与矫直机械上相关理论公式，首先求棒材的弯矩和矫直力。根据应力应变图，其弹塑性弯矩为将=z/R代入上式，并利用=R/R代入整理，得式中，-弹区比，= M弹性极限弯矩，当0时,可以得到最大弹塑性弯矩为1.7Mt。粗棒半径为R，细棒半径为r,r/R=a,可以得到管材的矫直力矩，在管材轴向的任意一点X处，外部施加的力矩和内部的力矩的平衡式为故可求得如果使材料的达到极限弹塑性弯矩时，可得将此值代入式（2
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