【正文】 章：總結(jié)與展望對(duì)切管機(jī)的研究設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了總結(jié)分析。金屬材料塑性變形分為冷變形加工、熱變形加工和溫變形加工。變形后的金屬具有細(xì)小的等軸晶組織，無(wú)任何加工硬化痕跡。金屬的重要特性之一就是具有塑性。孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對(duì)于另一部分所發(fā)生的切變。 無(wú)屑滾切的工藝過(guò)程，將被滾切的鋼管2由附屬送料機(jī)構(gòu)軸向送料，再由切管機(jī)內(nèi)置定位板定位，然后由專(zhuān)用夾具夾緊，刀具1繞著鋼管高速公轉(zhuǎn)并徑向進(jìn)給，刀具由于摩擦作用而自轉(zhuǎn)，對(duì)鋼管進(jìn)行滾切，直到鋼管被塑性切斷為止，屬于無(wú)火花冷切割。其中刀刃刃口下部的材料沿鋼管的徑向、軸向和切向三個(gè)方向產(chǎn)生流動(dòng)，同時(shí)連皮厚度越來(lái)越小。以切割加工10mm長(zhǎng)齒坯為例，與傳統(tǒng)的有屑切斷工藝相比，材料利用率可提高20%左右，割件長(zhǎng)度越短，效果越為顯著。6） 刀具耐用——刀片只沿初始的割轍運(yùn)動(dòng)，無(wú)軸向彌隙，刀刃整圓參與切割，溫升較慢較低，磨損量也小，不易出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。1） 滾切力的分析計(jì)算滾切力的大小表征滾切的難易程度，也是計(jì)算切削功率的主要依據(jù)；另外還是刀具選擇和判斷刀具磨損、耐用度的根據(jù)；最后對(duì)加工表面質(zhì)量以及加工精度的預(yù)期判斷的參考。我們把克服這個(gè)分離阻力的力稱(chēng)為分離力，；③ 抵抗鋼管材料與刀片之間摩擦阻力的摩擦力。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將圖b簡(jiǎn)化成圖c形式。所以，這三個(gè)方面的力的作用效果分別克服了前面所述鋼管材料的變形力、分離力和摩擦力。刀片對(duì)鋼管的正壓力Fn形成刀片與鋼管材料之間的摩擦力Fx，該摩擦力帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)使得刀片能夠進(jìn)行連續(xù)滾切，并且該摩擦力Fx的方向與刀片的滾切方向一致，是主切削力。為簡(jiǎn)化分析，可以假設(shè)刀刃作用于鋼管的分布?jí)毫榧辛，作用于接觸圓弧AB的中點(diǎn)C。由于刀片需要做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以刀具宜采用圓形刀片。但是刀片過(guò)于鋒利其強(qiáng)度和剛度將不足。對(duì)于強(qiáng)度、硬度較大的中硬材質(zhì)的管件，則應(yīng)適當(dāng)增大楔角，可以取36176。圓形刀片楔角的形式有雙斜角和單斜角?！?8mm之間選取。前者是指材料向鋼管內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的減徑作用，后者則是滾切的主要變形。其中徑向壓縮和切向擴(kuò)展同刀刃刃口作用時(shí)所產(chǎn)生的變形情況相似。到滾切后期，連皮材料越來(lái)越薄，故徑向壓縮變形的阻力也越來(lái)越小。根據(jù)以上的工藝分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)各有關(guān)的工藝參數(shù)、刀具形狀、參數(shù)、滾切溫度以及潤(rùn)滑條件等因索，作了細(xì)致、合理的選擇，實(shí)踐表明本設(shè)備的工藝要求能得到充分的滿(mǎn)足。② 忽略鋼管材料軸向的彈性恢復(fù)量，45鋼是彈塑性材料，切開(kāi)表面會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)，但由于刀片很薄，變形量很小，使得鋼管的軸向彈性恢復(fù)量很小，而且工件是空心鋼管，也就是抗拉層（也叫做中性層）幾乎不存在，因此，當(dāng)?shù)镀ㄈ脘摴懿牧虾?，可以忽略鋼管軸向的彈性恢復(fù)量，認(rèn)為滾切力只對(duì)鋼管材料進(jìn)行剪切、擠壓的作用，和克服正壓力Fn所產(chǎn)生的摩擦力，進(jìn)而忽略鋼管的軸向恢復(fù)對(duì)刀片兩側(cè)面的壓力。由上述理論假設(shè)③可知Fr=F=1000N。由上述理論假設(shè)④可知摩擦面積S為兩倍接觸楔面面積，S=2= mm2。使用該方法進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)期功能進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上盡可能多地尋找實(shí)現(xiàn)功能的機(jī)構(gòu)，然后對(duì)各種可能的方案機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，并從中選擇最佳方案以滿(mǎn)足預(yù)期的功能要求[14]。另一方面工人操作生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生尖銳的高頻噪聲，工人長(zhǎng)期從事切割工作對(duì)身體健康有嚴(yán)重危害，而從砂輪上磨掉的粉塵飄散到空氣中伴有刺鼻異味，操作者必須佩帶口罩和護(hù)目鏡才能開(kāi)展工作。如果長(zhǎng)的管材也按傳統(tǒng)方法切割，使管材在一定的切削速度(8O～150m/min)下旋轉(zhuǎn)，鋼管會(huì)出現(xiàn)大幅度的跳動(dòng)甚至存在安全隱患，此時(shí)對(duì)管材進(jìn)行切割加工是困難的、危險(xiǎn)的。滾切節(jié)拍 ≤10s 功能分析功能是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)輸入和輸出的轉(zhuǎn)換所作的抽象化描述。根據(jù)上文論述的滾切工藝，要求鋼管由配套的附屬送料夾緊機(jī)構(gòu)軸向送料，由切管機(jī)內(nèi)置定位機(jī)構(gòu)定位，定位動(dòng)作完成后鋼管被夾緊靜止不動(dòng)（送料夾緊機(jī)構(gòu)在本文中不作描述，只給出功能要求），圓形刀片繞鋼管高速滾動(dòng)（2400r/min）并徑向進(jìn)給（2mm/s）切削，切斷后無(wú)須停車(chē)，直接徑向退刀，卸料。實(shí)現(xiàn)“切”功能的功能元載體主要有：① 絲杠螺母機(jī)構(gòu)：絲柑或螺母的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)給而“切”；② 直線(xiàn)電機(jī)：直線(xiàn)電機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)給而“切”；③ 齒輪齒條機(jī)構(gòu)：齒條的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)給而“切”；④ 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：滑塊的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)給而“切”。 柔性進(jìn)給該方案系利用配重塊的離心力加壓而徑向進(jìn)給，也稱(chēng)為柔性鎖合。缺點(diǎn)：1） 徑向進(jìn)給壓力不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)有效的徑向進(jìn)給壓力。三方面拉簧在滾切節(jié)拍小于等于10s的頻率下很容易疲勞失效，可能出現(xiàn)徑向進(jìn)給壓力越來(lái)越大的現(xiàn)象，甚至打刀的現(xiàn)象。 柔性進(jìn)給原理圖 剛性進(jìn)給剛性進(jìn)給系采用機(jī)械式加壓而徑向進(jìn)給，也稱(chēng)為剛性鎖合。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)稍嫌復(fù)雜，零部件多和需要三個(gè)動(dòng)力源。虛擬設(shè)計(jì)方法同傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：在設(shè)計(jì)早期確定關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)、更新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等[16]。Pro/E能夠讓多個(gè)部門(mén)同時(shí)致力于單一的產(chǎn)品模型。之前，在零件未制造出樣品時(shí)，是無(wú)法觀(guān)看零件形狀的，只能通過(guò)二維平面圖進(jìn)行想象。包括：PRO/3DPAINT(3D建模)、 PRO/ANIMATE(動(dòng)畫(huà)模擬)、PRO/DESIGNER(概念設(shè)計(jì))、PRO/NETWORKANIMATOR(網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫(huà)合成)、PRO/PERSPECTASKETCH（圖片轉(zhuǎn)三維模型）、PRO/PHOTORENDER(圖片渲染)幾個(gè)子模塊。3） 功能仿真(CAE)模塊功能仿真(CAE)模塊主要進(jìn)行有限元分析。CAD實(shí)體建模僅是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)環(huán)節(jié),Pro/E主要用于完成零件設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成工程圖。Pro/E軟件建立機(jī)械三維裝配體模型的方法有2種:一種是先建立三維實(shí)體零件, 然后使用配合技術(shù)對(duì)各構(gòu)成零件進(jìn)行組裝建立裝配體,即自底向上的裝配體建模技術(shù)；另一種方法是直接在裝配體模型中根據(jù)零件特征和尺寸關(guān)聯(lián)建立起各個(gè)構(gòu)成零件, 即自頂向下的建模技術(shù)[20]。離心力的計(jì)算公式是 （）式中：m——刀架組合的質(zhì)量，初取80g；r——刀架繞鋼管公轉(zhuǎn)的半徑，鋼管半徑50mm+刀片半徑40mm=90mm；v——刀架組合的質(zhì)量中心的線(xiàn)速度，2400r/min180mm=。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。 刀軸的材料軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。合金鋼具有比較高的力學(xué)性能和比較好的可淬性，常用于受力比較大而且要求直徑比較小，質(zhì)量比較輕或者要求耐磨性比較好的軸。綜合以上分析，采用合金鋼40Cr，適用于載荷較大，而無(wú)很大沖擊的重要軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)后達(dá)到硬度214～286HBS，抗拉強(qiáng)度735MPa、屈服強(qiáng)度540MPa、彎曲疲勞極限355MPa、剪切疲勞極限200MPa、許用彎曲應(yīng)力450MPa[25]。彎矩： （）=25mm= 剪力彎矩圖 （）式中：——彎曲應(yīng)力；——最大彎矩；W——抗彎截面系數(shù)；圓形截面的抗彎截面系數(shù)。因此必須要對(duì)刀軸進(jìn)行剛度的校核計(jì)算?？梢园匆韵鹿綄?duì)端截面轉(zhuǎn)角和撓度進(jìn)行校核計(jì)算。如果這些強(qiáng)迫性振動(dòng)的頻率與對(duì)應(yīng)的軸的振動(dòng)(彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、縱向振動(dòng))頻率重合，或者說(shuō)軸的轉(zhuǎn)速停滯在臨界轉(zhuǎn)速附近就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。軸的臨界轉(zhuǎn)速與的材料、形狀尺寸、支撐形式、軸上零件的重量等有關(guān)。 刀軸的一階臨界轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖代入數(shù)據(jù)得=。其中刀盤(pán)直徑將對(duì)切削功率產(chǎn)生較大影響，這是因?yàn)樵诘镀腥脘摴軙r(shí)，在相同切削余量下，刀盤(pán)直徑越大，刀盤(pán)與鋼管材料的接觸面積就越大，摩擦力隨之增加，但增加的幅度不會(huì)對(duì)總滾切功率產(chǎn)生較大影響；刀盤(pán)直徑增加，在切削轉(zhuǎn)速不變的情況下，刀片轉(zhuǎn)速會(huì)隨刀盤(pán)直徑的增加而減少，可以有效減輕刀片軸承的pv值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，刀片厚度通常取，且在刀片系列厚度范圍中進(jìn)行選擇[28]。而滑動(dòng)軸承工作平穩(wěn)、可靠、無(wú)噪聲，徑向尺寸小以至質(zhì)量小，可以有效控制刀架的離心力。 行星輪系傳動(dòng)比計(jì)算示意圖刀片、空心軸和鋼管組成行星輪系?！镀闹睆剑瑔挝粸閙m；v——軸頸處的圓周速度，單位為m/s；d——軸頸處直徑，單位為mm。 進(jìn)刀與退刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算在金屬切削加工過(guò)程中，真正起作用的角度稱(chēng)為工作角度。管材壁厚為2～10mm，因此刀架的最大進(jìn)給量稍大于10mm/次即可。① 導(dǎo)軌需要承受軸向載荷以克服刀片對(duì)鋼管的徑向壓力和刀具告訴轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生離心力。 （） （）式中：R——刀片所承受周向力的力臂長(zhǎng)。導(dǎo)軌有普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌、鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、動(dòng)壓導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌包括V形導(dǎo)軌、矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌和圓柱形導(dǎo)軌。圓柱形導(dǎo)軌，制造簡(jiǎn)單，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，主要用于承受軸向載荷的場(chǎng)合，比如鉆床、鏜床的主軸套筒、車(chē)床尾架。 軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為徑向運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)刀片的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)擬從空心主軸的軸向方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來(lái)。根據(jù)離心力的計(jì)算公式： （）式中：F——刀架組合轉(zhuǎn)動(dòng)部件的離心力，單位N；m——刀架組合轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量，單位g；r——刀架組合轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，單位mm；w——刀架組合轉(zhuǎn)動(dòng)部件的角速度，單位rad/s。代入數(shù)據(jù)得到光軸的最小直徑=，考慮到該軸的理論工作頻率為10s一個(gè)節(jié)拍，其接觸應(yīng)力屬于脈動(dòng)循環(huán)變化，極容易疲勞破壞，采用安全系數(shù)K=，將該軸的直徑放大為6mm。如果條件允許，斜塊的材料采用合金鋼的話(huà)安全系數(shù)將更高。退刀快速，對(duì)退刀運(yùn)動(dòng)的加速度不做要求，平均速度為8mm/s。由得到推桿前進(jìn)速度；推桿后退速度。小圓柱面直徑略小于毛坯管的內(nèi)徑以便毛坯管套在此圓柱面上，該圓柱面對(duì)毛坯管也起到“托”作用，那么工件在刀片沒(méi)有完全退刀前不會(huì)移動(dòng)，以免打刀或者夾刀；大圓柱面小于毛坯管外徑，在刀片完全退刀后定位板才開(kāi)始后退，此時(shí)定位板本身可以通過(guò)卸料板，而工件則不能通過(guò)被卸料板從而被卸料板“刮”下來(lái)，完成卸料動(dòng)作；定位板小圓柱面的長(zhǎng)度應(yīng)小于工件的長(zhǎng)度以避開(kāi)刀片，否則定位板在“托”住工件的時(shí)候會(huì)被刀片切割到。定位板在刀片接觸毛坯管前前進(jìn)到達(dá)預(yù)定的定位位置，等待毛坯鋼管送料過(guò)來(lái)對(duì)毛坯鋼管起定位作用，此時(shí)毛坯鋼管和定位板靜止不動(dòng)，等待滾切完畢；滾切完畢后刀片退刀至刀片離開(kāi)工件后，定位板后退起卸料作用。整個(gè)工藝過(guò)程涉及到了傳動(dòng)系統(tǒng)和五臺(tái)電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。根據(jù)不同的傳動(dòng)原理，機(jī)械傳動(dòng)可以分為摩擦傳動(dòng)、嚙合傳動(dòng)和推壓傳動(dòng)三種。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的能量來(lái)源，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等因素的不同會(huì)直接影響系統(tǒng)的工作效果。三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場(chǎng)間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而感生電動(dòng)勢(shì)和電流，并與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。由于切削載荷比較平穩(wěn)，且單向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)（JB307482）。根據(jù)和，由JB307482標(biāo)準(zhǔn)選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y112M2，其額定功率，滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速，質(zhì)量為45kg，輸出軸徑為，中心高為H=112mm。鏈傳動(dòng)的平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，中心距變化范圍大，比帶傳動(dòng)的承載能力大，但是瞬時(shí)傳動(dòng)比變化，高速時(shí)有嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)。下面對(duì)這三種方案進(jìn)行分析選擇。初步估計(jì)主切削運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)的效率為則初步得到電動(dòng)機(jī)需要輸出的功率為 （）因?yàn)榍邢鬟\(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為2400r/mim，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速（空載轉(zhuǎn)速）為同步轉(zhuǎn)速n=60f/P，式中：f——電源頻率；P——電機(jī)的極對(duì)數(shù)（P=……）。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動(dòng)機(jī)可分為籠式和繞線(xiàn)式兩種。因?yàn)檫@樣不僅可以減少電動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量、降低電動(dòng)機(jī)的價(jià)格，還能縮短運(yùn)動(dòng)鏈和提高傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率。傳動(dòng)類(lèi)型的選擇關(guān)系到這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)和工作性能參數(shù)，比較合理的選用機(jī)械傳動(dòng)的類(lèi)型，需要經(jīng)過(guò)多種方案的分析比較。例如，利用伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、微型低速電機(jī)以及電動(dòng)機(jī)調(diào)頻技術(shù)等，在一定條件下可簡(jiǎn)化或完全替代機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，從而使復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的效率低、可靠性差、外廓尺寸大等矛盾得到緩解或避免。直線(xiàn)電機(jī)1推動(dòng)定位板到達(dá)預(yù)定位置做好定位準(zhǔn)備，送料電機(jī)將毛坯管送料至定位板，然后由夾緊電機(jī)夾緊鋼管。這樣可以擴(kuò)大切管機(jī)的加工范圍。定位零件的作用是使毛坯管軸送料運(yùn)動(dòng)有準(zhǔn)確的中止位置，以保證切斷下來(lái)的工件長(zhǎng)度符合尺寸精度要求。斜塊內(nèi)槽的傾斜角為30176。 進(jìn)刀時(shí)間位置圖徑向進(jìn)給包括進(jìn)刀和退刀，行程S為15mm，周期T為10s。按照斜塊的材料為普通碳鋼，屈服強(qiáng)度為220MPa分析。 斜塊受力示意圖根據(jù)幾何關(guān)系有: （）。使用Pro/E軟件建得隨空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件的模型，包括刀架組合、燕尾形動(dòng)軌、斜塊和相關(guān)的螺母、螺栓等。符合本設(shè)計(jì)刀架組合徑向進(jìn)給動(dòng)作的功能要求。多用于重型機(jī)床和精密機(jī)床，但是該導(dǎo)軌所承受載荷的方向是單一的，不符合本設(shè)計(jì)中刀架組合徑向進(jìn)給的功能要求。表 導(dǎo)軌分類(lèi)表導(dǎo)軌類(lèi)型主要特點(diǎn)應(yīng)用滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便 未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行 磨損大、壽命低、運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定普通車(chē)床、冶金設(shè)備貼塑導(dǎo)軌動(dòng)導(dǎo)軌表面貼塑料軟帶等與鑄鐵或鋼導(dǎo)軌搭配，摩擦系數(shù)小且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相近，不易爬行，抗磨損性能好 貼塑工藝簡(jiǎn)單 剛度教低、耐熱性差，容易蠕變中、大型機(jī)床壓強(qiáng)不大的導(dǎo)軌鑲鋼導(dǎo)軌在支撐導(dǎo)軌上鑲裝有一定硬度的鋼板或鋼帶，提高導(dǎo)軌耐磨性在動(dòng)導(dǎo)軌上鑲裝有青銅之類(lèi)的金屬防止咬合磨損，提高耐磨性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，精度高工藝復(fù)雜，成本高，用于重型機(jī)床滾動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)靈敏度高，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，定位精度高 精度保持性好、磨損少、壽命長(zhǎng) 剛性和抗振性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，要求良好的維護(hù)精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械動(dòng)壓導(dǎo)軌