【文章內容簡介】 的參考。眾所周知力的作用是相互的，滾切力被認為是由與其大小相等、方向相反的滾切阻力引起的。滾切力包含以下三個方面的阻力：① 抵抗鋼管材料變形的變形阻力。我們把克服這種變形的力稱為變形力，；② 抵抗鋼管材料分離的分離阻力。我們把克服這個分離阻力的力稱為分離力，；③ 抵抗鋼管材料與刀片之間摩擦阻力的摩擦力。下面對滾切力進行理論分析：理想刀片的刀刃是前后兩刀面的交線，但實際刀片的刃口并不是絕對鋒利、規(guī)則的一條線，而是一個不規(guī)則的曲面。刀片刃口的這個圓弧曲面稱為刃口圓角。當刀片切進鋼管材料后，不僅刀片刃口與鋼管材料接觸作用，而且刀片前后的兩個楔形刀面也與鋼管相接觸作用。為了簡化計算，將圖b簡化成圖c形式。刀尖頂點對鋼管材料的壓力最大，刀片的楔形刀面與鋼管圓柱面的相貫線壓力最小。如圖b所示，各點的單位壓力并不相同。刀片對鋼管的徑向壓力F可以分解為對鋼管的軸向分離力FaFa2，對鋼管的徑向變形力Fr、對鋼管的切向變形力Ft和對鋼管的正壓力Fn。所以，這三個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。由前面的理論分析可知，刀片對鋼管進行滾切過程中，變形力在整個滾切力中所占的比例要比分離力與摩擦力大得多。要順利完成滾切，就必須克服變形阻力并形成一定的分離力和摩擦進給力。楔形刀片切入鋼管材料的力克服了變形阻力，使鋼管發(fā)生塑性變形并流動，同時，楔形刀片切入鋼管材料的分離力使鋼管材料軸向分離，并對刀片刃口部分的鋼管材料形成拉拔作用，有助于楔形刀片的切入。刀片對鋼管的正壓力Fn形成刀片與鋼管材料之間的摩擦力Fx，該摩擦力帶動刀片轉動使得刀片能夠進行連續(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。主切削力與切削速度的乘積就是所要推導的切削功率。下面對楔形刀片進行無屑滾切的滾切力進行理論推導。滾切過程中，沿刀刃和鋼管之間的接觸圓弧AB，鋼管受到刀刃所施加的徑向壓力F，該壓力是一種分布載荷，鋼管承受到剪切和擠壓的作用。為簡化分析，可以假設刀刃作用于鋼管的分布壓力為集中力F，作用于接觸圓弧AB的中點C。 滾切力分析圖Z——滾切余量，,即2mm/s；鋼管受到刀刃剪切作用，按照剪切力的計算公式有： （）式中：——鋼管所受到的剪切應力，單位為MPa；F——鋼管所受到的徑向載荷，單位為N；——剪切面面積，單位為mm，極限狀態(tài)是刀刃切斷鋼管的瞬間即刀片繞鋼管公轉的最后一圈，此時鋼管直徑為100mm,取刀片直徑為80mm，，剪切面面積為弧弦長AB=（軟件分析得到），由Pro/；——鋼管抗剪強度，單位為MPa,查手冊得到45鋼的抗剪應力為178MPa；鋼管受到刀刃擠壓作用，按照擠壓力的計算公式有： （）式中：——鋼管所受到的擠壓應力，單位為MPa；——擠壓面面積，單位為mm，極限狀態(tài)同，擠壓面面積為弦長AB乘上刀刃刃口圓角直徑，由Pro/=（）；——鋼管的抗壓強度，單位為MPa,查手冊得到45鋼的抗壓應力為360MPa；，取安全系數S=，工件受到刀刃所施加的徑向壓力放大為1000N。根據設備的實際工作情況并結合設備的具體參數，可算出極限壓下量=，而設備工作時刀具由于高速公轉并自轉，～ 。2） 滾切割刀的選擇刀具可用Cr12MoV或W18Cr4V材料制作，淬火硬度分別為58HRC和62HRC。由于刀片需要做公轉運動和自轉運動，所以刀具宜采用圓形刀片。在鋼管的滾切過程中，刀片刀刃的剪切作用和刀刃側面的擠壓作用是刀片對鋼管的基本作用。在相同的切削條件下，刀刃的切割作用和側面的推擠作用將隨圓形刀片的橫向楔角的變化而變化。當割輪的楔角及刃口圓角半徑都較小時則刀片是鋒利的，其徑向剪切作用更為顯著，軸向擠壓作用則相應減弱。但是刀片過于鋒利其強度和剛度將不足。相反，如果刀片不夠鋒利，強度和剛度雖然得到保證了，但是剪切作用將減弱，擠壓作用將增強，刀片將不容易切入鋼管。對于一般的強度、硬度、塑性較好的軟金屬管材，刀片的楔角可取28176?！?5176。，對于強度、硬度較大的中硬材質的管件，則應適當增大楔角，可以取36176?！?2176。[13]。本文刀片的楔角取40176。圓形刀片楔角的形式有雙斜角和單斜角。雙斜角刀片對管材材料的擠壓作用要比單斜角刀片要好，但是管材材料軸向的塑性流動方向將沿雙軸向流動。單斜角刀片對管材材料的擠壓作用比雙斜角刀片要遜色，但是管材材料軸向的塑性流動主要沿刀片的斜面方向。由于本設計的落料長度很短（10mmm左右），夾緊處離刀刃很近，所以采用單斜角刀片，刀片斜面背對夾緊裝置，使得材料大部分的軸向塑性流動往懸臂方向流動，利于滾切?！?8mm之間選取。3） 滾切變形分析滾切過程中時，隨著楔形刀刃的切入，鋼管在刀片的徑向壓力作用下，產生了劇烈而復雜的塑性變形。刃口發(fā)揮了剪切作用，鋼管主要產生徑向壓縮、切向擴展及軸向延伸等變形。其中徑向壓縮包括鋼管的徑向壓縮和材料本身的徑向壓縮。前者是指材料向鋼管內部流動產生的減徑作用，后者則是滾切的主要變形。刀刃切入鋼管后，部分材料沿切向流動，使工件微觀上呈橢圓狀。刀刃下部的材料還會沿軸向延伸而變形，這時在連皮材料內部將產生拉應力，成為延伸變形的阻力。刀刃側面發(fā)揮了擠壓分離作用，鋼管主要產生徑向壓縮、切向擴展、軸向壓縮和外徑擴展等變形。其中徑向壓縮和切向擴展同刀刃刃口作用時所產生的變形情況相似。軸向壓縮使刃口下部的連皮材料產生拉應力，外徑擴展是指切口斜面受壓后，材料向鋼管外徑方向流動，致使工件延切口外徑邊緣處略微鼓起并呈橢圓狀。以上凡由切向擴展和外徑擴展所引起的橢圓變形，在整個滾切過程中沿整個圓周不斷重復交替出現(xiàn)，隨著滾切深度的增加將逐漸減弱，甚至接近消失。在滾切初期階段，變形主要由刀刃刃口的作用而引起，隨著滾切深度的增加，刀刃兩側對產生變形所起的作用越來越大。到滾切后期，連皮材料越來越薄，故徑向壓縮變形的阻力也越來越小。這時因刀刃兩側造成的軸向壓縮變形而產生的軸向拉應力起主要的作用，當該拉應力超過材料的抗拉強度時，鋼管就被切斷。整個工作過程沒有力的突變，不會產生系統(tǒng)震動和高頻噪音。同時由于徑向進給量很少（），所以產生的毛刺也很小。根據以上的工藝分析，在設計過程中，對各有關的工藝參數、刀具形狀、參數、滾切溫度以及潤滑條件等因索，作了細致、合理的選擇，實踐表明本設備的工藝要求能得到充分的滿足。 切削功率的理論計算對無屑滾切工藝過程的切削功率進行理論計算，為后期的傳動系統(tǒng)和和電氣控制系統(tǒng)提供數據參考。 理論假設影響切削功率有很多因素很，而且各個因素之間還有相互影響，因此精確計算切削功率是很復雜的問題。為了簡化計算，在計算切削功率之前，根據該無屑滾切工藝的特點和材料的特點做如下假設：① 假設刀片和鋼管之間的相對運動為純滾動，忽略兩者之間相對滑動造成的影響，包括功率損失等。② 忽略鋼管材料軸向的彈性恢復量，45鋼是彈塑性材料，切開表面會產生彈性恢復，但由于刀片很薄，變形量很小，使得鋼管的軸向彈性恢復量很小，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，當刀片楔入鋼管材料后，可以忽略鋼管軸向的彈性恢復量，認為滾切力只對鋼管材料進行剪切、擠壓的作用，和克服正壓力Fn所產生的摩擦力，進而忽略鋼管的軸向恢復對刀片兩側面的壓力。③ 假設刀片的徑向壓力F等于鋼管的徑向作用力Fr，由于刀片的徑向壓力F與刀片和鋼管的連心線的夾角很小，可以認為F等于Fr。④ 假設刀片與鋼管材料的有效摩擦面為兩倍接觸楔面面積，由于假設②忽略了鋼管的軸向彈性恢復量，所以可以忽略刀片接觸斜面以及接觸斜面的背面以外的接觸面積。 正壓力的理論計算，刀片能夠順利將鋼管材料軸向分離的條件是Fr應大于或者等于鋼管材料的抗壓強度和抗剪。由上述理論假設③可知Fr=F=1000N。根據幾何關系得到正壓力的理論計算公式如下： （）式中：——刀片斜角，40176。代入數據得到Fn=。 摩擦面積的理論計算極限狀態(tài)下的摩擦面積為刀片切斷鋼管的瞬間，利用Pro/。由上述理論假設④可知摩擦面積S為兩倍接觸楔面面積，S=2= mm2。 摩擦面積示意圖 切削功率的理論計算刀片對鋼管材料進行滾切時，克服刀片接觸楔面接觸楔面與鋼管材料之間的摩擦力Fx如下：Fx=Fnμ （）==式中：Fx——刀片接觸楔面與鋼管材料之間的摩擦力，單位N；Fn——刀片與鋼管材料之間的正壓力，單位N；μ——刀片與鋼管材料之間的摩擦系數。 （）式中：P——刀片的切削功率，單位kw；v——切削速度，單位m/s； （）第三章 系統(tǒng)方案設計運動方案設計是實現(xiàn)機械設計的關鍵一步，在機械設計中占有極其重要的地位。基于功能分析的機械系統(tǒng)運動方案設計方法，是一種既便于設計者掌握、又行之有效的方案創(chuàng)新設計方法。使用該方法進行機械運動方案創(chuàng)新設計時，首先對機械系統(tǒng)的預期功能進行分析，在此基礎上盡可能多地尋找實現(xiàn)功能的機構，然后對各種可能的方案機構進行綜合分析評價，并從中選擇最佳方案以滿足預期的功能要求[14]。 功能要求我公司鋼質齒環(huán)生產線需要對毛坯鋼管（管長L=10m，內徑d=80mm,外徑D=100mm）大批量切斷下料，下料長度l=10mm，鋼管材料為45鋼，以作為壓鑄齒輪的坯料。切斷工藝技術上的難題，一方面是下料長度僅有10mm，屬于定長切割，且有精度要求；二方面是壁厚有10mm，對刀片的強度、硬度、耐磨性、耐熱性和切割工藝有很高要求。在此之前我們采用砂輪鋸，其最大的弊端是切割余量有3mm左右，加上頭尾廢料最后成品率只有75%。另一方面工人操作生產時產生尖銳的高頻噪聲，工人長期從事切割工作對身體健康有嚴重危害，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目鏡才能開展工作。此外，工人為了加快切管速度，往往三、四支鋼管一起切割，由于砂輪的偏擺，導致所生產得到的產品長度尺寸誤差偏大。用砂輪鋸鋸斷的管材切口毛刺很多，切端面很粗糙，需經打磨去毛刺的附加工序后才能進入下道壓鑄工序，增加了生產成本，而且對壓鑄模具的壽命及使用都極其不利。在傳統(tǒng)的機械加工中利用車床進行切斷工件，工件是由車床主軸上的三爪卡盤夾緊后隨主軸在一定的切削速度下旋轉，然后由切刀或偏刀橫向（徑向）進給對工件進行切割。如果長的管材也按傳統(tǒng)方法切割，使管材在一定的切削速度(8O～150m/min)下旋轉，鋼管會出現(xiàn)大幅度的跳動甚至存在安全隱患，此時對管材進行切割加工是困難的、危險的。因此，要仿照車床的工作原理來完成鋼管的切斷加工，只能是使管子固定不動，刀具繞鋼管轉動而進行的切割[15]。鑒于以上情況提出，研究并設計開發(fā)一種新型切管機，能高效的對管材進行少無切屑切割，有效控制噪聲和灰塵對環(huán)境的污染，降低電力能源消耗和操作工人的勞動強度。具體功能要求數據如下：鋼管材料 45鋼鋼管長度 ≤10m鋼管直徑 50～100mm鋼管壁厚 2～10mm齒坯長度 5～20mm滾切精度 177。滾切節(jié)拍 ≤10s 功能分析功能是對技術系統(tǒng)輸入和輸出的轉換所作的抽象化描述。根據上述要求，本課題即要切管機實現(xiàn)對鋼管“滾切”這一總功能。而切管機的總功能又可分解為“滾”和“切”的功能，配合進給、定位和卸料的輔助功能。這些功能還可進一步細分為獨立的功能元，功能元的求解過程是選擇實用的科學技術原理，在此基礎上可將各功能元載體進行技術綜合，從而形成系統(tǒng)總功能的技術解決方案。根據上文論述的滾切工藝，要求鋼管由配套的附屬送料夾緊機構軸向送料，由切管機內置定位機構定位，定位動作完成后鋼管被夾緊靜止不動（送料夾緊機構在本文中不作描述，只給出功能要求），圓形刀片繞鋼管高速滾動（2400r/min）并徑向進給（2mm/s）切削，切斷后無須停車，直接徑向退刀，卸料。下一循環(huán)。其中“滾”的功能由轉動電機驅動主軸轉動而帶動刀片繞鋼管滾動，“切”的功能由刀片的進給完成，定位、卸料的功能由定位板配合實現(xiàn)。限于篇幅，此處僅以其中“切”功能的技術原理的構思過程進行簡要介紹。實現(xiàn)“切”功能的功能元載體主要有：① 絲杠螺母機構：絲柑或螺母的直線運動驅動刀具進給而“切”；② 直線電機：直線電機的直線運動驅動刀具進給而“切”；③ 齒輪齒條機構：齒條的直線運動驅動刀具進給而“切”；④ 曲柄滑塊機構：滑塊的直線運動驅動刀具進給而“切”。 功能方案綜合功能原理方案綜合常采用形態(tài)學矩陣。矩陣的行數為功能元數，矩陣列數為實現(xiàn)一個功能元的不同功能載體數中最多的載體數。本課題通過建立形態(tài)學矩陣，獲得了數十種可能的系統(tǒng)功能原理方案，淘汰一些不相容的方案，經過技術實現(xiàn)的可行性分析以及技術經濟可行性分析，下面提出的兩個方案，功能實現(xiàn)基本上是一致的，不同點在圓形刀片徑向進給的機理，一個屬于柔性進給，一個屬于剛性進給。 柔性進給該方案系利用配重塊的離心力加壓而徑向進給，也稱為柔性鎖合。該方案的工作原理是機頭1高速轉動，配重塊2和刀片7連接在擺桿6上并可以繞銷軸8轉動，通過調整配重塊2的位置和質量大小，配重塊2在離心力的作用下向外甩，使得刀片2徑向進給而切割鋼管，下限位銷4和上限位銷5起限位作用，拉簧9起復位作用。下面對該方案進行分析討論。優(yōu)點：1） 整個滾切工藝過程只要提供一個動力源實現(xiàn)機頭高速轉動即可，徑向進給運動由離心力實現(xiàn)無須由專用動力源驅動；2） 徑向進給方式屬于柔性進給，對鋼管的截面圓度要求不高，甚至可以對非圓截面的管材進行滾切切割；3） 在切割過程中如遇到阻力增大時刀片可以迅速反彈進而保護刀片；4） 結構簡單緊湊。缺點：1） 徑向進給壓力不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)有效的徑向進給壓力。徑向進給壓力由離心力提供，離心力的大小與配重塊的質量、配重塊的徑向距離和拉簧拉力有關。一方面配重塊的匹配不同于天平稱砝碼的添加，是件比較麻煩的事情。二方面還要考慮調整配