【正文】 直徑，單位為mm；B——軸瓦寬度，單位為mm。 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。根據(jù)行星輪系的傳動(dòng)比計(jì)算公式，求出刀片的轉(zhuǎn)速后即可求出軸頸處的圓周速度。 （） （）式中：——鋼管的轉(zhuǎn)速，鋼管被夾緊不動(dòng)，故為0，單位為r/min；——刀片的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。——空心軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；——鋼管的直徑，單位為mm。——刀片的直徑，單位為mm；v——軸頸處的圓周速度，單位為m/s；d——軸頸處直徑，單位為mm。則有pv==查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，滑動(dòng)軸承的軸瓦可以采用鋁青銅ZCuA110Fe3Mn2,其許用[p]為20MPa，許用[v]為5m/s,許用[pv]為15。[pv]值15，滑動(dòng)軸承的軸瓦采用鋁青銅ZCuA110Fe3Mn2是可行的。使用Pro/E軟件設(shè)計(jì)得到刀架組合實(shí)體模型， 刀架組合3D模型經(jīng)過軟件分析得到：① ，；② 刀軸跨度為23mm。 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程中，真正起作用的角度稱為工作角度。由于刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度的影響，各種切削加工中的刀具工作角度均發(fā)生變化，進(jìn)而直接影響到刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量。而導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要用于保證運(yùn)動(dòng)件和靜止件之間能夠準(zhǔn)確對(duì)合，起定位和定向作用[31][32][33]。刀片在繞鋼管高速公轉(zhuǎn)的同時(shí)需要徑向進(jìn)給，要求進(jìn)給運(yùn)動(dòng)靈活可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。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。根據(jù)功能要求本切管機(jī)的進(jìn)給量f是可調(diào)的，最大進(jìn)給量=15mm/次。 徑向進(jìn)給導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算導(dǎo)軌是金屬或其它材料制成的槽或脊，可承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備，并減少其摩擦的一種裝置。在本設(shè)計(jì)中刀架組合安裝在空心主軸上隨空心主軸繞鋼管做高速公轉(zhuǎn)的同時(shí)徑向進(jìn)給，刀架組合進(jìn)給過程中的穩(wěn)定性和可靠性由導(dǎo)軌來保證以實(shí)現(xiàn)鋼管切割的精度。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。刀架組合的離心力： （）式中：m——刀架組合的質(zhì)量，；r——刀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，鋼管半徑50mm+刀片半徑40mm=；v——刀軸質(zhì)量中心的線速度，2400r/min180mm=代入數(shù)據(jù)得到F=550N，所以導(dǎo)軌的軸向載荷為550+=。（）② 導(dǎo)軌需要承受橫向載荷以克服鋼管對(duì)刀片的周向阻力矩和刀架組合的動(dòng)量矩。為了簡(jiǎn)化計(jì)算。 （） （）式中：R——刀片所承受周向力的力臂長(zhǎng)。 （）式中：r——刀架組合的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，90mm；m——刀架組合（包括刀軸及軸上零件）的質(zhì)量，；v——刀架組合質(zhì)量中心的線速度。代入數(shù)據(jù)得到刀架組合的動(dòng)量矩=。綜上所述，導(dǎo)軌需要承受的橫向力矩為197+=。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。但是不論對(duì)那種導(dǎo)軌來說，考慮的著眼點(diǎn)是相同的，那就是速度、剛性和負(fù)載[30]。表 導(dǎo)軌分類表導(dǎo)軌類型主要特點(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)軌速度高，形成液體摩擦 阻尼大，抗振性好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜供油系統(tǒng)，使用維護(hù)方便高速、高精度的車床主導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌摩擦系數(shù)小，驅(qū)動(dòng)力小 低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好承載能力大，剛性、吸振性好結(jié)構(gòu)復(fù)雜大型、重型、精密、數(shù)控車床的工作臺(tái)根據(jù)上述表格對(duì)比分析，首先考慮采用滑動(dòng)導(dǎo)軌，而刀架組合的進(jìn)給速度為2mm/s，屬于低速爬行，且以節(jié)拍小于10s的頻率往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，采用普通滑動(dòng)導(dǎo)軌即可。保證導(dǎo)軌的制造精度以克服普通滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在滿足功能要求的前提下最大限度控制制造成本?；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。V形導(dǎo)軌也叫做山形導(dǎo)軌或者三角形導(dǎo)軌，導(dǎo)向精度很高，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償間隙。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。矩形導(dǎo)軌也叫做平導(dǎo)軌，制造簡(jiǎn)單承載能力大，不能自動(dòng)補(bǔ)償磨損，必須用鑲條來調(diào)整、補(bǔ)償間隙，導(dǎo)向精度很低且需要良好的維護(hù)，主要用于載荷很大的機(jī)床和組合導(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、車床尾架。燕尾形導(dǎo)軌，制造較復(fù)雜，磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，但是用一根鑲條可調(diào)整間隙，尺寸緊湊，調(diào)整方便，可同時(shí)承受軸向載荷和橫向載荷，多用于機(jī)床刀架。符合本設(shè)計(jì)刀架組合徑向進(jìn)給動(dòng)作的功能要求。綜合以上分析，刀架組合的徑向進(jìn)給導(dǎo)軌采用燕尾形的普通滑動(dòng)導(dǎo)軌。 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運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來?？紤]利用空心主軸內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)推桿推動(dòng)動(dòng)軌下部的斜塊斜面，使得刀架組合徑向進(jìn)給。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。 徑向進(jìn)給部件3D模型用Pro/104mm3，。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。 斜塊受力示意圖根據(jù)幾何關(guān)系有: （）。推桿與斜塊之間使用滑動(dòng)軸承（）連接，下面對(duì)滑動(dòng)軸承的心軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，該軸采用40Cr材料的光軸， （）式中：——光軸所受到的剪切應(yīng)力，單位為MPa；Fa——光軸所受到的徑向載荷，單位為N；——光軸的抗剪強(qiáng)度，單位為MPa,查手冊(cè)得到40Cr的抗剪應(yīng)力為450MPa；d——光軸的直徑，單位mm。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。該斜塊受力比較大，且外形尺寸受到結(jié)構(gòu)空間的限制，屬于關(guān)鍵零件，下面使用Pro/E軟件的Mechanica插件進(jìn)行簡(jiǎn)要的有限元分析。按照斜塊的材料為普通碳鋼，屈服強(qiáng)度為220MPa分析。 斜塊的材料屬性屬性名稱數(shù)值單位彈性模量+011N/m^2普阿松比率NA抗剪模量+010N/m^2質(zhì)量密度7800kg/m^3張力強(qiáng)度+008N/m^2屈服強(qiáng)度+008N/m^2 斜塊的應(yīng)力、應(yīng)變有限元分析結(jié)論是斜塊采用普通碳素鋼，最大應(yīng)力發(fā)生在槽上半個(gè)圓弧的節(jié)點(diǎn)處，196MPa，小于普通普通碳素鋼的 220MPa，最大應(yīng)變發(fā)生在下半個(gè)圓弧的節(jié)點(diǎn)以外，說明該斜塊是可靠的。如果條件允許，斜塊的材料采用合金鋼的話安全系數(shù)將更高。 軸向運(yùn)動(dòng)與徑向運(yùn)動(dòng)的組合設(shè)計(jì)綜合以上分析，該切管機(jī)的主運(yùn)動(dòng)為空心軸以2400r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)刀片進(jìn)行滾切動(dòng)作，輔助運(yùn)動(dòng)包括徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和定位卸料運(yùn)動(dòng)。 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。為了控制鋼管材料對(duì)刀片的沖擊，要求勻速進(jìn)刀，速度為2mm/s。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。，、送料和夾緊的動(dòng)作。斜塊內(nèi)槽的傾斜角為30176。，徑向進(jìn)給行程S為15mm，有幾何關(guān)系得到推桿的推程Sa （）由于推桿前進(jìn)而進(jìn)刀，推桿前進(jìn)時(shí)間（即進(jìn)刀時(shí)間）為8S；由于推桿后退而退刀，推桿后退時(shí)間（即退刀時(shí)間）為2S。由得到推桿前進(jìn)速度；推桿后退速度。 定位與卸料裝置的設(shè)計(jì)該鋼管切斷工藝要求下料長(zhǎng)度為5～20mm，并且有尺寸精度要求，屬于定長(zhǎng)切斷工藝，有必要對(duì)定位和卸料裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。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，以保證切斷下來的工件長(zhǎng)度符合尺寸精度要求。擬設(shè)計(jì)一個(gè)具有階梯的的定位板，該定位板具有一大一小兩個(gè)圓柱面。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始后退，此時(shí)定位板本身可以通過卸料板，而工件則不能通過被卸料板從而被卸料板“刮”下來，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。 定位卸料示意圖定位板的主要尺寸有小圓柱面的直徑、長(zhǎng)度和大圓柱面的直徑，這三個(gè)尺寸可以根據(jù)不同下料工件的尺寸制造成系列定位板，在加工不同的工件時(shí)直接更換定位板即可。這樣可以擴(kuò)大切管機(jī)的加工范圍。由于在滾切過程中毛坯管是被夾緊固定不動(dòng)的，要求“托”住毛坯管的定位板也不能隨空心主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，周向是固定的，否則會(huì)影響滾切效果。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來對(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工件后，定位板后退起卸料作用。第五章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本文中，啟動(dòng)系統(tǒng)后，空心主軸在主切削電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)刀片對(duì)鋼管進(jìn)行滾切，其中空心主軸由兩個(gè)滾動(dòng)軸承支撐。直線電機(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。直線電機(jī)2前進(jìn)而推動(dòng)推桿與斜塊作用而使刀片進(jìn)刀，直線電機(jī)2后退而使刀片退刀，直線電機(jī)1后退而卸料。整個(gè)工藝過程涉及到了傳動(dòng)系統(tǒng)和五臺(tái)電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，隨著各種新技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不斷簡(jiǎn)化已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。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。此外，隨著機(jī)械自動(dòng)化和智能化的要求愈來愈高，單純的機(jī)械傳動(dòng)有時(shí)已不能滿足要求，因此應(yīng)注意機(jī)、電、液、氣傳動(dòng)的結(jié)合，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使設(shè)計(jì)方案更加合理和完善[34]。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。，以嚙合傳動(dòng)的應(yīng)用最廣泛。傳動(dòng)類型的選擇關(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)的類型，需要經(jīng)過多種方案的分析比較。 機(jī)械傳動(dòng)分類 主切削運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)1） 電動(dòng)機(jī)主切削運(yùn)動(dòng)為空心主軸以2400r/min的速度帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的能量來源，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。同一類型的電動(dòng)機(jī)，相同的額定功率有多種轉(zhuǎn)速可供選用的，如果工作機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，應(yīng)該選擇高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)。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。轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。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。與單相異步電動(dòng)機(jī)相比，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動(dòng)機(jī)可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)是調(diào)速困難[35]。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）。=。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=……）。我國(guó)電源的頻率為f=50Hz的電源，轉(zhuǎn)速有3000，1500，1000，750…… 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)為異步電機(jī)，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速稍低一些，空載轉(zhuǎn)速為3000r/min的異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大概在2800r/min左右。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，滿載轉(zhuǎn)速，質(zhì)量為45kg，輸出軸徑為，中心高為H=112mm。2） 齒輪將電動(dòng)機(jī)的能量傳遞到空心主軸，我們可以考慮采用帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)三種方案。下面對(duì)這三種方案進(jìn)行分析選擇。帶傳動(dòng)包括摩擦帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，維修方便，能夠緩沖減震，但是使用壽命低（5000～10000h），其中的摩擦帶傳動(dòng)有過載保護(hù)的作用，但是不能保證轉(zhuǎn)動(dòng)比，同步帶傳動(dòng)能夠保證固定的平均傳動(dòng)比，考慮到本切割機(jī)的使用時(shí)間比較長(zhǎng)，暫不考慮使用帶傳動(dòng)。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)