【正文】 是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，它在很大程度上代表著一個(gè)國家的科學(xué)水平、創(chuàng)新能力和綜合實(shí)力[2]。切管斷面質(zhì)量、切管效率及材料利用率的高低都直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本。但是,大量使用金屬管還只是近二百年的事情。在此之后，出現(xiàn)了鑄鋼管坯鍛制成管和鋼板沖裁拉深成管的方法；1885年，德國曼尼斯曼兄弟用穿孔法生產(chǎn)無縫鋼管，1890年開始用于工業(yè)生產(chǎn)。在管材的生產(chǎn)、加工和應(yīng)用過程中自然而然就出現(xiàn)了切管機(jī)[3]。工業(yè)發(fā)達(dá)的國家目前鋼管產(chǎn)量占鋼材產(chǎn)量9～16％。金屬管材按周邊有、無接縫分為無縫管和焊接管。～4000mm，～200mm，除圓形以外，還有各種異形管材。非金屬管主要指塑料管材，金屬管有鋼管，合金管，銅管等。按照切割管材的壁厚不同可以分為薄壁管切割機(jī)和厚壁管切割機(jī)，壁厚小于2mm屬于薄壁管，大于2mm屬于厚壁管。如今切管機(jī)行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)就是無屑切割。其中鋸割、滾輪擠壓、砂輪切割等屬于機(jī)械力切割，氣焊切割、電火花線切割、激光切割、水切割等屬于非機(jī)械力切割機(jī)。 國內(nèi)外切管機(jī)及技術(shù)的發(fā)展概況中國的切管機(jī)與基礎(chǔ)制造裝備經(jīng)過上世紀(jì)末和本世紀(jì)初的發(fā)展，特別是2002～2004年，我國連續(xù)三年成為世界上最大的切管機(jī)生產(chǎn)國，經(jīng)過努力，我國的機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，國內(nèi)市場(chǎng)占有率穩(wěn)步提高，一批大型企業(yè)迅速崛起，甚至兼并國外知名企業(yè)，獲取知識(shí)產(chǎn)權(quán)和優(yōu)秀人才，首臺(tái)(套)應(yīng)用取得突破。繼完成提高整機(jī)可靠性任務(wù)之后，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)在于增加產(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量，努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，改善操作人員的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保等方向發(fā)展，以提高經(jīng)濟(jì)效益[5]。各工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如德國、日本、美國、英國和俄羅斯等都不斷發(fā)展和完善了各式各樣的切管設(shè)備（包括光電跟蹤切管機(jī)和數(shù)控切管機(jī)），由單一的火焰切管發(fā)展為具有高能的等離子弧切管、激光切管及綜合性的切管技術(shù)。德國Cypress焊接設(shè)備公司新近研制了1臺(tái)新型自動(dòng)切管機(jī)MM1。該切管機(jī)輥式接管臺(tái)的基本長(zhǎng)度可容納1830mm長(zhǎng)的鋼管，并且可以按2500mm為一級(jí)增加長(zhǎng)度，最長(zhǎng)可以增加4級(jí)，達(dá)到10m長(zhǎng)。并且，同時(shí)沿鋼管軸線方向前后運(yùn)動(dòng)切刀進(jìn)行切割[7]。日本板橋機(jī)械公司設(shè)計(jì)制造的全自動(dòng)切管機(jī)M218027，對(duì)口徑216。2） 國內(nèi)切管機(jī)及技術(shù)的發(fā)展概況當(dāng)前，我國切管機(jī)與基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)仍然存在的突出問題是：自主開發(fā)能力薄弱，專業(yè)化的配套體系尚未形成，功能部件的發(fā)展滯后，產(chǎn)品自動(dòng)化水平低，可靠性、精度保持性差。2007年，%，%，這是我國連續(xù)第三年切管機(jī)產(chǎn)值位居世界第三。但是與先進(jìn)的工業(yè)國家相比，差距還是比較大的。天津和豐機(jī)械制造有限公司是專業(yè)制造金屬管材類加工機(jī)械設(shè)備的企業(yè)，最近推出新型CNC超高速切管機(jī)，8小時(shí)連續(xù)切斷7000刀，切管范圍：直徑76mm～175mm，壁厚2mm～50mm，是國內(nèi)同類產(chǎn)品中技術(shù)性能比較先進(jìn)的一種[10]。① 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化；② 自動(dòng)化、智能化；③ 節(jié)能、環(huán)保；④ 速度低、精度低、可靠性低。近年來，我國切管機(jī)行業(yè)雖然采用了一些PLC和具有智能控制的儀器儀表，但總體來說，大多數(shù)還處于低水平的機(jī)電控制，還沒有帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采集、修正功能的切管機(jī)。 課題研究的主要內(nèi)容本課題的目標(biāo)是針對(duì)我公司齒環(huán)生產(chǎn)線的工藝要求，研究、開發(fā)一種自動(dòng)鋼管無屑切割機(jī)。本文的結(jié)構(gòu)如下：第一章：緒論簡(jiǎn)要闡述課題《自動(dòng)鋼管無屑切割機(jī)的研究與設(shè)計(jì)》的選題背景、研究的目的和意義，綜述國內(nèi)外切管工藝的資料，總結(jié)出本文的主要內(nèi)容。第三章：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，分析了無屑切管工藝，歸納了系統(tǒng)的功能，進(jìn)行功能分解，由此確定了無屑切管機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。由此對(duì)樣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件的質(zhì)量、形心和離心力的分析計(jì)算，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行有限元分析。第六章：電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用S7200 PLC，對(duì)所設(shè)計(jì)的無屑切管機(jī)進(jìn)行了控制對(duì)象分析，選定了控制方案，設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制。第二章 無屑滾切的原理無屑滾切是利用金屬材料的冷塑性變形實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的定長(zhǎng)切斷，其原理是金屬的塑性變形。金屬塑性變形理論應(yīng)用于兩個(gè)領(lǐng)域：①解決金屬的強(qiáng)度問題，包括基礎(chǔ)性的研究和使用設(shè)計(jì)等；②探討塑性加工，解決施加的力和變形條件間的關(guān)系，以及塑性變形后材料的性質(zhì)變化等[11]。冷變形加工是在沒有回復(fù)和再結(jié)晶的條件下進(jìn)行的塑性變形加工，即塑性變形溫度低于回復(fù)溫度。熱變形加工是在再結(jié)晶過程得到充分進(jìn)行的條件下進(jìn)行的塑性變形加工，即塑性變形溫度高于（或等于）再結(jié)晶溫度。如鉛和鋅的再結(jié)晶溫度為室溫，因此室溫下的加工就是熱變形加工。變形后的金屬既產(chǎn)生加工硬化也產(chǎn)生回復(fù)[12]。當(dāng)金屬受的外力（切應(yīng)力）超過其屈服點(diǎn)（σs）時(shí)，除繼續(xù)發(fā)生彈性變形外，同時(shí)還發(fā)生永久變形，又稱塑性變形。滑移是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。45鋼是中碳鋼的代表，屬于多晶體結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是切削性能好。的晶粒，使位錯(cuò)在晶界附近塞積，當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。切割過程不產(chǎn)生切屑，材料得到充分利用，且噪聲很小。2) 滾切階段——刀具一邊主動(dòng)公轉(zhuǎn)并從動(dòng)自轉(zhuǎn)，一邊繼續(xù)徑向進(jìn)給向下滾切鋼管，此時(shí)鋼管材料因?yàn)榍a(chǎn)生塑性變形而流動(dòng)。3) 切斷階段——在刀具的滾切作用下，連皮越來越薄，最后鋼管材料的軸向拉力大于徑向壓力，鋼管被切斷（實(shí)為拉斷）。2) 材料利用率高——因切斷過程中不產(chǎn)生切屑，管材可得到充分利用。3) 精度高——采用專門的機(jī)械定位裝置，切割長(zhǎng)度偏差不超過177。5) 刀具形狀簡(jiǎn)單——與斜軋或楔橫軋所用的軋輥相比，本工藝所用刀具為內(nèi)圓裝軸承的圓刀片，楔角為單斜角，形狀簡(jiǎn)單，因而易于加工制造，成本低廉；軸承為滑動(dòng)軸承，安裝、調(diào)整方便。正常情況下，刀片平均耐用度可達(dá)到100min以上。相當(dāng)于10mm壁厚的鋼管分200刀切斷，每切一刀所需要的力是很小的，按鋼管在5s內(nèi)被切斷計(jì)算分析。眾所周知力的作用是相互的，滾切力被認(rèn)為是由與其大小相等、方向相反的滾切阻力引起的。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。下面對(duì)滾切力進(jìn)行理論分析：理想刀片的刀刃是前后兩刀面的交線，但實(shí)際刀片的刃口并不是絕對(duì)鋒利、規(guī)則的一條線，而是一個(gè)不規(guī)則的曲面。當(dāng)?shù)镀羞M(jìn)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(gè)楔形刀面也與鋼管相接觸作用。刀尖頂點(diǎn)對(duì)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。刀片對(duì)鋼管的徑向壓力F可以分解為對(duì)鋼管的軸向分離力FaFa2，對(duì)鋼管的徑向變形力Fr、對(duì)鋼管的切向變形力Ft和對(duì)鋼管的正壓力Fn。由前面的理論分析可知，刀片對(duì)鋼管進(jìn)行滾切過程中，變形力在整個(gè)滾切力中所占的比例要比分離力與摩擦力大得多。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(dòng)，同時(shí)，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(duì)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。主切削力與切削速度的乘積就是所要推導(dǎo)的切削功率。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。 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(jì)算公式有： （）式中：——鋼管所受到的剪切應(yīng)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(zhuǎn)的最后一圈，此時(shí)鋼管直徑為100mm,取刀片直徑為80mm，剪切面面積為弧弦長(zhǎng)AB=（軟件分析得到），由Pro/；——鋼管抗剪強(qiáng)度，單位為MPa,查手冊(cè)得到45鋼的抗剪應(yīng)力為178MPa；鋼管受到刀刃擠壓作用，按照擠壓力的計(jì)算公式有： （）式中：——鋼管所受到的擠壓應(yīng)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(zhǎng)AB乘上刀刃刃口圓角直徑，由Pro/=（）；——鋼管的抗壓強(qiáng)度，單位為MPa,查手冊(cè)得到45鋼的抗壓應(yīng)力為360MPa；，取安全系數(shù)S=，工件受到刀刃所施加的徑向壓力放大為1000N。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。在鋼管的滾切過程中，刀片刀刃的剪切作用和刀刃側(cè)面的擠壓作用是刀片對(duì)鋼管的基本作用。當(dāng)割輪的楔角及刃口圓角半徑都較小時(shí)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(yīng)減弱。相反，如果刀片不夠鋒利，強(qiáng)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(qiáng)，刀片將不容易切入鋼管?！?5176?！?2176。本文刀片的楔角取40176。雙斜角刀片對(duì)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(dòng)方向?qū)⒀仉p軸向流動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)的落料長(zhǎng)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(duì)夾緊裝置，使得材料大部分的軸向塑性流動(dòng)往懸臂方向流動(dòng)，利于滾切。3） 滾切變形分析滾切過程中時(shí)，隨著楔形刀刃的切入，鋼管在刀片的徑向壓力作用下，產(chǎn)生了劇烈而復(fù)雜的塑性變形。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。刀刃切入鋼管后，部分材料沿切向流動(dòng)，使工件微觀上呈橢圓狀。刀刃側(cè)面發(fā)揮了擠壓分離作用，鋼管主要產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、軸向壓縮和外徑擴(kuò)展等變形。軸向壓縮使刃口下部的連皮材料產(chǎn)生拉應(yīng)力，外徑擴(kuò)展是指切口斜面受壓后，材料向鋼管外徑方向流動(dòng)，致使工件延切口外徑邊緣處略微鼓起并呈橢圓狀。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(cè)對(duì)產(chǎn)生變形所起的作用越來越大。這時(shí)因刀刃兩側(cè)造成的軸向壓縮變形而產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力起主要的作用，當(dāng)該拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼管就被切斷。同時(shí)由于徑向進(jìn)給量很少（），所以產(chǎn)生的毛刺也很小。 切削功率的理論計(jì)算對(duì)無屑滾切工藝過程的切削功率進(jìn)行理論計(jì)算，為后期的傳動(dòng)系統(tǒng)和和電氣控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算切削功率之前，根據(jù)該無屑滾切工藝的特點(diǎn)和材料的特點(diǎn)做如下假設(shè)：① 假設(shè)刀片和鋼管之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，忽略兩者之間相對(duì)滑動(dòng)造成的影響，包括功率損失等。③ 假設(shè)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(rèn)為F等于Fr。 正壓力的理論計(jì)算，刀片能夠順利將鋼管材料軸向分離的條件是Fr應(yīng)大于或者等于鋼管材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪。根據(jù)幾何關(guān)系得到正壓力的理論計(jì)算公式如下： （）式中：——刀片斜角，40176。 摩擦面積的理論計(jì)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/。 摩擦面積示意圖 切削功率的理論計(jì)算刀片對(duì)鋼管材料進(jìn)行滾切時(shí)，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(shù)?；诠δ芊治龅臋C(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方法，是一種既便于設(shè)計(jì)者掌握、又行之有效的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。 功能要求我公司鋼質(zhì)齒環(huán)生產(chǎn)線需要對(duì)毛坯鋼管（管長(zhǎng)L=10m，內(nèi)徑d=80mm,外徑D=100mm）大批量切斷下料，下料長(zhǎng)度l=10mm，鋼管材料為45鋼，以作為壓鑄齒輪的坯料。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%。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(dǎo)致所生產(chǎn)得到的產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸誤差偏大。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工中利用車床進(jìn)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(zhuǎn)，然后由切刀或偏刀橫向（徑向）進(jìn)給對(duì)工件進(jìn)行切割。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(dòng)，刀具繞鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)而進(jìn)行的切割[15]。具體功能要求數(shù)據(jù)如下：鋼管材料 45鋼鋼管長(zhǎng)度 ≤10m鋼管直徑 50～100mm鋼管壁厚 2～10mm齒坯長(zhǎng)度 5～20mm滾切精度 177。根據(jù)上述要求，本課題即要切管機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管“滾切”這一總功能。這些功能還可進(jìn)一步細(xì)分為獨(dú)立的功能元，功能元的求解過程是選擇實(shí)用的科學(xué)技術(shù)原理，在此基礎(chǔ)上可將各功能元載體進(jìn)行技術(shù)綜合，從而形成系統(tǒng)總功能的技術(shù)解決方案。下一循環(huán)。限于篇幅，此處僅以其中“切”功能的技術(shù)原理的構(gòu)思過程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 功能方案綜合功能原理方案綜合常采用形態(tài)學(xué)矩陣。本課題通過建立形態(tài)學(xué)矩陣，獲得了數(shù)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(jīng)過技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性分析以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析，下面提出的兩個(gè)方案，功能實(shí)現(xiàn)基本上是一致的，不同點(diǎn)在圓形刀片徑向進(jìn)給的機(jī)理，一個(gè)屬于柔性進(jìn)給，一個(gè)屬于剛性進(jìn)給。該方案的工作原理是機(jī)頭1高速轉(zhuǎn)動(dòng)，配重塊2和刀片7連接在擺桿6上并可以繞銷軸8轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)整配重塊2的位置和質(zhì)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(jìn)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(fù)位作用。優(yōu)點(diǎn)：1） 整個(gè)滾切工藝過程只要提供一個(gè)動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)機(jī)頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)即可，徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由離心力實(shí)現(xiàn)無須由專用動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)；2） 徑向進(jìn)給方式屬于柔性進(jìn)給，對(duì)鋼管的截面圓度要求不高，甚至可以對(duì)非圓截面的管材進(jìn)行滾切切割；3） 在切割過程中如遇到阻力增大時(shí)刀片可以迅速反彈進(jìn)而保護(hù)刀片；4） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。徑向進(jìn)給壓力由離心力提供，離心力的大小與配重塊的質(zhì)量、配重塊的徑向距離和拉簧拉力有關(guān)。二方面還要考慮調(diào)整配重塊的徑向距離和配重塊的固定。2） 擺桿對(duì)限位銷有一定的沖擊，當(dāng)