【正文】 滾切到鋼管連皮很薄的時(shí)候，連皮瞬間被切斷，擺桿會(huì)以一定的沖擊力打向下限位銷，當(dāng)滾切完畢停車的時(shí)候配重塊失去離心力，在拉簧的作用下擺桿也會(huì)以一定的沖擊力打向上限位銷。當(dāng)鋼管快要切斷的瞬間連皮很薄時(shí)也就是配重塊徑向距離最大的時(shí)候，此時(shí)徑向進(jìn)給壓力也最大，切削速度也最大，容易產(chǎn)生飛邊毛刺。該方案的工作原理是:1） 啟動(dòng)切管機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)空心主軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，刀片4隨之繞公轉(zhuǎn)；2） 定位 直線電機(jī)10驅(qū)動(dòng)定位板1前進(jìn)，到達(dá)預(yù)定位置開始定位，發(fā)出信號(hào)；3） 送料 配套的附屬送料機(jī)構(gòu)得到定位準(zhǔn)備完畢的信號(hào)后將鋼管2軸向送料至定位板1的定位臺(tái)階并發(fā)出信號(hào)；4） 夾緊 配套的附屬夾緊機(jī)構(gòu)得到定位完畢的信號(hào)后將鋼管2夾緊并發(fā)出信號(hào)；5） 進(jìn)刀 得到夾緊完畢的信號(hào)后，直線電機(jī)11前進(jìn)，推力軸承座9承受推力，在斜塊滾輪7的作用下刀片沿導(dǎo)軌徑向進(jìn)給開始滾切直至切斷鋼管并發(fā)出信號(hào)；6） 退刀 得到滾切完畢的信號(hào)后，直線電機(jī)11后退，推力軸承座9承受拉力，在斜塊滾輪7的作用下刀片徑向退刀，并發(fā)出信號(hào)；7） 卸料 直線電機(jī)10得到信號(hào)后后退，工件在卸料板3的作用下落料；8） 下一個(gè)循環(huán)開始。優(yōu)點(diǎn)：1） 轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力源無須頻繁啟動(dòng)和停車，保證鋼管滾切加工的連續(xù)性，有效提高生產(chǎn)效率，有效保護(hù)動(dòng)力源和提高傳動(dòng)系統(tǒng)使用壽命；2） 兩把完全相同的滾切刀片對(duì)稱布置，保證了切管機(jī)的動(dòng)平衡，有效控制沖擊和系統(tǒng)的震動(dòng)；3） 剛性進(jìn)給，保證了徑向進(jìn)刀與退刀的有效性；4） 產(chǎn)品規(guī)格范圍廣，通過調(diào)整直線電機(jī)10的行程以適應(yīng)落料長度的變化，通過調(diào)整定位板1和卸料板3的口徑，直線電機(jī)11的行程以適應(yīng)鋼管外徑的變化，通過更換刀片以適應(yīng)鋼管壁厚的變化。經(jīng)過以上綜合分析比較，采用剛性進(jìn)給的方案。而“virtual prototyping”則是為了測(cè)試和評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特定性質(zhì)，使用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)的過程[15]。本課題主要運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型設(shè)計(jì)。Pro/ENGINEER軟件包的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境在支持并行工作，它通過一系列完全相關(guān)的模塊表述產(chǎn)品的外形、裝配及其他功能。包括對(duì)大型項(xiàng)目的裝配體管理、功能仿真、制造、數(shù)據(jù)管理等。1） 工業(yè)設(shè)計(jì)(CAID)模塊 工業(yè)設(shè)計(jì)模塊主要用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，用3DS可以生成實(shí)體模型，但用3DS生成的模型在工程實(shí)際中是“中看不中用”。事實(shí)上，Pro/E后階段的各個(gè)工作數(shù)據(jù)的產(chǎn)生都要依賴于實(shí)體建模所生成的數(shù)據(jù)。2） 機(jī)械設(shè)計(jì)(CAD)模塊機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，利用該軟件可以繪制任意復(fù)雜形狀的零件。包括：PRO/ASSEMBLY（實(shí)體裝配）、PRO/CABLING（電路設(shè)計(jì)）、PRO/PIPING（彎管鋪設(shè)）、PRO/REPORT（應(yīng)用數(shù)據(jù)圖形顯示）、PRO/SCANTOOLS（物理模型數(shù)字化）、PRO/SURFACE（曲面設(shè)計(jì)）、PRO/WELDING（焊接設(shè)計(jì)）。利用該功能，在滿足零件受力要求的前提基礎(chǔ)上，便可充分優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)。根據(jù)Pro/E提供的這些功能特點(diǎn),本課題所有設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都可以在Pro/E軟件界面中完成?；谌S特征元素的建模和面向特征元素的數(shù)據(jù)修改是通過Pro/E來完成的,并且二維、三維數(shù)據(jù)全相關(guān),修改任何一個(gè)零件的二維尺寸, 都會(huì)引起其三維零件圖和裝配圖的自動(dòng)修改,甚至與其有緊密聯(lián)系的相關(guān)零件的尺寸也會(huì)變化；反之，修改三維尺寸也會(huì)有同樣結(jié)果。要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真,首先要嚴(yán)格的建立機(jī)械系統(tǒng)的裝配模型。本課題采用前一種方法,利用Pro/E提供的智能配合技術(shù)快速建立系統(tǒng)的裝配體模型，實(shí)現(xiàn)可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)。要控制離心力的大小先從質(zhì)量把握，盡可能減小刀軸的尺寸。工件受到刀刃所施加的壓力放大為1000N。刀軸是構(gòu)成本切割機(jī)的重要零件之一，在完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，要對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。為了保證切割精度，對(duì)刀軸的剛度要求也比較高。此刀軸的外伸自由端較長，僅僅滿足強(qiáng)度、剛度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性的校核，以防軸發(fā)生共振而受到破壞[21]。碳素鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性小，所以應(yīng)用比較廣泛。對(duì)不重要的或者受力比較小的軸以及一般傳動(dòng)軸可以使用Q235至Q275鋼[22]。常用的合金鋼有20Cr、40Cr、38SiMnMo等[23]。另外因?yàn)殍T造質(zhì)量不容易控制，可靠性不如鋼軸[24]。 刀軸的強(qiáng)度、剛度校核計(jì)算此刀軸為集中載荷的懸臂軸，初取跨度L為25mm進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，集中載荷等于刀架組合的離心力與刀片的徑向反作用力的合力。剪力：。代入數(shù)據(jù)得到結(jié)果刀軸最小直徑為d=，綜合考慮刀軸的疲勞和振動(dòng)穩(wěn)定性，初取軸徑d=。如果采用滑動(dòng)軸承，若彎曲變形過大，會(huì)使滑動(dòng)軸承局部磨損和發(fā)熱，降低滑動(dòng)軸承的使用壽命。軸的剛度分為彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。軸的彎曲強(qiáng)度以撓度和偏轉(zhuǎn)角來衡量。端截面轉(zhuǎn)角： （）最大撓度： （）式中：E——材料的彈性模量，40Cr室溫下的彈性模量為210GPaI——慣性矩，此圓截面刀軸的代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到： （） （） 刀軸的應(yīng)力、撓度有限元分析利用Pro/E軟件的Mechanica插件做簡(jiǎn)要分析，得到該刀軸的最大下?lián)狭繛?，與理論計(jì)算的結(jié)果相差無幾，說明該刀軸的剛度是可靠的；,遠(yuǎn)小于40Cr的屈服強(qiáng)度540MPa，說明該刀軸的強(qiáng)度是可靠的。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于材料不勻、制造誤差或?qū)χ胁涣嫉仍颍瑫?huì)產(chǎn)生以離心力為表征的周期性干擾力，從而產(chǎn)生彎曲振動(dòng)；當(dāng)軸因傳遞的功率有周期性的變化而產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；當(dāng)軸受周期性的軸向干擾力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)。一旦發(fā)生共振，軸的變形將迅速增大，這樣就會(huì)影響設(shè)備的正常性能，甚至導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備受損[26]。軸的臨界轉(zhuǎn)速可以有許多種，最低的一個(gè)叫一階臨界轉(zhuǎn)速，其余依次叫作二階、三階……臨界轉(zhuǎn)速。若軸的工作轉(zhuǎn)速n低于一階臨界轉(zhuǎn)速，則稱其為剛性軸；若軸的工作轉(zhuǎn)速n超過一階臨界轉(zhuǎn)速，則稱其為撓性軸。 （）式中：d——軸的直徑，；W——軸的質(zhì)量，；l——軸的總長，；C——支撐間距離，；G——外伸端刀架組合的質(zhì)量?？梢姷遁S的工作轉(zhuǎn)速2400r/min是具有足夠的振動(dòng)穩(wěn)定性的。和鋸片厚度b。同時(shí)，刀盤直徑越大，刀尖的磨損速度越慢，其耐用度會(huì)在一定程度上得到提高。刀片厚度的增加，理論上只會(huì)增加刀片的重量和強(qiáng)度，而重量正比于刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，據(jù)有關(guān)資料介紹，由鋸片厚度增加引起空載功率的增加，在測(cè)量儀表允許的誤差之內(nèi)，可不作考慮?？梢韵蚰暇┩l(fā)機(jī)械刀模具有限公司等廠家訂購內(nèi)圓裝軸承的圓刀片，要求刀片材料為Cr12MoV或W18Cr4V，淬火硬度分別為58HRC和62HRC，刀片外徑為80mm，刀片厚度為1mm，單斜角，斜角角度為40176。如果安裝滾動(dòng)軸承，為了保證刀片的偏擺程度，需要安裝滾針軸承或者雙列滾動(dòng)體的軸承，徑向尺寸較大，減振能力較差，高速時(shí)壽命低，聲響較大[29]?？紤]采用滑動(dòng)軸承，要求軸承內(nèi)徑12mm，軸承寬為7mm。 （）式中：P——軸承的平均壓強(qiáng)，單位為MPa；F——軸承徑向載荷，單位為N；d——軸頸處直徑，單位為mm；B——軸瓦寬度，單位為mm。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?！招妮S的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；——鋼管的直徑，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。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。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。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。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。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。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+=。為了簡(jiǎn)化計(jì)算。 （）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。綜上所述，導(dǎo)軌需要承受的橫向力矩為197+=。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]。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。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。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。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。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?？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。 徑向進(jìn)給部件3D模型用Pro/104mm3。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。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。 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。 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)。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。、送料和夾緊的動(dòng)作。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。 定位與卸料裝置的設(shè)計(jì)該鋼管切斷工藝要求下料長度為5～20mm，并且有尺寸精度要求，屬于定長切斷工藝，有必要對(duì)定位和卸料裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。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。 定位卸料示意圖定位板的主要尺寸有小圓柱面的直徑、長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。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。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)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。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)。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]。以嚙合傳動(dòng)的應(yīng)用最廣泛。 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)。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)。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。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?；\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]。=。我國電源的頻率為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。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。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，暫不考慮使用帶