鋼管去毛刺技術研究及專用裝備設計（三維建模CAD圖紙）

1、鋼管去毛刺技術研究及專用裝備設計（三維建模CAD圖紙） 鋼管去毛刺技術研究及專用裝備設計 第一章 緒 論 1.1 課題背景 近年來,通過引進國外先進技術及對引進技術的消化吸收,我國 高頻直縫焊管的生產(chǎn)技術裝備水平不斷提高, 高頻直縫焊管的產(chǎn)品質 量和檔次也有了很大的提升,產(chǎn)品的用途越來越廣泛。對高頻直縫焊 管的內外毛刺進行清除, 是生產(chǎn)高檔次高頻直縫焊管的一個重要工藝 過程和手段,對于內毛刺清除精度要求較高的產(chǎn)品,如果內毛刺清除 質量滿足不了標準或用戶要求,將無法實施批量生產(chǎn)。相比外毛刺的 清除工作,內毛刺的清除是一項復雜工作。在實際生產(chǎn)過程中的許多 因素均會影響到內毛刺清除質量, 即內毛刺清

2、除的精度和清除過程的 穩(wěn)定性。采用在線去毛刺裝置,除了改善去毛刺質量,還可以提高生 產(chǎn)質量, 在實現(xiàn)鋼管成型及去毛刺同步時, 也穩(wěn)定了輸出質量。 因此, 有必要對各種影響因素進行分析,采取相應的措施,以改善高頻直縫 焊管內毛刺的清除效果和提高產(chǎn)品檔次, 在線去毛刺裝置的設計對于 提高生產(chǎn)質量和節(jié)約生產(chǎn)成本有著重要意義。 1.2 國內外發(fā)展進程 在焊管剛剛開始興起的19 世紀4050 年代,人們對電焊管內毛 刺的清除是沒什么要求的。后來由于工業(yè)的發(fā)展, 如汽車、鍋爐、石 油等行業(yè)需要比較精密的焊管, 強調要求清除焊管內毛刺, 這才開 始電焊管內毛刺清除裝置的研制與開發(fā)。 20 世紀60 年代,

3、我國絕大部分焊管生產(chǎn)企業(yè)的焊管機組都是101.6 mm以下的, 到了70 年代中期才開始研制電焊管內毛刺清除 裝置。 原首鋼焊管廠首先開始使用固定式刀架, 先由人工調整, 將刀 架上的刀片對準需要切削的毛刺。 雖然試生產(chǎn)石油管已達到一個較高 的水平, 內毛刺殘留高度僅為00.2 mm, 但由于原料、成型、焊接、 合格率等因素的影響, 還需要做進一步的研究。 后來又采用了浮動式 彈簧或氣動 刀架, 如我國在20 世紀80年代初從日本引進的90 mm 焊管機組就是采用了彈簧浮動式刀架。我國采用的是螺旋彈簧, 而國外采用的是板式彈簧。 這種刀架存在需要熟練工人操作, 起動動 作要慢, 彈簧必須調至合

4、適壓力等不利因素, 從而影響其進一步發(fā) 展。 當時國外的刀架由3 個部件組成, 如美國Nelson 工具公司的清 除內毛刺刀架采用了板式彈簧, 通過其支承力使刀頭伸入毛刺中, 利用刀削原理刮削毛刺, 如圖1.1 所示。 其優(yōu)點是結構簡單, 制造方 便; 其缺點是彈簧經(jīng)常處于高溫、 潮濕的空氣以及氧化鐵皮飛揚的環(huán) 境下很容易失效, 彈力消失, 刮出的毛刺常常達不到要求, 而且此 種結構僅適用于171.45 mm 以下的焊管。1?環(huán)形刀 2?環(huán)形刀支架 3?環(huán)形刀定位螺釘 4?環(huán)形刀調整螺釘5?環(huán)形 刀調整固定螺栓 6?上輥軸 7?前邊上輥 8?后邊上輥 9?軸定位螺釘 10?刀架支座 11?調整

5、螺釘 12?螺釘定位銷 13?隨定位銷轉動的軸 14?隨定位銷轉動的桿 15?底下的輥軸 16?底下的軸輥 17?軸定位螺釘 18?下降安全板 19?下降安全板調整螺栓 20?聯(lián)結器軸 21?聯(lián)結器標 準桿 22?軸定位螺栓23?彈簧導座樞軸 24?調整螺栓閉鎖裝置的嵌入物 25?調整螺栓墊片裝置的嵌入物 圖1.1 美國Nelson 工具公司的刀架結構分解示意 在20 世紀80 年代中期到90 年代這個推陳出新的年代, 內毛刺 清除裝置的發(fā)展突飛猛進, 我國因引進了大量的國外焊管機組, 使 清除焊管內毛刺的工藝與設備也有了很大改進。刀架中的進刀、退刀 機構完全采用了液壓系統(tǒng), 并將刀架上的油管

6、改成油槽開在本體上, 用蓋板焊死, 減少或消除了油管被磨破而發(fā)生的事故, 比彈簧式有 了很大改進。國內與國外的刀架不同之處, 就在于進/退刀機構上, 國內的液壓進/退刀采用直立式油缸, 而國外采用的是水平式油缸。 如美國Nelson 工具公司在這個時期開發(fā)的清除內毛刺刀架, 采用的 就是水平放置的油缸, 它通過凸輪斜面使刀架上升或下降,應用于 171.45 mm以下焊管機組上。其構造如圖1.2 所示。1?環(huán)形刀支架 2?環(huán)形刀定位螺釘 3?環(huán)形刀 4?環(huán)形刀調整螺釘 5? 環(huán)形刀調整螺栓 6?上輥軸 7?前邊上輥 8?后邊上輥 9?軸定位螺釘 10-刀架支座 11-刀座支架延長部分 12-軸定

7、位銷 13-隨定位銷傳動 的軸 14-隨定位銷傳動的桿 15-底下的輥軸 16-底下的軸輥 17-軸 定位螺釘 18-輪子凸輪軸 19-輪子凸輪 20-(斜)凸輪 21-刀座支架 延長部分的銷釘 22-刀座支架延長部分的卡環(huán) 23-活塞 24-活塞O形圈 25-連接器O形圈 26-標準聯(lián)軸器 27-聯(lián)軸器裝配螺栓 28-卸荷螺栓 29-活塞桿密封圈 30-卸荷密封墊 圖1.2 美國Nelson 工具公司新開發(fā)的刀架結構分解示意 21 世紀初,江蘇徐州某鋼管公司引進了139.7mm、73 mm 兩 種規(guī)格的液壓式內毛刺清除裝置,用于219 mm 焊管機組ERW油套管 的開發(fā)生產(chǎn)。 該裝置的刀頭為

8、環(huán)形刀, 刀座和刀座架可在垂直方向上 相對調整, 下支承輥輪的脹縮通過液壓管路在操作臺上進行調整, 固定架具有沿垂直方向調整的功能, 沿中心桿軸線調整和旋轉的功能。其刀頭使用壽命長, 調整方便、精確, 液壓壓力穩(wěn)定, 大大提高 了ERW直縫焊油套管內毛刺的清除質量和焊管機組的作業(yè)率, 保證了 焊縫狀態(tài)的穩(wěn)定性。 生產(chǎn)小口徑焊管時, 刀頭一般固定在刀架上,刀架體積不大且重 量較輕, 升降也還方便。 隨著焊管口徑越來越大, 刀架也要隨之增大, 這就使刀架的升降變得不太方便。 為了解決此問題而開發(fā)出雙刀架結 構, 即大刀架裝小刀架, 大刀架固定而小刀架升降, 如圖4 所示。 這 種刀架用于我國廣東、

9、上海等地的焊管生產(chǎn)廠家, 適用于254 355.6 mm 1014 in 焊管機組。其結構特點: 小刀架裝在大刀架 內, 小刀架上只有2 個上支承輥輪, 1 個刀桿, 留有排屑槽; 大刀 架只用1 個下支承輥輪固定, 不升降; 用油缸驅動使固定刀桿的小 刀架進刀或退刀; 大刀架裝有2個油缸; 油缸的活塞支承小刀架, 使 小刀架單獨升降, 因為小刀架結構緊湊重量輕, 運動方便; 大刀架 也留有排屑槽, 與小刀架的排屑槽相對應; 大刀架前部裝有1 套水 平支承輥輪來防止刀架旋轉, 如圖1.3 中的A 向所示; 大刀架中的 水平支承輥輪和下支承輥輪, 根據(jù)管子的尺寸、規(guī)格、品種而更換。1?水平支承輥

10、輪 2?大刀架 3?前油缸蓋 4, 6, 15, 17?O 形密封圈 5 ?前活塞桿 7?小刀架 8?刀桿 9?下支架 10?下支承蓋 11?上支承 輥輪 12, 20?軸 13, 19?含油軸承 14?后油缸蓋 16?后活塞桿 18 ?下支承輥輪 圖 1.3 雙刀架結構示意 隨著焊管生產(chǎn)口徑的不斷擴大, 清除內毛刺的刀架也在不斷發(fā) 展變化。在國外的610 mm 焊管機上, 采用了懸臂式刀架。其特點 是: 刀架下方不用支承輥輪而是采用連接裝置來支承。 連接裝置的一 端支承刀架, 而其另一端與固定裝置相連。 固定裝置裝在擠壓輥前方 的機架上。 這種結構就要求連接裝置必須具備足夠的強度與剛度, 而

11、 且只能在產(chǎn)品規(guī)格比較大的焊管機上使用, 因為只有大口徑管的內 孔才能讓尺寸較大的連接裝置順利通過。美、德、法、南韓等國的 610 mm 焊管機基本上都采用了此種刀架。目前國外的610 mm 焊管生產(chǎn)大約分為 2 檔: 219273 mm 和273610 mm。刀架結構也 有 2 種: 一種是刀頭裝在 2 個上支承輥輪外 圖 1.4 ; 另一種是 刀頭裝在 2 個上支承輥輪之間 圖 1.5 。但均采用了液壓升降, 在刀架的排屑口下方裝有水平式切斷器, 切斷器的刀具做水平往復 運動, 以此來切斷毛刺, 使切屑不造成堵塞, 當遇到帶鋼頭尾相接 處時刀頭會自動退刀。 1?焊管 2?刀頭 3?支承輥輪

12、 圖 1.4 刀頭裝在 2 個上支承輥輪之外 1?焊管 2?支承輥輪 3?刀頭 4?毛刺切斷器圖1.5? 刀頭裝在2?個上支承輥輪之間 1.3 課題任務及研究的主要內容 1.3.1 課題的主要內容 課題的任務為設計直縫鋼管的內外毛刺在線去除的機構, 達到下 列目標和要求: 1刀具要具有較強的抗震能力,能適應切削主運動速度較高的 要求,要求相對切削速度每秒鐘 0.2 米。 2要去達到毛刺切削精度要求,滿足鋼管軸向長度無限長的需 要。 3刀具調整、更換方便,滿足不同內徑鋼管及刀具磨損、損壞 后更換要求。 1.3.2 實現(xiàn)方法及途徑 1擬采用刮削方式,刀具固定,鋼管的速度移動為 0.2 米每秒。 2

13、刀桿前置式,解決鋼管成型后長度的約束問題。 3內、外毛刺去除工作分別由不同刀具承擔,但內外同步切削。第二章 方案設計 2.1.毛刺的形成及后果 成型后的管?經(jīng)過感應圈時, 在高頻電流的作用下使帶鋼的兩邊 緣的金屬快速熔化,在進入擠壓輥時部分熔化的金屬被擠出,而進入 高頻直縫焊管內壁的金屬和熔渣混合在一起形成焊管焊縫的毛刺。 毛 刺的存在嚴重影響到對焊管產(chǎn)品的無損檢測和在一些領域中的使用。 由于毛刺的存在將導致整個系統(tǒng)不能正常工作,使可靠性、穩(wěn)定性降 低。當存在毛刺的機器做機械運動或震動時,脫落的毛刺會造成機器 滑動表面過早磨損、噪音增大,甚至使機構卡死,動作失靈;毛刺如 果掉在定位基面上,會影

14、響加工精度;另外毛刺還容易劃傷工人,影 響裝配質量以及零件的壽命毛刺的尖端銳利, 在鋼管的運輸過程中會 劃傷輥道表面等運輸設備。 2.1.1 清除內毛刺的常用方法 (a輥壓法:利用伸入管內的壓輥將紅熱狀態(tài)下的毛刺壓平,實 際上內毛刺并未真正清除,熔渣可能被重新壓入焊縫。 (b磨削法:鋼管冷態(tài)下進行對鋼管長度有限定,刀具壽命短, 生產(chǎn)效率低。 (c氧化法:對鋼管長度有限定,生產(chǎn)效率低。 (d切削法:對中小口徑鋼管國外常采用的方法,可以實現(xiàn)在線 加工,確保生產(chǎn)的效率。但隨著口徑的減小,切削加工的難度加大, 對切削裝置的要求也提高。 目前,國內中小口徑焊管機組普遍采用在線切削法清除內毛刺, 即根據(jù)生

15、產(chǎn)機組規(guī)格的大小,在封閉孔型機架前或后安裝固定架,將刀伸進高頻直縫焊管的內側, 將刀頭調整到與內焊縫相對應的位置及 靠近高頻直縫焊管內壁的高度,在高頻直縫焊管前進過程中,用刀頭 將紅熱狀態(tài)的毛刺刮掉,如圖 2.1。 1-刀頭 2-刀座 3-上支撐輥 4-刀座架 5-下支撐輥 6-中心桿 7-阻抗器 8-固定架 圖 2.1 清除內毛刺示意 在線切削刀法是一種較為理想的內毛刺清除方法, 但由于技術裝備水 平較低,在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)內毛刺清除余高不穩(wěn)定,刮偏等現(xiàn) 象,刀具調整頻繁。當對焊頭通過刀頭時,需中斷正常生產(chǎn),影響到 焊管的成材率、 機組的作業(yè)率及在線焊接熱處理焊管焊縫狀態(tài)的穩(wěn)定 性。 2

16、.2 內毛刺清除裝置的裝備水平 2.2.1 刀頭的結構和性能(a)普通刀頭 (b)環(huán)形刀 圖 2.2 刀頭高度調整機構 刀頭是內毛刺清除裝置的關鍵零件,長時間在高溫下承受較大 的切削力,在清除內毛刺時,刃口的前角和后角直接影響到裝置的 受力狀況和內毛刺的清除質量。一般情況下,刃口的前角控制在 30 度左右,后角控制在 56度左右。刀頭本身的結構和性能影響其使 用壽命,繼而影響內毛刺的清除質量。目前,刨削式刀頭基本上分 為 2種(圖 2.2)。普通刀頭(圖 2.2a )一般采用銅焊先將合金頭 固定在刀頭座上,然后再進行刃口的加工。在生產(chǎn)高強度大壁厚高 頻直縫焊管時,由于內毛刺大且強度高,切削力大

17、,合金頭容易脫 落,換刀較為頻繁;加之不同的刀頭在尺寸上存在差異,增加了調 刀的次數(shù)。環(huán)形刀(圖 2.2b )由合金粉末在高溫高壓下整體制作而 成,在高溫下具有良好的耐磨性,當刃口磨損或崩刃時只需將環(huán)形 刀旋轉一定角度就可繼續(xù)使用,而且刀頭高度不變,保證了清除后 內毛刺高度的穩(wěn)定性,是較為理想的刀頭。目前,環(huán)形刀已形成規(guī) 范的通用型號,國內可以制造。 以往是將固定刀頭的刀座和刀座架制作成一個整體,調整刀頭 高度時需要松開壓刀螺絲,在刀頭下面加、減墊片或采用頂絲進行, 調整復雜且精確度低。新型的內毛刺清除裝置將刀座和刀座架制作 成分體式,通過調節(jié)調整螺絲,可使刀座相對刀座架在高度方向上垂直移動,

18、根據(jù)調整螺絲的螺距和需要調整的位移量將調整螺絲旋 轉一定的角度,就可以達到精確的調整要求。環(huán)形刀如圖 2.3 裝在 刀架上。 1-刀座 2-環(huán)形刀 3-固定螺栓 4-連接螺栓 5-主刀架 圖 2.3 76m 焊管用環(huán)形刀架示意 2.2.2 刀座架 刀座架是通過上、 下支撐輥對焊管內壁的支撐作用保證刀頭的平 穩(wěn)切削。上支撐輥保證在內毛刺清除過程中,刀頭和高頻直縫焊管內 壁相對距離的恒定;下支撐輥分為固定式、彈簧浮動式和液壓或氣壓 浮動式。 固定式下支撐輥即為下支撐輥固定在刀座架上, 且上支撐輥最高 點和下支撐輥最低點之間的距離略大于焊接后高頻直縫焊管的內徑, 保持不變,當高頻直縫焊管通過支撐輥時

19、,由于支撐力的作用使高頻 直縫焊管產(chǎn)生變形而形成“立橢” 。該種形式的支撐輥受力較大,特 別是生產(chǎn)高強度、大壁厚高頻直縫焊管時,支撐輥和輥軸損壞頻繁, 共用性較差。彈簧浮動式下支撐輥即為下支撐輥用彈簧支撐,可上下浮動, 空載時上支撐輥最高點和下支撐最低點之間的距離比焊接后高 頻直縫焊管的內徑大左右,在生產(chǎn)過程中,下支撐輥隨著焊管壁厚的 變化而浮動,使刀頭始終保持靠近高頻直縫焊管內壁。以上兩種方式 均使刀頭始終靠近焊管內壁,當對焊頭通過時,需停止正常的成型焊 接作業(yè),然后點動使對焊頭通過刀頭,否則,很容易造成刀頭損壞。 2.2.3 固定架 固定架是連接內毛刺清除刀架的部件,應具有在垂直方向調整

20、的功能,使內毛刺清除刀架的中心線和焊管的中心線保持平行;還 應具有沿中心桿軸線旋轉功能,保證刀頭和內毛刺準確對應。 2.3 常見問題及處理方法 2.3.1 毛刺殘留高度超標 這種問題往往是因為毛刺刀刮不到位,或毛刺刀調整不到位。應 重新調整毛刺刀,若是刀刃磨損,還應重新磨刀。采用彈簧進刀時, 若是彈簧失效則應更換彈簧。 采用油缸進刀時, 若油缸活塞升不到位, 密封圈磨損,則應更換優(yōu)質氟橡膠密封圈;若是油質較差,則應更換 耐高溫油;檢查油壓及油泵站運轉是否正常。 2.3.2 毛刺刮得過深 若毛刺刮的過深,則會減小鋼管的壁厚,降低鋼管質量等級,則 需重新調整刀具。對刀具的調整要求: (1 保證適當

21、的切削角,前刀角過小會使刀刃切入阻力增大,過 大則易損害刀具。因此,最好做到=10°15°,=5°7°。 (2刀頭前角應平滑,不得磨成凹凸不平,否則易造成“堵刀” 、 “燒刀” 、 “軋刀”等事故。(3應依據(jù)實際刮削情況制成刀高樣板,換刀時據(jù)此用墊片調整 刀頭的高度。 2.3.3 毛刺被刮偏 出現(xiàn)毛刺被刮偏的原因有很多,除了因帶鋼“鐮刀彎”而跑偏、 孔型調整不當?shù)仍蛲?與內毛刺清除裝置本身有關的原因如下:刀 架與連接裝置之間的鉸結點應上下升降靈活,無阻卡,但其在前后及 圓弧方向上不得擺動,并防止偏轉:整個內毛刺清除系統(tǒng)的強度、剛 度不夠。第三章 結構設

22、計 3.1 方案主體結構設計 3.1.1 前人方案結構設計 如圖 3.1,對通徑 50mm 以下的焊管而言,由于內空間較小,限 制很多,使得整個裝置必然要求結構緊湊、精巧,制造精密,性能 可靠。這種小口徑直縫焊管內毛刺清除裝置在同類裝置中具有代表 性。 1-直縫焊管 2-調整墊 3-環(huán)形刀 4-內六角螺釘及止退墊圈 5-壓板 6-彈簧 7-柱塞缸 8-柱塞 9-芯棒 10-壓力油腔 11-無油腔 12 -軸向滑塊 13-徑向滑塊 14-導位銷 15-焊縫 16-刀桿圖?3.1? 內毛刺清除裝置部分結構圖 (a刀具刃形設計 考慮到精確磨制刃部弧形不是很方便,也無必要,可采用環(huán)形刀 去毛刺刀具如圖

23、3.2,將刀具制成完整的圓形,對制造、安裝、調整都 很方便。中間設為通孔,與刀桿16頭部通孔相通,便于排屑與散熱?？?根據(jù)不同管徑安裝相應直徑的環(huán)形刀。環(huán)形刀的定位是由壓板5與內 六角螺釘及止退墊圈4壓緊定位,調整墊2用來補償環(huán)形刀因多次修磨 后的高度減少,以確保壓板5能可靠壓緊環(huán)形刀3。 圖 3.2 環(huán)形刀示意圖 (b切削進給方式 圖1中軸向滑塊12和徑向滑塊13之間可沿傾角的兩斜面相互滑 動,見圖3.3。當軸向滑塊12與徑向滑塊13在x方向軸向產(chǎn)生相對位 移x時,必產(chǎn)生y方向徑向的相對位移y , 且yx tan。我 們就利用y 作為徑向進給的設計要素。 由于導位銷14的導向約束作 用,只要

24、軸向滑塊12相對刀桿16作縱向運動, 產(chǎn)生相對位移x時,徑 向滑塊13相對刀桿16就只能作徑向運動,產(chǎn)生相對位移y ,實現(xiàn)徑 向調節(jié)動作,從而實現(xiàn)徑向進給和退刀運動。圖3.3 軸向滑塊與徑向滑塊相對位移示意圖 (c液壓原理 壓力油壓力P由溢流閥調節(jié)設定,壓力表顯示,壓力的調節(jié)要能 滿足系統(tǒng)的多項性能要求,壓力油壓力P的輸出與停止由二位三通電 磁閥的動作來實現(xiàn)。 圖3.4 液壓原理圖3.1.2確定方案結構示意圖 由于需要加工的焊管直徑為 100mm,內部空間較為寬裕,可以更 好地設計合理的機構,結構示意如圖 3.5 所示。 1-內毛刺刀座 2-環(huán)形刀 3-外毛刺刀座 4-絲杠 5-拉桿 6-固定

25、架 7-連接桿 圖 3.5 毛刺清除裝置部分結構圖 (a刀具刃形設計 內、外毛刺刀采用環(huán)形刀結構。具體設計參照 3.2.1。在清除毛 刺時,兩把刀具都受到工件進給方向的切削力和相反方向的壓力。將 內、外毛刺刀安裝在同一徑向位置,同時切削,既可以提高裝置的效 率,又可以抵消內、外毛刺刀徑向的絕大部分力。 (b切削進給方式 脹縮滑塊可在懸臂梁斜面傾角為的斜面滑動,見圖3.6。 當脹縮 滑塊在懸臂梁斜面x方向軸向產(chǎn)生相對位移x時,必產(chǎn)生y方向徑 向的相對位移y , 且yx tan。我們就利用y 作為徑向進 給的設計要素。由于懸臂梁固定,只要脹縮滑塊產(chǎn)生相對位移x時, 就能產(chǎn)生相對位移y ,實現(xiàn)徑向調

26、節(jié)動作,從而實現(xiàn)徑向進給和退刀運動。 圖3.6 脹縮滑塊與懸臂梁相對運動示意圖 (c傳動方式 采用螺旋傳動方式。 3.1.3兩種方案的比較 本設計方案與前人方案比較,主要有以下兩點優(yōu)點: (1在前人設計方案中, 徑向滑塊由于焊管的相對運動受到相對 的摩擦力,長時間的相對運動會磨損徑向滑塊。針對這種情況,可以 在下面安裝支撐輥輪。但是考慮到切削屑會推積在管內,若有較大的 切削屑阻攔輥輪的相對運動,則會造成內部支撐的不平穩(wěn),同時導致 輥輪的磨損。然而在本方案中,采用懸臂梁機構,使的整個機構與焊 管下部分離。這樣不但消除了機構與焊管的摩擦力,而且避免了切削 屑對機構的危害。同時,將前人方案中的徑向滑

27、塊做成懸臂梁的一部 分,更加使機構趨向簡單化。 (2在前人方案中,液壓系統(tǒng)提供脹縮滑塊的推力。液壓系統(tǒng)是 一種可靠方便的開關壓力源。不過在前人方案中,液壓系統(tǒng)只能定性 要求不能定量要求,這樣,環(huán)形刀高度的升降就不能穩(wěn)定,容易刮傷 焊管管壁。在本方案中,螺旋傳動機構雖然需要人工定期工作,但是 更換方便,操作簡單,可以達到課題設計的要求。3.2刀具系統(tǒng)的受力與變形分析 3.2.1切削力的估算與切削功率 (1單位切削力 生產(chǎn)中,需要單位切削力來估算切削力的大小。 單位切削力? c?k?就是切削力與切削層公稱橫截面積之比:?2? / ?c c c?c?D d p p?F F F?k N mm?A h

28、b a f ? ? (3.1)?c c D c p?F k A k a f N ? ? ? (3.2) 式中,? p?a?-背吃刀量,?f?-進給量 ,? c?F?-切削力 ,? D?A? -切削層公 稱橫截面積 ,?d?h?-切削層公稱厚度 ,? p?b? -切削層公稱寬度。 根據(jù)內毛刺情況,可估算:?D?A? =? d p?h b ? = 1 × 11 (?2?mm? ) (3.3) 根據(jù)查表可知硬質合金刀切削金屬時的單位切削力? c?k? = 760? 2?/?N mm?,則?760 ?c c D?F k A N ? (3.4) (2切削功率? c?P切削功率? c?P?就是消

29、耗在切削過程中的功率。因此,?3 3?10 760 2 10 1.52 ?c c c?P F V KW - - ? (3.5) 式中,? c?F?-切削力 ,? c?V?-切削速度 3.2.2 上臂懸梁截面的力學性能 懸臂梁的橫截面為一矩形, 其中設a- 長( cm),?b- 寬 ( cm), 現(xiàn)已知? 60 6?a mm cm ,? 20 2?b mm cm ,如圖 3.7。 圖 3.7 上懸臂梁橫截面圖 (1長方形截面面積?2?6 2 12 ?A ab cm 式中, A-長方形截面面積(? 2?cm? ) (2長方形截面對 X、Y軸的慣性矩?3?4?4 ?12?X?ab?I cm (3.6

30、)3?4?36 ?12?Y?a b?I cm (3.7) 式中,? X?I? -長方形截面對 X軸的慣性矩(?4?cm? ),? Y?I? -長方形截面對 X軸的慣性矩(? 4?cm? ) (3長方形截面對 X、Y軸的抗彎截面系數(shù)。?2?3?4 ?6?X?ab?W cm ?2?3?12 ?6?Y?a b?W cm (3.8) 式中,? X?W? -長方形截面對 X 軸的抗彎截面系數(shù)(?3?cm?),? Y?W?-長方 形截面對 Y軸的抗彎截面系數(shù)(? 3?cm?)。 (4長方形截面重心 S到 X、Y邊的距離?3 ?2?x?a?e cm ?1 ?2?y?b?e cm 式中,? x?e?-長方形截

31、面重心 S 到 X的距離( cm),? y?e?-長方形截面 重心 S到 Y 的距離( cm)。 (5長方形截面對 X、Y軸的慣性半經(jīng)?1.73 ?12?x?a?i cm ?0.58 ?12?y?b?i cm 式中,?x?i?-長方形截面對 X軸的慣性半經(jīng)( cm),? y?i?-長方形截面對 Y軸的慣性半經(jīng)( cm)。 3.2.3 刀具系統(tǒng)的變形 由于刀具受到向上和向左的切削力,懸臂梁在力的作用下將發(fā)生 徑向和軸向的變形。特別是徑向這一敏感方向在 Fy 的作用下,刀具 的位置將會被抬高。這樣會導致徑向切削深度減少,毛刺殘留高度較 大,達不到精度要求,因此需要及時調整刀具高度來保證切削精度。

32、如圖 3.8 為上懸臂梁受支座反力示意圖。 圖 3.8 刀具系統(tǒng)受力變形示意圖 1B 點的支座反力及彎矩計算公式 已知上懸臂梁的? 345?l mm ,? 760?P N 。則根據(jù)圖 3.9 可得出:?cos60 447N?O?X C?F F =?sin 60 615N?O?Y C?F F =?615?B Y?R F N ?212 ?B Y?M F l N M - - ?圖 3.9 刀具的受力分解 式中,? B?R? - B點的支座反力 ( N?),? B?M? - B點的彎矩 ( N m ? )。 (2A 點的擾度和轉角計算公式?3?1.07 ?3?Y?A?F l?f mm?EI 2?0.0

33、046?2?Y?A?F l?EI q - (3.9) 式(3.9)中,? A?f? - A點的擾度(mm), I?- 截面的軸慣性矩 (? 4?m? ), 其中? 2 2?X Y?I I I +? , E- 彈性模量 (GPa)(參照表 3.1) ,? A q - A點的轉角。 在調整刀具時,必須考慮到 A點的擾度大小來調整刀具的高度, 確保切削的精度。在實際切削時需要將刀具高度下降 1.07mm 左右來 抵消在切削時刀具被抬高的距離。3.2.4 上臂懸梁的中心拉伸及變形 已知? 447?P N ,? 345?l mm ,? 2?0.12?A m 。上懸臂梁的中心拉伸 示意圖如圖 3.10。

34、圖 3.10 上懸臂梁的中心拉伸示意圖 (1縱向作用下的正壓力(拉伸)計算公式:?3725 ?P?Pa?A j s s s -縱向作用下的正壓力( Pa)?P- 縱向力 N? j s - 材料抗拉許用應力( Pa) (2縱向絕對變形計算公式?0.0013 ?Pl?l m?EA V?l?V - 長度增長 ?m?E- 材料拉壓彈性模量? 2? ?m?(3縱向應變計算公式?0.37%?l?l e V e - 縱向應變 (4橫向應變計算公式?1? 0.575% e me - 1 e - 橫向應變 m - 泊松比(參考表 3.1) 3.3 各部分零件結構設計 3.3.1 毛刺的結構設計 毛刺刀的結構設計

35、 毛刺刀采用環(huán)形刀。毛刺刀頭的材質常用的有以下幾種: 表 3.2 常見的 5 種刀頭性能比較 通過實踐分析,材質為 YG8 的刀頭材質較軟,需水壓較高(60 75? 2?/?kg cm?),刀頭壽命較短。YT14 的刀頭較硬,在刮削過程中容易 崩刀。相比較而言,YT5 的刀頭較好,克服了以上兩種刀頭的弱點, 比較適用。刀頭直接安裝在刀桿上,連接為過盈配合。刀頭安裝時, 輕輕敲打刀體,不許磕碰刀頭,以免損壞刀刃。從頭逐一檢查各緊固 軸間隙時候松動。刀刃高度應比刀桿高出 23mm,然后用緊固螺栓 材質 密度 (? 3?/?g cm?) 抗彎強度不低于 (? 2?/?kg mm?) 硬度不低于 (H

36、RA) YT14 11.212.0 150 90.5 YT5 12.513.2 180 89.5 YG8 14.514.9 200 89 YG6 14.615.0 180 89.5 YT15 11.011.7 150 91把刀體緊固在機架上。螺栓要擰緊,防止刀體下滑,造成生產(chǎn)上刮不 到毛刺。 3.3.2 脹縮滑塊的結構設計 (a原理 脹縮滑塊的原理即為斜面?zhèn)鲃訖C構原理。斜面機構在機器中應 用時一般滑塊上升為正行程,下滑為反行程。 (1滑塊上升 當滑塊 A以等速沿斜面上升時, F?為驅動力,Q為生產(chǎn)阻力。 因斜面 B加于滑塊的 A的總反力 R的方向應與 A相對于 B的運動方 向成? 0?90?+

37、j ,其中? tan?arc f j 為摩擦角,所以 R和Q之間的夾角 為l j + 。現(xiàn)已知載荷Q的大小和方向以及驅動力 F?和反力 R的方 向,所以按力的平衡方程? 0?Q R F + + 作力多邊形如圖所示。然后由 圖 3.9 可得?tan ?F Q l j + (3.10) 如果 A、 B間沒有摩擦,則有? 0 j ,可得理想的水平驅動力?0? tan?F Q l 可得滑塊上升時斜面的效率?0? tan?tan ?F?F l h l j + (3.11) (2滑塊下降如圖所示,設將力 F?減小到? '?F?,滑塊 A以等速沿斜面下降,這 時Q為驅動力,而? '?F?為生

38、產(chǎn)阻力。由于滑塊運動方向的改變,所以 總反力? '?R?與Q之間的夾角變?yōu)閘 j - 。然后按? ' '? 0?Q F R + + 作其力多 邊形,如圖?？傻??'? tan ?F Q l j - 同上面一樣,如果 A、 B間沒有摩擦,則有? 0 j ,可得理想的 生產(chǎn)阻力為?'?0? tan?F Q l 所以,滑塊下滑時斜面的效率為:?'?'?'?0?tan ?tan?F?F l j h l - + a b - c d 圖 3.12 斜面機構示力圖 由上述可知, 當j 一定時, 斜面的效率是升程角l 的函數(shù), 且正、 反行程的效

39、率不相等。當正行程時,如?2 p l j- ,則? 0 h,機器要 發(fā)生自鎖現(xiàn)象。因為正行程不應該發(fā)生自鎖現(xiàn)象,所以應使?2 p l j - 。當反行程時,如l j,則? '? 0 h,機器也會發(fā)生自鎖。 (b結構設計 脹縮滑塊和懸臂梁的材料都是采用 45鋼。靜摩擦系數(shù)和動摩擦 系數(shù)(無潤滑條件下)相同為? f 0.149,根據(jù)? arctan? f j 可以得到?0?8.53 j 。在脹縮滑塊的設計中,脹縮滑塊與懸臂梁接觸的斜面角?30?o a 。自鎖條件為:a j,因設計中a j ,不滿足自鎖條件。 右端小凸臺的作用是連接壓縮彈簧和增大與套筒的接觸面積以減少 摩擦。脹縮滑塊結構圖如

40、圖 3.13。圖 3.13 脹縮滑塊示意圖 3.3.3 套筒的設計和壓力塊的設計 a)套筒的設計 螺旋傳動通過與脹縮滑塊的接觸將傳位移和力傳動給脹縮滑塊。 這樣在旋轉傳動中,螺桿末端圓柱頭與滑塊直接接觸,而且兩者接觸 面積較小,導致螺桿末端圓柱頭和脹縮滑塊容易被磨損,螺桿不易拆 卸, 更換較為復雜。 若在圓柱頭前加上一個套筒則可以解決這一問題。 通過定位螺釘?shù)亩ㄎ?套筒只有軸向位移,沒有徑向位移,將螺桿的 直線加旋轉運動直接變?yōu)橹本€運動。 同時套筒與脹縮滑塊的接觸面積 較大, 這樣兩者之間受力只有推力, 套筒和滑塊的磨損也將大大減少。 b壓刀塊的設計 內壓刀塊是陷于內刀桿之中的,被內毛刺刀從中

41、間穿出孔,屬于 非規(guī)則零件,制造起來有一定的難度,左右可各用一顆緊定螺釘固定 于內刀桿之上。外壓刀塊截面是正方形,四周有四顆緊定螺釘固定。 外壓刀原先采用契形塊方便取出和裝配,后考慮到過定位問題,改成 矩形塊。第四章 螺旋傳動設計 4.1 選擇螺旋傳動的種類 表 4.1 螺旋傳動的種類、特點及應用 滑動螺旋傳動 滾動螺旋傳動 靜壓螺旋傳動 1.摩擦阻力大, 傳動效率 低(通常為 30-60%) 22.結構簡單,加工方便 33.易于自鎖 44.運轉平穩(wěn),但低速或 微調時可 能出現(xiàn) 爬行 5.螺紋有側向間隙,反向 時有空行程,定位精度和 軸向剛度較差(采用消隙 機構可提高定位精度) 6.磨損快 1

42、.摩擦阻力小,傳動效率高 (一般在 90%以上) 2.結構復雜,制造困難 3.具有傳動可逆性(可以把旋 轉運動變成直線運動,又可以 把直線運動變成旋轉運動), 為了避免螺旋副受載后逆轉, 應設置防擬轉機構 4.運轉平穩(wěn),啟動時無顫動, 低速時不爬行 5.螺母和螺桿經(jīng)調整預緊,可 得到很高的定位精度,并可以 提高軸向剛度 6.工作壽命長,不易發(fā)生故障 7.抗沖擊性能差 1.摩擦阻力極小, 傳動效率高 (一般 在 90%以上) 2.螺母結構復雜 3.具有傳動可逆 性, 必要時應設置 防逆轉機構 4.工作平穩(wěn), 無爬 行現(xiàn)象 5.反向時無空行 程,定位精度高, 并且有很高的軸 向剛度 6.磨損小、

43、壽命長 7.需要一套壓力 穩(wěn)定、溫度恒定、 過濾要求高的供 油系統(tǒng) 金屬切削機床的進給、 分 金屬切削機床(特別是加工中 精密機床的進給、應舉 度機構的傳動螺旋, 摩擦 壓力機、 千斤頂?shù)膫髁β?旋 心、數(shù)控機床、精密機床)、 測試機械、儀器的傳動螺旋和 調整螺旋,升降、起重機構和 汽車、拖拉機轉向機構的傳力 螺旋,飛機、導彈、船舶等自 控系統(tǒng)的傳動螺旋和傳力螺 旋 風度機構的傳動 螺旋 根據(jù)上述內容, 通 過三種螺旋傳動 的比較, 得知滑動 螺旋傳動更適合 本課題的設計要 求, 故選擇滑動螺 旋傳動。 4.2 螺紋副的螺紋種類、特點及應用 表 4.2 螺紋副的螺紋種類、特點及應用 種 牙型圖

44、 特點 應用 梯螺 牙形角 a=30 o , 螺紋 副的大徑和小徑有 相等的徑向間隙。 牙 根強度高, 螺紋的工 藝性好 (可以用高生 產(chǎn)率的方法制造); 內螺紋以錐面貼合, 對中性好,不易松 動;采用剖分式螺 母, 可以調整和消除 用于傳力 螺旋和傳 動螺旋如 金屬切削 機床的絲 桿、載重 螺旋式起 重機、鍛 壓機的傳 動螺旋間隙;但其效率較 低。 鋸形紋 有兩種牙型一種是 工作面牙型斜角1 =3°(便于加工) 非工作斜角 2 = 30°另一種是1 =3°,2=30°的 鋸齒形螺紋, 只有行 業(yè)標準。 其外螺紋的 牙根處有相當大的 圓角, 減小了應力集

45、 中,提高了動載強 度;大徑處無間隙, 便于對中。 用于單向 受力的傳 力螺旋, 如初軋機 的壓力螺 旋、大型 起重機的 螺旋千斤 頂,水壓 機的傳力 螺旋、火 炮的炮栓 機構 圓紋 螺紋強度高, 應力集 中小;和其他螺紋 比, 對污染和腐蝕的 敏感性小, 但效率低 用于受沖 擊和變載 荷的傳力 螺旋 矩螺 牙型為正方形, 牙形 角=0°。傳動效 率高, 但精確制造困 難; 螺紋強度比梯形 螺紋、鋸齒形螺紋 低。 用于傳力 螺旋和傳 動螺旋, 如一般起 重螺旋根據(jù)上表格幾種螺紋類型的比較,分析其優(yōu)缺點,梯形螺紋更加適合 課題的要求,綜上所述選擇滑動螺旋傳動的梯形螺紋,如圖 4.1。

46、圖 4.1 螺旋傳動示意圖 4.3 螺旋傳動設計 4.3.1 螺旋傳動的運動形式 (a螺母固定,螺桿轉動并做直線運動。如某些千斤頂。 (b螺桿轉動,螺母做直線運動。如機床進給運動,虎鉗。 (c螺母轉動,螺桿做直線運動。如某些千斤頂,壓力機。 (d螺桿固定,螺母轉動并做直線運動,用于某些手動調節(jié)機構。 如插齒機主軸箱的移動調整。 在此次的螺旋傳動設計中我們選擇第一種情況:螺母固定,螺桿 轉動并做直線運動。4.3.2 螺母、螺桿材料的選擇 (a螺母的類型為雙級整體螺母 (b螺桿的材料:40Cr 熱處理:調質 230280HBS 淬火、低溫回火 4550HRC 應用:中等精度的一般傳動 (c螺母的材

47、料: ZCuSn10Pb1 特點和應用:和鋼制螺桿配合,摩擦系數(shù)低,有較好的抗膠合能 力和耐磨性;但強度稍低。適用于輕載、中高速傳動精度高的傳動 4.3.3 耐磨性計算 a計算參數(shù) 的值:梯形螺紋=0.8 的值:整體式螺母取=1.22.5,現(xiàn)在取=2.5 許用壓強【P】的值:1825 MPa,現(xiàn)在取 20 MPa b計算公式: ?2?F?d?P z j (4.1)?2?H d j ,? 10 12?H?z?P , ?2?F?p p?d hz p 梯形螺紋? 0.5?h p c計算結果:螺紋中徑? 2?d?=3.578 ? 經(jīng)查表得出下列數(shù)據(jù)(?):表 4.3 螺旋傳動數(shù)據(jù) 螺母高度 H的值為:

48、10mm,現(xiàn)取 15 mm 旋合圈數(shù) z的值為:2.5,現(xiàn)取 3.75 螺紋的工作高度 h的值為:2mm 工作壓強 p的值為:15.915MPa 4.3.4 計算螺桿強度 a計算參數(shù) 螺桿材料的許用應力 s :157261.667 MPa b計算公式 ?2 2?3?2 1?4?3?0.2?F T?d d s s p +? ÷÷ èè(4.2) c計算結果 螺桿當量應力的值為:95.125MPa 4.3.5 螺紋牙強度計算 a計算參數(shù) 材料的許用應力 t :3040 MPa 材料的許用彎曲應力 ?b s :4060 MPa b計算公式 公稱直徑 中徑計算 值 中徑值? 2?d? 螺距 P 外螺紋小徑?1?d?內螺紋大徑?d?導程 L 16 3.578 4 4 4 4 4螺 桿 ?1?F?d bz t t p ?2?1?3?b b?Fh?d b z s s p (4.3) 螺 母 ?F?dbz t t p ?2?3?b b?Fh?db z s s p (4.4) 螺紋牙底寬度 梯形螺紋? 0.65?b P c計算結果 螺紋牙底寬度為:2.6mm 螺桿抗剪強