裝配圖高精度數(shù)控旋切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),裝配,高精度,數(shù)控,旋切機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 外文譯文 院 （系）： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育 姓 名： 杜 顯 峰 學(xué) 號(hào)： 20040315033 指導(dǎo)老師： 陳 錫 渠 New tools maximize new machine designs The primary tooling concerns when machining aluminum are: minimizing the tendency of aluminum to stick to the tool cutting edges; ensuring there is good chip evacuation form the cutting edge; and ensuring the core strength of the tools is sufficient to withstand the cutting forces without breaking. Technological developments such as the Makino MAG-Series machines have made tooling vendors rethink the any state-of-the-art machine technology. It is vital to apply the right tooling and programming concepts. Materials coatings and geometry are the three elements in tool design that interrelate to minimize these concerns. If these three elements do not work together, successful high-speed milling is not possible. It is imperative to understand all three of these elements in order to be successful in the high-speed machining of aluminum. Minimize Built-Up Edge When machining aluminum, one of the major failure modes of cutting tools the material being machined adheres to the tool cutting edge. This condition rapidly degrades the cutting ability of the tool. The built-up edge that is generated by the adhering aluminum dulls the tool so it can no longer cut through the material. Tool material selection and tool coating selection are the two primary techniques used by tool designers to reduce occurrence of the built-up edge. The sub-micron grain carbide material requires a high cobalt concentration to achieve the fine grain structure and the material’s strength properties. Cobalt reacts with aluminum at elevated temperatures, which causes the aluminum to chemically bond to the exposed cobalt of the tool material. Once the aluminum starts to adhere to the tool, it quickly forms a built-up edge on the tool rendering it ineffective. The secret is to find the right balance of cobalt to provide adequate material strength, while minimizing the exposed cobalt in the tools for aluminum adherence during the cutting process. This balance is achieved using coarse-grained carbide that provides a tool of sufficient hardness so as to not dull quickly when machining aluminum while minimizing adherence. Tool coatings The second tool design element that must be considered when trying to minimize the built-up edge is the tool coating. Tool coating choices include TiN, TiAIN, AITiN, chrome nitrides, zirconium nitrides, diamond, and diamond-like coatings(DLC). With so many choices, aerospace milling shops need to know which one works best in an aluminum high-speed machining application. The Physical Vapor Deposition (PVD) coating application process on TiN, TiCN, TiAIN, and AITiN tools makes them unsuitable for an aluminum application. The PVD coating process creates two modes for aluminum to bond to the tools――the surface roughness and the chemical reactivity between the aluminum and the tool coating. The PVD process results in surface that is rougher that the substrate material to which it is applied. The surface”peaks and valleys” created by this process causes aluminum to rapidly collect in the valleys on the tool. In addition, the PVD coating is chemically reactive to the aluminum due to its metallic crystal and ionic crystal features. A TiAIN coating actually contains aluminum, which easily bonds with a cutting surface of the same material. The surface roughness and chemical reactivity attributes will cause the tool and work piece to stick together, thus creating the built-up edge. In testing performed by OSG Tap and Die, it was discovered that when machining aluminum at very high speeds, the performance of an uncoated coarse-grained carbide tool was superior to that of one coated with TiN, Ticn, TiAIN, or ALTiN. This testing does not mean that all tool coatings will reduce the tool performance. The diamond and DLC coatings result in a very smooth chemically inert surface. These coatings have been found to significantly improve tool life when cutting aluminum materials. The diamond coatings were found to be the best performing coatings, but there is a considerable cost related to this type of coating. The DLC coatings provide the best cost for performance value, adding about 20%-25%to the total tool cost. But, this coating extends the tool life significantly as compared to an uncoated coarse-grained carbide tool. Geometry The rule of thumb for high-speed aluminum machining tooling designs is to maximize space for chip evacuation. This is because aluminum is a very soft material, and the federate is usually increased which creates more and bigger chips. The Makino MAG-Series aerospace milling machines, such as the MAG4, require an additional consideration for tool geometry-tool strength. The MAG-Series machines with their powerful 80-hp spindles will snap the tools if they are not designed with sufficient core strength. In general, sharp cutting edges should always be used to avoid aluminum elongation. A sharp cutting edge will create high shearing and also high surface clearance, creating a better surface finish and finish and minimizing chatter or surface vibration. The issue is that it is possible to achieve a sharper cutting edge with the fine-grained carbide material than the coarse grained material. But due to aluminum adherence to the fine-grained material, it is not possible to maintain that edge for very long. Coarse compromise The coarse grained material appears to be the best compromise. It is a strong material that can have a reasonable cutting edge. Test results show it is able to achieve a very long tool life with good surface finish. The maintenance of the cutting edge is improved using an oil mist coolant through the tool. Misting gradually cools down the tools, eliminating thermal shock problems. The helix angle is an additional tool geometry consideration. Traditionally when machining aluminum a fool with a high helix angle has been used. A high helix angle lifts the chip away from the part more quickly, but increases the friction and heat generated as result of the cutting action. A high helix angle is typically used on a tool with a higher number of flutes to quickly evacuate the chip from the part. When machining aluminum at very high speeds the heat created by the increased friction may cause the chips to weld to the tool. In addition, a cutting surface with a high helix angle will chip more rapidly that a tool with a low helix angle. A tool design that utilizes only two flutes enables both a low helix angle and sufficient chip evacuation area. This is the approach that has proven to be the most successful in extensive testing performed by OSG when developing the new tooling line, the MAX AL. 翻譯 新工具使新機(jī)器設(shè)計(jì)最優(yōu) 當(dāng)加工鋁時(shí)，我們主要關(guān)心的是：鋁粘住加工切削邊緣的傾向；保證有好的碎片排屑形成切削邊緣；和保證工具有足夠的中心強(qiáng)度來承受切削力而不被破壞。 技術(shù)發(fā)展，比如：Makino MAG系列，已經(jīng)使工具商重新考慮任何工藝水平的機(jī)器技術(shù)。用正確的加工和編程思路是很重要的。 材料，涂料和幾何形狀是與減小我們所關(guān)注問題相關(guān)系的工具設(shè)計(jì)的三個(gè)因素。如果這些因素不能一起很好的配合，成功的調(diào)整磨削是不可能的。為了成功進(jìn)行高速鋁加工，理解這三個(gè)因素是很必要的。 使組合邊緣最小化 當(dāng)加工鋁時(shí)，一個(gè)失敗的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削邊緣。這種情況會(huì)很快削弱工具的切削能力。由粘著的鋁形成的組合邊緣會(huì)導(dǎo)致工具變鈍，以至不能切削材料。工具材料選擇和工具涂料選擇是被工具設(shè)計(jì)者用來減小組合邊緣出現(xiàn)的主要工藝。 亞微米微粒碳化物材料要求很高的鈷濃度來獲得良好的微粒結(jié)構(gòu)和材料強(qiáng)度屬性。隨著溫度的升高，鈷與鋁發(fā)生反應(yīng)，鈷使鋁與暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦鋁開始粘住工具，鋁會(huì)在快速的在工具上形成組合邊緣，使工具不可用。 在切削的進(jìn)程中，減小鋁粘合著的工具的暴露碳化物的秘訣就是找到正確的碳化物的平衡來提供足夠的材料強(qiáng)度。在加工鋁時(shí)，為了減小粘附，使用能提供足夠硬度的紋理粗糙的碳化物來獲得平衡，來使變鈍變慢。 工具涂料 當(dāng)嘗試減小組合邊緣時(shí)，第二個(gè)應(yīng)該考慮的工具設(shè)計(jì)因素是工具涂料。工具涂料的選擇包括：TiN, TiAIN, AITiN，鉻氮化物，鋯氮化物，鉆石和鉆石般的涂料（DLC）。擁有這么多的選擇，航空航天磨削商店需要知道在鋁的高速加工應(yīng)用中哪一種工作最有效。TiN, TiCN, TiAIN, 和 AITiN工具的PVD涂裝應(yīng)用進(jìn)程使這些選項(xiàng)不合適鋁的應(yīng)用。PVD涂裝進(jìn)程建立了兩個(gè)使鋁粘住工具的模式---表面的粗糙程度和鋁與工具涂料之間的化學(xué)反應(yīng)。PVD進(jìn)程形成了一個(gè)表面，這表面是比底層材料更粗糙的。由這個(gè)進(jìn)程形成的表面“凹凸”使工具中的鋁在凹處快速集結(jié)。由于涂料有金屬晶體和鐵晶體特征，PVD涂料是可以和鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。一種TiAIN涂料通常是包含鋁的，這鋁很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化學(xué)反應(yīng)特性將會(huì)導(dǎo)致工具和工作片體粘在一起，以致形成組合表面。 OSG Tap and Die主導(dǎo)的試驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)在高速加工鋁時(shí)，一個(gè)沒有涂染過紋理粗糙的碳化物的工具的表面優(yōu)于用TiN, Ticn, TiAIN, 或者ALTiN涂染過的工具。這個(gè)試驗(yàn)不意味著所有工具涂料將減小工具的表現(xiàn)。鉆石和DLC涂料可生成一個(gè)非常光滑的化學(xué)惰性的表面。在切削鋁材料時(shí)，這些涂料很認(rèn)為是能非常有效的提高工具的壽命。 鉆石涂料被認(rèn)為是表現(xiàn)最佳的涂料，但這種涂料要一個(gè)很可觀的成本。對(duì)于表現(xiàn)價(jià)值，DLC涂料提供最佳成本，增加大約20%-25%的總工具成本，而壽命相對(duì)于未涂染過紋理粗糙的碳化物的工具來是，是增長得很明顯的。 幾何形狀 高速鋁加工工具設(shè)計(jì)的拇指定律就是使微粒排屑空間最大化。這是因?yàn)殇X是一種非常柔軟的材料。Federate通常是可以增長的，它生成更多更大的微粒。 Makino MAG-Series航空航天磨削機(jī)器，比如MAG4,要求額外關(guān)注工具幾何休和工具強(qiáng)度。擁有強(qiáng)大的80-hp的心軸的 MAG-Series機(jī)器將折斷工具如果他們不是用足夠的中心強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。 總的來說，鋒利的切削邊緣一直都可以用來避免鋁的延伸。一個(gè)鋒利的切削邊緣將形成高剪切和高表面清潔，形成一個(gè)更好的表面和使表面振動(dòng)最小化。結(jié)果是用優(yōu)良的紋理碳化物材料比紋理粗糙的碳化物材料更有可能獲得一個(gè)鋒利的切削邊緣。但由于鋁能粘住紋理好的材料，長久保持這各邊緣是不太可能的。 粗略的折衷方案 紋理粗糙的材料是最好的折衷。那是一種很強(qiáng)大的材料，它能擁有一個(gè)可觀的切削邊緣。試驗(yàn)結(jié)果表明；在獲得長的工具壽命的同時(shí)擁有好的表面的可以的。通過工具來進(jìn)行油霧冷卻是可以改進(jìn)切削邊緣的保持的。霧化逐漸使工具冷卻，消除溫度急增的問題。 螺旋角度是一個(gè)額外的工具幾何考慮因素。傳統(tǒng)上來說，當(dāng)加工鋁時(shí)，帶有高螺旋角度的工具已經(jīng)被運(yùn)用。高螺旋角度可以使微粒更快地從部分脫離，但卻增加力和熱，這是由切削運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。一個(gè)高螺旋角被用在工具上，并且很大數(shù)量的凹槽可以使微粒排泄。 當(dāng)以非常高的速度加工鋁時(shí)，由增加的力形成的熱量可能會(huì)引起微粒與工具焊接在一起。此外，一個(gè)有很高螺旋角的切削表面將比低角度的更快產(chǎn)生微粒。僅僅利用兩個(gè)凹槽工具設(shè)計(jì)使低螺旋角和足夠微粒排泄區(qū)域成為可能。由OSG主導(dǎo)的延伸性試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)展新工具流水線時(shí)，這被證明是最成功的方法。 河南科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）課題審核表 院（系）名稱 機(jī)電學(xué)院 專業(yè)名稱 機(jī)電技術(shù)教育 指導(dǎo)教師 姓名及職稱 陳錫渠（副教授） 課題名稱 鋼管旋切機(jī)的設(shè)計(jì)—控制部分 課題來源 自選課題 立題理由 和所具備 的條件 目前我國機(jī)械工業(yè)鋼管使用量已達(dá)到數(shù)千噸以上，鋼管的切割量非常大；隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)切割加工的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也同時(shí)提高。之所以選鋼管旋切機(jī)這個(gè)課題，就是為了提高薄壁鋼管的切割精度，防止切削時(shí)鋼管變形，降低材料浪費(fèi)，防止工業(yè)污染，實(shí)現(xiàn)無屑切屑。使鋼管旋切機(jī)的技術(shù)水平、整機(jī)性能不斷取得進(jìn)步，逐步趕上國際先進(jìn)水平，滿足用戶的需要，進(jìn)一步提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此要求鋼管旋切機(jī)在許多方面需要形成自身獨(dú)有的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化、多功能和高可靠性”的要求。 教研室 審批意見 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)）工作領(lǐng)導(dǎo) 小組審批意見 組長簽字：： 年 月 日 注：本表經(jīng)教務(wù)處復(fù)審后存院（系）備查。 河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 題目名稱 鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì)—控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 杜顯峰 所學(xué)專業(yè) 機(jī)電技術(shù)教育 學(xué)號(hào) 20040315033 指導(dǎo)教師姓名 陳錫渠 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 職稱 副教授 完成期限 2008年12月16日——2009年2月27日 1、 選題的目的和意義 鋼管在我們生活中起著非常重要的作用，可以說是隨處可見，出現(xiàn)在建筑，交通，汽車等諸多領(lǐng)域。在不同領(lǐng)域?qū)︿摴艿男阅?，精度，?guī)格要求也不近相同，以至于鋼管的種類也繁多，對(duì)他的制造和加工方法也很多。目前我國機(jī)械工業(yè)鋼管使用量已達(dá)到數(shù)千噸以上，鋼管的切割量非常大；隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)切割加工的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也同時(shí)提高。 鋼管的切割技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展也取得了長足的發(fā)展，特別是數(shù)控技術(shù)，傳感器技術(shù)等所取得的突破，鋼管切割技術(shù)也進(jìn)入數(shù)控伺服技術(shù)的快軌道，相繼出現(xiàn)了等離子鋼管切割機(jī)，激光鋼管切割機(jī)，數(shù)控鋼管切割機(jī)，空氣等離子鋼管切割機(jī)，火焰鋼管切割機(jī)，數(shù)控鋼管等離子切割機(jī)，數(shù)控火焰鋼管切割機(jī)等等。但是對(duì)于薄壁鋼管的切割目前的方法多不理想，切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣，生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，之所以選鋼管旋切機(jī)這個(gè)課題，就是為了提高薄壁鋼管的切斷精度，防止切削時(shí)鋼管變形，降低材料浪費(fèi)，防止工業(yè)污染，實(shí)現(xiàn)無屑切屑。使鋼管旋切機(jī)的技術(shù)水平、整機(jī)性能不斷取得進(jìn)步，逐步趕上國際先進(jìn)水平，滿足用戶的需要，進(jìn)一步提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力而鋼管旋切機(jī)在許多方面需要形成自身獨(dú)有的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化、多功能和高可靠性”。且在某些方面的技術(shù)性能要超過國外的產(chǎn)品。 該鋼管旋切機(jī)是機(jī)電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工旋切機(jī)相比，鋼管旋切機(jī)的加工精度更高、柔性化好，對(duì)制造業(yè)來說，可以說是一次大的跨步。鋼管旋切機(jī)技術(shù)作為新的加工手段，不僅加工精度高、速度快，而且加工部位質(zhì)量可靠、外形美觀、能大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且設(shè)備運(yùn)行成本低，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，故障率低，走向國際市場(chǎng)將起到新的推動(dòng)作用。此鋼管旋切機(jī)主要應(yīng)用于薄壁鋼管材料的加工，隨著國內(nèi)企業(yè)融入世界的程度逐步加深，這種新的加工技術(shù)必將受到廣大用戶的接受和采用。 在設(shè)計(jì)的過程中，能培養(yǎng)我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決實(shí)際中所遇到的問題，并且能鞏固和深化我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面有了顯著的提高，對(duì)所學(xué)過的一些東西又有了許多新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在理解分析能力、制定設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案能力、設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步；另外我的技術(shù)分析和組織工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能充分發(fā)揮出我們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)，牢牢把握住這次在走上崗位之前的實(shí)踐機(jī)會(huì)，充分提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)自己的工作能力。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鋼管旋切機(jī)在上世紀(jì)80年代到90年代，在西方發(fā)達(dá)國家日漸成熟并得到廣泛的應(yīng)用，顯示出巨大的優(yōu)越性和市場(chǎng)空間。我國在90年代末及本世紀(jì)初，鋼管旋切工藝技術(shù)的制造水平有了重大突破，關(guān)鍵傳感器件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，機(jī)電一體化技術(shù)也有了很大的發(fā)展，在集成上述技術(shù)與裝備的基礎(chǔ)上，我國自行研制的旋切技術(shù)誕生了。 近年來，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和消化吸收，"中國造"的鋼管旋切機(jī)在質(zhì)量、功能、穩(wěn)定性、靈敏度、精度等方面與國外知名品牌的同類產(chǎn)品差距進(jìn)一步逐漸縮小，并以理想的性價(jià)比得到了廣大用戶的青睞。隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，加之我國勞動(dòng)力成本，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本較國外低，售后服務(wù)優(yōu)勢(shì)明顯，鋼管旋切機(jī)"中國造"將逐步縮小國外產(chǎn)品的市場(chǎng)空間，并使競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。在此形勢(shì)下，為提高在需求巨大的中國市場(chǎng)上的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，國外旋切機(jī)制造商將不得不在國內(nèi)建廠，機(jī)電一體化技術(shù)和傳感技術(shù)的應(yīng)用及鋼管旋切機(jī)制造在中國的興起，將實(shí)現(xiàn)我國的旋切產(chǎn)業(yè)化，世界旋切產(chǎn)業(yè)格局因此也將進(jìn)一步改寫。 三、主要研究?jī)?nèi)容 1．對(duì)現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，擬定改進(jìn)方案。 2．進(jìn)行鋼管旋切機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)。 3．對(duì)鋼管旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4.對(duì)鋼管旋切機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 5．利用Pro/ENGINEER軟件設(shè)計(jì)出鋼材旋切機(jī)各主要涉及部件的形狀及鋼管旋切機(jī)的總體形狀。. 四、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的研究方法或技術(shù)路線 研究方法： 1. 采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方式并利用現(xiàn)有的條件來設(shè)計(jì)旋切機(jī)； 2. 結(jié)合指導(dǎo)教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來提高自己對(duì)旋切機(jī)各組成部分的研究； 3. 查閱大量的有關(guān)書籍和資料來擴(kuò)充自己對(duì)旋切機(jī)的認(rèn)識(shí)，提高加工的技術(shù)含量和加工效率； 4. 通過多次對(duì)各組成部分的計(jì)算和思考來提出更好的加工工藝，盡量的能從生產(chǎn)的實(shí)際出發(fā)來進(jìn)行設(shè)計(jì)； 五、 主要參考文獻(xiàn)與資料 ［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì).金屬材料手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 ［2］施平.機(jī)械工程專業(yè)英語[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002 ［3］孫波.機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008 ［4］楊黎明.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè).國防工業(yè)出版社，1997 ［5］孫波.機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008 ［6］張以鵬.實(shí)用切削手冊(cè)[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007 ［7］上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì).金屬切削手冊(cè)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006 ［8］杜祥瑛、薛順德.機(jī)電一體化技術(shù)詞典[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 ［9］梁桂芳.切割技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 ［10］李春勝、黃德彬.金屬材料手冊(cè)[M]. 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［25］黃觀堯、劉保河.機(jī)械制造工藝基礎(chǔ).天津：天津大學(xué)出版社，1999 ［26］孫成通.液壓傳動(dòng). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 六、指導(dǎo)教師審批意見 簽名： 年 月 日 題目名稱 鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì)—控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)生名稱 陳君強(qiáng) 杜顯峰 所學(xué)專業(yè) 機(jī)電技術(shù)教育 班級(jí) 042班 指導(dǎo)教師姓名 陳錫渠 所學(xué)專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 職稱 副教授 完成期限 2008年12月12日 至 2008年12月21日 一、 論文（設(shè)計(jì)）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo) （一） 主要內(nèi)容 現(xiàn)有鋼管切斷方法的原理、特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)分析，鋼管旋切機(jī)原理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（—控制部分設(shè)計(jì)） （二） 主要技術(shù)指標(biāo) 1．割管直徑50—80mm 2．割管壁厚1.5—5mm 3．割管長度20—1000mm 4．鋼管長度6m 5．軋切精度±0.15mm 6．液壓工作壓力7.85MPa 7．壓縮空氣壓力0.49MPa 二、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要求 1． 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告：由400字左右的中英文摘要，正文后由20篇左右的參考文獻(xiàn)，正文中要引用5篇以上文獻(xiàn)，并注明文獻(xiàn)出處。 2． 由不少于2000漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料。 3． 畢業(yè)設(shè)計(jì)字?jǐn)?shù)在20000字以上。 4． 三維模型，相關(guān)圖紙。 三、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排 1．2008年12月12日—12月16日，下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書；寒假期間完成英文資料翻譯和開題報(bào)告。 2．2009年2月15日—2月27日（第1—2周），指導(dǎo)老師審核開題報(bào)告和設(shè)計(jì)方案。 3．2009年2月28日—4月24日（第3—10周），畢業(yè)設(shè)計(jì)單元部分設(shè)計(jì)。 4．2009年4月25日—5月1日（第11周），畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查。 5．2009年5月2日—5月22日（第12—14周），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模，整理、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 6．2009年5月23日—6月5日（第15—16周），上交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，指導(dǎo)教師、評(píng)閱教師審查評(píng)閱設(shè)計(jì)論文，畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，學(xué)生修改整理設(shè)計(jì)論文。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 杜顯峰 班級(jí) 機(jī)教042 指導(dǎo)教師 陳錫渠 論文題目 鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì)—控制部分設(shè)計(jì) 目前已完成任務(wù) (1)制定畢業(yè)設(shè)計(jì)方案； (2)查找相關(guān)文獻(xiàn)； (3)完成畢業(yè)論文開題報(bào)告； (4)翻譯外文資料； (5)學(xué)習(xí)AutoCAD、Pro/E3.0相關(guān)軟件和PLC編程； (6)畢業(yè)設(shè)計(jì)單元部分設(shè)計(jì)。 是否符合任務(wù)書要求進(jìn)度：是 尚需完成的任務(wù) 1繼續(xù)對(duì)論文材料進(jìn)行組織和整理； 2爭(zhēng)取到規(guī)定的時(shí)間完成論文初稿； 3根據(jù)指導(dǎo)老師的指導(dǎo)意見和全部材料完成論文； 4按照論文進(jìn)度要求，有步驟有計(jì)劃的開展論文工作，存在問題及時(shí)與老師溝通； 5對(duì)已完成的論文內(nèi)容進(jìn)行檢查審核，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改； 能否按期完成論文（設(shè)計(jì)）：能 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 所查找的資料不足，對(duì)論文主題的研究不夠透徹，對(duì)理論知識(shí)的掌握還不夠全面，尤其是Pro/E和PLC編程軟件的使用；與指導(dǎo)老師的交流不夠深刻。 擬 采 取 的 辦 法 繼續(xù)查找資料，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解和掌握，加強(qiáng)對(duì)編程軟件的熟練操作和運(yùn)用，及時(shí)與指導(dǎo)教師溝通。 指導(dǎo)教師簽 字 日期 年 月 日 教學(xué)院長（主任）意 見 負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 河南科技學(xué)院 2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì) —控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號(hào)：20040315033 學(xué)生姓名：杜顯峰 所在院系： 機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育 導(dǎo)師姓名： 陳錫渠 完成時(shí)間：2009 年 5 月 20 日 摘 要 本設(shè)計(jì)通過對(duì)薄壁鋼管的工藝性分析和無削切削工藝方案的分析，確定采 用理論與實(shí)際相結(jié)合的方式并利用現(xiàn)有的條件來設(shè)計(jì)旋切機(jī)，在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼 管旋切機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得出整體結(jié)構(gòu)方案。通過主要技術(shù)指標(biāo) 對(duì)鋼管和選擇，最終確定其裝配總圖。通過此次設(shè)計(jì)，掌握了機(jī)床電控的相關(guān) 知識(shí)以及 plc 自動(dòng)控制的知識(shí)，對(duì)于 ProE3.0/AutoCAD 等軟件的應(yīng)用方面有了 進(jìn)一步的提高。旋切機(jī)的電控部分進(jìn)行選擇和安裝，然后對(duì)鋼管旋切機(jī)的其它 主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞：電氣控制，薄壁鋼管，無屑切削，自動(dòng)切割，旋切機(jī)，plc. Abstract The design of thin-walled tube through analysis of technology and no cutting process analysis and determination by combining theory with practice and use the existing conditions of the way to design the cutting machine, on the basis of steel lathe cutting electrical control system design, and the whole structure scheme. Through the main technical indexes of steel tube and selection, determine the general assembly. Through the design, master knowledge of electric machine and PLC automatic control of knowledge, for ProE3.0 / AutoCAD software applications have further improved. Part of the electronic spin machine, and then choose to install and steel lathe cutting machine of the other major parts design Keywords: electrical control, tubes, without crumbs cutting, automatic lathe cutting machine, cutting, PLC 目 錄 1 緒論 ..........................................................................................................1 2 設(shè)計(jì)要求 ....................................................................................................1 3 主要技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................1 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ......................................................1 4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................2 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 ..................................................................2 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ......................................................................................2 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 ..................................................................................2 6 切割工藝分析 .............................................................................................2 6.1 工藝特點(diǎn) ..............................................................................................2 6.2 鋼管軋切過程 .......................................................................................3 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 .......................................................................5 6.4 各參數(shù)對(duì)軋切工藝的影響 .....................................................................6 6.4.1 壓下量的影響 ...........................................................................................6 6.4.2 軋切速度的影響 .......................................................................................6 6.5 刀具參數(shù)的影響 ...................................................................................6 6.6 結(jié)論 ....................................................................................................7 7 旋切機(jī)的自動(dòng)控制 .....................................................................................7 7.1 貯料與上料部分 ...................................................................................7 7.2 裝料與進(jìn)料部分 ...................................................................................7 7.3 軋切部分 .............................................................................................8 8 電控系統(tǒng) ...................................................................................................8 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 .............................................................................................8 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 ......................................................................................9 8.3 割刀運(yùn)動(dòng)控制 ......................................................................................9 8.4 卸料運(yùn)動(dòng)控制 ....................................................................................10 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 ..................................................10 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 ...................................................................11 8.7 旋切機(jī)自動(dòng)控制 PLC 系統(tǒng)原理 ...........................................................12 8.8 故障保護(hù) ...........................................................................................15 致謝 ...........................................................................................................15 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................16 1 1 緒論 目前我 國 機(jī) 械 工 業(yè) 鋼 管 使 用 量 已 達(dá) 到 數(shù) 千 噸 以 上 ， 鋼 管 的 切 割 量 非 常 大 ； 但 就 目 前 鋼 管 旋 切 技 術(shù) 過 于 陳 舊 落 后 ， 自 動(dòng) 化 程 度 不 高 ， 加 工 精 度 低 ， 噪 聲 環(huán) 境 污 染 嚴(yán) 重 ， 隨 著 國 內(nèi) plc 和 變 頻 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 為 鋼 管 旋 切 機(jī) 的 改 進(jìn) 提 供 了 技 術(shù) 支 持 ， 此 設(shè) 計(jì) 通 過 plc 技 術(shù) 和 傳 感 技 術(shù) 對(duì) 鋼 管 的 從 上 料 到 切 斷 完 全 實(shí) 現(xiàn) 了 機(jī) 電 一 體 化 和 自 動(dòng) 控 制 ， 不 盡 節(jié) 省 了 人 的 體 力 勞 動(dòng) ， 而 且 提 高 了 生 產(chǎn) 率 ， 節(jié) 約 了 鋼 材 的 浪 費(fèi) 。 在設(shè)計(jì)的過程中，能培養(yǎng)我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決實(shí)際中所遇到的 問題，并且能鞏固和深化我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面 有了顯著的提高，對(duì)所學(xué)過的一些東西又有了許多新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在理解分析能 力、制定設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案能力、設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步；另外我 的技術(shù)分析和組織工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中， 能充分發(fā)揮出我們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)，牢 牢把握住這次在走上崗位之前的實(shí)踐機(jī)會(huì)，充分提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng) 自己的工作能力。 2 設(shè)計(jì)要求 鋼管旋切機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求為： （1）對(duì)現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，擬定改進(jìn)方案。 （2）進(jìn)行鋼管旋切機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)鋼管旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （4）對(duì)鋼管旋切機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （5）利用 Pro/ENGINEER 軟件設(shè)計(jì)出鋼材旋切機(jī)各主要涉及部件的形狀及 鋼管旋切機(jī)的總體形狀。 3 主要技術(shù)指標(biāo) （1） 切管直徑 50～80mm （2） 割管壁厚 1.5～5mm （3） 割管長度 20～1000mm （4） 鋼管長度 6m （5） 軋切精度±0.15mm （5） 液壓工作壓力 7.85MPa （7） 壓縮空氣壓力 0.49MPa 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 旋切機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)和國外有很大差別，主要原因是自動(dòng)控制技術(shù)和傳感 技術(shù)以及 plc 和變頻技術(shù)的落后。 2 4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外旋切技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無論從機(jī)械部分還是自動(dòng)控制部分，隨著傳感 技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)日趨完善，國內(nèi)旋切技術(shù)也一定的 提高，但和外國相比還有很大差距。 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 主運(yùn)動(dòng)：一臺(tái)主電機(jī)加一組減速機(jī)構(gòu)和一組切割片。主電機(jī)通過減速裝置進(jìn) 而帶動(dòng)切割片旋轉(zhuǎn)。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：主電機(jī)裝在一機(jī)架上，通過移動(dòng)機(jī)架，使切割片對(duì)固定的壁鋼管 進(jìn)行切割。 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：工作原理簡(jiǎn)單，工作可靠，使用維護(hù)方便，便于攜帶運(yùn)輸，價(jià)格便宜， 適用于加工精度不高的場(chǎng)合。 缺點(diǎn)：加工精度不高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，浪費(fèi)資源，不宜與實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度大。 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 根據(jù)現(xiàn)在旋切機(jī)加工精度不高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，浪費(fèi)資源， 不宜與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，做如下改進(jìn)：采用無屑軋切工藝，生產(chǎn) 效率高管材利用好，可對(duì)不同直徑，壁厚和長度的鋼管作定長切斷，鋼管自動(dòng)上 料，自動(dòng)切斷，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，有可編程控制器對(duì)液壓缸，電機(jī)， 電磁閥，傳感器等系統(tǒng)進(jìn)行控制，從上料、裝料、定位、進(jìn)料到軋切，整個(gè)加工 過程完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。該設(shè)備還裝有累加計(jì)數(shù)和預(yù)置計(jì)數(shù)裝置，分別對(duì)切斷的 工件進(jìn)行累計(jì)和設(shè)定計(jì)數(shù)，便于統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量和計(jì)數(shù)更換刀具。 6 切割工藝分析 此鋼管切割機(jī)是利用金屬材料的塑性，對(duì)鋼管進(jìn)行塑性切斷，以此來滿足下 道加工工序要求的、符合規(guī)定形狀和尺寸的坯件。 6.1 工藝特點(diǎn) 此設(shè)備是利用管料塑性軋制切斷，簡(jiǎn)稱塑性軋切工藝它具有如下特點(diǎn)： （1） 效率高---軋切速度為 1～2mm/s，與普通車削工藝相比，可提高功效 10 倍以上。 （2） 材料利用率高 -----因?yàn)闊o屑切削，切斷過程中不產(chǎn)生切屑，管材可得 3 到充分利用。同有屑切斷工藝相比，材料利用率可提高 13%左右，割管長度越短， 效果越為明顯。 （3） 精度高----- 采用專門的機(jī)械定位裝置，切割長度偏差不超過士 0.15mm， 表面粗糙度R a可達(dá)1.6 。m? （4） 斷口直接成形—凡對(duì)斷口形狀有一定要求的工件，利用刀具刀刃形狀， 就可一次直接成形。 （5） 刀具形狀簡(jiǎn)單—與斜軋或楔橫軋所用的軋輥相比，本工藝所用刀具形 狀簡(jiǎn)單，因而易于制造，成本低廉，且安裝、調(diào)整方便。 在軋切工藝中，各工藝參數(shù)、刀具形狀參數(shù)及軋切溫度等因素對(duì)軋切過程與 軋切質(zhì)量均有較大的影響。 6.2 鋼管軋切過程 6.2.1 切割階段分析 如圖1 所示，被軋切的管子2置于一對(duì)托輪3上，首先刀具1先旋轉(zhuǎn)，隨后液 壓缸帶動(dòng)連桿迫使刀具向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割。整個(gè)切割過程可分為三個(gè)階段： (1) 切入階段 ——旋轉(zhuǎn)的刀具開始切入靜止的管子，并通過摩擦力帶動(dòng)管子 轉(zhuǎn)動(dòng)； (2) 軋切階段 ——刀具在帶動(dòng)管子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)軋切工件，此 時(shí)管子材料因屈服而產(chǎn)生塑性變形，刀具刃口下部的管材沿徑向、軸向和切向三 個(gè)方向產(chǎn)生流動(dòng)，使管壁厚度逐漸減小。 (3) 切斷階段 ——在刀具持續(xù)軋切下，管壁越來越薄，直到管子被切斷為止。 圖 1 管子扎切示意 1－刀具；2－工件；3－托盤 6.2.2 管子的旋轉(zhuǎn)條件 為使旋轉(zhuǎn)的刀具壓住管子后能帶動(dòng)它轉(zhuǎn)動(dòng)，某些工藝參數(shù)和刀具參數(shù)必須滿 足一定條件，稱之為旋轉(zhuǎn)條件。軋切初期，沿刀刃和管子之間的接觸圓弧A B ， 4 工件受到刀刃所加的壓力，該 壓力是一種分布載荷，同時(shí)工 件還與刀刃處于轉(zhuǎn)動(dòng)接觸狀態(tài)， 而受到摩擦力的作用，如圖2 所示。為簡(jiǎn)化分析起見，作如 下兩點(diǎn)假設(shè)。 (1) 刀刃作用于工件的分布?jí)毫?和刀刃與工件間的摩擦力均看 作為集中力，它們均作用于接 觸弧的中點(diǎn)C；刀刃對(duì)工件的壓 力以P 表示, 其方向?yàn)檠氐毒叻?向；摩擦力以T 表示，方向沿 刀具的切向，順轉(zhuǎn)向?yàn)檎? 圖2 中 a ——T 力離工件中心的垂直 距離； b——P 力離工件中心的垂直距離； ? ——接觸弧A B 所對(duì)應(yīng)的刀具圓 心角； r0 ——工件入口處的半徑； r ——工件出口處的半徑； R ——刀具半徑； Z ——壓下量； (2) 工件在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所受的其他阻力忽略不計(jì)。 由圖2 可知，作用于管子的力P 與T 分別產(chǎn)生軋制力矩M p和摩擦力矩M t，為滿 足旋轉(zhuǎn)條件，M p必須大于或等于M t，即 Mt≥Mp ，或T a ≥ P b 6-1 因T = μP ，得到b/a≤ μ 其中μ為摩擦系數(shù)。 由圖2分析可得cosФ/2=a+R/R+r 推出a=r·cosΦ/2-RcosΦ/2(1/cosΦ/2-1) 于是可得a=[r-R(1/cosΦ/2-1)]cosΦ/2 6-2 將b = (R + r) sinΦ/2， 及a = [ r - R ( 1/cosμ/2- 1) ]cosФ/2 6-3 代入上式，且當(dāng)Ф ≈ 0 時(shí)， cosФ/2 ≈ 1 ， 可得μ≥ (1 + R/r) tgФ/2 經(jīng)變換，上式可簡(jiǎn)化為 [2] 圖 2 軋切力分析 5 ≥ (1 +d/D)·( Z/d) 或Z/d≤ ·(1 + d/D) 6-4?2 ?2 由上式可見，μ值越大，旋轉(zhuǎn)條件越容易滿足，這是很顯然的。當(dāng)摩擦系數(shù) μ，管子與刀具直徑之比d/D 一定時(shí)，存在有一個(gè)相應(yīng)的滿足旋轉(zhuǎn)條件的極限相 對(duì)壓下量Z/d 。當(dāng)管子與刀具直徑之比d/D較大時(shí)，相對(duì)壓下量必須取較小的值， 而d/D 較小時(shí)，則允許的相對(duì)壓下量就比較大。 當(dāng)?shù)毒咧睆紻 = 300mm，管子直徑 d = 70mm， 根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工況取摩擦系數(shù)μ= 0.1時(shí)，可算出極限壓下量Zmax = 0. 6mm。而設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際壓下量?jī)H0.1～0.2mm，故旋轉(zhuǎn)條件能充分得到滿足。 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 軋切時(shí)，隨著楔形刀刃的軋入，鋼管在徑向壓力的作用下，產(chǎn)生劇烈而復(fù) 雜的變形，這種變形，是由刀刃刃口及兩側(cè)作用于鋼管所引起的。刃口作用于鋼 管主要產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)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，前者指材料向鋼管內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的減徑作用后者 則是軋切的主要變形，唯此鋼管才得以被塑性切斷。刀刃軋入工件后，部分材料 沿切向流動(dòng)，使工件呈橢圓狀。刀刃下部的材料還會(huì)沿軸向延伸而變形，這時(shí)在 連皮材料內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成為延伸變形的阻力。刀刃側(cè)面作用于鋼管,使材 料產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、軸向壓縮和外徑擴(kuò)展等變形。其中徑向壓縮和切向 擴(kuò)展同刀刃刃口作用時(shí)所產(chǎn)生的變形情況相似。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，材料向管子外徑方向流動(dòng)，致使工 件沿切口外徑邊緣處略微鼓起并呈橢圓狀。以上凡由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展所引起 的橢圓變形，在整個(gè)軋切過程中沿整個(gè)圓周不斷重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著軋切深度的 增加將逐漸減弱，甚至接近消失。因外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的凸起狀，將在托輪的對(duì)滾碾 壓作用下漸趨敷平。 軋切時(shí)，管子在刀具刃口及兩側(cè)的作用下，產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜的變形。刃口作 用于管子，主要產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展及軸向延伸。徑向壓縮包括管子的徑向 壓縮和材料本身的徑向壓縮，前者指材料向管子內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的減徑作用，后者 則是軋切的主要變形，唯此管子才得以被塑性切斷。刀刃軋入工件后，部分材料 沿切向移動(dòng)產(chǎn)生切向擴(kuò)展，并使工件呈橢圓狀。同時(shí)刀刃下部的材料還會(huì)向軸向 壓縮，這時(shí)管壁尚相連部分材料內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成為延伸變形的阻力。 刀刃兩側(cè)作用于管子，使管子材料產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、軸向壓縮和外 徑擴(kuò)展等變形。其中，徑向壓縮和切向擴(kuò)展同刃口作用時(shí)情況相似。軸向壓縮使 刃口下部尚相連部分材料產(chǎn)生拉應(yīng)力，外徑擴(kuò)展是指材料向管子外徑方向流動(dòng)， 致使切口外徑邊緣處略顯鼓起并呈橢圓狀。由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展共同引起的橢 6 圓變形，在整個(gè)軋切階段中，沿整個(gè)圓周不斷地重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著軋切深度的 增加，這種變形逐漸減小，甚至近乎消失。至于外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的突起狀，將在托 輪的對(duì)滾碾壓作用下趨于敷平。在軋切初期，變形主要由刃口的作用引起，到軋 切后期，刀刃兩側(cè)造成的軸向壓縮變形所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力起主要作用，當(dāng)拉應(yīng) 力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷。 根據(jù)以上的工藝分析，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)各有關(guān)的工藝參數(shù)、刀具形狀、參 數(shù)、軋切溫度以及潤滑條件等因素，作了細(xì)致、合理的選擇，實(shí)踐表明本設(shè)備的 工藝要求能得到充分的滿足。 6.4 各參數(shù)對(duì)軋切工藝的影響 6.4.1 壓下量的影響 壓下量Z 一方面影響到管子的旋轉(zhuǎn)，另一方面影響到軋切壓力、軋切力矩與 軋切效率。 壓下量Z 越大，軋切效率就越高，但軋切壓力與軋切力矩也越大，對(duì)機(jī)床的 力學(xué)要求也就越高，當(dāng)然壓下量的增大受到極限壓下量Zmax 的限制，否則將影 響軋切過程的順利進(jìn)行。 壓下量Z 越小，軋切壓力與軋切力矩就越小，但軋切效率也就越低。在軋切 初期刀刃開始作用于管子時(shí)，刀刃與管子摩擦?xí)r間增多，刀刃受到的沖擊力增多。 在軋切時(shí)刀刃兩側(cè)與管子的摩擦?xí)r間增多，特別在管子不直時(shí)，刀刃受到的軸向 沖擊力增多，刀具極易崩刃。 另外，壓下量Z 越大，在軋切時(shí)每一瞬時(shí)對(duì)管子端面的壓下量也大，在軋切 結(jié)束時(shí)管子端面的不平整程度就大，成形質(zhì)量差，尺寸精度下降，反之成形質(zhì)量 好，尺寸精度高。故應(yīng)從整體上選擇合適的壓下量Z ，使刀具具有較長的壽命， 對(duì)機(jī)床的力學(xué)要求相對(duì)較低，同時(shí)具有較高的生產(chǎn)效率。 6.4.2 軋切速度的影響 軋切速度直接影響軋切效率，速度越低效率越低，反之速度越高效率越高。 但軋切速度不可能無限提高，因其受到機(jī)床輸入功率與機(jī)床力學(xué)性能的限制, 特 別是在被軋切管子的直線度較差時(shí)，刀刃受到的不穩(wěn)定沖擊力大增，刀刃極易崩 裂。 另外，軋切速度提高將使刀具溫升增大，磨損增大，刀具壽命降低。故應(yīng)在 保證軋切能順利進(jìn)行的前提下，盡可能選取大些的軋切速度，同時(shí)采取有效措施 降低刀具溫升，減小摩擦。 6.5 刀具參數(shù)的影響 7 (1)刀具直徑 刀具直徑對(duì)軋切過程的影響主要在同樣刀具轉(zhuǎn)速下，管子轉(zhuǎn)速隨刀具直徑變 大而變大，此時(shí)相對(duì)壓下量可適當(dāng)取大些，可提高工作效率。其次，當(dāng)?shù)毒咧睆?增大時(shí)，其對(duì)管子產(chǎn)生的切向擴(kuò)展將會(huì)變小，可減小軋制力矩。 (2)刀刃角 刀刃角的大小對(duì)管子材料的變形有較大影響，當(dāng)?shù)度薪禽^大時(shí)，其兩側(cè)作用 于管子，使材料產(chǎn)生的徑向壓縮增大，軸向延伸與外徑擴(kuò)展減小，其對(duì)軋切壓力 與軋切力矩的影響也較大。刀刃角越大所需軋切壓力與軋切力矩也越大。 當(dāng)然，刀刃角的大小決定了切割后工件端面的倒角，也就是說其實(shí)際上取決 于工件的形狀要求。如果可能的話，將其設(shè)計(jì)得小些，對(duì)減小軋切壓力與軋切力 矩是有利的。 6.6 結(jié)論 (1) 軋切的旋轉(zhuǎn)條件為： μ2 ≥ (1 + d/D)·( Z/d) 或Z/d≤μ2/(1 +d/D) ； 6-5 (2) 刀具直徑 D 越大，允許的相對(duì)壓下量 Z/d也越大； (3) 刀刃刃角越大，軋切壓力與軋切力矩也就越大； (4) 應(yīng)選擇合適的刀刃圓角，以提高其強(qiáng)度與使用壽命； 7 旋切機(jī)的自動(dòng)控制 該設(shè)備的機(jī)械部分主要由貯料、上料、裝料、送料及軋切等部分組成，下面 對(duì)各部分的構(gòu)成與作用作扼要敘述。 7.1 貯料與上料部分 這部分主要由貯料架和上料機(jī)構(gòu)組成。每次可在儲(chǔ)料板上放置10根鋼管，儲(chǔ) 料板設(shè)置一定的斜度，可使鋼管自動(dòng)向下滾落。儲(chǔ)料板上裝料完成時(shí)，按下啟動(dòng) 開關(guān)，擋塊縮回，物料慢慢向下滾落，當(dāng)檢測(cè)物料的傳感器檢測(cè)到傳動(dòng)鏈上有物 料后，驅(qū)動(dòng)控制電器使擋塊伸出，以擋住上面的物料不再繼續(xù)下落，同時(shí)送料電 機(jī)啟動(dòng)，通過減速器帶動(dòng)傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物料傳動(dòng)過去時(shí)，檢測(cè)物料的傳感器 再次啟動(dòng)，擋塊收回，再次使物料向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有物料放到傳動(dòng)鏈上時(shí)，檢測(cè)物 料的傳感器再次啟動(dòng)，擋塊擋住上面的物料不繼續(xù)下落，如此循環(huán)。 7.2 裝料與進(jìn)料部分 裝料部分主要由管子支架、擋塊、裝料機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、傳送裝置等部件組 成。支架起支承鋼管的重量和儲(chǔ)料的作用；擋塊起防止儲(chǔ)料板上的物料持續(xù)下落 8 的作用；檢測(cè)裝置主要由傳感器控制其它電器來完成；傳送裝置主要是完成鋼管 的傳送。 裝料時(shí),先使物料擋塊縮回，因儲(chǔ)料板有一定的傾斜度，鋼管開始向下慢慢 滾動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)物料的傳感器檢測(cè)到有物料經(jīng)過時(shí)，擋塊伸出以防止上面的物料繼 續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)送料電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng) 傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)送料的目的。由液壓缸帶動(dòng)控制軋切部分沿滑槽上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn) 刀具的向下壓緊或抬起放松。軋切時(shí)，首先切削電機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過帶輪帶動(dòng)傳送帶 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸帶動(dòng)切削部分沿滑槽向下運(yùn)動(dòng)或上升，實(shí) 現(xiàn)軋切。液壓缸帶動(dòng)軋切部分以適當(dāng)?shù)膲毫鹤′摴?，以減少鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的 徑向跳動(dòng)。 進(jìn)料機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)，進(jìn)料時(shí)，傳動(dòng)鏈帶動(dòng)鋼管向前運(yùn)動(dòng),直到鋼管端頭 被擋塊擋住為止，送料電機(jī)隨即停轉(zhuǎn)。進(jìn)料傳感器檢測(cè)到物料到達(dá)后，軋切電機(jī) 開始啟動(dòng)并通過傳送帶帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸的伸縮使軋切部分沿滑槽上下 移動(dòng)，依此控制刀具上下移動(dòng)，控制刀具以適當(dāng)?shù)膲毫χ饾u切入鋼管，隨著切入 深度的一步步加深，直到拉應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷為止，切 斷的鋼管自動(dòng)落入料槽，檢測(cè)物料傳感器控制液壓缸帶動(dòng)刀具上升，進(jìn)料電機(jī)再 次啟動(dòng)進(jìn)行送料，實(shí)現(xiàn)下一次的切削。 7.3 軋切部分 這部分主要由割刀部件、支撐托輪、擋塊和導(dǎo)向滑槽等組成，其中割刀部件 包括主軋電動(dòng)機(jī)、傳送帶、控制液壓缸等機(jī)件。 刀具安裝在傳送帶輪的輸出軸上，主軋電動(dòng)機(jī)通過傳送帶裝置帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也可通過變頻器調(diào)節(jié)。刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由液壓缸帶動(dòng)軋切部分上下移 動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，支撐輪在軋切過程中起支撐工件的作用。擋塊裝在所需料長的固定位 置上。當(dāng)傳送帶傳送鋼管到位被擋塊擋住后，切割電動(dòng)機(jī)通過傳送帶帶動(dòng)刀具旋 轉(zhuǎn)，控制液壓缸帶動(dòng)軋切部分沿滑槽向下運(yùn)動(dòng)，隨著軋切深度的不斷加深，鋼管 最終被切斷，隨后刀具在控制液壓缸的作用下向上運(yùn)動(dòng)，送料電機(jī)隨后起動(dòng)繼續(xù) 向前等待下一次的切削，滾輪主要起支撐物料實(shí)現(xiàn)軋切的目的。擋塊前端頂盤的 仲出長度及其中心高度，可分別予以調(diào)整，以適應(yīng)不同直徑的鋼管和不同長度的 割件。 導(dǎo)向滑槽的作用是通過液壓缸帶動(dòng)軋切部分上下移動(dòng)。切斷的物料可直接掉 入料槽中。 8 電控系統(tǒng) 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 9 本系統(tǒng)采用FP0型可編程控制器 (PLC)作為控制核心，選用了一個(gè)十槽的 CPU 框架和一個(gè)十槽的擴(kuò)展框架。除CPU模塊外, 框架中共裝有11個(gè)輸入、輸出模塊 和1個(gè)撥盤模塊，模塊的選用，主要根據(jù)觸點(diǎn)的數(shù)量，負(fù)載的大小和動(dòng)作頻率的 高低而定。輸入器件中包括操作控制面板上的按鈕和選擇開關(guān)，各種功能和限位 傳感器。其中輸出部分還包括： 三項(xiàng)交流電動(dòng)機(jī)、以及接觸器和直流電磁閥線 PLC體積小，可靠性高，尤其是它無需改動(dòng)任方便地改變輸出器件的狀態(tài)或 動(dòng)作順序的控制柔性，特別適用于本設(shè)備這一類機(jī)電一體化產(chǎn)品。 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 PLC的控制程序，是根據(jù)管子的軋切工藝、設(shè)備功能和操作要求來進(jìn)行設(shè)計(jì) 的。 設(shè)備開機(jī)后只需按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備即開始自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。對(duì)這一運(yùn)行狀態(tài)， 程序的基本設(shè)計(jì)思想如下： 首先判定支承上有無料，若有料，進(jìn)入正常軋切循環(huán), 直到將割剩的料尾推 出為止。此時(shí)支承處于無料狀態(tài)，于是需判定支架上是否有料，如有料，則向支 承裝料，然后返回前面的程序，如無料，進(jìn)一步判定貯料架中是否有料，若貯料 架有料，則先向支架上料，然后再向支承裝料。 8.3 割刀運(yùn)動(dòng)控制 割刀運(yùn)動(dòng)是整個(gè)加工過程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將直接關(guān)系到軋切的質(zhì) 量和效率。前已提及割刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由軋切液壓缸帶動(dòng)軋切機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)來 圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 10 實(shí)現(xiàn)的。為控制進(jìn)刀距離，采用了一對(duì)行程開關(guān)控制軋刀的上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)薄壁 鋼管的直徑和厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，已達(dá)到切斷鋼管的目的。 8.4 卸料運(yùn)動(dòng)控制 當(dāng)薄壁鋼管被切斷后，軋刀停止轉(zhuǎn)動(dòng)，1.5秒后刀具上升至上限位行程開關(guān) 處，等待下一循環(huán)，當(dāng)上料電機(jī)開始上料時(shí)將滾筒上的鋼管頂落入料巢。 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 （1）傳感器選擇 物料檢測(cè)和扎切長度檢測(cè)用傳感器檢測(cè)，物料檢測(cè)用電感式傳感，長度檢 測(cè)用對(duì)射光電傳感器。 電感式接近開關(guān)（見圖4） 型號(hào)：LJ6A3-1-Z/BX 泄漏,消耗,靜態(tài)電流: DC三線消耗<3.0mA 檢測(cè)物體：A3鐵材(磁性金屬) 響應(yīng)頻率：DC:150HZ AC:25HZ 輸出電流：300mA(要求更大電流可定做) 工作環(huán)境溫度：-25攝氏度-+55 攝氏度 輸出電壓降：DC三線<=0.8V DC二線<=4V 外殼材料：黃銅鍍鉻 對(duì)射傳感器（見圖5） 產(chǎn)品型號(hào)：XL-E3KG-10D 工作電壓：DC12-24V 感應(yīng)距離：10米內(nèi) 輸出方式：繼電器輸出，一種常開+常閉觸點(diǎn) 出觸點(diǎn)容量：1A 250V AC 從直徑8mm-直徑30mm,接近距離最大15mm 行程開關(guān)（見圖5） 額定電壓 / 電流:10(4)A, 125, 250VAC/6(2)A，380VAC 電感負(fù)載 接觸電阻:25m Ω 以下 ( 初期值 ) 絕緣電阻:100m Ω 以上 ( 在 500VDC) 耐電壓:同極端子間： 10VAC, 50/60HZ 持續(xù) 1 分鐘 載電流與無載電流零件間：50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 各端子與地之間：1500VAC，50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 圖 5 對(duì)射光電傳感器 圖 4 電感接近開關(guān) 11 電氣壽命：500，000 次 10A 250VAC 機(jī)械壽命：10，000， 000 次以上 操作速度：5mm /s to 0.5m /s (2)PLC的選擇 （見圖6） 型號(hào)：FP0-C16 程序容量：16點(diǎn) 連接方法：MIL連接器型 工作電壓：24VDC 輸入類型：24VDC 輸出類型：繼電器 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 交流接觸器：CJX2-1810 [5] （見圖7） 額定電壓：AC 380V 線圈電壓:AC 110V 額定電流：10A 電壓頻率：50HZ 小繼電器的選擇 型號(hào)：歐姆龍OMRON LY2NJ，帶工作指示燈 工作電壓：DC24V， （見圖8） 觸點(diǎn)負(fù)載：10A 240VAC(阻性） 出頭數(shù)：兩對(duì) 額定電流：20mA 斷路器 型號(hào)：DZ108系列低壓塑料外殼斷路器 額定電壓：AC220V-AC380V 額定電流：20A 脫扣器電流：15-20A 主觸頭數(shù)：3對(duì) 輔助觸點(diǎn)：2對(duì) 電磁閥（液壓） [13](見圖9) 型號(hào)：4V210-08 位置數(shù)：二位五通 耗電量：3w 額定電壓：DC24V 圖 9 液控電磁閥 圖 8 中間繼電器 圖 7 交流接觸器 圖 6 FP0PLC 12 最高動(dòng)作頻率：3次／秒 電磁閥（氣動(dòng)） （見圖10） 型號(hào)：2V025－08 耗電量：DC24Ｖ 3Ｗ 額定電流：120ｍＡ 額定電流：DC20.4∽26.4Ｖ 液壓缸的選擇（見圖11） 型號(hào)：MOB─FA 缸徑：Φ160mm 受壓面積：122.26cm 2 液壓工作壓力：7.85MPa 氣壓缸的選擇：（見圖12） 型號(hào)：SSC-50Χ50-S-LB 缸徑：Φ80mm 氣缸工作壓力：0.49MPa 8.7 旋切機(jī)自動(dòng)控制 PLC 系統(tǒng)原理 旋切機(jī)裝配圖如下（見圖13） 圖 10 氣動(dòng)電磁 閥 圖 11 液壓缸 圖 12 氣壓缸 13 8.7.1 旋切機(jī)可編程控制器 I/O 分配表 [6] PLC輸入： X0 ---------- 啟動(dòng)按鈕 X1 ---------- 停止按鈕 X2 ---------- 急停按鈕 X3 ---------- 物料檢測(cè) X4 ---------- 軋切上限位 X5 ---------- 軋切下限位 X6 ---------- 軋切長度測(cè)量 X7 ---------- 上料上限位 PLC輸出： Y0 ---------- 啟動(dòng)指示燈 Y1 ---------- 上料液壓缸向下 Y2 ---------- 軋切刀具上升 Y3 ---------- 軋切刀具下降 Y4 ---------- 軋切電動(dòng)機(jī) Y5 ---------- 進(jìn)給電動(dòng)機(jī) Y6 ---------- 停止指示燈 圖14 I/O分配表 8.7.2 旋切機(jī) plc 電氣接線圖 （見圖15） 圖 13 裝配圖 圖 15 電器接線圖 14 8.7.3 旋切機(jī) PLC 梯形圖 （如圖 16 所示） 15 圖 16 PLC 梯形圖 8.7.4 旋切機(jī) PLC 指令表 （如圖 17 所示） 圖 17 PLC 指令表 8.8 故障保護(hù) 本設(shè)備設(shè)有較完善的故障檢測(cè)系統(tǒng)，電控系統(tǒng)裝有過載保護(hù)和過流保護(hù)裝置， 一擔(dān)發(fā)生短路或過載立刻關(guān)斷電源啟動(dòng)保護(hù)作用，并配有急停開關(guān)，一擔(dān)按下急 停開關(guān)，真?zhèn)€系統(tǒng)停止工作。 致謝 非常感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給我提供了這次良好的深入學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和寬松的學(xué) 習(xí)環(huán)境。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使我將大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)再次回顧學(xué)習(xí)， 16 而且也使我學(xué)到了專業(yè)領(lǐng)域中一些前沿的知識(shí)。 非常感謝在本次設(shè)計(jì)中曾給予我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的陳老師及幫助過我的 同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵(lì)才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中克服種種困難， 最終順利完成論文，他們的學(xué)識(shí)和為人也深深地影響著我。在此，請(qǐng)?jiān)试S我再次 向曾直接給予我多次指導(dǎo)的導(dǎo)師表示最忠誠的敬意！ 參考文獻(xiàn) ［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)．金屬材料手冊(cè)[Ｍ]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 ［2］施平．機(jī)械工程專業(yè)英語[Ｍ] ．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2002 ［3］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[Ｍ] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008 ［4］楊黎明．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[Ｍ] ．北京：國防工業(yè)出版社， 1997 ［5］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[Ｍ] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008 ［6］張以鵬．實(shí)用切削手冊(cè)[Ｍ] ．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 2007 ［7］上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì)．金屬切削手冊(cè)[Ｍ] ．上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006 ［8］杜祥瑛、薛順德．機(jī)電一體化技術(shù)詞典[Ｍ] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 ［9］梁桂芳．切割技術(shù)手冊(cè)[Ｍ] ．西安：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 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