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哈爾濱華德學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名
尹鈺瑩
系部
機電工程系
專業(yè)、班級
1095111班
指導(dǎo)教師姓名
于曉東
職稱
教授
從事
專業(yè)
機械
外聘
￠是□否
題目名稱
Φ76-Φ89mm新型圓形截面管材滾切機設(shè)計
一、設(shè)計（論文）目的、意義
隨著切割機的發(fā)展，采用滾切機在線切斷管材是近幾年在國外發(fā)展起來的新技術(shù)。這種滾切機是利用三把帶有楔角的圓盤形滾切刀片，采用滾動壓入的方法將管材切斷。由于采用了滾壓無屑剪切，刀具的滾切行程略大于管材壁厚即可切斷管材，因而效率高(尤其是對于大直徑管材)。可以實現(xiàn)小噪音、無切屑、小(無)毛刺切管，并可保證管材切口絕對垂直于管材軸線。從而可簡化生產(chǎn)工藝、減少設(shè)備的投資、降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境，解決了長期困擾鋼管企業(yè)的噪音問題。設(shè)計是端面凸輪式鋼管在線滾切機，滾切式切斷的工作原理是利用三把帶楔角的碟形滾切刀片均勻的安裝在刀頭架上，刀頭架由驅(qū)動齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，齒輪由齒條驅(qū)動，端面凸輪推動齒條從而使刀頭架進給的同時實現(xiàn)徑向進給，刀片與被切管材接觸后，除繞管材公轉(zhuǎn)外，還繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，在管材表面實現(xiàn)純滾動，在徑向進給系統(tǒng)的作用下逐漸將管材切斷。這種切斷方式可實現(xiàn)切口斷面輪廓不失真。滾切式即近年來發(fā)展的旋轉(zhuǎn)楔入法。
二、設(shè)計（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法）
技術(shù)要求：
（1） 鋼管切斷規(guī)格為外徑 Φ76-Φ89mm；
（2） 壁厚為4mm；
（3） 鋼管生產(chǎn)速度為30m/min；
（4） 鋼管定尺長度為12m。
三、設(shè)計（論文）完成后應(yīng)提交的成果
完成Φ76-Φ89mm新型圓形截面管材滾切機設(shè)計的設(shè)計。繪制裝配圖，及零件圖。
(1)計算說明部分：設(shè)計說明書一份
(2)圖紙部分：完成A0圖紙2張，零件圖若干
四、設(shè)計（論文）進度安排
⒈第一階段：開題 10月12日—10月23日（2周）
⒉第二階段：設(shè)計階段（實驗工作階段） 10月26日—12月11日（7周）
⒊第三階段：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文與準(zhǔn)備答辯 12月14日—12月25日（2周）
五、主要參考資料
[1]成大先.機械設(shè)計手冊（第四版）[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社 2002：14－13－14－156
[2]徐灝.機械設(shè)計手冊[S].北京: 機械工業(yè)出版社 1993：29－47－50
[3]吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.1.
[4]王三民,諸文俊.機械原理與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.3.
[5]李洪.實用機床設(shè)計手冊[S].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001.6.
[6]成大先.機械設(shè)計手冊（第二卷）[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.1.
[7]劉慶國. 圓形截面管材滾切機. [S].北京: 冶金工業(yè)出版社2006.7
六、備注
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 Φ76-Φ89mm新型圓形
截面管材滾切機設(shè)計
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及自動化
學(xué) 號 1109511120
學(xué) 生 尹鈺瑩
指 導(dǎo) 教 師 于曉東
答 辯 日 期 2013.12.17
哈工大華德學(xué)院
哈工大華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）評語
姓名： 學(xué)號： 專業(yè)：
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：
工作起止日期：______ 年____ 月____ 日起 ______ 年____ 月____ 日止
指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）進行情況，完成質(zhì)量及評分意見：
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指導(dǎo)教師簽字： 指導(dǎo)教師職稱：
評閱人評閱意見：
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___________________________
評閱教師簽字：_______________ 評閱教師職稱：_______________
答辯委員會評語：
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根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）的材料和學(xué)生的答辯情況，答辯委員會作出如下評定：
學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯成績評定為：
對畢業(yè)設(shè)計（論文）的特殊評語：
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答辯委員會主任（簽字）： 職稱：________________
答辯委員會副主任（簽字）：
答辯委員會委員（簽字）：___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________ ___________ ___________ ___________ __________ __________
年 月 日
哈工大華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
姓 名： 尹鈺瑩 院 （系）：機電工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 號：1095111
任務(wù)起至日期： 2013 年 9 月 10 日至 2013 年 12 月 17 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： Φ76-Φ89mm新型圓形截面管材滾切機設(shè)計
立題的目的和意義：
隨著切割機的發(fā)展，采用滾切機在線切斷管材是近幾年再國外發(fā)展起來的新技術(shù)。這種滾切機是利用三把帶有楔角的圓盤形滾切刀片，采用滾動壓入的方法將管材切斷。由于采用了滾壓無屑剪切，刀具的滾切行程略大于管材壁厚即可切斷管材，因而效率高（尤其是對于大直徑管材）?？梢詫崿F(xiàn)小噪音、無切屑、?。o）毛刺切管，并可保證管材切口絕對垂直于管材軸線。從而可簡化生產(chǎn)工藝、減少設(shè)備的投資、降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境，解決了長期困擾鋼管企業(yè)的噪音問題。
該項技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間，在鋼鐵、汽車、建筑、家電、礦山等行業(yè)都有著良好的應(yīng)用前景。在圓形截面管材在線或離線切斷方面將會發(fā)揮巨大的作用。
技術(shù)要求與主要內(nèi)容：
技術(shù)要求：
（1） 鋼管切斷規(guī)格為外徑 Φ76-Φ89mm；
（2） 壁厚為4mm；
（3） 鋼管生產(chǎn)速度為30m/min；
（4） 鋼管定尺長度為12m。
主要內(nèi)容：
Φ76-Φ89新型圓形截面管材滾切機的整體機床的設(shè)計。Φ76-Φ89新型圓形截面管材滾切機——原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體包括：進給架、進給環(huán)設(shè)計、刀夾座的設(shè)計、夾緊裝置設(shè)計和小車行走裝置設(shè)計等。
進度安排：
2013.9.10~2013.9.20：設(shè)計講解、收集資料、撰寫開題報告、文獻綜述
2013.9.21~2013.11.5：平面圖，剖視圖、零件圖設(shè)計
2013.11.6~2013.12.5：圖形繪制和設(shè)計說明書文本撰寫
2013.12.6~2013.12.13：整理匯總畢業(yè)設(shè)計考核資料并上交
2013.12.14~2013.12.15：根據(jù)老師的批閱意見進行修改
2013.12.16~2013.12.16：準(zhǔn)備參加畢業(yè)答辯
同組設(shè)計者及分工：
獨立完成
指導(dǎo)教師簽字___________________
年 月 日
系（教研室）主任意見：
系（教研室）主任簽字___________________
年 月 日
一、 課題題目和課題研究現(xiàn)狀
題目：Φ76-Φ89mm新型圓形截面管材滾切機設(shè)計
滾切機用于管子和小棒料的下料，隨著近些年來中小企業(yè)的發(fā)展，對于它的需要量越來越大，加工精度和效率的要求也越來越高，使得滾切機得到發(fā)展。我國生產(chǎn)的一般品種齊全，但目前存在的問題是大部分設(shè)備老化，急需更新?lián)Q代，并開發(fā)數(shù)控滾切機床、液壓滾切機床等品種。國外滾切機的機械傳動日益為液壓傳動所代替，特別是液壓—機械傳動所取代。提高機床的生產(chǎn)效率和自動化程度，是當(dāng)代滾起機的發(fā)展趨勢。
二、 選題的目的和意義
管材在連續(xù)生產(chǎn)過程中，在線切斷設(shè)備是整個生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國目前有1700多條直縫焊管生產(chǎn)線，普遍采用飛據(jù)在線鋸切管材。采用飛據(jù)在線鋸切管材存在如下問題：一是切后管斷面留有毛刺，為去除毛刺后續(xù)工序必須加平頭設(shè)備；二是鋸切過程噪音污染嚴(yán)重；三是鋸切增加了金屬消耗；四是當(dāng)鋸切大直徑管材時，生產(chǎn)效率特別低。采用滾切機在線切斷管材是近幾年在國外發(fā)展起來的新技術(shù)。這種滾切機是利用三把帶有楔角的圓盤形滾切刀片，采用滾動壓入的方法將管材切斷。由于采用了滾壓無屑剪切，刀具的滾切行程略大于管材壁厚即可切斷管材，因而效率高（尤其是對于大直徑管材）?？梢詫崿F(xiàn)小噪音、無切屑、?。o）毛刺切管，并可保證管材切口絕對垂直于管材軸線。從而可簡化生產(chǎn)工藝、減少設(shè)備的投資、降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境，解決了長期困擾鋼管企業(yè)的噪音問題。
該項技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間，在鋼鐵、汽車、建筑、家電、礦山等行業(yè)都有著良好的應(yīng)用前景。在圓形截面管材在線或離線切斷方面將會發(fā)揮巨大的作用。
三、 課題的基本內(nèi)容
Φ76-Φ89新型圓形截面管材滾切機的整體機床的設(shè)計。Φ76-Φ89新型圓形截面管材滾切機——原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體包括：進給架、進給環(huán)設(shè)計、刀夾座的設(shè)計、夾緊裝置設(shè)計和小車行走裝置設(shè)計等。
研究方案及預(yù)期達到的目標(biāo)
設(shè)計是端面凸輪式鋼管在線滾切機，滾切式切斷的工作原理是利用三把帶楔角的碟形滾切刀片均勻的安裝在刀頭架上，刀頭架由驅(qū)動齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，齒輪由齒條驅(qū)動，端面凸輪推動齒條從而使刀頭架進給的同時實現(xiàn)徑向進給，刀片與被切管材接觸后，除繞管材公轉(zhuǎn)外，還繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，在管材表面實現(xiàn)純滾動，在徑向進給系統(tǒng)的作用下逐漸將管材切斷。
為完成課題己具備和所需條件
1、借閱圖書館的有關(guān)的圖書和手冊等資料，利用網(wǎng)絡(luò)查閱相關(guān)的資料。
2、對比現(xiàn)有的幾個設(shè)計方案，比較各個設(shè)計的優(yōu)點及缺點，制定本次設(shè)計總體機構(gòu)方案，重點突出安全性和經(jīng)濟性。
3、借助相關(guān)資料查找并計算出機構(gòu)設(shè)計中的必要參數(shù)。
4、完成工程圖和設(shè)計計算說明書。
預(yù)計研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施。
可能遇到的難點：在初步構(gòu)思及總體設(shè)計時，可能會遇到一些問題，比如滾切機構(gòu)懸臂長問題；起動時產(chǎn)生沖擊的問題；離合器的分離時刻不易控制；退刀時滾切裝置相對于內(nèi)凸輪的停止位置不夠準(zhǔn)確；夾緊裝置的夾緊中心和滾切中心對中困難的問題在研究過程中面臨著整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可能無法達到設(shè)計參數(shù)的要求，機器的設(shè)計在實際應(yīng)用中不穩(wěn)定等一系列問題。因此，在設(shè)計過程中要不斷完善，去嘗試新的設(shè)計方案。
解決辦法：在總體設(shè)計前要認(rèn)真研究設(shè)計任務(wù)書，準(zhǔn)備好設(shè)計資料，多和同學(xué)討論研究，確定最好的方案，并將設(shè)計計算的結(jié)果記載完整，查閱相關(guān)資料，遇到問題及時向?qū)熀屯瑢W(xué)求解，及時的解決，尋找簡單合理的設(shè)計方案，使其達到預(yù)期目標(biāo)，按時并良好地完成課題。
進度安排
2013.9.10~2013.9.20：設(shè)計講解、收集資料、撰寫開題報告、文獻綜述
2013.9.21~2013.11.5：平面圖，剖視圖、零件圖設(shè)計
2013.11.6~2013.12.5：圖形繪制和設(shè)計說明書文本撰寫
2013.12.6~2013.12.15：整理匯總畢業(yè)設(shè)計考核資料并上交
2013.12.17~2013.12.18：根據(jù)老師的批閱意見進行修改
2013.12.19~2013.12.20：準(zhǔn)備參加畢業(yè)答辯
參考文獻
[1]成大先.機械設(shè)計手冊（第四版）[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社 2002：14－13－14－156
[2]徐灝.機械設(shè)計手冊[S].北京: 機械工業(yè)出版社 1993：29－47－50
[3]吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999.1.
[4]王三民,諸文俊.機械原理與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.3.
[5]李洪.實用機床設(shè)計手冊[S].遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001.6.
[6]成大先.機械設(shè)計手冊（第二卷）[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.1.
[7]劉慶國. 圓形截面管材滾切機. [S].北京: 冶金工業(yè)出版社2006.7
八、備注
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
隨著切割機的發(fā)展，采用滾切機在線切斷管材是近幾年在國外發(fā)展起來的新技術(shù)。這種滾切機是利用三把帶有楔角的圓盤形滾切刀片，采用滾動壓入的方法將管材切斷。由于采用了滾壓無屑剪切，刀具的滾切行程略大于管材壁厚即可切斷管材，因而效率高(尤其是對于大直徑管材)?？梢詫崿F(xiàn)小噪音、無切屑、小(無)毛刺切管，并可保證管材切口絕對垂直于管材軸線。從而可簡化生產(chǎn)工藝、減少設(shè)備的投資、降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境，解決了長期困擾鋼管企業(yè)的噪音問題。
我設(shè)計是端面凸輪式鋼管在線滾切機，滾切式切斷的工作原理是利用三把帶楔角的碟形滾切刀片均勻的安裝在刀頭架上，刀頭架由驅(qū)動齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，齒輪由齒條驅(qū)動，端面凸輪推動齒條從而使刀頭架進給的同時實現(xiàn)徑向進給，刀片與被切管材接觸后，除繞管材公轉(zhuǎn)外，還繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，在管材表面實現(xiàn)純滾動，在徑向進給系統(tǒng)的作用下逐漸將管材切斷。這種切斷方式可實現(xiàn)切口斷面輪廓不失真。滾切式即近年來發(fā)展的旋轉(zhuǎn)楔入法。
關(guān)鍵詞 管材 滾切機 端面凸輪
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
Abstract
Along with the development of cutting machine, cutting machine adopts the roll online in recent years in foreign countries cut off the tubes are developed new technology. This kind of cutting machine is rolling by 3 to a wedge disc shape roll, the rolling pressure blade cut into the methods will pipes cut off. Since it is a rolling a chip less shear, the cutting tool roll-cut trip is slightly higher than the pipe wall thickness can be cut off, and high efficiency pipes, especially for large diameter tubes). Can realize the little noise, no scraps, small (no) burr cut tube, and can ensure the pipe in vertical pipe axis incision absolute. Thus, can simplify production technology, reducing equipment investment, reduce the production cost, and can improve the production environment, solved the problem of noise steel enterprises.
My design is section CAM tubular steel rolling cutting machine, get online cut off the work of principle is to use the wedge with three of the disc roll-cut blade even installed in frame on, cutter head frame is driven gear, gear rotating driven by rack drive, promoting rack and CAM section head into the frame to realize radial feeding, the blade was cut pipe after contact with, in addition to the revolution around the pipe outside, still around their own center axis rotation in pipes, achieving pure rolling, surface in radial feeding system under the function of the pipes cut off gradually. This cut way can realize incision section contour not distortion. Roll-cut type is rotating wedge method in recent years.
Keywords pipe roll cutting machine section CAM
I
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題背景 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1非剪切類的切斷方法 3
1.2.2剪切類切斷方法 4
第2章 方案確定 5
2.1舊型滾切機在實際應(yīng)用中存在的問題 5
2.2設(shè)計原理 6
第3章 滾切機本體設(shè)計 10
3.1 參數(shù)選擇及基本數(shù)據(jù)確定 10
3.3 滾切力的計算 12
3.3.1 滾切力的理論分析 12
3.3.1.4 徑向加工力的計算 13
3.3.2 切向加工力的計算 14
3.3.3 轉(zhuǎn)盤軸及軸上部件 14
3.4 刀夾座的設(shè)計 15
3.5 齒輪參數(shù)選擇及齒輪軸強度校核 16
3.7 進給架、進給環(huán)設(shè)計 20
3.8.1系桿架轉(zhuǎn)動力矩 21
3.9本章小結(jié) 22
第4章 部件設(shè)計 23
4.1 夾緊裝置設(shè)計 23
4.1.1夾緊裝置液壓缸的設(shè)計 24
4.1.2夾緊凸輪的設(shè)計 26
4.2 小車行走裝置設(shè)計 27
4.2.1 小車動力傳動方式的選擇 27
4.2.2 小車主體的受力分析 27
4.2.4 行走小車電動機的選取 29
4.3 本章小結(jié) 30
結(jié)論 31
致謝 32
參考文獻 33
第1章 緒 論
1.1 課題背景
管材在連續(xù)生產(chǎn)過程中，在線切斷設(shè)備是整個生產(chǎn)線中的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國目前有1700多條直縫焊管生產(chǎn)線，普遍采用飛據(jù)在線鋸切管材。采用飛據(jù)在線鋸切管材存在如下問題：一是切后管斷面留有毛刺，為去除毛刺后續(xù)工序必須加平頭設(shè)備；二是鋸切過程噪音污染嚴(yán)重；三是鋸切增加了金屬消耗；四是當(dāng)鋸切大直徑管材時，生產(chǎn)效率特別低。
管材在生產(chǎn)和使用過程中，為切除頭尾不合格部分或?qū)㈤L管分切成定長等，切斷工序是不可少的。由于管材斷面形狀呈空心狀，在切斷過程中，其切口的斷面形狀很易失真。因而管材切斷技術(shù)的要求更高。除了通常要求的切口斷面宏觀平直、毛刺小，生產(chǎn)率高、噪音小、金屬損耗少以外，還要求斷面輪廓形狀不失真或少失真。因而國內(nèi)外一直在探討各種因素對切口質(zhì)量的影響規(guī)律，以尋求新的切斷方法。
采用滾切機在線切斷管材是近幾年在國外發(fā)展起來的新技術(shù)。這種滾切機是利用三把帶有楔角的圓盤形滾切刀片，采用滾動壓入的方法將管材切斷。由于采用了滾壓無屑剪切，刀具的滾切行程略大于管材壁厚即可切斷管材，因而效率高(尤其是對于大直徑管材)?？梢詫崿F(xiàn)小噪音、無切屑、小(無)毛刺切管，并可保證管材切口絕對垂直于管材軸線。從而可簡化生產(chǎn)工藝、減少設(shè)備的投資、降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境，解決了長期困擾鋼管企業(yè)的噪音問題。
該項技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用空間，在鋼鐵、汽車、建筑、家電、礦山等行業(yè)都有著良好的應(yīng)用前景。在圓形截面管材在線或離線切斷方面將會發(fā)揮巨大的作用。
我國目前普遍采用飛鋸切斷鋼管。采用滾切機在線切斷鋼管是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，該設(shè)備是在被切斷管材的圓周方向均勻布置3個圓刀片，刀片在傳動系統(tǒng)的帶動下繞鋼管旋轉(zhuǎn)的同時沿著鋼管的徑向移動，從而在鋼管周向純滾動并且逐漸切斷鋼管，采用滾切機在線切斷鋼管可實現(xiàn)噪音小、無切削、無毛刺，并可保證管材切口絕對垂直管材軸線，從而可簡化生產(chǎn)工藝，減少設(shè)備投資，降低生產(chǎn)成本，并可改善生產(chǎn)環(huán)境。目前我國從國外引進了幾套鋼管在線滾切機，這些引進設(shè)備存在如下問題：一是設(shè)備的一些零配件國內(nèi)還無法滿足要求，有些零配件的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格與我國不一致，因此給設(shè)備維護帶來困難；二是切后斷口處鋼管外徑變大(對于厚壁管)、內(nèi)徑縮口，控制不好容易超差，從而必須增加必要的平頭設(shè)備。目前國內(nèi)關(guān)于管材滾切機的研究大多集中在設(shè)備方面，而關(guān)于影響管材滾切質(zhì)量的理論研究較少。
凡兩端開口并具有中空封閉斷面的，且其長度與斷面周長之比較大的鋼材，都可稱為管材。按其斷面幾何形狀，管材可分為圓形和異性斷面管。管材生產(chǎn)有無縫管材生產(chǎn)和焊管生產(chǎn)。無縫管材生產(chǎn)大多用不同的穿孔設(shè)備將實心的管坯作成空心的毛管，再進行加工得到合格的成品鋼管。焊管生產(chǎn)是將管坯(鋼板或帶鋼)用不同的成型方法彎曲成所需要的管筒形狀，然后施以不同的焊接方法將其接縫焊合而使其成為管材。直縫焊管生產(chǎn)有連續(xù)式和間斷式兩種形式?，F(xiàn)代化的直縫焊管機組大都是連續(xù)式的。
本設(shè)計是直縫焊管在線滾切機的研制，針對的管材是直縫焊管。通過對目前使用的飛鋸式、飛刀式、滾切式、沖剪式等四種焊管在線切割機構(gòu)的分析比較，在吸收國內(nèi)外有關(guān)機構(gòu)特別是日本所供應(yīng)機器的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計制造出一種新型的滾切式鋼管滾切機。本課題研究的是鋼管在線滾切機。
焊管以帶鋼或鋼板為原料，用不同成型方法彎曲成管筒的形狀，然后施以不同的焊接方法，獲得具有一定強度的焊縫而形成的管材。在國民經(jīng)濟各部門中，焊管用途十分廣泛，主要用于：輸送管道、基本建設(shè)用管、化工容器、儲油罐以及在機械制造、汽車、農(nóng)業(yè)、輕工等部門和一些特殊用途。
從焊縫的形狀，焊管分為直縫和螺旋縫。這里我們只討論直縫焊管，從1900年第一臺電焊設(shè)備建造使用開始，電焊鋼管生產(chǎn)至今已有上百年歷史了，直縫焊管生產(chǎn)有連續(xù)式和間斷兩種形式，現(xiàn)代化的直縫焊管機組大都是連續(xù)式的。直縫焊管生產(chǎn)工藝流程如下圖所示：
帶鋼卷—矯直—閃光對焊—活套—成型機—焊接—清理焊劑—冷卻—定徑—切斷—矯直—渦流探傷—平端面—水壓試驗—檢查—打印—涂油—包裝
而我的畢業(yè)設(shè)計研究的是以上流程中的切斷過程，通過我和同學(xué)一段時間的了解和查閱資料得知，在我國的直縫焊管機組中，鋸切設(shè)備一直是個薄弱環(huán)節(jié)，在連續(xù)式生產(chǎn)過程中，將鋼管切成定尺式是非常重要的。由于管材斷面形狀呈空心狀，在切斷過程中，其切口的斷面形狀很易失真，因而管材切斷技術(shù)的要求很高，除了通常要求的斷面宏觀平直、毛刺小，生產(chǎn)率高。噪音小、金屬損耗少以外，還要求斷面輪廓形狀不失真或減少失真，因而國內(nèi)外一直在探討各種因素對切口質(zhì)量的影響規(guī)律，以尋求新的切斷方法。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
下面介紹目前應(yīng)用最多的幾種剪切機。管材在生產(chǎn)和使用過程中，為切除頭尾不合格部分或?qū)㈤L管分切成定長等，切斷工序是不可少的。由于管材斷面形狀呈空心狀，在切斷過程中，其切口的斷面形狀很易失真。因而管材切斷技術(shù)的要求很高，除了通常要求的斷面宏觀平直、毛刺小，生產(chǎn)率高、噪音小、金屬損耗少以外，還要求斷面輪廓形狀不失真或減少失真，因而國內(nèi)外一直在探討各種因素對切口質(zhì)量的影響規(guī)律，以尋求新的切斷方法。
國內(nèi)外現(xiàn)有的管切方法有兩大類：非剪切類和剪切類[2]。
1.2.1 非剪切類的切斷方法
(1)冷鋸鋸切法
(2)砂輪片切斷法
這兩種方法都屬于同一類型，只是有鋸片和砂輪片作為切斷工具之分，兩種均有金屬損耗，而且由于切斷片轉(zhuǎn)速很高，轉(zhuǎn)動中有震顫，因而在表面有明顯的切削痕跡，呈現(xiàn)不平度較大，在切口結(jié)束時很難去除較大的毛刺，至今尚未解決，因而一般的此類切削方法都不得不在切斷后曾設(shè)銑頭機將斷面銑平。
(3)切管機法
以車刀切斷，切管機有鋼管轉(zhuǎn)動，車刀不動和鋼管不動車刀轉(zhuǎn)動兩種。前者類似車床切削，但速度不能快。后者設(shè)備較復(fù)雜，一臺切管機所切管徑范圍不能太大，切削速度也不可能太大，因為有金屬損耗。
(4)旋轉(zhuǎn)楔入法
鋼管相對不動，在管材外圍有三個刀片，一起繞鋼管回轉(zhuǎn)，同時刀片座徑向移動而將管材切斷，由于此刀片是楔形的，因而且切口傾斜呈坡口狀，而且在刀刃楔入管壁時，切口處的金屬向管壁的內(nèi)外流動使切口的外圍和內(nèi)周均呈隆起狀，即切口邊緣附近的外徑增大，內(nèi)徑減小。
圖1-1 旋轉(zhuǎn)切入法示意圖
1.2.2 剪切類切斷方法
(1)沖剪法
沖剪法是在切口兩側(cè)各有圓孔形固定刀片夾住鋼管，切口處有活動刀片，當(dāng)?shù)度袎合蚬懿臅r，刀尖使管壁局部引力集中而破裂，刀刃壓入管壁，此方法為有屑切斷，剪切過程速度快，噪音小，但由于切斷開始會在刀尖管壁處壓下凹坑，最后殘留在切口附近，為此必須設(shè)置擴展法和修正工序，以目前的技術(shù)，凹坑至今不能完全消除。
(2)雙重剪切法
針對沖剪法的缺點產(chǎn)生凹坑，在沖剪法刀尖壓入處的管材上先刨一個坑，但由于槽寬略大于刀片厚度，從而在切口斷面會有一個不太明顯的小臺階。
(3)芯棒剪切法
為防止剪切空心的管材被壓扁，在管材內(nèi)設(shè)置芯棒，芯棒由隨著活動刀片一起移動的活動芯棒以及和固定刀片一起固定不動的固定芯棒組成，活動刀片在單向移動時進行剪切，此類方法用途很多，比如剪切汽車減震器所用管件的布哈姆切管機就是采用整個原理。但所切管件長度應(yīng)小于150mm。
本設(shè)計采用滾切式切斷，滾切式即近年來發(fā)展的旋轉(zhuǎn)楔入法。滾切式的工作原理是利用三把帶楔角的碟形滾切刀片均勻地安裝在刀頭架上，刀頭架由主傳動帶帶動旋轉(zhuǎn)，刀片由內(nèi)凸輪帶動徑向進給，刀片與被切管材接觸后，除繞管材公轉(zhuǎn)外，還繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)，在管材表面實現(xiàn)純滾動，在徑向進給系統(tǒng)的作用下逐漸將管材切斷。這種切斷方式可實現(xiàn)無切屑，小噪音剪切，并其可以保證切口斷面輪廓不失真。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹的是飛據(jù)在線鋸切管材存在的問題，為了解決這些問題近幾年國內(nèi)外發(fā)展起來的滾切機在線鋸切管材的新技術(shù)，以及介紹了該技術(shù)的應(yīng)用范圍和采用該技術(shù)的好處，還有對國內(nèi)外對滾切機的研究現(xiàn)狀及國內(nèi)外現(xiàn)有的管切方法的簡單描述。
第2章 方案確定
2.1 舊型滾切機在實際應(yīng)用中存在的問題
目前，飛鋸機是鋼管切斷的主要設(shè)備主要功能是將在線生產(chǎn)的管材定尺切斷。它不僅控制管材的定尺切斷精度，同時制約著生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度。飛鋸的通常形式為電機帶動鋸片高速旋轉(zhuǎn)將管子切斷。由于其切削機理為高溫熔融狀態(tài)下的摩擦過程，這種形式結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但噪音大，切口毛刺大，對于小型機組很方便使用；但對于直徑在273mm以上的大規(guī)格圓管的切斷就很難滿足工藝要求。對于大規(guī)格焊管生產(chǎn)線上的飛鋸機，國內(nèi)傳統(tǒng)的形式有三種：
(1)單鋸片式
用一張鋸片一次切斷整根鋼管。鋸片直徑很大，如鋸切Φ508mm ×14mm圓管或400mm ×400mm×14的方矩形管，鋸片直徑需在1600mm以上，鋸切功率需達250kw工作時噪音很大，且管子端口不好，毛刺大，又不好清除。
(2)滾切式
其結(jié)構(gòu)是通過一組刀片的徑向旋轉(zhuǎn)、擠壓鋼管切斷。雖然比大直徑的鋸片有一定的優(yōu)越性，但僅使用于圓管，不能用于方矩形管和開口型材，并有收縮口現(xiàn)象，且在鋼管級高、璧厚大時切斷就非常困難了。
(3)雙劇平推式
這是國外20世紀(jì)50年代淘汰產(chǎn)品，它不僅結(jié)構(gòu)龐大，功率消耗大，致命缺陷是切斷面不平、錯位，切削過程中易變形，導(dǎo)致管子切口有階梯，若是圓管還可在平頭工序修正，若是方形管就很難處理了。
目前，用于切割圓形截面管材，或者圓管材生產(chǎn)線上截斷管材時采用的滾切機，在不允許管材旋轉(zhuǎn)時，其滾刀必須繞管材中心公轉(zhuǎn)，同時滾刀沿管面滾動且向中心運動，達到切斷管子的目的。
對于上述切割圓形截面管材的技術(shù)中，如中國某發(fā)明專利，其申請?zhí)?00610012656.0中公開的《圓管材截面滾切機》，其中闡述的滾切機性能可靠，工作穩(wěn)定，達到了很好的效果[6]。但是在實際應(yīng)用中，由于設(shè)計的圓盤軸上的滾切裝置與旋轉(zhuǎn)環(huán)上的傳動齒輪之間具有較大的軸向距離，并且旋轉(zhuǎn)環(huán)和圓盤軸的旋轉(zhuǎn)配合面在圓盤軸的軸徑上，而非圓盤外圈上，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)滾切機構(gòu)在機架外的懸臂較長，受力狀態(tài)也不好，這樣，若有加工產(chǎn)生的質(zhì)量偏心，會在滾切工作時產(chǎn)生徑向振動，因而降低了圓盤刀的使用壽命；另外，因離合器為常離狀態(tài)，在啟動時，旋轉(zhuǎn)環(huán)僅靠圓盤軸與其的摩擦力矩驅(qū)動，由于摩擦力矩很小，使旋轉(zhuǎn)環(huán)啟動滯后，造成滾切裝置上的滾輪撞擊內(nèi)凸輪面而產(chǎn)生啟動沖擊；此外，在滾切結(jié)束時，該滾切機中的離合器的分離時刻不易控制；在退刀后，滾切裝置相對內(nèi)凸輪的停止位置不夠準(zhǔn)確，造成圓盤刀讓開距離不足，而妨礙管子再次送入容易打刀，以及存在加緊裝置的夾緊中心和滾切中心對中困難、設(shè)備的重量較大等實際問題。
目前，用于加工切割金屬管材，或制管生產(chǎn)線上截斷管材，其滾刀的進刀都是采用液壓方式。即利用液壓缸驅(qū)動，通過齒條機構(gòu)實現(xiàn)滾刀的徑向進刀，從而滿足了切管的使用要求。但最關(guān)鍵的問題是，如在使用液壓缸通過拔叉推動移動環(huán)時易產(chǎn)生偏截，不易保證徑向進刀的同步性；另外其整體結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，并且需要配置一套液壓系統(tǒng)，及其維護成本高。
為了解決這一問題，對于公開的另一種金屬切管機，它是采用機械式進刀方式，利用多級齒輪傳動機構(gòu)，實現(xiàn)對管材的切斷。一方面是利用間斷的凸輪塊實現(xiàn)滾刀的徑向進刀；由于設(shè)有形成完整的圓周凸輪，不能周而復(fù)始的連續(xù)工作。另一方面通過驅(qū)動軸上的單向離合器控制齒輪機構(gòu)的反向轉(zhuǎn)動才能完成退刀，這樣會產(chǎn)生較大的沖擊。該傳動結(jié)構(gòu)采用四對大小齒輪相互嚙合，還不能實現(xiàn)自動退刀運動，導(dǎo)致傳動系統(tǒng)較為復(fù)雜。
在管材以及型材生產(chǎn)過程中，常常采用冷，熱劇進行切斷；而其鋸片在實際應(yīng)用中經(jīng)常會出現(xiàn)瓢曲變形、裂痕、崩齒、糊齒等現(xiàn)象，這不僅會影響軋鋼生產(chǎn)效率，也會給生產(chǎn)現(xiàn)場帶來安全隱患并增加鋸片消耗。在實際生產(chǎn)過程中有部分鋸片經(jīng)數(shù)次使用后，由于各種外在及內(nèi)在原因會出現(xiàn)瓢曲變形現(xiàn)象主要表現(xiàn)鋸片整體呈現(xiàn)一個碟形，一面鼓出，另一面凹入，將鋸片豎起，用手在鋸片頂部施加一個軸向力往復(fù)晃動，感覺到其剛性并不太差，這時產(chǎn)生的是碟形塑性變形；二是鋸片呈扭曲狀變形，片體的周向跳動很大，將鋸片豎起晃動時感覺剛性很軟，嚴(yán)重時甚至有站不住的感覺，鋸片外圓周呈荷葉形狀。因此，必須加以改進和完善。
2.2 設(shè)計原理
經(jīng)過對現(xiàn)有滾切機的結(jié)構(gòu)分析，我總結(jié)出目前滾切機出現(xiàn)的主要問題。分別是：
1)滾切機構(gòu)懸臂長問題；
2)起動時產(chǎn)生沖擊的問題；
3)離合器的分離時刻不易控制；
4)退刀時滾切裝置相對于內(nèi)凸輪的停止位置不夠準(zhǔn)確；
5)夾緊裝置的夾緊中心和滾切中心對中困難的問題。
在此基礎(chǔ)上進行改進，完成了本次畢業(yè)設(shè)計。
參考中國某專利新型圓管材滾切機[5]原理圖如圖2-1所示。
圖2-1 中國某專利新型圓型截面管材滾切機工作原理圖
為實現(xiàn)其目的，本設(shè)計提供的新型圓形截面管材滾切機，包括傳動軸上分別設(shè)置的傳動件與所對應(yīng)在圓盤軸上和位于其上的旋轉(zhuǎn)環(huán)上連接的傳動件；所屬圓盤軸的圓盤端面徑向滑槽內(nèi)安裝有滾切裝置；其中，它具有一個內(nèi)圈是內(nèi)凸輪，外圈是一個滾切大齒輪的旋轉(zhuǎn)環(huán)安裝于圓盤軸的圓盤外圈位置上；在所述旋轉(zhuǎn)環(huán)、圓盤軸和機架上安裝起動和退刀控制裝置；和在所述機架管材入料端設(shè)置一個夾緊裝置。因此，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)直接沿圓盤軸的圓盤外圈轉(zhuǎn)動，進一步降低了軸向尺寸，并且使旋轉(zhuǎn)配合面、大齒輪上的嚙合點、內(nèi)凸輪對滾切裝置的施力點三者相距很近，受力狀態(tài)得到明顯改善，避免了振動發(fā)生；此外，還通過設(shè)置了起動及退刀控制裝置，保證起動時，控制旋轉(zhuǎn)環(huán)被驅(qū)動同步運轉(zhuǎn)，避免了起動沖擊，離合器切合時刻準(zhǔn)確，有利于滾切裝置滾切裝置退刀后，停在處于相對內(nèi)凸輪的最大退刀位置點上；另外，增設(shè)了夾緊裝置，提高了夾緊管材的穩(wěn)定性和對中可靠性。
連桿與鉸接的所述活動刀架間的夾角是100°—180°隨著夾角的變化來實現(xiàn)進刀。轉(zhuǎn)盤上設(shè)置一個以上的連桿與相對應(yīng)帶有滾刀的刀架連接。本管材截面滾切機采用了轉(zhuǎn)盤上通過鉸接的連桿與刀架組成一連桿進退刀機構(gòu)，并在旋轉(zhuǎn)筒相配合的轉(zhuǎn)盤上安裝一摩擦減速裝置，通過該裝置的作用實現(xiàn)了轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生相對于旋轉(zhuǎn)筒的方向轉(zhuǎn)動，用以控制連桿進退刀機構(gòu)進行切割或者非切割運動，因而該連桿與帶有滾刀的刀架機構(gòu)，和所設(shè)置的摩擦減速裝置是實現(xiàn)本管材滾切機的關(guān)鍵。解決了現(xiàn)行的滾切機采用的凸輪機構(gòu)控制滾刀，以及多齒輪組件傳動所帶來的整體機構(gòu)復(fù)雜的問題。
本設(shè)計涉及在旋轉(zhuǎn)環(huán)、圓盤軸和機架上組合安裝起動及退刀控制裝置，包括旋轉(zhuǎn)環(huán)一徑向端開有一個導(dǎo)通的槽孔和相鄰的沉槽，則在旋轉(zhuǎn)環(huán)上的槽孔內(nèi)設(shè)置的棘軸上安裝有棘爪，和在所述沉槽內(nèi)設(shè)置一個彈簧片構(gòu)成棘輪機構(gòu)；所述棘爪與對應(yīng)圓盤軸的圓盤外圈上呈設(shè)置用于交替配合或脫開的三個角形棘槽；所述棘爪的另一端與所對應(yīng)在機架上設(shè)置的接近開關(guān)接近或遠(yuǎn)離。這樣有利于起動同步平穩(wěn)，退刀時刻準(zhǔn)確，易于控制。
根據(jù)設(shè)計的特點，所提及滾切裝置除上述采用滾刀作為切刀之外，可以在滾切裝置上直接固定車刀，同樣可以完成管材切割。
在本設(shè)計中，由機架的入料端安裝一個管材夾緊裝置。所述的管材夾緊裝置包括固定在機架上的滑道盤，滑道盤一側(cè)面上呈現(xiàn)120°設(shè)有三個徑向滑道分別安裝滑塊；所述滑道盤和滑塊之間安裝返回彈簧，滑道盤和其上同心安裝的蓋板共同為滑塊的滑動導(dǎo)向；該滑塊的一段作為夾緊口，另一端通過銷軸安裝滾輪；該滾輪對應(yīng)所述滑道盤和蓋板的外圈上具有的夾緊凸輪；則夾緊凸輪內(nèi)圈是由三段相同的收縮曲線首尾相連成的圓周內(nèi)凸輪，外圈上固定安裝有轉(zhuǎn)壁，通過液壓缸或氣缸矯連接在機架上。因此，該滾輪相對于滑道盤和蓋板外圈上具有的夾緊凸輪轉(zhuǎn)動。當(dāng)要夾緊時，液壓缸伸長，推動轉(zhuǎn)臂連帶夾緊凸輪一起轉(zhuǎn)動，其夾緊凸輪內(nèi)凸輪面壓迫夾緊滾輪迫使三個滑塊，沿滑道盤上的徑向滑道同時向管子壓緊，自動對中夾緊管子。當(dāng)要松開管子時，液壓缸縮回，拉動轉(zhuǎn)臂使夾緊凸輪回轉(zhuǎn)，返回彈簧推動滑塊回退。在本設(shè)計中，夾緊凸輪的轉(zhuǎn)動也直接采用電液推桿推動，這樣可以在制管生產(chǎn)線上往復(fù)運動的滾切機上僅供電即可保證滾切進行。
本設(shè)計的關(guān)鍵是在旋轉(zhuǎn)環(huán)的內(nèi)圈設(shè)置內(nèi)凸輪，外圈設(shè)置滾切大齒輪，讓旋轉(zhuǎn)環(huán)集合多項功能，明顯減少了其旋轉(zhuǎn)部分在機架外的懸臂長度，既降低了設(shè)備制造成本，又減少了滾切機構(gòu)偏心振動傾向，可以提高圓盤刀的使用壽命。其次，讓旋轉(zhuǎn)環(huán)直接沿圓盤軸的圓盤外圈轉(zhuǎn)動，進一步降低軸向尺寸，并且使旋轉(zhuǎn)配合面、滾切大齒輪上的嚙合點、內(nèi)凸輪對滾切裝置的施力點三者相距很近，受力狀態(tài)得到明顯改善，設(shè)備重量也降低了很多。因其旋轉(zhuǎn)部分重量和懸臂尺寸大幅減少，避免了振動發(fā)生。
由上邊的分析可以得到以下一些結(jié)論：
1) 滾切機設(shè)計采用了旋轉(zhuǎn)環(huán)上的整圈內(nèi)凸輪，控制圓盤刀徑向進刀，可適用于不同管徑的切割，而且連續(xù)穩(wěn)定，周而復(fù)始的工作，特別適合制管生產(chǎn)線上的使用；此外通過離合控制滾切機同向旋轉(zhuǎn)情況下實現(xiàn)退刀，這樣會帶來對滾切裝置的沖擊。
2) 傳動機構(gòu)簡單可靠，只采用兩對傳動機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。
3) 滾切機可以通過提高傳動軸的轉(zhuǎn)速來改進提高切割速度，而且每圈的切割速度不變，不影響刀具的使用壽命。
4) 滾切機通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)凸輪的線段來增減相對應(yīng)的滾切裝置，具有使用靈活的特點。
5) 通過在機架上安裝了夾緊裝置，提高了夾緊的穩(wěn)定性和對中可靠性。
本設(shè)計能有效的解決旋轉(zhuǎn)滾切機構(gòu)懸臂長、起動時產(chǎn)生沖擊、離合器的分離時刻不易控制、退刀后滾切裝置相對內(nèi)凸輪的停止位置不夠準(zhǔn)確，以及夾緊裝置的夾緊中心和滾切中心對中困難等問題。
2.3 本章小結(jié)
本章主要是對現(xiàn)有滾切機存在的問題進行了描述，學(xué)習(xí)研究有關(guān)方面的資料，加以比較，解決存在的問題方法，同時簡單敘述了本設(shè)計的原理。
第3章 滾切機本體設(shè)計
3.1 參數(shù)選擇及基本數(shù)據(jù)確定
鋼管切斷規(guī)格為外徑 Φ76-Φ89mm，壁厚為4mm，鋼管生產(chǎn)速度為30m/min，鋼管定尺長度為12m。
由以上鋼管剪切參數(shù)可知
1.在鋼管剪切的每一個行程的時間t為
t=鋼管定尺長度/鋼管生產(chǎn)速度=12m/30m/min=24s
即在鋼管剪切的每個行程時間為24s。
即小車運行一個切斷來回時間為24s。
2.刀片行程的確定
鋼管切割的最大壁厚為4mm，刀片在切割前和切斷后應(yīng)有一個多余的進刀距離，據(jù)參考有關(guān)圖紙和結(jié)合實際，定為4mm。
圖3-1刀片徑向進給示意圖
如上面圖3-1所示，故刀片徑向切斷行程S=4×3=12mm。
3.切斷時間的選取
當(dāng)?shù)镀瑥较蛐谐檀_定為12mm，確定小車運動一個切斷行程時間為8s，即在其他的24-8=16s內(nèi)小車保持靜止。
在小車運動的8s內(nèi)，包括2個過程：小車與鋼管同步時間和回程時間。
此設(shè)計確定切斷時間為5s，即刀片的徑向進給速度為2.4mm/s。
綜上所述，確定以下參數(shù)：
1.切斷時小車運行8s
2.切斷時間(刀尖運行時間)為5s
3.刀具徑向進給行程為12mm，速度為2.4mm/s
4.鋼管與刀尖的切削力為
3.2 圓盤刀的設(shè)計計算及校核
刀尖到中心距離為45毫米，刀具厚為6毫米，切削鋼管管有不同直徑之分，直徑范圍Φ76-Φ89mm，厚管為4毫米，刀尖夾角太小雖鋒利但強度不夠，刀尖角度太小雖強度大但是不鋒利，綜合考慮后尖端的夾角為30°。如下面圖3-2所示：
圖3-2圓盤刀
3.3 滾切力的計算
3.3.1 滾切力的理論分析
滾切力是滾切機的設(shè)計和使用的重要參數(shù)，它是由刀片楔尖剪斷金屬的純剪切力、刀片兩側(cè)面排開已被剪斷的金屬的擠壓力和刀片兩側(cè)面與被排開金屬間的摩擦力這3 部分組成的。
圖3-3確定剪切面積用圖
3.3.1.1 純剪切力的確定
純剪切力可由下式計算
(3-1)
式中，S為剪切面積；為金屬的最大單位剪切抗力
= (3-2)
式中，K為與外摩擦及刀刃變鈍有關(guān)的系數(shù)，對于冷剪，通過K=0.05~0.62；
為與變形速度有關(guān)，通常=1，為材料斷裂時的平均延伸率；為被切材料的強度極限。
當(dāng)每片刀的進給量為h時，剪切面積可按圖3-3中的陰影部分計算，即
(3-3)
式中，為管的切槽底半徑；m=R++；角、可由圖3-3中的幾何關(guān)系求得。
3.3.1.2 擠壓力的確定
用帶有楔角的圓盤形刀片滾切管材如同用楔形沖頭壓入半無限體，所不同的是管材的壁厚是有限的。因此我們可以參考文獻構(gòu)造如圖3-4所示的滑移線場。我們將擠壓力與摩擦力分開考慮，圖中顯示出了無摩擦力的情況。在滾切中刀片的兩個側(cè)面作用有正擠壓應(yīng)力p，從而可求得由p產(chǎn)生的擠壓滾切力為
(3-4)
式中是刀片與被剪切管間單側(cè)擠壓面積。
圖3-4滑移線場
3.3.1.3 摩擦力的確定
滾切力中的摩擦力部分即為刀片與被擠壓金屬間的摩擦力在合力方向的分量
(3-5)
式中，u為刀片與被切管材之間摩擦系數(shù)，對于冷剪，一般u=0.1~0.2。
總的滾切力即為上述3部分力之和
(3-6)
3.3.1.4 徑向加工力的計算
解得0.0948rad
-刀刃與管材在回轉(zhuǎn)方向上的接觸寬度
-滾刀刃直徑
3.3.2 切向加工力的計算
3.3.3 轉(zhuǎn)盤軸及軸上部件
已知刀尖受力為
則：對材料為40Cr的鋼，其需用應(yīng)力在直徑為0-100mm時候。
即有：
(3-7)
即
得
即軸直徑，能滿足條件，此處保證滿足強度要求D=30mm。
刀盤緊固軸承的選?。?
因為傳遞刀尖切削力，故選取普通深溝球軸承，采用形式為兩端固定支撐形式，選用型號為深溝球軸承6306，其基本尺寸如下：
d=30mm D=72mm B=19mm
此處載荷20KN/2=10KN
小于基本額定負(fù)荷12.4KN
所以軸承的選取滿足要求。
圖3-5轉(zhuǎn)盤軸立體圖
3.4 刀夾座的設(shè)計
管材加工范圍是Φ76-Φ89mm，根據(jù)本設(shè)計的需要，刀夾座結(jié)構(gòu)如圖3-6所示：
由于刀具實現(xiàn)的徑向切削，故調(diào)整螺栓主要受軸承傳遞給刀架的徑向切削力，即調(diào)整螺栓可近似看成只受剪力：
(3-8)
所選M8的螺栓滿足強度要求。
圖3-6刀夾座三維示意圖
3.5 齒輪參數(shù)選擇及齒輪軸強度校核
根據(jù)空間需要等條件，確定齒輪參數(shù)：齒數(shù)： 模數(shù)：
則
在允許誤差范圍內(nèi)可用
中心距：
表1 第一組滾切齒輪組合小、大齒輪的參數(shù)：
6
6
213mm
468mm
215mm
470mm
203mm
458mm
38
75
圖3-7齒輪
取齒寬系數(shù)為：
可以得到小齒輪的齒寬為：34.3mm
由于齒寬沒有嚴(yán)格要求，所以分別?。盒↓X輪齒寬34mm，大齒輪齒寬39mm。
由于進刀方式為端面凸輪，所以端面凸輪的轉(zhuǎn)速為135+1/3r/min。
所以
3.6 傳動軸承與傳動鍵的選取
選用軸承時，首先應(yīng)當(dāng)考慮深溝球軸承，其它的結(jié)構(gòu)形式，往往價格昂貴，交貨期難以保證。
深溝型球軸承內(nèi)、外圈溝道的斷面為圓弧形，其半徑以球徑大2%～4%，是很常用的一種滾動軸承。
這種軸承深溝較深，承受徑向負(fù)荷時，球在溝底圓內(nèi)外接觸，承受軸向負(fù)荷時，球在溝道邊緣附近接觸，因此能同時承受徑向和軸向負(fù)荷，使用方便。
深溝型球軸承的形狀簡單，能夠進行精密加工，可以達到很高的集合精度，因此，摩擦、振動及噪聲很小，適用于高速旋轉(zhuǎn)。
綜合考慮本設(shè)計中各種要求，所選傳動軸承如圖3-8、圖3-9所示。
圖3-8轉(zhuǎn)盤軸大軸承
軸承代號：GB/T276-94 型號：6030基本尺寸：d=150mm，D=225mm，B=35mm
圖3-9輸入軸軸承
圖3-9輸入軸軸承
軸承代號：GB/T276-94 型號：6216基本尺寸：d=80mm，D=140mm，B=26mm
傳動軸鍵的選擇：
圖3-10輸入軸鍵
3.7 進給架、進給環(huán)設(shè)計
進給架是一個改進機構(gòu)，在參考以往的單軸撥叉機構(gòu)后，設(shè)計出端面凸輪進給機構(gòu)，它的優(yōu)點是進給架左右運動時，能靠軸承與進給環(huán)之間的環(huán)摩擦和相互作用力推動，避免了軸承直接和進給環(huán)之間的接觸，減少了軸承的磨損，延長了軸承壽命，減少了維修費用。
當(dāng)進給架在軸向運動時，可近似忽略其徑向運動。
故進給架僅受軸向力F=20×3/4=15KN
有純剪切原理，當(dāng)材料為40Cr的鋼時，許用應(yīng)力在直徑為0—100mm時：
即有： (3-9)
即有：
進給架軸的直徑只要滿足即可滿足要求。
所以此處選擇的D=60mm完全滿足要求。
當(dāng)選用的軸時，考慮其受動載荷，應(yīng)該選用軸承基本額定動載荷大于10500N的軸承。
根據(jù)以上要求，查閱《機械設(shè)計手冊》，選用深溝球軸承6212：
3.8 電動機選取
電動機是專業(yè)工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)機器，設(shè)計時要根據(jù)工作特性、工作環(huán)境以及載荷大小、性質(zhì)(變化性質(zhì)、過載情況等)、啟動性能、啟動、制動、正反轉(zhuǎn)的頻繁程度以及電源種類(交流或直流)選擇電動機的類型、結(jié)構(gòu)、容量(功率)和轉(zhuǎn)速。
電動機分交流電動機和直流電動機，由于我國的電動機用戶多采用三相交流電源，因此，無特殊要求時均應(yīng)選用三相交流電動機，其中以三相異步交流電動機應(yīng)用最為廣泛。根據(jù)不同防護要求，電動機有開啟式、防護式、封閉自扇冷式和防爆式等不同的結(jié)構(gòu)形式。
3.8.1 系桿架轉(zhuǎn)動力矩
(3-10)
3.8.2 進給架所需力矩
(3-11)
其中為進給架轉(zhuǎn)動角速度，v為滾刀徑向進給速度
經(jīng)計算 =
由 (3-12)
得出
所以
計算得
綜上所述，在考慮軸承阻力矩機器耗功等問題之下，本設(shè)計選取電動機確定為常見的Y系列三相異步電動機。Y系列籠型三相異步電動機是一般用途的全封閉自扇冷式電動機，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠、維護方便。
型號：Y160M-4
其主要參數(shù)由機械設(shè)計手冊(第五版)第四卷得：額定功率：11KW 轉(zhuǎn)速：1460r/min 電流：22.6A 效率：88% 率因素：0.84 重量：123Kg
3.9 本章小結(jié)
本章對端面凸輪式滾切機本體進行了設(shè)計，包括刀具設(shè)計計算，刀夾座的設(shè)計計算，滾切力的分析計算，徑向加工力的計算，齒輪參數(shù)選擇，進給架、進給環(huán)設(shè)計，電動機選取。
第4章 部件設(shè)計
4.1 夾緊裝置設(shè)計
夾緊裝置為入口夾緊裝置，由一個液壓缸驅(qū)動，通過凸輪、滾輪和夾爪傳動，三把夾爪互成可自動使鋼管中心與滾切機中心對齊，并且穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡單。為了防止?jié)L刀切斷管材后，管材與刀刃碰撞而損壞滾刀和切口，如總圖所示，在出口端的夾緊置上，加裝了一個分離液壓缸，以保證切斷后不打刀。
圖4-1夾緊裝置三維示意圖
主視圖 左視圖
圖4-2夾緊裝置
4.1.1 夾緊裝置液壓缸的設(shè)計
對液壓缸的設(shè)計，首先是選擇系統(tǒng)壓力，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》第四卷23-50，對固定的尺寸不太受限的設(shè)備，壓力可以選擇低一些，而機械重載設(shè)備壓力要選擇高一些，由于本設(shè)計采用的是小型機械類，故系統(tǒng)壓力不用選取太大。
本次設(shè)計采用1個液壓缸，目的是便于安裝和推動更為合理，由于采用的是3個夾緊凸輪，故先計算理想狀態(tài)下每個液壓缸所承受的載荷:
再加上系統(tǒng)存在的摩擦以及進給環(huán)推動所需的力，每個液壓缸所能承受的實際載荷：
根據(jù)農(nóng)用機械常用系統(tǒng)的工作壓力表可知：
農(nóng)用機械以及小型工程機械工作壓力為：
此處只需選用最小工作壓力就行
根據(jù)系統(tǒng)工作壓力和液壓缸的實際載荷，初定液壓缸的內(nèi)徑：
(4-1)
因為考慮受拉過程，只有在切割過程中才受到來自刀頭傳遞的載荷，故只考慮受拉過程。
所以計算值內(nèi)，壓缸的內(nèi)徑都采用標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)，速度比為1.46。
當(dāng)時，內(nèi)=40+22=62mm，液壓缸內(nèi)徑取標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)標(biāo)=63mm。
取外徑系列，當(dāng)時，外徑為外=76mm。
速度比為1.46活塞桿的直徑。
液壓缸的示意圖如圖4-3所示。
圖4-3液壓缸示意圖
此液壓缸采用無縫鋼管為材料，根據(jù)主機的運動要求，必須實現(xiàn)雙作用，只需用但活塞桿推動往返運動，所以液壓缸為無緩沖式雙作用液壓缸，安裝形式為常見的頭部外法蘭型。
4.1.2 夾緊凸輪的設(shè)計
圖4-4夾緊凸輪裝配體
圖4-5夾緊凸輪的曲線
夾緊凸輪是夾緊裝置的關(guān)鍵性部件，其設(shè)計的主要是設(shè)計其內(nèi)的夾緊曲線，其方程為凸輪曲線為：
R=r+k (4-2)
其中為(0-30)，k=0.8。
夾緊的原理：液壓缸推動夾緊凸輪，夾緊凸輪推動其內(nèi)的夾爪，夾爪互成120，當(dāng)夾緊凸輪轉(zhuǎn)動約時完成一次夾緊，所以值范圍：0-30。夾緊曲線的曲率半徑增量與所轉(zhuǎn)過的角度成正比，故其曲線方程為：R=r+k。
4.2 小車行走裝置設(shè)計
4.2.1 小車動力傳動方式的選擇
小車的動力傳動方式有齒輪齒條型、液壓傳動、滾珠絲杠。
齒輪齒條的傳動方式由于嚙合會造成機體震動，并且在速度方向發(fā)生改變時會產(chǎn)生較強的動載荷。這樣的傳動裝置會給生產(chǎn)加工帶來麻煩。
液壓傳動，其造價昂貴，同時對工作環(huán)境的要求及其密封性的要求，導(dǎo)致該套設(shè)備的維護費用較高。所以在此選用滾珠絲杠作為小車的動力傳動裝置，以解決上述問題。
4.2.2 小車主體的受力分析
圖4-6 行走小車
通過對滾切機中行走小車的受力分析，建立了力學(xué)模型，推導(dǎo)出小車的拖動功率或扭矩選取公式，可以用于指導(dǎo)設(shè)備設(shè)計及設(shè)備的維護。
主體內(nèi)容如下：
需要用電機拖動，在設(shè)計中，通常用電機功率為選擇依據(jù)。因此，在設(shè)計中如何準(zhǔn)確計算電機功率就顯得尤為重要。通過參考橋式起重機拖動電機的選擇，對鋼管軋制線上滾切機行走小車的電機功率計算公式進行了推導(dǎo)整理。
小車運行時必須要克服兩種力：
1)平穩(wěn)狀態(tài)下的摩擦阻力；
2)小車啟動時，小車及其載荷的慣性力；
4.2.3 小車長度設(shè)計
有前面的參數(shù)設(shè)定和總體行程設(shè)定，確定了刀尖運行時間為6秒，刀具徑向行程為18mm，速度為3mm/s。
由電動機的無級調(diào)速可使小車在瞬間速度提升到0.5m/s和瞬間停下，在理想狀態(tài)下，小車運行距離
即m
當(dāng)然在實際中，小車的加速和停止過程，是一定會運動一段距離的，所以必須在小車運行軌道上留出一段距離，本設(shè)計根據(jù)具體需要和安裝時總體考慮，確定小車行走距離最大行程mm。
小車上的托輥、進出卡緊器和滾切機本體都有具體的長度，再考慮各個裝置之間必須留有一段距離以實現(xiàn)拆裝，故列出小車上的幾個裝置基本參數(shù)如下：
入口卡緊器長度：
滾切機本體長度：
小車的理想長度：L=240＋280＋1160=1680mm
如所繪制的滾切機整體圖所示，出口卡緊跟入口卡緊不同，其結(jié)構(gòu)比入口卡緊復(fù)雜，其目的是為了保護刀片。在滾切機整個裝置中，刀片由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其承受的應(yīng)力大，是非常容易折斷的，特別是刀片固定在刀架上，理想狀態(tài)下，只能受到徑向方向切削力，當(dāng)時鋼管在軸向的運動不可能是完全水平，特別是對切割定尺長度比較大的鋼管，所以我們設(shè)計了進出口卡緊，保證在切削過程中鋼管與小車的相對靜止，當(dāng)時對整個過程的設(shè)計上，在鋼管完成切割的瞬間，出口卡緊和入口卡緊同時松開，這時對刀片來說是非常危險的，軸向上的稍微運動傾斜，就會導(dǎo)致鋼管與刀片接觸產(chǎn)生極大的相互作用力，為此在出口卡緊上，設(shè)計了一個液壓缸夾緊裝置，保證在切削完畢，防止刀片被打斷。
綜上所述，小車的實際長度肯定大于理想長度.
本設(shè)計考慮實際安裝和裝卸方便，在保證做到盡量減小軸向長度的基礎(chǔ)上，確定了小車實際長度實=2289mm
對整個軌道的長度，為防止意外，在小車運行的行程兩端，放置了2個緩沖器，保證小車在任何意外情況下都能在軌道上而不會出現(xiàn)脫軌情況。
4.2.4 行走小車電動機的選取
在對小車的行走裝置設(shè)計上，經(jīng)過大致的計算，我借鑒了實驗室結(jié)構(gòu)，采用了電Y160L-4動機，額定功率為5KW，額定轉(zhuǎn)速為890r/min。
在對電動機進行無級調(diào)速和通過速度控制傳感器的控制，完全能實現(xiàn)在小車運行的短時間內(nèi)與鋼管同步。
本設(shè)計滾切機總裝圖如圖4-7所示
圖4-7 參考的滾切機總裝圖
4.3 本章小結(jié)
本章對滾切機部件進行了設(shè)計，包括夾緊裝置設(shè)計，小車行走裝置設(shè)計。其中小車行走裝置設(shè)計又包括動力傳動方式的選擇和小車主體的受力分析。對滾切機總體進行了設(shè)計，包括行走小車的實際長度的確定，行走小車電動機的選取，并給出了供參考的滾切機總裝圖。
結(jié) 論
本設(shè)計是為了改良以往的圓形截面管材滾切機，設(shè)計更好的鋼管在線滾切機。它利用金屬的塑性變形原理，靠擠壓金屬，來完成對金屬的切割。刀具在加工管材表面純滾動，由于目前管材的生產(chǎn)方式中，焊管的出口運動都是直線運動，無轉(zhuǎn)動，所以只能讓刀具圍繞管材轉(zhuǎn)動。由于刀具在轉(zhuǎn)動的同時還要有徑向進給運動，所以在轉(zhuǎn)動的同時還要有徑向的進給力，解決由固定力源向轉(zhuǎn)動刀盤傳遞力就成了本設(shè)計的重點；還有由于所切管材是一個范圍，而不是一個固定值，所以如何調(diào)整刀具起始位置來實現(xiàn)能切要求范圍的管材也是一個關(guān)鍵。此外，還通過設(shè)置了起動及退刀控制裝置，保證起動時，控制旋轉(zhuǎn)環(huán)被驅(qū)動同步運轉(zhuǎn)，避免了起動沖擊，離合器切合時刻準(zhǔn)確，有利于滾切裝置退刀后，停在處于相對內(nèi)凸輪的最大退刀位置點上；另外，增設(shè)置了夾緊裝置，提高了夾緊管材的穩(wěn)定性和對中可靠性。
四個月的畢業(yè)設(shè)計，我從鋼管生產(chǎn)開始了解，到通過看滾切機相關(guān)圖紙慢慢開始了解滾切機。到初步制定方案簡圖，不斷修改簡圖，順利完成了中期答辯。在完成自己的夾緊裝置的設(shè)計部分后，開始著手畫滾切機本體裝配圖，不斷修改如何實現(xiàn)切管范圍要求的方案，再到通過比較確定齒輪參數(shù)，到后來的選取電動機，齒輪傳動設(shè)計。最后的計算說明書，翻譯外文資料的過程，我也學(xué)到了很多知識。在做畢業(yè)設(shè)計期間，我學(xué)習(xí)到了很多知識，更進一步熟悉了CAXA，CAD等繪圖軟件的使用。當(dāng)然，也有很多不明白的地方，感謝指導(dǎo)老師的幫助與指導(dǎo)。
我相信，在以后的學(xué)習(xí)或工作中，畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)歷對我們都是有很大幫助的。我將從這次畢業(yè)設(shè)計中汲取養(yǎng)分，助我以后乘風(fēng)破浪，早日成功。
致 謝
在本次畢業(yè)設(shè)計中，由于我的知識水平有限，在設(shè)計過程中，遇到了很多困難，在老師和同學(xué)的幫助下，許多問題得到解決，在此謹(jǐn)表誠摯的感謝！
我的畢業(yè)設(shè)計做的是新型圓形截面管材滾切機，以前沒有接觸過。一開始感覺很頭痛，但是經(jīng)過于曉東老師的耐心講解，自己查找資料，逐漸有了頭緒。
經(jīng)過短短四個月的畢業(yè)設(shè)計，我對機械設(shè)計的一般程序和要求有了更深的認(rèn)識和了解，大大提高了自己收集信息、查閱資料、運用所學(xué)知識和技能解決問題的能力，極大的提高了我對機械設(shè)計的興趣。設(shè)計時間雖然很短，但是我對大學(xué)所學(xué)知識有了系統(tǒng)的認(rèn)識，并得到了鞏固和加深。這是理論聯(lián)系實際的過程，其中的設(shè)計體會和經(jīng)驗的積累將使我終生受益。在整個設(shè)計過程中，我得到了于老師的悉心指導(dǎo)。于老師對問題詳細(xì)而深刻的講解，消除了我最初設(shè)計時的無助和困惑，使設(shè)計逐步步入正軌。在設(shè)計過程中，于老師進行了細(xì)心講解，在此謹(jǐn)對于老師致以衷心的感謝和崇高的敬意。
由于本人知識水平有限，參閱參考資料不全面，此論文難免存在一些缺點和錯誤，敬請各位老師給予批評和指正！
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