钢管去毛刺技术研究及专用装备设计（三维建模CAD图纸）

1、钢管去毛刺技术研究及专用装备设计（三维建模CAD图纸） 钢管去毛刺技术研究及专用装备设计 第一章 绪 论 1.1 课题背景 近年来,通过引进国外先进技术及对引进技术的消化吸收,我国 高频直缝焊管的生产技术装备水平不断提高, 高频直缝焊管的产品质 量和档次也有了很大的提升,产品的用途越来越广泛。对高频直缝焊 管的内外毛刺进行清除, 是生产高档次高频直缝焊管的一个重要工艺 过程和手段,对于内毛刺清除精度要求较高的产品,如果内毛刺清除 质量满足不了标准或用户要求,将无法实施批量生产。相比外毛刺的 清除工作,内毛刺的清除是一项复杂工作。在实际生产过程中的许多 因素均会影响到内毛刺清除质量, 即内毛刺清

2、除的精度和清除过程的 稳定性。采用在线去毛刺装置,除了改善去毛刺质量,还可以提高生 产质量, 在实现钢管成型及去毛刺同步时, 也稳定了输出质量。 因此, 有必要对各种影响因素进行分析,采取相应的措施,以改善高频直缝 焊管内毛刺的清除效果和提高产品档次, 在线去毛刺装置的设计对于 提高生产质量和节约生产成本有着重要意义。 1.2 国内外发展进程 在焊管刚刚开始兴起的19 世纪4050 年代,人们对电焊管内毛 刺的清除是没什么要求的。后来由于工业的发展, 如汽车、锅炉、石 油等行业需要比较精密的焊管, 强调要求清除焊管内毛刺, 这才开 始电焊管内毛刺清除装置的研制与开发。 20 世纪60 年代,

3、我国绝大部分焊管生产企业的焊管机组都是101.6 mm以下的, 到了70 年代中期才开始研制电焊管内毛刺清除 装置。 原首钢焊管厂首先开始使用固定式刀架, 先由人工调整, 将刀 架上的刀片对准需要切削的毛刺。 虽然试生产石油管已达到一个较高 的水平, 内毛刺残留高度仅为00.2 mm, 但由于原料、成型、焊接、 合格率等因素的影响, 还需要做进一步的研究。 后来又采用了浮动式 弹簧或气动 刀架, 如我国在20 世纪80年代初从日本引进的90 mm 焊管机组就是采用了弹簧浮动式刀架。我国采用的是螺旋弹簧, 而国外采用的是板式弹簧。 这种刀架存在需要熟练工人操作, 起动动 作要慢, 弹簧必须调至合

4、适压力等不利因素, 从而影响其进一步发 展。 当时国外的刀架由3 个部件组成, 如美国Nelson 工具公司的清 除内毛刺刀架采用了板式弹簧, 通过其支承力使刀头伸入毛刺中, 利用刀削原理刮削毛刺, 如图1.1 所示。 其优点是结构简单, 制造方 便; 其缺点是弹簧经常处于高温、 潮湿的空气以及氧化铁皮飞扬的环 境下很容易失效, 弹力消失, 刮出的毛刺常常达不到要求, 而且此 种结构仅适用于171.45 mm 以下的焊管。1?环形刀 2?环形刀支架 3?环形刀定位螺钉 4?环形刀调整螺钉5?环形 刀调整固定螺栓 6?上辊轴 7?前边上辊 8?后边上辊 9?轴定位螺钉 10?刀架支座 11?调整

5、螺钉 12?螺钉定位销 13?随定位销转动的轴 14?随定位销转动的杆 15?底下的辊轴 16?底下的轴辊 17?轴定位螺钉 18?下降安全板 19?下降安全板调整螺栓 20?联结器轴 21?联结器标 准杆 22?轴定位螺栓23?弹簧导座枢轴 24?调整螺栓闭锁装置的嵌入物 25?调整螺栓垫片装置的嵌入物 图1.1 美国Nelson 工具公司的刀架结构分解示意 在20 世纪80 年代中期到90 年代这个推陈出新的年代, 内毛刺 清除装置的发展突飞猛进, 我国因引进了大量的国外焊管机组, 使 清除焊管内毛刺的工艺与设备也有了很大改进。刀架中的进刀、退刀 机构完全采用了液压系统, 并将刀架上的油管

6、改成油槽开在本体上, 用盖板焊死, 减少或消除了油管被磨破而发生的事故, 比弹簧式有 了很大改进。国内与国外的刀架不同之处, 就在于进/退刀机构上, 国内的液压进/退刀采用直立式油缸, 而国外采用的是水平式油缸。 如美国Nelson 工具公司在这个时期开发的清除内毛刺刀架, 采用的 就是水平放置的油缸, 它通过凸轮斜面使刀架上升或下降,应用于 171.45 mm以下焊管机组上。其构造如图1.2 所示。1?环形刀支架 2?环形刀定位螺钉 3?环形刀 4?环形刀调整螺钉 5? 环形刀调整螺栓 6?上辊轴 7?前边上辊 8?后边上辊 9?轴定位螺钉 10-刀架支座 11-刀座支架延长部分 12-轴定

7、位销 13-随定位销传动 的轴 14-随定位销传动的杆 15-底下的辊轴 16-底下的轴辊 17-轴 定位螺钉 18-轮子凸轮轴 19-轮子凸轮 20-(斜)凸轮 21-刀座支架 延长部分的销钉 22-刀座支架延长部分的卡环 23-活塞 24-活塞O形圈 25-连接器O形圈 26-标准联轴器 27-联轴器装配螺栓 28-卸荷螺栓 29-活塞杆密封圈 30-卸荷密封垫 图1.2 美国Nelson 工具公司新开发的刀架结构分解示意 21 世纪初,江苏徐州某钢管公司引进了139.7mm、73 mm 两 种规格的液压式内毛刺清除装置,用于219 mm 焊管机组ERW油套管 的开发生产。 该装置的刀头为

8、环形刀, 刀座和刀座架可在垂直方向上 相对调整, 下支承辊轮的胀缩通过液压管路在操作台上进行调整, 固定架具有沿垂直方向调整的功能, 沿中心杆轴线调整和旋转的功能。其刀头使用寿命长, 调整方便、精确, 液压压力稳定, 大大提高 了ERW直缝焊油套管内毛刺的清除质量和焊管机组的作业率, 保证了 焊缝状态的稳定性。 生产小口径焊管时, 刀头一般固定在刀架上,刀架体积不大且重 量较轻, 升降也还方便。 随着焊管口径越来越大, 刀架也要随之增大, 这就使刀架的升降变得不太方便。 为了解决此问题而开发出双刀架结 构, 即大刀架装小刀架, 大刀架固定而小刀架升降, 如图4 所示。 这 种刀架用于我国广东、

9、上海等地的焊管生产厂家, 适用于254 355.6 mm 1014 in 焊管机组。其结构特点: 小刀架装在大刀架 内, 小刀架上只有2 个上支承辊轮, 1 个刀杆, 留有排屑槽; 大刀 架只用1 个下支承辊轮固定, 不升降; 用油缸驱动使固定刀杆的小 刀架进刀或退刀; 大刀架装有2个油缸; 油缸的活塞支承小刀架, 使 小刀架单独升降, 因为小刀架结构紧凑重量轻, 运动方便; 大刀架 也留有排屑槽, 与小刀架的排屑槽相对应; 大刀架前部装有1 套水 平支承辊轮来防止刀架旋转, 如图1.3 中的A 向所示; 大刀架中的 水平支承辊轮和下支承辊轮, 根据管子的尺寸、规格、品种而更换。1?水平支承辊

10、轮 2?大刀架 3?前油缸盖 4, 6, 15, 17?O 形密封圈 5 ?前活塞杆 7?小刀架 8?刀杆 9?下支架 10?下支承盖 11?上支承 辊轮 12, 20?轴 13, 19?含油轴承 14?后油缸盖 16?后活塞杆 18 ?下支承辊轮 图 1.3 双刀架结构示意 随着焊管生产口径的不断扩大, 清除内毛刺的刀架也在不断发 展变化。在国外的610 mm 焊管机上, 采用了悬臂式刀架。其特点 是: 刀架下方不用支承辊轮而是采用连接装置来支承。 连接装置的一 端支承刀架, 而其另一端与固定装置相连。 固定装置装在挤压辊前方 的机架上。 这种结构就要求连接装置必须具备足够的强度与刚度, 而

11、 且只能在产品规格比较大的焊管机上使用, 因为只有大口径管的内 孔才能让尺寸较大的连接装置顺利通过。美、德、法、南韩等国的 610 mm 焊管机基本上都采用了此种刀架。目前国外的610 mm 焊管生产大约分为 2 档: 219273 mm 和273610 mm。刀架结构也 有 2 种: 一种是刀头装在 2 个上支承辊轮外 图 1.4 ; 另一种是 刀头装在 2 个上支承辊轮之间 图 1.5 。但均采用了液压升降, 在刀架的排屑口下方装有水平式切断器, 切断器的刀具做水平往复 运动, 以此来切断毛刺, 使切屑不造成堵塞, 当遇到带钢头尾相接 处时刀头会自动退刀。 1?焊管 2?刀头 3?支承辊轮

12、 图 1.4 刀头装在 2 个上支承辊轮之外 1?焊管 2?支承辊轮 3?刀头 4?毛刺切断器图1.5? 刀头装在2?个上支承辊轮之间 1.3 课题任务及研究的主要内容 1.3.1 课题的主要内容 课题的任务为设计直缝钢管的内外毛刺在线去除的机构, 达到下 列目标和要求: 1刀具要具有较强的抗震能力,能适应切削主运动速度较高的 要求,要求相对切削速度每秒钟 0.2 米。 2要去达到毛刺切削精度要求,满足钢管轴向长度无限长的需 要。 3刀具调整、更换方便,满足不同内径钢管及刀具磨损、损坏 后更换要求。 1.3.2 实现方法及途径 1拟采用刮削方式,刀具固定,钢管的速度移动为 0.2 米每秒。 2

13、刀杆前置式,解决钢管成型后长度的约束问题。 3内、外毛刺去除工作分别由不同刀具承担,但内外同步切削。第二章 方案设计 2.1.毛刺的形成及后果 成型后的管?经过感应圈时, 在高频电流的作用下使带钢的两边 缘的金属快速熔化,在进入挤压辊时部分熔化的金属被挤出,而进入 高频直缝焊管内壁的金属和熔渣混合在一起形成焊管焊缝的毛刺。 毛 刺的存在严重影响到对焊管产品的无损检测和在一些领域中的使用。 由于毛刺的存在将导致整个系统不能正常工作,使可靠性、稳定性降 低。当存在毛刺的机器做机械运动或震动时,脱落的毛刺会造成机器 滑动表面过早磨损、噪音增大,甚至使机构卡死,动作失灵;毛刺如 果掉在定位基面上,会影

14、响加工精度;另外毛刺还容易划伤工人,影 响装配质量以及零件的寿命毛刺的尖端锐利, 在钢管的运输过程中会 划伤辊道表面等运输设备。 2.1.1 清除内毛刺的常用方法 (a辊压法:利用伸入管内的压辊将红热状态下的毛刺压平,实 际上内毛刺并未真正清除,熔渣可能被重新压入焊缝。 (b磨削法:钢管冷态下进行对钢管长度有限定,刀具寿命短, 生产效率低。 (c氧化法:对钢管长度有限定,生产效率低。 (d切削法:对中小口径钢管国外常采用的方法,可以实现在线 加工,确保生产的效率。但随着口径的减小,切削加工的难度加大, 对切削装置的要求也提高。 目前,国内中小口径焊管机组普遍采用在线切削法清除内毛刺, 即根据生

15、产机组规格的大小,在封闭孔型机架前或后安装固定架,将刀伸进高频直缝焊管的内侧, 将刀头调整到与内焊缝相对应的位置及 靠近高频直缝焊管内壁的高度,在高频直缝焊管前进过程中,用刀头 将红热状态的毛刺刮掉,如图 2.1。 1-刀头 2-刀座 3-上支撑辊 4-刀座架 5-下支撑辊 6-中心杆 7-阻抗器 8-固定架 图 2.1 清除内毛刺示意 在线切削刀法是一种较为理想的内毛刺清除方法, 但由于技术装备水 平较低,在生产过程中经常会出现内毛刺清除余高不稳定,刮偏等现 象,刀具调整频繁。当对焊头通过刀头时,需中断正常生产,影响到 焊管的成材率、 机组的作业率及在线焊接热处理焊管焊缝状态的稳定 性。 2

16、.2 内毛刺清除装置的装备水平 2.2.1 刀头的结构和性能(a)普通刀头 (b)环形刀 图 2.2 刀头高度调整机构 刀头是内毛刺清除装置的关键零件,长时间在高温下承受较大 的切削力,在清除内毛刺时,刃口的前角和后角直接影响到装置的 受力状况和内毛刺的清除质量。一般情况下,刃口的前角控制在 30 度左右,后角控制在 56度左右。刀头本身的结构和性能影响其使 用寿命,继而影响内毛刺的清除质量。目前,刨削式刀头基本上分 为 2种(图 2.2)。普通刀头(图 2.2a )一般采用铜焊先将合金头 固定在刀头座上,然后再进行刃口的加工。在生产高强度大壁厚高 频直缝焊管时,由于内毛刺大且强度高,切削力大

17、,合金头容易脱 落,换刀较为频繁;加之不同的刀头在尺寸上存在差异,增加了调 刀的次数。环形刀(图 2.2b )由合金粉末在高温高压下整体制作而 成,在高温下具有良好的耐磨性,当刃口磨损或崩刃时只需将环形 刀旋转一定角度就可继续使用,而且刀头高度不变,保证了清除后 内毛刺高度的稳定性,是较为理想的刀头。目前,环形刀已形成规 范的通用型号,国内可以制造。 以往是将固定刀头的刀座和刀座架制作成一个整体,调整刀头 高度时需要松开压刀螺丝,在刀头下面加、减垫片或采用顶丝进行, 调整复杂且精确度低。新型的内毛刺清除装置将刀座和刀座架制作 成分体式,通过调节调整螺丝,可使刀座相对刀座架在高度方向上垂直移动,

18、根据调整螺丝的螺距和需要调整的位移量将调整螺丝旋 转一定的角度,就可以达到精确的调整要求。环形刀如图 2.3 装在 刀架上。 1-刀座 2-环形刀 3-固定螺栓 4-连接螺栓 5-主刀架 图 2.3 76m 焊管用环形刀架示意 2.2.2 刀座架 刀座架是通过上、 下支撑辊对焊管内壁的支撑作用保证刀头的平 稳切削。上支撑辊保证在内毛刺清除过程中,刀头和高频直缝焊管内 壁相对距离的恒定;下支撑辊分为固定式、弹簧浮动式和液压或气压 浮动式。 固定式下支撑辊即为下支撑辊固定在刀座架上, 且上支撑辊最高 点和下支撑辊最低点之间的距离略大于焊接后高频直缝焊管的内径, 保持不变,当高频直缝焊管通过支撑辊时

19、,由于支撑力的作用使高频 直缝焊管产生变形而形成“立椭” 。该种形式的支撑辊受力较大,特 别是生产高强度、大壁厚高频直缝焊管时,支撑辊和辊轴损坏频繁, 共用性较差。弹簧浮动式下支撑辊即为下支撑辊用弹簧支撑,可上下浮动, 空载时上支撑辊最高点和下支撑最低点之间的距离比焊接后高 频直缝焊管的内径大左右,在生产过程中,下支撑辊随着焊管壁厚的 变化而浮动,使刀头始终保持靠近高频直缝焊管内壁。以上两种方式 均使刀头始终靠近焊管内壁,当对焊头通过时,需停止正常的成型焊 接作业,然后点动使对焊头通过刀头,否则,很容易造成刀头损坏。 2.2.3 固定架 固定架是连接内毛刺清除刀架的部件,应具有在垂直方向调整

20、的功能,使内毛刺清除刀架的中心线和焊管的中心线保持平行;还 应具有沿中心杆轴线旋转功能,保证刀头和内毛刺准确对应。 2.3 常见问题及处理方法 2.3.1 毛刺残留高度超标 这种问题往往是因为毛刺刀刮不到位,或毛刺刀调整不到位。应 重新调整毛刺刀,若是刀刃磨损,还应重新磨刀。采用弹簧进刀时, 若是弹簧失效则应更换弹簧。 采用油缸进刀时, 若油缸活塞升不到位, 密封圈磨损,则应更换优质氟橡胶密封圈;若是油质较差,则应更换 耐高温油;检查油压及油泵站运转是否正常。 2.3.2 毛刺刮得过深 若毛刺刮的过深,则会减小钢管的壁厚,降低钢管质量等级,则 需重新调整刀具。对刀具的调整要求: (1 保证适当

21、的切削角,前刀角过小会使刀刃切入阻力增大,过 大则易损害刀具。因此,最好做到=10°15°,=5°7°。 (2刀头前角应平滑,不得磨成凹凸不平,否则易造成“堵刀” 、 “烧刀” 、 “轧刀”等事故。(3应依据实际刮削情况制成刀高样板,换刀时据此用垫片调整 刀头的高度。 2.3.3 毛刺被刮偏 出现毛刺被刮偏的原因有很多,除了因带钢“镰刀弯”而跑偏、 孔型调整不当等原因外,与内毛刺清除装置本身有关的原因如下:刀 架与连接装置之间的铰结点应上下升降灵活,无阻卡,但其在前后及 圆弧方向上不得摆动,并防止偏转:整个内毛刺清除系统的强度、刚 度不够。第三章 结构设

22、计 3.1 方案主体结构设计 3.1.1 前人方案结构设计 如图 3.1,对通径 50mm 以下的焊管而言,由于内空间较小,限 制很多,使得整个装置必然要求结构紧凑、精巧,制造精密,性能 可靠。这种小口径直缝焊管内毛刺清除装置在同类装置中具有代表 性。 1-直缝焊管 2-调整垫 3-环形刀 4-内六角螺钉及止退垫圈 5-压板 6-弹簧 7-柱塞缸 8-柱塞 9-芯棒 10-压力油腔 11-无油腔 12 -轴向滑块 13-径向滑块 14-导位销 15-焊缝 16-刀杆图?3.1? 内毛刺清除装置部分结构图 (a刀具刃形设计 考虑到精确磨制刃部弧形不是很方便,也无必要,可采用环形刀 去毛刺刀具如图

23、3.2,将刀具制成完整的圆形,对制造、安装、调整都 很方便。中间设为通孔,与刀杆16头部通孔相通,便于排屑与散热。可 根据不同管径安装相应直径的环形刀。环形刀的定位是由压板5与内 六角螺钉及止退垫圈4压紧定位,调整垫2用来补偿环形刀因多次修磨 后的高度减少,以确保压板5能可靠压紧环形刀3。 图 3.2 环形刀示意图 (b切削进给方式 图1中轴向滑块12和径向滑块13之间可沿倾角的两斜面相互滑 动,见图3.3。当轴向滑块12与径向滑块13在x方向轴向产生相对位 移x时,必产生y方向径向的相对位移y , 且yx tan。我 们就利用y 作为径向进给的设计要素。 由于导位销14的导向约束作 用,只要

24、轴向滑块12相对刀杆16作纵向运动, 产生相对位移x时,径 向滑块13相对刀杆16就只能作径向运动,产生相对位移y ,实现径 向调节动作,从而实现径向进给和退刀运动。图3.3 轴向滑块与径向滑块相对位移示意图 (c液压原理 压力油压力P由溢流阀调节设定,压力表显示,压力的调节要能 满足系统的多项性能要求,压力油压力P的输出与停止由二位三通电 磁阀的动作来实现。 图3.4 液压原理图3.1.2确定方案结构示意图 由于需要加工的焊管直径为 100mm,内部空间较为宽裕,可以更 好地设计合理的机构,结构示意如图 3.5 所示。 1-内毛刺刀座 2-环形刀 3-外毛刺刀座 4-丝杠 5-拉杆 6-固定

25、架 7-连接杆 图 3.5 毛刺清除装置部分结构图 (a刀具刃形设计 内、外毛刺刀采用环形刀结构。具体设计参照 3.2.1。在清除毛 刺时,两把刀具都受到工件进给方向的切削力和相反方向的压力。将 内、外毛刺刀安装在同一径向位置,同时切削,既可以提高装置的效 率,又可以抵消内、外毛刺刀径向的绝大部分力。 (b切削进给方式 胀缩滑块可在悬臂梁斜面倾角为的斜面滑动,见图3.6。 当胀缩 滑块在悬臂梁斜面x方向轴向产生相对位移x时,必产生y方向径 向的相对位移y , 且yx tan。我们就利用y 作为径向进 给的设计要素。由于悬臂梁固定,只要胀缩滑块产生相对位移x时, 就能产生相对位移y ,实现径向调

26、节动作,从而实现径向进给和退刀运动。 图3.6 胀缩滑块与悬臂梁相对运动示意图 (c传动方式 采用螺旋传动方式。 3.1.3两种方案的比较 本设计方案与前人方案比较,主要有以下两点优点: (1在前人设计方案中, 径向滑块由于焊管的相对运动受到相对 的摩擦力,长时间的相对运动会磨损径向滑块。针对这种情况,可以 在下面安装支撑辊轮。但是考虑到切削屑会推积在管内,若有较大的 切削屑阻拦辊轮的相对运动,则会造成内部支撑的不平稳,同时导致 辊轮的磨损。然而在本方案中,采用悬臂梁机构,使的整个机构与焊 管下部分离。这样不但消除了机构与焊管的摩擦力,而且避免了切削 屑对机构的危害。同时,将前人方案中的径向滑

27、块做成悬臂梁的一部 分,更加使机构趋向简单化。 (2在前人方案中,液压系统提供胀缩滑块的推力。液压系统是 一种可靠方便的开关压力源。不过在前人方案中,液压系统只能定性 要求不能定量要求,这样,环形刀高度的升降就不能稳定,容易刮伤 焊管管壁。在本方案中,螺旋传动机构虽然需要人工定期工作,但是 更换方便,操作简单,可以达到课题设计的要求。3.2刀具系统的受力与变形分析 3.2.1切削力的估算与切削功率 (1单位切削力 生产中,需要单位切削力来估算切削力的大小。 单位切削力? c?k?就是切削力与切削层公称横截面积之比:?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?-进给量 ,? c?F?-切削力 ,? D?A? -切削层公 称横截面积 ,?d?h?-切削层公称厚度 ,? p?b? -切削层公称宽度。 根据内毛刺情况,可估算:?D?A? =? d p?h b ? = 1 × 11 (?2?mm? ) (3.3) 根据查表可知硬质合金刀切削金属时的单位切削力? c?k? = 760? 2?/?N mm?,则?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、耗在切削过程中的功率。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 上臂悬梁截面的力学性能 悬臂梁的横截面为一矩形, 其中设a- 长( cm),?b- 宽 ( cm), 现已知? 60 6?a mm cm ,? 20 2?b mm cm ,如图 3.7。 图 3.7 上悬臂梁横截面图 (1长方形截面面积?2?6 2 12 ?A ab cm 式中, A-长方形截面面积(? 2?cm? ) (2长方形截面对 X、Y轴的惯性矩?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? -长方形截面对 X轴的惯性矩(?4?cm? ),? Y?I? -长方形截面对 X轴的惯性矩(? 4?cm? ) (3长方形截面对 X、Y轴的抗弯截面系数。?2?3?4 ?6?X?ab?W cm ?2?3?12 ?6?Y?a b?W cm (3.8) 式中,? X?W? -长方形截面对 X 轴的抗弯截面系数(?3?cm?),? Y?W?-长方 形截面对 Y轴的抗弯截面系数(? 3?cm?)。 (4长方形截面重心 S到 X、Y边的距离?3 ?2?x?a?e cm ?1 ?2?y?b?e cm 式中,? x?e?-长方形截

31、面重心 S 到 X的距离( cm),? y?e?-长方形截面 重心 S到 Y 的距离( cm)。 (5长方形截面对 X、Y轴的惯性半经?1.73 ?12?x?a?i cm ?0.58 ?12?y?b?i cm 式中,?x?i?-长方形截面对 X轴的惯性半经( cm),? y?i?-长方形截面对 Y轴的惯性半经( cm)。 3.2.3 刀具系统的变形 由于刀具受到向上和向左的切削力,悬臂梁在力的作用下将发生 径向和轴向的变形。特别是径向这一敏感方向在 Fy 的作用下,刀具 的位置将会被抬高。这样会导致径向切削深度减少,毛刺残留高度较 大,达不到精度要求,因此需要及时调整刀具高度来保证切削精度。

32、如图 3.8 为上悬臂梁受支座反力示意图。 图 3.8 刀具系统受力变形示意图 1B 点的支座反力及弯矩计算公式 已知上悬臂梁的? 345?l mm ,? 760?P N 。则根据图 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 - - ?图 3.9 刀具的受力分解 式中,? B?R? - B点的支座反力 ( N?),? B?M? - B点的弯矩 ( N m ? )。 (2A 点的扰度和转角计算公式?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点的扰度(mm), I?- 截面的轴惯性矩 (? 4?m? ), 其中? 2 2?X Y?I I I +? , E- 弹性模量 (GPa)(参照表 3.1) ,? A q - A点的转角。 在调整刀具时,必须考虑到 A点的扰度大小来调整刀具的高度, 确保切削的精度。在实际切削时需要将刀具高度下降 1.07mm 左右来 抵消在切削时刀具被抬高的距离。3.2.4 上臂悬梁的中心拉伸及变形 已知? 447?P N ,? 345?l mm ,? 2?0.12?A m 。上悬臂梁的中心拉伸 示意图如图 3.10。

34、图 3.10 上悬臂梁的中心拉伸示意图 (1纵向作用下的正压力(拉伸)计算公式:?3725 ?P?Pa?A j s s s -纵向作用下的正压力( Pa)?P- 纵向力 N? j s - 材料抗拉许用应力( Pa) (2纵向绝对变形计算公式?0.0013 ?Pl?l m?EA V?l?V - 长度增长 ?m?E- 材料拉压弹性模量? 2? ?m?(3纵向应变计算公式?0.37%?l?l e V e - 纵向应变 (4横向应变计算公式?1? 0.575% e me - 1 e - 横向应变 m - 泊松比(参考表 3.1) 3.3 各部分零件结构设计 3.3.1 毛刺的结构设计 毛刺刀的结构设计

35、 毛刺刀采用环形刀。毛刺刀头的材质常用的有以下几种: 表 3.2 常见的 5 种刀头性能比较 通过实践分析,材质为 YG8 的刀头材质较软,需水压较高(60 75? 2?/?kg cm?),刀头寿命较短。YT14 的刀头较硬,在刮削过程中容易 崩刀。相比较而言,YT5 的刀头较好,克服了以上两种刀头的弱点, 比较适用。刀头直接安装在刀杆上,连接为过盈配合。刀头安装时, 轻轻敲打刀体,不许磕碰刀头,以免损坏刀刃。从头逐一检查各紧固 轴间隙时候松动。刀刃高度应比刀杆高出 23mm,然后用紧固螺栓 材质 密度 (? 3?/?g cm?) 抗弯强度不低于 (? 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把刀体紧固在机架上。螺栓要拧紧,防止刀体下滑,造成生产上刮不 到毛刺。 3.3.2 胀缩滑块的结构设计 (a原理 胀缩滑块的原理即为斜面传动机构原理。斜面机构在机器中应 用时一般滑块上升为正行程,下滑为反行程。 (1滑块上升 当滑块 A以等速沿斜面上升时, F?为驱动力,Q为生产阻力。 因斜面 B加于滑块的 A的总反力 R的方向应与 A相对于 B的运动方 向成? 0?90?+

37、j ,其中? tan?arc f j 为摩擦角,所以 R和Q之间的夹角 为l j + 。现已知载荷Q的大小和方向以及驱动力 F?和反力 R的方 向,所以按力的平衡方程? 0?Q R F + + 作力多边形如图所示。然后由 图 3.9 可得?tan ?F Q l j + (3.10) 如果 A、 B间没有摩擦,则有? 0 j ,可得理想的水平驱动力?0? tan?F Q l 可得滑块上升时斜面的效率?0? tan?tan ?F?F l h l j + (3.11) (2滑块下降如图所示,设将力 F?减小到? '?F?,滑块 A以等速沿斜面下降,这 时Q为驱动力,而? '?F?为生

38、产阻力。由于滑块运动方向的改变,所以 总反力? '?R?与Q之间的夹角变为l j - 。然后按? ' '? 0?Q F R + + 作其力多 边形,如图。可得:?'? tan ?F Q l j - 同上面一样,如果 A、 B间没有摩擦,则有? 0 j ,可得理想的 生产阻力为?'?0? tan?F Q l 所以,滑块下滑时斜面的效率为:?'?'?'?0?tan ?tan?F?F l j h l - + a b - c d 图 3.12 斜面机构示力图 由上述可知, 当j 一定时, 斜面的效率是升程角l 的函数, 且正、 反行程的效

39、率不相等。当正行程时,如?2 p l j- ,则? 0 h,机器要 发生自锁现象。因为正行程不应该发生自锁现象,所以应使?2 p l j - 。当反行程时,如l j,则? '? 0 h,机器也会发生自锁。 (b结构设计 胀缩滑块和悬臂梁的材料都是采用 45钢。静摩擦系数和动摩擦 系数(无润滑条件下)相同为? f 0.149,根据? arctan? f j 可以得到?0?8.53 j 。在胀缩滑块的设计中,胀缩滑块与悬臂梁接触的斜面角?30?o a 。自锁条件为:a j,因设计中a j ,不满足自锁条件。 右端小凸台的作用是连接压缩弹簧和增大与套筒的接触面积以减少 摩擦。胀缩滑块结构图如

40、图 3.13。图 3.13 胀缩滑块示意图 3.3.3 套筒的设计和压力块的设计 a)套筒的设计 螺旋传动通过与胀缩滑块的接触将传位移和力传动给胀缩滑块。 这样在旋转传动中,螺杆末端圆柱头与滑块直接接触,而且两者接触 面积较小,导致螺杆末端圆柱头和胀缩滑块容易被磨损,螺杆不易拆 卸, 更换较为复杂。 若在圆柱头前加上一个套筒则可以解决这一问题。 通过定位螺钉的定位,套筒只有轴向位移,没有径向位移,将螺杆的 直线加旋转运动直接变为直线运动。 同时套筒与胀缩滑块的接触面积 较大, 这样两者之间受力只有推力, 套筒和滑块的磨损也将大大减少。 b压刀块的设计 内压刀块是陷于内刀杆之中的,被内毛刺刀从中

41、间穿出孔,属于 非规则零件,制造起来有一定的难度,左右可各用一颗紧定螺钉固定 于内刀杆之上。外压刀块截面是正方形,四周有四颗紧定螺钉固定。 外压刀原先采用契形块方便取出和装配,后考虑到过定位问题,改成 矩形块。第四章 螺旋传动设计 4.1 选择螺旋传动的种类 表 4.1 螺旋传动的种类、特点及应用 滑动螺旋传动 滚动螺旋传动 静压螺旋传动 1.摩擦阻力大, 传动效率 低(通常为 30-60%) 22.结构简单,加工方便 33.易于自锁 44.运转平稳,但低速或 微调时可 能出现 爬行 5.螺纹有侧向间隙,反向 时有空行程,定位精度和 轴向刚度较差(采用消隙 机构可提高定位精度) 6.磨损快 1

42、.摩擦阻力小,传动效率高 (一般在 90%以上) 2.结构复杂,制造困难 3.具有传动可逆性(可以把旋 转运动变成直线运动,又可以 把直线运动变成旋转运动), 为了避免螺旋副受载后逆转, 应设置防拟转机构 4.运转平稳,启动时无颤动, 低速时不爬行 5.螺母和螺杆经调整预紧,可 得到很高的定位精度,并可以 提高轴向刚度 6.工作寿命长,不易发生故障 7.抗冲击性能差 1.摩擦阻力极小, 传动效率高 (一般 在 90%以上) 2.螺母结构复杂 3.具有传动可逆 性, 必要时应设置 防逆转机构 4.工作平稳, 无爬 行现象 5.反向时无空行 程,定位精度高, 并且有很高的轴 向刚度 6.磨损小、

43、寿命长 7.需要一套压力 稳定、温度恒定、 过滤要求高的供 油系统 金属切削机床的进给、 分 金属切削机床(特别是加工中 精密机床的进给、应举 度机构的传动螺旋, 摩擦 压力机、 千斤顶的传力螺 旋 心、数控机床、精密机床)、 测试机械、仪器的传动螺旋和 调整螺旋,升降、起重机构和 汽车、拖拉机转向机构的传力 螺旋,飞机、导弹、船舶等自 控系统的传动螺旋和传力螺 旋 风度机构的传动 螺旋 根据上述内容, 通 过三种螺旋传动 的比较, 得知滑动 螺旋传动更适合 本课题的设计要 求, 故选择滑动螺 旋传动。 4.2 螺纹副的螺纹种类、特点及应用 表 4.2 螺纹副的螺纹种类、特点及应用 种 牙型图

44、 特点 应用 梯螺 牙形角 a=30 o , 螺纹 副的大径和小径有 相等的径向间隙。 牙 根强度高, 螺纹的工 艺性好 (可以用高生 产率的方法制造); 内螺纹以锥面贴合, 对中性好,不易松 动;采用剖分式螺 母, 可以调整和消除 用于传力 螺旋和传 动螺旋如 金属切削 机床的丝 杆、载重 螺旋式起 重机、锻 压机的传 动螺旋间隙;但其效率较 低。 锯形纹 有两种牙型一种是 工作面牙型斜角1 =3°(便于加工) 非工作斜角 2 = 30°另一种是1 =3°,2=30°的 锯齿形螺纹, 只有行 业标准。 其外螺纹的 牙根处有相当大的 圆角, 减小了应力集

45、 中,提高了动载强 度;大径处无间隙, 便于对中。 用于单向 受力的传 力螺旋, 如初轧机 的压力螺 旋、大型 起重机的 螺旋千斤 顶,水压 机的传力 螺旋、火 炮的炮栓 机构 圆纹 螺纹强度高, 应力集 中小;和其他螺纹 比, 对污染和腐蚀的 敏感性小, 但效率低 用于受冲 击和变载 荷的传力 螺旋 矩螺 牙型为正方形, 牙形 角=0°。传动效 率高, 但精确制造困 难; 螺纹强度比梯形 螺纹、锯齿形螺纹 低。 用于传力 螺旋和传 动螺旋, 如一般起 重螺旋根据上表格几种螺纹类型的比较,分析其优缺点,梯形螺纹更加适合 课题的要求,综上所述选择滑动螺旋传动的梯形螺纹,如图 4.1。

46、图 4.1 螺旋传动示意图 4.3 螺旋传动设计 4.3.1 螺旋传动的运动形式 (a螺母固定,螺杆转动并做直线运动。如某些千斤顶。 (b螺杆转动,螺母做直线运动。如机床进给运动,虎钳。 (c螺母转动,螺杆做直线运动。如某些千斤顶,压力机。 (d螺杆固定,螺母转动并做直线运动,用于某些手动调节机构。 如插齿机主轴箱的移动调整。 在此次的螺旋传动设计中我们选择第一种情况:螺母固定,螺杆 转动并做直线运动。4.3.2 螺母、螺杆材料的选择 (a螺母的类型为双级整体螺母 (b螺杆的材料:40Cr 热处理:调质 230280HBS 淬火、低温回火 4550HRC 应用:中等精度的一般传动 (c螺母的材

47、料: ZCuSn10Pb1 特点和应用:和钢制螺杆配合,摩擦系数低,有较好的抗胶合能 力和耐磨性;但强度稍低。适用于轻载、中高速传动精度高的传动 4.3.3 耐磨性计算 a计算参数 的值:梯形螺纹=0.8 的值:整体式螺母取=1.22.5,现在取=2.5 许用压强【P】的值:1825 MPa,现在取 20 MPa b计算公式: ?2?F?d?P z j (4.1)?2?H d j ,? 10 12?H?z?P , ?2?F?p p?d hz p 梯形螺纹? 0.5?h p c计算结果:螺纹中径? 2?d?=3.578 ? 经查表得出下列数据(?):表 4.3 螺旋传动数据 螺母高度 H的值为:

48、10mm,现取 15 mm 旋合圈数 z的值为:2.5,现取 3.75 螺纹的工作高度 h的值为:2mm 工作压强 p的值为:15.915MPa 4.3.4 计算螺杆强度 a计算参数 螺杆材料的许用应力 s :157261.667 MPa b计算公式 ?2 2?3?2 1?4?3?0.2?F T?d d s s p +? ÷÷ èè(4.2) c计算结果 螺杆当量应力的值为:95.125MPa 4.3.5 螺纹牙强度计算 a计算参数 材料的许用应力 t :3040 MPa 材料的许用弯曲应力 ?b s :4060 MPa b计算公式 公称直径 中径计算 值 中径值? 2?d? 螺距 P 外螺纹小径?1?d?内螺纹大径?d?导程 L 16 3.578 4 4 4 4 4螺 杆 ?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) 螺纹牙底宽度 梯形螺纹? 0.65?b P c计算结果 螺纹牙底宽度为:2.6mm 螺杆抗剪强