全自动大口径厚壁钢管铣头倒棱机的研制

全自动大口径厚壁钢管铣头倒棱机的研制 分类号: 密级: 天津理工大学研究生学位论文 全自动大口径厚壁钢管铣头倒棱机 的研制 申请硕士学位 学科专业:机械制造及其自动化 研究方向:先进机械装备设计及加工技术 作者姓名:刘任 指导教师:张玉华 够 ’ 燃必 . 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他 人已经发或撰写过的研究成果,也不包含为获得 或 天津理工大鲎 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期::如/乡年乡月?日 学位论文作者签名:度】街 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘鲎有关保留、使用学位论文 可以将学位论:迂的全部或部分内容编入 的规定。特授权叁盗墨墨盘望 有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编, 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名:丧经 导师瓤彩扩等 签字日期:彬年弓月?多日 签字日期:如/弓年弓月万日摘要 目前,石化、冶金、建筑等钢管使用广泛的行业,所需要的无缝钢管的管径、 壁厚 不断增大,这就导致了钢管加工的难度也随之加大。国内对大口径厚壁钢管 进行平头倒 棱的加工工艺一直处于比较低的水平,面对市场不断上升的需要,这种矛盾 愈显突出。 所以研制高效率的大口径厚壁钢管平头倒棱设备的意义既是技术上的突破,同时也满足 了市场对这方面的需求,具有巨大的市场潜力。 本课题是天津科委科技支撑项目??《研制大口径厚壁钢管加工机械》的子项目, 研制对大口径厚壁钢管进行平头倒棱的新式加工设备。本文的主要内容有:.简要介绍 大口径厚壁钢管加工设备这一行业,尤其对近几年来的平头倒棱设备的研制与使用情况 进行分析,并根据现有技术的缺点进行改进,从而在加工原理和设备结构上实现创新。 .详细的介绍新式全自动大口径钢管铣头倒棱机的研制思路。并通过计算,确定铣平面 和倒棱的加工过程中的工艺参数。.对设备的设备的布置及机械结构进行详细设 计,并通过三维造型软件的模拟仿真模块对设备的动力传动机构进行运动和受力分析。 .设计了设备的电气控制系统,对上位机的监控控制系统进行设计,并选择西门子 .型为下位机以满足设备的自动化控制需求。.对本课题的研制工作进行了总 结,并对进一步的研究方向进行展望与预测。 关键词:厚壁钢管加工:铣头倒棱;加工原理与结构创新;仿真分析;控制 , , .? , 玛锄 . . 伍 矧 仃 俩? . 弭 如伊 . 锄 踟融 【 糊曲 , 铲 “ . ,嘶”出”, ?锄.:.仃舐 印 .. 锄酾锄.. 百 , ? 胁.. 锄 们 .向..瑚叫 . . : ,., . 目 录 第一章绪论 .大口径厚壁钢管及其加工工艺简介?.. ..大口径厚壁钢管的使用.. ..大口径厚壁钢管制造工艺. ..大口径厚壁钢管的平头倒棱加工工艺?. .钢管平头倒棱设备的国内外发展现状? .本课题的研究目的和意义 第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工工艺. .厚壁钢管加工和普通钢管加工的不同.. .大口径厚壁钢管平头倒棱加工工艺参数计算? ..钢管规格选择??. ..刀具的选择. ..铣端面和倒棱的加工工艺计算??’??. ..轴向进给计算分析第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 .铣头倒棱机整体结构设计..铣头倒棱机结构设计的特点和要求..整体结构 设计..设备布置方案 .关键零部件的选用和设计??. ..主轴减速电机的选用..主轴电机中心齿轮轴设计 ..万能铣头? .基于/的运动仿真分析?一 第四章电气控制部分设计?..??... .大口径厚壁钢管铣头倒棱机的伺服系统控制概述? ..铣头倒棱机的进给运动分析..铣头倒棱机的电气控制系统分类..设备的 进给位置和速度检测.铣头倒棱机的控制方案设计?. ..上位机系统设计概述..基于西门子.型的主控制系统设计 ..位置控制模块应用设计. 第五章对钢管铣头倒棱机研究的总结和展望??. .研究总结 .课题的未来研究方向?. 参考文献. 发表论文和科研情况说明?.. 致 谢.第一章绪论 第一章绪论 .大口径厚壁钢管及其加工工艺简介 ..大口径厚壁钢管的使用 大口径厚壁钢管一般指的是外径超过,壁厚超过的钢管。目前的钢管 规格中,焊管壁厚一般不超过,无缝钢管壁厚一般不超过。世界上最大的大 口径厚壁无缝钢管尺寸规格为直径厚度】,其生产设备为世界首台 热垂直挤压机。 大口径厚壁钢管的主要用途: .应用于大型的钢结构建设之中,做主体支撑部分,例如桥梁打桩、海底打桩、 高 层建筑打桩。其材质一般选用、。温度较低地区也会用到,。 .应用于油、水、气的输送,如近两年的“西气东输”、“南水北调”等,所用传 输设备均为大口径厚壁钢管。 .船舶用无缝钢管。 .锅炉高压设备钢管。 大口径厚壁钢管化外径允许偏差详见表.: 表.大口径厚壁钢管标准化外径允许偏差 偏差等级 外径允许偏差 土.%,最,、士. 土.%,最小士. 士.%,最小土. 土.%,最小士. 】 由于厚壁钢管的很多使用场合都具有一定的危险性如输送易燃介质、高压气体、 有毒流体等,所以在实际项目中,厚壁管件的选用或使用必须根据工作情况而定,并 且要严格遵守国家相应法规。各种不同场合下,厚壁管件的选择主要是依据其用途和自 身在工作压力、温度等方面的机械性能而定。与大口径厚壁钢管使用相关的法规/规范包 括:特种设备安全监察法、特种设备安全检查条例列、压力管道与 监察规定、 压力管道安全技术监察规程拟订、工业金属管道安全技术规范拟订等。 确定钢管强度等级的总原则是所有钢管的使用性能需高于整个管道系统在实际工 作中可能遇到的最大工作压力。以上所提到的国家相关规范条例涵盖的范围是厚度为公第一章绪论 称厚度的钢管,通常可根据国家相关标准所规定的基准等级来确定所选择钢管的适用压 力和温度额定值;某些情况下,经常通过实验性测试来确定钢管的工作能力和承压强度, 所得结果用于选择在国家标准中仅规定外形尺寸的厚壁钢管;其他的管件的选择标准, 应按相关要求进行设计制定。 在实际的配管过程中由于存在不同的工况条件比如一些极端天气等特殊环境, 除了以上内容所描述的方式以外,还有其他多种选择方式。通常情况下,钢管的安全性 与强度等级的高低成正比关系,强度等级越高则钢管的安全系数越高。但在一项工程中 若所有的钢管均采用高强度等级,势必造成选材成本过高,造成不必要的浪费。因此, 为了控制整体工程的成本,设计人员应该在保证工程安全的基础上尽可能选 用成本较低 的选材。所以,钢管的总体选择原则是应综合考虑到设计安全要求和成本要求,同时尽 量减少钢管的品种数量,以免造成库存管理上的成本增加。 总结以上内容,可以归纳出在工程现场管件选用的一些基本要点。在本课题的进行 中需考虑这些因素,使得新设备的研制方向与内容能够与钢管的生产、管理、使用等各 个环节联系起来。 ..大口径厚壁钢管制造工艺 生产大口径厚壁钢管的制造工艺可分为冷拔、冷轧和热轧三种方式。 无缝钢管的热轧工艺有三个主要变形工序:穿孔、轧管和定减径。 穿孔:将实心的管坯变为空心的毛管,这个过程又可以称为定型,既将轧件断面定 为圆环状;其设备被称为穿孔机。对穿孔工艺的要求是:第一要保证穿出的毛管壁厚大 体均匀,椭圆度小,几何尺寸精度高;第二是毛管的内外表面要较光滑,不得有结疤、 折叠、裂纹等缺陷;第三是要有相应的穿孔速度和轧制周期,以适应整个机组的生产节 奏,使毛管的终轧温度能满足轧管机的要求。 轧管:这一工艺过程的主要目的是定壁,即根据后续的工序减径量和经验公 式确定 本工序荒管的壁厚值;这一加工过程中的设备被称为轧管机。轧管工艺的具体要求是: 第一是将原先的厚壁毛管变成薄壁荒管减壁延伸时,首先要保证荒管具有较好的壁 厚均匀度,均匀度不应随着管径大小而变化;另外一点是荒管具有良好的内外表面质量。 定减径:大圆变小圆,简称定径;相应的设备为定减径机,其主要作用是消除前 道工序轧制过程中造成的荒管外径不一同一支或同一批,以提高热轧成品管的外径 精度和真圆度。对定减径工艺的要求是:首先在一定的总减径率和较小的单机架减径率 条件下来达到定径目的,第二可实现使用一种规格管坯生产多种规格成品管的任务,第 三还可进一步改善钢管的外表面质量。 下面介绍无缝钢管的冷拔和冷轧制造工艺。 在冷轧冷拔管机组上在室温下用轧制和拉拔方式对管材进行的冷加工,属于热轧管 包括热挤压的管材和焊接管的深度加工。它可以获得直径更小、壁厚更薄、尺寸精度第一章绪论 更高、表面粗糙度更低和性能更好以及多种断面形状的管材。用冷拔法可生产直径.~ 和壁厚.~的各种管材。用冷轧法可生产直径~和壁 厚.~ 的各种管材。 冷拔与冷轧相比较,其优点是道次变形量大,加工道次少,生产周期短和金属消耗 小。缺点是工具制造较困难,变更规格不方便。生产灵活性差,设备投资高及维护较复 杂;由于是周期轧制,轧制时间长,生产力较低,能耗高。冷拔的优点是生产力较高, 生产中变规格较方便,灵活性大,设备和工具制造简单;缺点是道次变形量小,加工道 次多,生产周期长,金属消耗大。下图为冷轧工艺流程图: 图.冷轧工艺流程图 ..大口径厚壁钢管的平头倒棱加工工艺 精整环节是钢管生产线中重要的一个过程,包括平头倒棱、热处理、矫直、检验等 工序,其作用是提升钢管质量和其附加值。平头倒棱是精整过程的一个重要工序,内容 是对钢管端面进行加工,形成焊接坡口和钝边,为后续工艺做好充分准备。图.、 图.为平头倒棱加工钢管效果图:第一章绪论 图.平头倒棱效果图 图.平头倒棱效果图 钢管经过平头倒棱加工后,质量好且附加值高,在工程现场中其使用价值大大增加。 尤其在油气输送、石化、船舶等行业应用广泛。所以综合来看,平头倒棱设备是钢管生 产线中重要环节,其先进程度和工作能力很大程度上决定了整条生产线的生产能力。 .钢管平头倒棱设备的国内外发展现状 钢管倒棱机在市场上已经存在多时。由于其高技术含量,高昂的造价和维护费用, 目前国内大部分该类设备均采用从国外进口的设备。国外比较著名的倒棱机 生产厂商有 德国认公司、美国公司等。国内的平头倒棱机制造厂家主要是与西 安重型机械研究合作,设计生产如数控无缝钢管倒棱机等设备。【】 . 国外平头倒棱机:第一章绪论 美国公司的铣头倒棱机的导轨轴承采用带有预紧系统的滚柱直线轴抽,保证 切削时系统稳定,承载能力大;主轴进给采用了液压伺服系统,响应速度快;夹紧装置 采用了浮动夹紧机构及锁紧机构,保证了钢管的自然形状并消除夹哇滑动间隙,刚性好; 步进传动采用了液压马达机构,速度快,运行稳定;主轴刀盘带有冷却系统对刀具进行 冷却,能有效延长刀具的寿命。【 德国 公司的铣头倒棱机的主要结构式导轨轴承采用了无预紧系统 的直线滚珠轴承,主要用于负载较轻的场合;主轴进给采用了点击伺服系统,低速性好, 维护方便;无冷却系统,带有排屑运输装置;步进传动则采用了电机减速机构。【】 . 国内厚壁钢管加工设备: 气动厚壁管道坡口机内涨式管道坡口机采用字型外观结构设计,该坡口机具 有良好的刚性,小巧轻便,占用空间小,可以在狭小的空间对工件进行坡口加 工,如锅 炉管、天然气管等。其应用范围:石油化工、海洋钻井平台、航空航天、船舶制造、天 然气管道、电厂建设、核电工程、楼宇管道等管道施工现场。型气动管道坡口机可以 加工:碳钢、不锈钢、合金钢、铝、铜、塑料等材质的管材。如图.所示 图.气动厚壁管道坡口机 系列倒棱机是服务于标准的专用倒棱机,该型号倒棱机可以解决焊接钝 边问题,可加工形和形棱角,满足标准要求。这种设备由于已经进行改造, 符合人体工程力学操作原理,与普通的坡口机有着很大的差别,是专业的倒棱机。 其技术特点:电源,电机功率,倒棱深度.,倒棱角度.,圆 弧三刀刃加工,支持软启动,空转转速/,可通过调整模具任意调节倒角深度和 倒棱深度。设备如图.所示:第一章绪论 图.系列倒棱机 西安重型机械研究所所生产的平头倒棱机导轨轴承采用了带有预紧力滚柱直线轴 承,主轴箱里主轴带有预紧力轴承,夹紧装置采用带有浮动机构及轴向锁紧机构,提高 了设备的刚性和稳定性:到盘上刀具采用了内浮动机构新技术,解决了因壁厚不均而引 起的倒棱后的钝边质量问题。其自带冷却系统,对刀具进行冷却并带有对切屑的冲洗功 能。】 .本课题的研究目的和意义 年,面对全行业产能总体过剩,市场需求削弱的新态势,钢铁行业采取了控制 总量,进步钢材种类质量的措施。“实行低盈利状态下的消费运营管理及措施,完成新 的创新。”这种创新指的是生产高品质、高附加值的优质钢铁产品。需要在生产工艺和 生产设备上进行相应的创新。大口径厚壁钢管是一种加工生产工艺复杂的高附加值产 品,深入研究其生产设备并改进设备以提升其加工能力『是顺应了这种创新的市场趋 势。 在文章前边所叙述,目前已研发的主流平头倒棱机工作原理大同小异,即在主机上 安装回转刀盘,将端面铣刀和倒棱刀或刀块固定在刀盘上,通过刀盘的旋转带动刀 具的旋转来对钢管的端面和内外棱进行加工,即刀盘的转动为切削主运动,如图. 所示。这种结构的优点是设计制造简单、重量轻,且刀盘重心靠近主机设备因而平衡性 好。但缺点是设备刀盘旋转惯性大、加工能力不强,工艺范围小,若钢管的厚度很大, 切削宽度超过了某一范围,则带来刀具、刀盘以至于随动切削头受力过大,导致切削时 刀具振动过大.切削稳定性差,产品质量难达到应用标准,且加工效率低,经常引起打第一章绪论 刀现象等问题,甚至导致生产难度加大以致无法进行。究其原因,是由于目前用于钢管 倒棱设备的刀具的工作原理近似于车削加工的工作原理。车削定义为两种运动的组合, 即工件或刀具的旋转运动与刀具相对工件的轴向进给运动。在加工面积较小时,通过刀 具的车削动作可以轻易的剐蹭掉加工部分。但是在加工大口径厚壁钢管时,由于刀具沿 着钢管轴向进给,加工面积会随之增加:比如厚度为】的钢管,在加工。棱角时, 最大加工宽度可达.。如图.所示,倒棱刀在不断沿着钢管轴线方向进给 的同时,所接触的切削面积也会不断加大。国外针对这方面的问题解决的方法是:采用 径向浮动装置将刀具和浮动切削座合二为一,倒棱刀块直接安装在随动的切削头上,缩 短了切削点与倒棱固定盘问的距离,减轻了切削头的振动,但由于切削工艺 的限制,问 题并没有得到根本解决,特别是当钢管厚度达到一定数值时,平头倒棱加工仍然很难进 行。原因就是加工原理始终禁锢在了车削范围内。而且从图.可知,传统平头倒棱 机的倒棱刀和平面刀是固定安装在刀盘上,加工直径范围很小。这样的设备加工弹性差, 当厂家需要扩大生产范围、生产其它尺寸型号的钢管时不得不引进新的设备。 【磷 .支撑滚轮.倒棱刀.限位螺钉.滑块.浮动刀盘.弹簧.平面刀 图.现有加:设备工作原理图 这种设备上的弊端和短处在石化、冶金、建筑等大口径厚壁钢管使用广泛的行业暴 露充分,严重制约了行业的发展。因此本课题将根据以上分析,对传统平头倒棱机进行 加工原理的改变和结构的创新式改造,并对设备的运转情况进行运动分析,以此增强平 头倒棱设备的工作能力、扩大其工艺范围。这既是技术上的突破,同时也满足了市场对 这方面的需求。第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工工艺 第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工工艺 .厚壁钢管加工和普通钢管加工的不同 厚壁钢管精整部分与普通钢管相比最大的不同在倒棱加工部分。普通钢管由于管 壁较薄,对其进行倒棱时,虽然随着加工的进行产生的加工面积一直在增加,但其增加 的程度小,所产生的切削力不会过大以致影响设备的正常运转。在这点上厚壁钢管则不 同,如前文所述,若采用传统加工设备,加工原理为车削加工,其产生的巨大的切削力 和切削扭矩将会严重影响加工的正常进行,导致其加工质量不高。 正是基于以上的不同点,厚壁钢管加工相较于普通钢管加工更困难。而这也正是本 课题所要解决的问题。在改变加工原理,采用了铣削加工后,更高的切削速度能够显著 增强加工过程的稳定性,从而保证了高效的加工和稳定的质量。而改变切削原理后,传 统设备的工艺设计也要随之改变。在下边的工艺计算中,将采用铣削加工计算公式以确 定加工工艺参数。 .大口径厚壁钢管平头倒棱加工工艺参数计算 ..钢管规格选择 钢管在倒棱加工时,随着刀具的的进给,切削面积和刀具受力逐渐增大。如 图. 所示。在加工的最后阶段,加工面积达到最大值,此时刀具和夹具受力也达到最大。所 以,以最后阶段加工参数为设计依据。钢管规格: 表.加::钢管的规格 钢管直径:钢管壁厚: 直径公差: ? 壁厚公差: 士第二章大嗣径辱肇镪管铣头倒棱热工工艺 .倒棱刀具 。平头刀具 。钢管 圈。平头溺棱加工示意嘲 。恶。刀具的选择 选择山特维宽。釉 蔺铣刀,垒酲豳。所示。这种铣刀是大多数材料从糨 加工到糖加工面铣的酋选,可获得高金属去除和良好的表面质薰。通常使用这种丽铣刀 可通过一次力锺工就达到力口王要求,这点对提赢加工效率来说显得尤其重要。如果保证每 转进给量不超过平行锻胸%,。艴 就嘲“生成优懿的表颡质量,标瞧刀片 其有黜的值,并且可以使用高切削速度以获得锃亮表面。对于粘性材料 和,可以使闵冷却液或油雾。 面铣刀现有两种刀片尺寸,在小加工中心 到大铣削机床上都可以获得很商的生产效率水平。刀片所具有的槽形和牌号可覆盖所有 工件材料的加工。此精度刀片可获得高表面质量,丽且易予运用和转位到保 证的位置上, 另外遥适用于粗加二。【】 【特维克 面铣刀的一些特点: .可降低振动趋势,因为大部分切巍《力是轴向的。 。切深分别可达垂啪和黼。 .每凌进给量达。珊州刃。 。疏齿、密齿、趣鬻凿各有所长,以实现不同条件下的最大效率。高精度的 长寿命 刀体可抗重载。 。安全的刀片榱形和牌号经过长期的使用优化,实现了高金属去除率。 .。修光刃刀片集高生产率和高表面质避与一身,刀片囱定位在刀座上。 。铡有用于刀体保护骞勺举韧的硬质合分刀繁。第二章大口径厚壁钢管铣头 倒棱加工工艺 图. 山特维克 面铣刀 下表为工件材料与刀具材料对应关系: 表.工件材料与刀具材料对应关系 硬质合 硬质合 硬质合 修光刃 陶瓷 氮化硼 聚晶金 金轻型 金中性 金重型 刚石 钢 不锈钢 铸铁 有色金属材料 耐热材料 淬硬材 料第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工:艺 。。铣端砥和倒棱的加工工艺计算 因为在整个麴工过程中,是倒棱刀具和铣端面刀具同时进行工作,加工原理 都是铣 酬,下面分别对这蘸个过程进行工艺分析计算。 钢管铣端面部分的计算 选择加工钢管规格为琏魏×瀚,钢管材质为钢。刀具选耩山特维克 ?鼬筒铣刀,刀具直径麟,齿数。一。由于切削时进给速度大,选择 刀片槽形疑型重载加工型。鞠型重载加工型刀具的最大加工深度醴,《。鳓 为。箍黼,最大 每齿进给量正为。。端面铣潮的切削厚度选择为?。黼,背吃刀量群。,选择 为.谶。 切溯速度圪选择为腿/,每齿进给量。疋一。髓鲢,最大切属厚度?。黼。最大 宽度穗。骧雠。【 /鼹 主轴转速艘:匕兰璺塑:嚣 。 碍×凹。 从加工原理可知,大盘圆周旋转进给速度即工作台进缭速度具体结构见第三 章 ×程撒/斡 。 矿/:×嚣×。。碡× 矿 。 贝大刀盘转速糟七盘?二。渤髓 “ 。碡×. 缫,×鳐×?一 。××/。濑鼗 。【 金属切除率酝 。 切剿功率墨。×。;×馥;×‖×穗三×:×雅×挺。 其中彪黼愚修正系数。此公式中、、、、聩、、、艇等值由表。给 出。 表。铣削功率计算公式参数选择表 件 铣 系数与指数值 孝才料 类型 罴 醢铡扣 溺瞬钱, 。碡 。, 。 . . . 愿 兰撕刃铣』 。埠 国。 。 。 。? 。 。 , . 。 。 .了 。 . . 圆柱乎铣刀 氛、 .鳓 。 。 。彳 。 。 。。 。 。 。 。 灰铸铁 端瑟铣 . 。 。 。 。 . 网桎、铣, 。 。 。 . . . . 町锻铸铁 端曲铣/ 器第二章人口橙簿甓钢管铣头翻棱麴工工艺 由上表可知,根据工件材料和铣刀类型,选择。。,萨。。,?。,户。, 。,.,参,。 当刃削条件变化时,需要对功率进行修正。修正系数的选撵见表。,如下所示: 袭。修正系数选择表 工件 工件耩瓣 镧 葳毒誓铁 可镢铸铁 材料 轰膝 甄《篇》 融啬》 融《豢严 未黼转 一塞墨” 霪。 稳霞。 臻节?。 静爹程。 主禳彘尊 谶阂说礴 嚣?弹 卫。 重。重善 。 望。爨 翌凄 一一耋移。 嵇” 帮熏。 蓠角 蘸角 量. 。 驳 . 根摄工件材料选择匿刚:等。:。黼觏号钢的壤隰强度为瀚脚 由以:选择的参数,豳式.计算切黼功率: 冀。×?×移芋×瞧刍×髟×口三××嚣,×艇。 五 计算洲力;雩墨警娟毒酷 上式中,公斤力是力的单位,也?唾千克力,符号厶公斤力撂牛。 零黼 . ’ 计算切肖《扭矩:腊。:墨型:掣: 嚣 芍 根据设计规划,从电视传经齿轮系再传至铣端瓣的刀架,动力需经过两个联 辅器、 随对齿轮啮合、一剐滚动轴承。取一对齿轮啮合效率胃癌轮。级精度、滚动 动祜承 效率豫砖轴承。、联辆器效率翠联轴嚣一,。则镜蠕面时,熬工总效率为: ,哆一移. , 簪帮;轮帮;础轴承×蟹毳辅器哟。×?。 ‘。’ 电桃传动实际功率: 置面素。 蓐因管倒棱部分的计算 倒棱加工条譬:刀具选择特维克商铣刀,刀具直径,旌,齿 数。一,刀片槽形型重载加工型。由于倒棱时切削总量大,最大每齿迸给量。, 第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工工艺 背吃刀量口。:待定,每齿进给量丘为.,切削速度圪选择为州,最大切屑厚 度.。 由式., 主轴转速甩舞刊四 / 由式.,工作台进给速度即大盘圆周进给转速?.正×刀。×。 根据《埋弧焊焊缝破口的基本形状和尺寸》.,端面直径方向上可留出 ;总的切削厚度为 的余量,则可计算出最大加工宽度口,,./。. .木。.,如图.所示, 图.钢管倒棱的加工尺寸 在倒棱加工过程中,由于倒棱刀具机构中,切削执行机构已选定为音叉式万 能铣头 此处选择万能铣头的详细描述在第三章,其工作功率为。同样根据计算公式 .可得出如下关系式: . 口×口冀. 倒棱加工时,刀具的背吃刀量口,:与轴向进给量厶向关系为: , . 口。,:掣 一 ? 第次加工的背吃刀量口以?,与第次加工的铣削加工宽度捌?,的关系为: . ‰。,。, 而整个加工厚度.和背吃刀量以羽.、.,的关系:第二章大因径厚壁钢管铣头 饿棱加工工艺 。 ?罐尹四 豳式。、式。姐、式。和式。推算出的背吃刀量甜。,和加工 宽度掰。:数量太多,对于实际加工来说,过多切削参数没有实际意义,且会影 响加工的 效率。为了使整个加工过程平稳进行且兼顾效率,只要根据实际的产品加工 要求如所 安排的加工时间长短等选择变化率不过大的切削参数即可。 由式。,倒棱加工的最大切削力:塑型坚墨:丝旦兰堕: 龋 圪 率 出式。,倒棱加工的最大切削援矩艏,:墨兰竺璺竺。兰兰竺: “ 摊 器碡 幽式 ,电机传动实际功率:另蒜?辞 出于铣端蘸时由于加工量较小,铣削加工次数较少。所以为了使倒棱加工和铣端面 加工熊够同时进行结柬,刘在侧棱加工的最后阶段进行铣端面加工。这就需要适当调整 倒棱刀具和铣端面刀具韵审长量来进行配合。 。。辅向进绘计算分析 在轴向遴给过程中,移动底板反其以上的麴工工作枫构整体的运动规律可根据具体 的加工要求来进行设定。在本段中,选撵较为简单的“快进??加工??馒退??快退” 的加工形式来进行描述和计算。蕊由于倒棱加工和铣平藏加工中,倒棱加工的过程较为 复杂,则选择为倒棱加工过程为基准,铣平面加工过程根据倒棱加工过程进行相应调整。 在实际的设备布置情况中,钢管通过移钢机送料机构到达加工位置,液压夹紧装置 对钢管遴行夹紧定位以保证其在加工过程中不会因较大的切削力和切削震动而改变原 的位置。接着进绘速度降 有位置。随后,铣头倒棱视开始运动,快进至离钢管约 为期工进给速度,整个力鼹工进给的距离约为。加工结柬后,为保证安全退刀,铣 头饲棱刀具先以加工速度慢慢退回至离钢管的位置,再快速邋圈至起始位置。如 图.所示,倒棱刀具的初始位霭是位爨,从位黄??这段距离是快速进给。 到达位嚣时,倒棱刀具速度降为加工进给速度。在位置??这段距离是加工的过 程。加工结束后,刀具凼位簧以加工进给的速度退翻位置。最后再从快速退阐至 初始位嚣。整个过程的速度变化趋势可以根据图。中位置变化曲线上点的斜率变 化来判断。可以很清楚的看出,快遴阶段的位置盐线的斜率数值较大且变化不大,即本 段设定的速度在这阶段悬快速且恒定。在加工和攫遇阶段斜率数值较小且有正负变 化,即设定速度较慢且有方向上的改变。随后的快邋阶段与快进阶段相同,只是方向相 反。 本铡中的数据是基于最大管径和壁厚来确定的,在实际中设定轴向进给电机的整体 进给过程时的各阶段速度可根据以上分析和实际的加工要求束确定。第二章大口径厚壁钢管铣头倒棱加工工艺 图.钢管倒棱的轴向进给 图.倒棱刀具的轴向进给位置变化第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 .铣头倒棱机整体结构设计 ..铣头倒棱机结构设计的特点和要求 本课题研究的机械设备有以下特点: 、将传统倒棱刀具换成面铣刀,并通过对加工设备的结构进行创新改造,将钢管 倒棱的加工原理由车加工变为面铣加工。这种加工方式有着强于传统倒棱加工方式的优 越性,其主要表现为: 加工厚壁钢管时振动小,切削力和切削扭矩小; 切削功率小; 工艺精度较好; 生产效率高; 切削速度可以达到很高。 、刀盘系统安装在过渡板上,过渡板通过与大盘上的导轨配合形成移动副,使得 刀盘机构可以沿大盘径向方向移动,可以随着工况改变加工半径,从而扩大设备的加工 直径范围。 以上方案所提出的方案比传统设备所以采用的加工技术方案更合理先进,但也可以 看出,所涉及的设备机械结构也更复杂。首先,加工所用的万能铣头的动力传输结构比 传统设备的动力结构更复杂。改进后的设备须完成三个基本动作:面铣刀刀具主轴的切 削主运动、由大盘转动而实现的刀盘圆周进给运动和加工刀具在钢管轴向上的进给运 动。 ..整体结构设计 实施方案和工作原理见图.,主轴动力电机和中心齿轮分别安装在支撑装置 两侧,中心齿轮和两个刀盘传动随动齿轮机构如图.啮合,将动力传输至 倒棱刀机构和平面刀机构。倒棱刀机构上方安装有外仿形机构。大盘通过径向支 撑定位机构和轴向支撑定位机构固定在龙门架内,其旋转进给运动通过在大盘 的外围安装的齿轮条与圆周进给电动机输出轴齿轮啮合来实现。龙门架、大盘机构和 主轴动力系统均固定安装在与设备固定底座连接的移动底座上。移动底座和 固定 底座通过滑块和导轨形成移动副,轴向进给电机通过丝杠螺母来推动移动底座在 轴向方向做进给运动。根据钢管的尺寸规格和加工要求调整倒棱铣刀的工作角度和平面第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 铣刀的伸长量。平面铣刀机构通过丝杠调整铣刀的伸长量,以配合倒棱铣刀角度的调 整。当刀盘机构在大盘直径方向上移动时,与中心齿轮啮合的刀盘传动随动齿轮机构 的固定齿轮不动,而随动齿轮和过渡齿轮会配合刀盘主轴移动。这样就实现了主轴动力 的随动过程。当传感器检测到夹具夹紧钢管后,设备开始按照设定的参数进行加工,仿 行滚轮压在钢管外壁上并与其一起公转,如出现钢管外径变化时,通过外仿行机构的 作用,倒棱刀盘机构的位置随钢管直径变化,形成仿行效果,从而使倒棱切口均匀。 .轴向进给电机.丝杠螺母机构.主轴动力电机.支撑装置.中心齿轮.刀盘传动随动齿轮机 构.圆周进给电机.龙门架.夕仿形机构 .倒棱刀机构.钢管 .平面铣刀机构.平面 铣刀调节装置.圆周进给电机动力输出齿轮.径向支撑定位装置.轴向支撑定 位装置.移动 底板 .固定底板.导轨.滑块.大盘.大盘导轨.过渡板 图.铣头倒棱机整体结构设计图 图.刀盘传动随动齿轮机构第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 ..设备布置方案 由于大口径厚壁钢管的尺寸较大,为了使加工过程中钢管和铣头倒棱机设备所占用 的空间充分利用起来,再设计布置方案时,选择两台主机设备,错位排列,通过自动送 料机构来对钢管进行搬运。这样的加工过程就是先在工位的位置通过对齐装置将钢管 对齐到位,通过升降装置调整钢管中心和加工设备的相对高度,再通过夹紧装置固定钢 管,完成这些准备工作后,对钢管的一端进行平头倒棱加工。经过搬运将钢管运送至工 位后再重复以上动作,对钢管的另外一端进行加工。具体个布置方案图如下图所示: .一号主机.大口径厚壁钢管.送料机构.二号主机 图.设备布置图 .关键零部件的选用和设计 ..主轴减速电机的选用 减速电机的选用首先确定以下技术参数:每天工作小时数;每小时启停次数; 每小 时运转周期;可靠度要求;工作机转矩工作机;输出转速输出;载荷类型;环境温度; 现场散热条件。 减速电机通常是根据恒转矩、启停不频繁及常温的情况设定其许用输出转矩,由 式子输出确定。其中输出是减速电机输出转矩,是减速电机使用系数。 . 传动啪羔;电机功率哿. . 输出转矩制,:竺兰兰翌木; ,输:; 式子中,是减速电机的传动效率。第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 通过前面的分析,现在选用系列减速电机。其具有体积小、重量轻、传递扭 矩大、性能优越等特点,是一种新颖的减速传动装置。在模块组合的基础上,采用优化 设计与制造,能进行任意联接和多种安装位置的选择。齿面径过精度磨齿加工,传动平 稳、噪音低、承载能力大、耗能低、传动效率高、温升低寿命长。 主轴动力从电机输出端到两个刀盘机构要经过中心齿轮与齿轮随动机构,个齿轮 两两啮合,取机械效率.。设备工作时,主轴电机的功率: . ‰赫. 通过查手册,选择硬齿面齿轮减速电机.。其工作参数如下表: 表.硬齿面齿轮减速电机工作参数表 / 输出转速输出 半 输出转矩输出 . 传动比 径向载荷 . 使用系数毛 机型号 极数 重量 电机安装尺寸图如下所示 图.电机安装尺寸图 ..主轴电机中心齿轮轴设计 、轴的设计 主要的设计内容包括:第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 轴的工作能力分析 主要进行轴的强度设计、刚度设计,对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。 轴的结构设计和强度校核。根据轴的功能,轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系 在机器中的支撑要求,同时应具有良好的工艺性。一般的设计步骤为:选择材料,初估 轴径,结构设计,强度校核,必要时要进行刚度校核和稳定性计算。 、轴的材料 轴是主要的支承件,常采用机械性能较好的材料。常用材料包括: 碳素钢:该类材料对应力集中的敏感性较小,价格较低,是轴类零件最常用的 材料。常用牌号有:、、、、。采用优质碳钢时,一般应进行热处理以改善 其性能。受力较小或不重要的轴,也可以选用、等普通碳钢。 合金钢:对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴,可以选 用合金纲。合金钢具有更好的机械性能和热处理性能,但对应力集中较敏感,价格也较 高。设计中尤其要注意从结构上减小应力集中,并提高其表面质量。 铸铁:对于形状比较复杂的轴,可以选用球墨铸铁和高强度的铸铁。它们具有较好的加 工性和吸振性,经济性好且对应力集中不敏感,但铸造质量不易保证。 、轴的结构设计 根据轴在工作中的作用,轴的结构取决于:轴在机器中的安装位置和形式,轴上零 件的类型和尺寸,载荷的性质、大小、方向和分布状况,轴的加工工艺等多个 因素。合 理的结构设计应满足:轴上零件布置合理,从而轴受力合理有利于提高强度 和刚度;轴 和轴上零件必须有准确的工作位置;轴上零件装拆调整方便;轴具有良好的 加工工艺性; 节省材料等。 、设计过程 求输出轴上的功率,转速和扭矩,选择轴的材料 该轴无特殊要求,因而选择调质处理的号钢碳钢,查手册,得 表.号钢机械性质 弯曲疲劳极限一 拉伸强度极限。 剪切疲劳极限. 。 。 。 取减速机效率为.,则.×.. ;转速孔输出 /;输出 木 初步确定轴的最小直径。 最小轴计算公式“。污;由表可知材料为号钢时,。。:于是可得 “。“。划篆硝.。第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 设计时由于结构需要,实际尺寸大于计算出的数值。 表.轴常用的几种材料的】及‰值轴的材料 , ,, ? ? ~ ~ 】 。 ~ ? ~ ~ 中心齿轮轴结构设计 设计结果如图.所示: 图.中心齿轮结构图 求轴上的弯矩和扭矩 中心齿轮的质量为: . :一:。.。。? 木 主轴电机输出转矩: 主轴的轴肩左半部分固定于支撑座的轴承座内,由于两个深沟球轴承的作用, 在计 算弯矩时,整个中心齿轮轴的受力形式如图.所示第三章铣头倒棱机的结构 设计和运动分析 图。中心齿轮轴受力简图 。 图中:堡燮:以/ . 通常,在计算轴的剪力和弯矩时,将齿轮等的重力简化成集中力作用在轴上 的某一 点。而在此例中,由于齿轮的尺寸相对于齿轮轴的尺寸很大,所以将中心齿轮 在轴右侧 的状态简化为上图所示。写出处的剪力和弯矩方程式。 . . 首先求出支座反力. ; 当】时 ?木 :寸木詈 当?时 木 :一木 当时 木 :半木 当 茎时 : 木 由上方程式可求得 ; 。。 : 。。. 在前面的叙述中,可知道中心齿轮轴工作时所承受的的扭矩等于电动减速机 的输出 木 转矩输 则中心齿轮轴的扭矩平衡方程为:。.输出 画出剪力、弯矩:及扭矩图,如图.第三章铣头倒攮视的结构设计郛运动分析 四删 ?牟 汹 辛川 图.了中心齿鞔霉囟的剪力、弯矩、扭矩圈 按弯扭合成应力搜核该轴的强度 通过以上计算得到得弯矩磁和扭矩后,可针对巢些危险截面剥弯矩和扭矩大 而辘径小可能断的截面做弯扭合成强度的校核计冀。 按第三强度理论鲤计算应力公式: 。 万一?拶 ‖为对称循环交应力 为勰转切应力 为了考虑两者循环特性不同的影响,引入折合系数娃 则式。为 。 吒?盯癌爹 取伐。 若扭转切应力为静应力时: 若摁转切癍力为脉动循环应力时: 取懂。 瞰铲。 若扭转鞠应力为对称循环应力时: 对于赢径为的圆辘:第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 四, 厣而歹:丝掣驯 式子中 为对称循环变应力的轴的许用弯曲应力 吒为轴的计算应力? 为轴所受的弯矩 为轴所受的扭矩 为轴的抗弯截面系数,,具体数值查机械设计手册 因为轴上的弯曲应力为对称循环变应力,扭应力为脉动循环变应力,所以 取., 号钢许用弯曲应力】按表.查得为?/班, 表.几种轴用材料的机械性能 抗藏曩虚 詹?纛寰 爵藉羹秀废力 督辩?鼍 藕姗 鼍蔗豢艇 锄/‘鞠内脯一》 ?‖《争啊》 妇。,饼细科 铂 《的 薯驰 渤 铷一静 黯 翻? 赫 鑫毒?。,节 键曩 《撇 韬 瀵羹 《搿埝 墓驹 纛一翟孵 铅豺垤期 弹必 《耱 辐 秘 粥? 羽兄? 节 《璐 驰 潮一嚣 馕爨 则 吁腑:率 一巫亟巫亟亟巫巫巫巫 .? 由于设计结构的要求,轴的设计直径远大于计算直径,所以吒远小于】。校核 完成。 ..力.能铣头 与传统铣平面的工作过程不同,由于倒棱时需要铣刀与钢管形成一定的角度 通常 为。或。,所以钢管倒棱时安装铣刀的铣头部分应可以随着工作条件而改变 工作角 度。第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 万能铣头疵是一种铣刀轴可以在水平和垂直两个平面内回转 的铣头。从机床坐标系来看,就是机床刀具输出轴可以能够围绕机床轴和轴 或 轴旋转的铣头。围绕轴转动的轴叫轴,围绕机床轴转的轴叫轴,从而使机 床具备个坐标轴,具有五轴加工的能力。五轴联动机床加工能力强,可使用其加工包 括航空航天、国防、核能领域的关键零部件,如飞机发动机的叶片、核电泵叶片、火电 汽轮机叶片、核潜艇螺旋桨等。 图.音叉式万能铣头 上图所示为音叉式万能铣头。音叉式万能铣头一般可以安装在数控龙门铣床、数控 龙门镗床、数控立式车床的滑枕端面上,以实现任意角度的钻、铣、镗加工。 该铣头 采用、轴全对称结构,切削力大,加工效率高。铣头的输入传动采用由机床动力输 入轴断面键带动铣头连接轴实现。头体水平旋转的轴及主轴箱体轴旋转均采用蜗 轮蜗杆人工驱动,连续分度定位,铣头手动或自动松、拉刀具。 图.为音叉式外 形参数图。 音叉式万能铣头的工作特点及参数有: 上头方式为自动端齿盘定位; 最大输出功率; 最大输出扭矩为; 最高转速。第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 图.音义式外形参数图 一?第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 .基于/的运动仿真分析 /作为当今世界上机械行业主流/舢软件,在建立零部件模型和运 动仿真方面具有优势。这一章节要通过使用/来对所设计的铣头倒棱机进行实体建 模和运动仿真。整个工作流程如图.所示: 图./运动仿真工作流程 整个装配图中,共有三个主要的运动:两个刀具机构的切削运动、大盘的旋转进给 运动和移动底座的轴向进给运动,因此需要三个伺服电机。且刀具的切削速度和大盘的 旋转速度在第二章节中已有所述,底座的轴向进给则与倒棱时的背吃刀量有关,需根据 实际加工情况确定。由于伺服电机和万能铣头等均为外购件,所以模型中并未表示。设 置和分析运动环境时,由于本例中主要是进行运动仿真,所以选择缺省选项。分析的对 象选择为随动齿轮机构、大盘和移动底座。分析的类型选项选择“位置”。通过观察分析 最终获取的运动曲线,可以更加清晰的了解铣头倒棱机上的移动部件主要针对的是随 动齿轮机构、大盘和移动地板的运行规律。 首先在/装配环境中建立运动模型。具体模型如图.和图.所 不。第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 图.铣头倒棱机实体建模 图.铣头倒棱机实体建模第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 在【应用程序】中将环境设置由【标准】改为【机构】,并在【机构】环境中 建立起铣头倒棱机在机械运动过程中涉及的一系列运动副,如:中心齿轮和随动齿轮机 构之间的、随动齿轮机构内部的、大盘外围与圆周进给电机输出轴上齿轮之间的齿轮副; 轴向进给电机输出轴与移动地板之间代表丝杠螺母运动的槽形副等等。齿轮副的设置过 程中,主要是通过输入节圆的直径比来对齿轮的旋转速度进行配置,如下图。 图.齿轮副设置 设置提供运动的伺服电机。在实际的工作工程中,由于应用电机特性的限制, 推动设备运动的电机不一定是真正意义上的伺服电机,甚至由于设备本身的重量很大, 有可能会采用伺服液压设备来提供进给运动的动力。在本文的/机构运动环境中, 设定伺服电机选项提供的只是运动本身。这里主要提供三个运动:.轴向运动,涉及到 的运动副是轴向进给电机输出轴和移动底板之间的丝杠螺母副。.大盘圆周进给运动, 涉及到的运动副是圆周进给电机输出轴上的齿轮和大盘外围的齿轮条组成的齿轮副。. 切削主运动,涉及到的运动副比较多,但均为齿轮副:与主轴电机输出轴连接的中心齿 轮和随动齿轮机构中的固定齿轮的组合,齿轮随动机构中的固定齿轮、过渡齿轮、随动 齿轮之间的组合。设置内容如下图:第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 图.伺服电机设置 进行机构分析设置。设置分析类型选择:位置。其它的选项如开始和终止时间 等根据分析的具体要求设定。 图.机构分析设置第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 ??????????????????????????????????????????????????????????一 获取所要的分析图形结果。最后所获取的轨迹曲线图如图.、.、 .所示。 图.随动齿轮机构的运动仿真结果第三章铣头倒棱机的结构设计和运动分析 图.移动底板的运动仿真结果 通过分析图纸中的铣头倒棱机运动部件的运动曲线,可以总结归纳出随动齿轮机 构、大盘和移动地板的运行规律。