鋼管去毛刺技術研究及專用裝備設計【直縫鋼管在線去毛刺】

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鋼管去毛刺技術研究及專用裝備設計 第一章 緒 論 1.1 課題背景 近年來，通過引進國外先進技術及對引進技術的消化吸收，我國高頻直縫焊管的生產技術裝備水平不斷提高，高頻直縫焊管的產品質量和檔次也有了很大的提升，產品的用途越來越廣泛。對高頻直縫焊管的內外毛刺進行清除，是生產高檔次高頻直縫焊管的一個重要工藝過程和手段，對于內毛刺清除精度要求較高的產品，如果內毛刺清除質量滿足不了標準或用戶要求，將無法實施批量生產。相比外毛刺的清除工作，內毛刺的清除是一項復雜工作。在實際生產過程中的許多因素均會影響到內毛刺清除質量，即內毛刺清除的精度和清除過程的穩(wěn)定性。采用在線去毛刺裝置，除了改善去毛刺質量，還可以提高生產質量，在實現鋼管成型及去毛刺同步時，也穩(wěn)定了輸出質量。因此，有必要對各種影響因素進行分析，采取相應的措施，以改善高頻直縫焊管內毛刺的清除效果和提高產品檔次，在線去毛刺裝置的設計對于提高生產質量和節(jié)約生產成本有著重要意義。 1.2 國內外發(fā)展進程 在焊管剛剛開始興起的19 世紀40～50 年代,人們對電焊管內毛刺的清除是沒什么要求的。后來由于工業(yè)的發(fā)展, 如汽車、鍋爐、石油等行業(yè)需要比較精密的焊管, 強調要求清除焊管內毛刺, 這才開始電焊管內毛刺清除裝置的研制與開發(fā)。 20 世紀60 年代, 我國絕大部分焊管生產企業(yè)的焊管機組都是Φ101.6 mm以下的, 到了70 年代中期才開始研制電焊管內毛刺清除裝置。原首鋼焊管廠首先開始使用固定式刀架, 先由人工調整, 將刀架上的刀片對準需要切削的毛刺。雖然試生產石油管已達到一個較高的水平, 內毛刺殘留高度僅為0～0.2 mm, 但由于原料、成型、焊接、合格率等因素的影響, 還需要做進一步的研究。后來又采用了浮動式( 彈簧或氣動) 刀架, 如我國在20 世紀80年代初從日本引進的Φ90 mm 焊管機組就是采用了彈簧浮動式刀架。我國采用的是螺旋彈簧, 而國外采用的是板式彈簧。這種刀架存在需要熟練工人操作, 起動動作要慢, 彈簧必須調至合適壓力等不利因素, 從而影響其進一步發(fā)展。 當時國外的刀架由3 個部件組成, 如美國Nelson 工具公司的清除內毛刺刀架采用了板式彈簧, 通過其支承力使刀頭伸入毛刺中, 利用刀削原理刮削毛刺, 如圖1.1 所示。其優(yōu)點是結構簡單, 制造方便; 其缺點是彈簧經常處于高溫、潮濕的空氣以及氧化鐵皮飛揚的環(huán)境下很容易失效, 彈力消失, 刮出的毛刺常常達不到要求, 而且此種結構僅適用于Φ171.45 mm 以下的焊管。 1—環(huán)形刀 2—環(huán)形刀支架 3—環(huán)形刀定位螺釘 4—環(huán)形刀調整螺釘5—環(huán)形刀調整固定螺栓 6—上輥軸 7—前邊上輥 8—后邊上輥 9—軸定位螺釘 10—刀架支座 11—調整螺釘 12—螺釘定位銷 13—隨定位銷轉動的軸 14—隨定位銷轉動的桿 15—底下的輥軸 16—底下的軸輥 17—軸定位螺釘 18—下降安全板 19—下降安全板調整螺栓 20—聯(lián)結器軸 21—聯(lián)結器標準桿 22—軸定位螺栓23—彈簧導座樞軸 24—調整螺栓閉鎖裝置的嵌入物 25—調整螺栓墊片裝置的嵌入物 圖1.1 美國Nelson 工具公司的刀架結構分解示意 在20 世紀80 年代中期到90 年代這個推陳出新的年代, 內毛刺清除裝置的發(fā)展突飛猛進, 我國因引進了大量的國外焊管機組, 使清除焊管內毛刺的工藝與設備也有了很大改進。刀架中的進刀、退刀機構完全采用了液壓系統(tǒng), 并將刀架上的油管改成油槽開在本體上, 用蓋板焊死, 減少或消除了油管被磨破而發(fā)生的事故, 比彈簧式有了很大改進。國內與國外的刀架不同之處, 就在于進/退刀機構上, 國內的液壓進/退刀采用直立式油缸, 而國外采用的是水平式油缸。如美國Nelson 工具公司在這個時期開發(fā)的清除內毛刺刀架, 采用的就是水平放置的油缸, 它通過凸輪斜面使刀架上升或下降,應用于Φ171.45 mm以下焊管機組上。其構造如圖1.2 所示。 1—環(huán)形刀支架 2—環(huán)形刀定位螺釘 3—環(huán)形刀 4—環(huán)形刀調整螺釘 5—環(huán)形刀調整螺栓 6—上輥軸 7—前邊上輥 8—后邊上輥 9—軸定位螺釘 10－刀架支座 11－刀座支架延長部分 12－軸定位銷 13－隨定位銷傳動的軸 14－隨定位銷傳動的桿 15－底下的輥軸 16－底下的軸輥 17－軸定位螺釘 18－輪子凸輪軸 19－輪子凸輪 20－（斜）凸輪 21－刀座支架延長部分的銷釘 22－刀座支架延長部分的卡環(huán) 23－活塞 24－活塞O形圈 25－連接器O形圈 26－標準聯(lián)軸器 27－聯(lián)軸器裝配螺栓 28－卸荷螺栓 29－活塞桿密封圈 30－卸荷密封墊 圖1.2 美國Nelson 工具公司新開發(fā)的刀架結構分解示意 21 世紀初，江蘇徐州某鋼管公司引進了Φ139.7mm、Φ73 mm 兩種規(guī)格的液壓式內毛刺清除裝置，用于Φ219 mm 焊管機組ERW油套管的開發(fā)生產。該裝置的刀頭為環(huán)形刀, 刀座和刀座架可在垂直方向上相對調整, 下支承輥輪的脹縮通過液壓管路在操作臺上進行調整, 固定架具有沿垂直方向調整的功能, 沿中心桿軸線調整和旋轉的功能。其刀頭使用壽命長, 調整方便、精確, 液壓壓力穩(wěn)定, 大大提高了ERW直縫焊油套管內毛刺的清除質量和焊管機組的作業(yè)率, 保證了焊縫狀態(tài)的穩(wěn)定性。 生產小口徑焊管時, 刀頭一般固定在刀架上,刀架體積不大且重量較輕, 升降也還方便。隨著焊管口徑越來越大, 刀架也要隨之增大, 這就使刀架的升降變得不太方便。為了解決此問題而開發(fā)出雙刀架結構, 即大刀架裝小刀架, 大刀架固定而小刀架升降, 如圖4 所示。這種刀架用于我國廣東、上海等地的焊管生產廠家, 適用于Φ254～355.6 mm ( 10～14 in) 焊管機組。其結構特點: 小刀架裝在大刀架內, 小刀架上只有2 個上支承輥輪, 1 個刀桿, 留有排屑槽; 大刀架只用1 個下支承輥輪固定, 不升降; 用油缸驅動使固定刀桿的小刀架進刀或退刀; 大刀架裝有2個油缸; 油缸的活塞支承小刀架, 使小刀架單獨升降, 因為小刀架結構緊湊重量輕, 運動方便; 大刀架也留有排屑槽, 與小刀架的排屑槽相對應; 大刀架前部裝有1 套水平支承輥輪來防止刀架旋轉, 如圖1.3 中的A 向所示; 大刀架中的水平支承輥輪和下支承輥輪, 根據管子的尺寸、規(guī)格、品種而更換。 1—水平支承輥輪 2—大刀架 3—前油缸蓋 4, 6, 15, 17—O 形密封圈 5—前活塞桿 7—小刀架 8—刀桿 9—下支架 10—下支承蓋 11—上支承輥輪 12, 20—軸 13, 19—含油軸承 14—后油缸蓋 16—后活塞桿 18—下支承輥輪 圖1.3 雙刀架結構示意 隨著焊管生產口徑的不斷擴大, 清除內毛刺的刀架也在不斷發(fā)展變化。在國外的Φ610 mm 焊管機上, 采用了懸臂式刀架。其特點是: 刀架下方不用支承輥輪而是采用連接裝置來支承。連接裝置的一端支承刀架, 而其另一端與固定裝置相連。固定裝置裝在擠壓輥前方的機架上。這種結構就要求連接裝置必須具備足夠的強度與剛度, 而且只能在產品規(guī)格比較大的焊管機上使用, 因為只有大口徑管的內孔才能讓尺寸較大的連接裝置順利通過。美、德、法、南韓等國的Φ610 mm焊管機基本上都采用了此種刀架。目前國外的Φ610 mm焊管生產大約分為2 檔: Φ219～273 mm 和Φ273～610 mm。刀架結構也有2 種: 一種是刀頭裝在2 個上支承輥輪外( 圖1.4) ; 另一種是刀頭裝在2 個上支承輥輪之間 ( 圖1.5) 。但均采用了液壓升降, 在刀架的排屑口下方裝有水平式切斷器, 切斷器的刀具做水平往復運動, 以此來切斷毛刺, 使切屑不造成堵塞, 當遇到帶鋼頭尾相接處時刀頭會自動退刀。 1—焊管 2—刀頭 3—支承輥輪 圖1.4 刀頭裝在2 個上支承輥輪之外 1—焊管 2—支承輥輪 3—刀頭 4—毛刺切斷器 圖1.5 刀頭裝在2 個上支承輥輪之間 1.3課題任務及研究的主要內容 1.3.1課題的主要內容 課題的任務為設計直縫鋼管的內外毛刺在線去除的機構，達到下列目標和要求： (1)刀具要具有較強的抗震能力，能適應切削主運動速度較高的要求，要求相對切削速度每秒鐘0.2米。 (2)要去達到毛刺切削精度要求，滿足鋼管軸向長度無限長的需要。 (3)刀具調整、更換方便，滿足不同內徑鋼管及刀具磨損、損壞后更換要求。 1.3.2實現方法及途徑 (1)擬采用刮削方式，刀具固定，鋼管的速度移動為0.2米每秒。 (2)刀桿前置式，解決鋼管成型后長度的約束問題。 (3)內、外毛刺去除工作分別由不同刀具承擔，但內外同步切削。 第二章 方案設計 2.1.毛刺的形成及后果 成型后的管抷經過感應圈時，在高頻電流的作用下使帶鋼的兩邊緣的金屬快速熔化，在進入擠壓輥時部分熔化的金屬被擠出，而進入高頻直縫焊管內壁的金屬和熔渣混合在一起形成焊管焊縫的毛刺。毛刺的存在嚴重影響到對焊管產品的無損檢測和在一些領域中的使用。由于毛刺的存在將導致整個系統(tǒng)不能正常工作，使可靠性、穩(wěn)定性降低。當存在毛刺的機器做機械運動或震動時，脫落的毛刺會造成機器滑動表面過早磨損、噪音增大，甚至使機構卡死，動作失靈；毛刺如果掉在定位基面上，會影響加工精度；另外毛刺還容易劃傷工人，影響裝配質量以及零件的壽命毛刺的尖端銳利，在鋼管的運輸過程中會劃傷輥道表面等運輸設備。 2.1.1清除內毛刺的常用方法 （a)輥壓法：利用伸入管內的壓輥將紅熱狀態(tài)下的毛刺壓平，實際上內毛刺并未真正清除，熔渣可能被重新壓入焊縫。 （b)磨削法：鋼管冷態(tài)下進行對鋼管長度有限定，刀具壽命短，生產效率低。 （c)氧化法：對鋼管長度有限定，生產效率低。 （d)切削法：對中小口徑鋼管國外常采用的方法，可以實現在線加工，確保生產的效率。但隨著口徑的減小，切削加工的難度加大，對切削裝置的要求也提高。 目前，國內中小口徑焊管機組普遍采用在線切削法清除內毛刺，即根據生產機組規(guī)格的大小，在封閉孔型機架前或后安裝固定架，將刀伸進高頻直縫焊管的內側，將刀頭調整到與內焊縫相對應的位置及靠近高頻直縫焊管內壁的高度，在高頻直縫焊管前進過程中，用刀頭將紅熱狀態(tài)的毛刺刮掉，如圖2.1。 1－刀頭 2－刀座 3－上支撐輥 4－刀座架 5－下支撐輥 6－中心桿 7－阻抗器 8－固定架 圖2.1 清除內毛刺示意 在線切削刀法是一種較為理想的內毛刺清除方法，但由于技術裝備水平較低，在生產過程中經常會出現內毛刺清除余高不穩(wěn)定，刮偏等現象，刀具調整頻繁。當對焊頭通過刀頭時，需中斷正常生產，影響到焊管的成材率、機組的作業(yè)率及在線焊接熱處理焊管焊縫狀態(tài)的穩(wěn)定性。 2.2內毛刺清除裝置的裝備水平 2.2.1刀頭的結構和性能 （a）普通刀頭 （b）環(huán)形刀 圖 2.2 刀頭高度調整機構 刀頭是內毛刺清除裝置的關鍵零件，長時間在高溫下承受較大的切削力，在清除內毛刺時，刃口的前角和后角直接影響到裝置的受力狀況和內毛刺的清除質量。一般情況下，刃口的前角控制在30度左右，后角控制在5～6度左右。刀頭本身的結構和性能影響其使用壽命，繼而影響內毛刺的清除質量。目前，刨削式刀頭基本上分為2種（圖2.2）。普通刀頭（圖2.2a ）一般采用銅焊先將合金頭固定在刀頭座上，然后再進行刃口的加工。在生產高強度大壁厚高頻直縫焊管時，由于內毛刺大且強度高，切削力大，合金頭容易脫落，換刀較為頻繁；加之不同的刀頭在尺寸上存在差異，增加了調刀的次數。環(huán)形刀（圖2.2b ）由合金粉末在高溫高壓下整體制作而成，在高溫下具有良好的耐磨性，當刃口磨損或崩刃時只需將環(huán)形刀旋轉一定角度就可繼續(xù)使用，而且刀頭高度不變，保證了清除后內毛刺高度的穩(wěn)定性，是較為理想的刀頭。目前，環(huán)形刀已形成規(guī)范的通用型號，國內可以制造。 以往是將固定刀頭的刀座和刀座架制作成一個整體，調整刀頭高度時需要松開壓刀螺絲，在刀頭下面加、減墊片或采用頂絲進行，調整復雜且精確度低。新型的內毛刺清除裝置將刀座和刀座架制作成分體式，通過調節(jié)調整螺絲，可使刀座相對刀座架在高度方向上垂直移動，根據調整螺絲的螺距和需要調整的位移量將調整螺絲旋轉一定的角度，就可以達到精確的調整要求。環(huán)形刀如圖2.3裝在刀架上。 1－刀座 2－環(huán)形刀 3－固定螺栓 4－連接螺栓 5－主刀架 圖2.3 φ76m 焊管用環(huán)形刀架示意 2.2.2刀座架 刀座架是通過上、下支撐輥對焊管內壁的支撐作用保證刀頭的平穩(wěn)切削。上支撐輥保證在內毛刺清除過程中，刀頭和高頻直縫焊管內壁相對距離的恒定；下支撐輥分為固定式、彈簧浮動式和液壓或氣壓浮動式。 固定式下支撐輥即為下支撐輥固定在刀座架上，且上支撐輥最高點和下支撐輥最低點之間的距離略大于焊接后高頻直縫焊管的內徑，保持不變，當高頻直縫焊管通過支撐輥時，由于支撐力的作用使高頻直縫焊管產生變形而形成“立橢”。該種形式的支撐輥受力較大，特別是生產高強度、大壁厚高頻直縫焊管時，支撐輥和輥軸損壞頻繁，共用性較差。彈簧浮動式下支撐輥即為下支撐輥用彈簧支撐，可上下浮動，空載時上支撐輥最高點和下支撐最低點之間的距離比焊接后高頻直縫焊管的內徑大左右，在生產過程中，下支撐輥隨著焊管壁厚的變化而浮動，使刀頭始終保持靠近高頻直縫焊管內壁。以上兩種方式均使刀頭始終靠近焊管內壁，當對焊頭通過時，需停止正常的成型焊接作業(yè)，然后點動使對焊頭通過刀頭，否則，很容易造成刀頭損壞。 2.2.3固定架 固定架是連接內毛刺清除刀架的部件，應具有在垂直方向調整的功能，使內毛刺清除刀架的中心線和焊管的中心線保持平行；還應具有沿中心桿軸線旋轉功能，保證刀頭和內毛刺準確對應。 2.3常見問題及處理方法 2.3.1毛刺殘留高度超標 這種問題往往是因為毛刺刀刮不到位，或毛刺刀調整不到位。應重新調整毛刺刀，若是刀刃磨損，還應重新磨刀。采用彈簧進刀時，若是彈簧失效則應更換彈簧。采用油缸進刀時，若油缸活塞升不到位，密封圈磨損，則應更換優(yōu)質氟橡膠密封圈；若是油質較差，則應更換耐高溫油；檢查油壓及油泵站運轉是否正常。 2.3.2毛刺刮得過深 若毛刺刮的過深，則會減小鋼管的壁厚，降低鋼管質量等級，則需重新調整刀具。對刀具的調整要求： （1) 保證適當的切削角，前刀角過小會使刀刃切入阻力增大，過大則易損害刀具。因此，最好做到α＝10°～15°，β＝5°～7°。 （2)刀頭前角應平滑，不得磨成凹凸不平，否則易造成“堵刀”、“燒刀”、“軋刀”等事故。 （3)應依據實際刮削情況制成刀高樣板，換刀時據此用墊片調整刀頭的高度。 2.3.3毛刺被刮偏 出現毛刺被刮偏的原因有很多，除了因帶鋼“鐮刀彎”而跑偏、孔型調整不當等原因外，與內毛刺清除裝置本身有關的原因如下：刀架與連接裝置之間的鉸結點應上下升降靈活，無阻卡，但其在前后及圓弧方向上不得擺動，并防止偏轉：整個內毛刺清除系統(tǒng)的強度、剛度不夠。 第三章 結構設計 3.1 方案主體結構設計 3.1.1 前人方案結構設計 如圖3.1，對通徑50mm以下的焊管而言，由于內空間較小，限制很多，使得整個裝置必然要求結構緊湊、精巧，制造精密，性能可靠。這種小口徑直縫焊管內毛刺清除裝置在同類裝置中具有代表性。 1－直縫焊管 2－調整墊 3－環(huán)形刀 4－內六角螺釘及止退墊圈 5－壓板 6－彈簧 7－柱塞缸 8－柱塞 9－芯棒 10－壓力油腔 11－無油腔 12－軸向滑塊 13－徑向滑塊 14－導位銷 15－焊縫 16－刀桿 圖3.1 內毛刺清除裝置部分結構圖 （a)刀具刃形設計 考慮到精確磨制刃部弧形不是很方便，也無必要，可采用環(huán)形刀去毛刺刀具如圖3.2，將刀具制成完整的圓形,對制造、安裝、調整都很方便。中間設為通孔,與刀桿16頭部通孔相通,便于排屑與散熱?？筛鶕煌軓桨惭b相應直徑的環(huán)形刀。環(huán)形刀的定位是由壓板5與內六角螺釘及止退墊圈4壓緊定位,調整墊2用來補償環(huán)形刀因多次修磨后的高度減少,以確保壓板5能可靠壓緊環(huán)形刀3。 圖 3.2 環(huán)形刀示意圖 （b)切削進給方式 圖1中軸向滑塊12和徑向滑塊13之間可沿傾角α的兩斜面相互滑動,見圖3.3。當軸向滑塊12與徑向滑塊13在x方向(軸向)產生相對位移δx時,必產生y方向(徑向)的相對位移δy , 且δy=δx tanα。我們就利用δy 作為徑向進給的設計要素。由于導位銷14的導向約束作用,只要軸向滑塊12相對刀桿16作縱向運動, 產生相對位移δx時,徑向滑塊13相對刀桿16就只能作徑向運動,產生相對位移δy ,實現徑向調節(jié)動作,從而實現徑向進給和退刀運動。 圖3.3 軸向滑塊與徑向滑塊相對位移示意圖 （c)液壓原理 壓力油壓力P由溢流閥調節(jié)設定，壓力表顯示，壓力的調節(jié)要能滿足系統(tǒng)的多項性能要求，壓力油壓力P的輸出與停止由二位三通電磁閥的動作來實現。 圖3.4 液壓原理圖 3.1.2確定方案結構示意圖 由于需要加工的焊管直徑為100mm，內部空間較為寬裕，可以更好地設計合理的機構，結構示意如圖3.5所示。 1－內毛刺刀座 2－環(huán)形刀 3－外毛刺刀座 4－絲杠 5－拉桿 6－固定架 7－連接桿 圖3.5 毛刺清除裝置部分結構圖 （a)刀具刃形設計 內、外毛刺刀采用環(huán)形刀結構。具體設計參照3.2.1。在清除毛刺時，兩把刀具都受到工件進給方向的切削力和相反方向的壓力。將內、外毛刺刀安裝在同一徑向位置，同時切削，既可以提高裝置的效率，又可以抵消內、外毛刺刀徑向的絕大部分力。 （b)切削進給方式 脹縮滑塊可在懸臂梁斜面傾角為α的斜面滑動,見圖3.6。當脹縮滑塊在懸臂梁斜面x方向(軸向)產生相對位移δx時,必產生y方向(徑向)的相對位移δy , 且δy=δx tanα。我們就利用δy 作為徑向進給的設計要素。由于懸臂梁固定,只要脹縮滑塊產生相對位移δx時,就能產生相對位移δy ,實現徑向調節(jié)動作,從而實現徑向進給和退刀運動。 圖3.6 脹縮滑塊與懸臂梁相對運動示意圖 （c)傳動方式 采用螺旋傳動方式。 3.1.3兩種方案的比較 本設計方案與前人方案比較，主要有以下兩點優(yōu)點： （1)在前人設計方案中，徑向滑塊由于焊管的相對運動受到相對的摩擦力，長時間的相對運動會磨損徑向滑塊。針對這種情況，可以在下面安裝支撐輥輪。但是考慮到切削屑會推積在管內，若有較大的切削屑阻攔輥輪的相對運動，則會造成內部支撐的不平穩(wěn)，同時導致輥輪的磨損。然而在本方案中，采用懸臂梁機構，使的整個機構與焊管下部分離。這樣不但消除了機構與焊管的摩擦力，而且避免了切削屑對機構的危害。同時，將前人方案中的徑向滑塊做成懸臂梁的一部分，更加使機構趨向簡單化。 （2)在前人方案中，液壓系統(tǒng)提供脹縮滑塊的推力。液壓系統(tǒng)是一種可靠方便的開關壓力源。不過在前人方案中，液壓系統(tǒng)只能定性要求不能定量要求，這樣，環(huán)形刀高度的升降就不能穩(wěn)定，容易刮傷焊管管壁。在本方案中，螺旋傳動機構雖然需要人工定期工作，但是更換方便，操作簡單，可以達到課題設計的要求。 3.2刀具系統(tǒng)的受力與變形分析 3.2.1切削力的估算與切削功率 （1)單位切削力 生產中，需要單位切削力來估算切削力的大小。 單位切削力就是切削力與切削層公稱橫截面積之比： （3.1） （3.2） 式中，－背吃刀量，－進給量 ，－切削力 ，－切削層公稱橫截面積 ， －切削層公稱厚度 ，－切削層公稱寬度。 根據內毛刺情況，可估算: ＝＝1×1=1（） （3.3） 根據查表可知硬質合金刀切削金屬時的單位切削力＝760，則 （3.4） （2)切削功率 切削功率就是消耗在切削過程中的功率。因此， （3.5） 式中，－切削力 ，－切削速度 3.2.2上臂懸梁截面的力學性能 懸臂梁的橫截面為一矩形，其中設－ 長 （），－ 寬（），現已知,，如圖3.7。 圖3.7 上懸臂梁橫截面圖 （1)長方形截面面積 式中，－長方形截面面積（） （2)長方形截面對X、Y軸的慣性矩 （3.6） （3.7） 式中，－長方形截面對X軸的慣性矩（），－長方形截面對X軸的慣性矩（） （3)長方形截面對X、Y軸的抗彎截面系數。 （3.8） 式中，－長方形截面對X軸的抗彎截面系數（），－長方形截面對Y軸的抗彎截面系數（）。 （4)長方形截面重心S到X、Y邊的距離 式中，－長方形截面重心S到X的距離（）， －長方形截面重心S到Y的距離（）。 （5)長方形截面對X、Y軸的慣性半經 式中，－長方形截面對X軸的慣性半經（），－長方形截面對Y軸的慣性半經（）。 3.2.3刀具系統(tǒng)的變形 由于刀具受到向上和向左的切削力，懸臂梁在力的作用下將發(fā)生徑向和軸向的變形。特別是徑向這一敏感方向在Fy的作用下，刀具的位置將會被抬高。這樣會導致徑向切削深度減少，毛刺殘留高度較大，達不到精度要求，因此需要及時調整刀具高度來保證切削精度。如圖3.8為上懸臂梁受支座反力示意圖。 圖3.8 刀具系統(tǒng)受力變形示意圖 (1)B點的支座反力及彎矩計算公式 已知上懸臂梁的,。則根據圖3.9可得出： 圖3.9 刀具的受力分解 式中，－ B點的支座反力（），－ B點的彎矩（）。 （2)A點的擾度和轉角計算公式 （3.9） 式（3.9）中，－ A點的擾度（）,－ 截面的軸慣性矩（），其中,－ 彈性模量（）（參照表3.1）,－ A點的轉角。 在調整刀具時，必須考慮到A點的擾度大小來調整刀具的高度，確保切削的精度。在實際切削時需要將刀具高度下降1.07mm左右來抵消在切削時刀具被抬高的距離。 3.2.4上臂懸梁的中心拉伸及變形 已知，，。上懸臂梁的中心拉伸示意圖如圖3.10。 圖3.10 上懸臂梁的中心拉伸示意圖 （1)縱向作用下的正壓力（拉伸）計算公式： －縱向作用下的正壓力（） － 縱向力() － 材料抗拉許用應力（） （2)縱向絕對變形計算公式 － 長度增長 － 材料拉壓彈性模量 （3)縱向應變計算公式 － 縱向應變 （4)橫向應變計算公式 － 橫向應變 － 泊松比（參考表3.1） 3.3各部分零件結構設計 3.3.1毛刺的結構設計 毛刺刀的結構設計 毛刺刀采用環(huán)形刀。毛刺刀頭的材質常用的有以下幾種： 表 3.2 常見的5種刀頭性能比較 材質 密度 （） 抗彎強度不低于 （） 硬度不低于 （HRA） YT14 11.2～12.0 150 90.5 YT5 12.5～13.2 180 89.5 YG8 14.5～14.9 200 89 YG6 14.6～15.0 180 89.5 YT15 11.0～11.7 150 91 通過實踐分析，材質為YG8的刀頭材質較軟，需水壓較高（60～75 ），刀頭壽命較短。YT14的刀頭較硬，在刮削過程中容易崩刀。相比較而言，YT5的刀頭較好，克服了以上兩種刀頭的弱點，比較適用。刀頭直接安裝在刀桿上，連接為過盈配合。刀頭安裝時，輕輕敲打刀體，不許磕碰刀頭，以免損壞刀刃。從頭逐一檢查各緊固軸間隙時候松動。刀刃高度應比刀桿高出2～3mm，然后用緊固螺栓把刀體緊固在機架上。螺栓要擰緊，防止刀體下滑，造成生產上刮不到毛刺。 3.3.2脹縮滑塊的結構設計 （a)原理 脹縮滑塊的原理即為斜面?zhèn)鲃訖C構原理。斜面機構在機器中應用時一般滑塊上升為正行程，下滑為反行程。 （1)滑塊上升 當滑塊以等速沿斜面上升時，為驅動力，為生產阻力。因斜面加于滑塊的的總反力的方向應與相對于的運動方向成＋，其中為摩擦角，所以和之間的夾角為?，F已知載荷的大小和方向以及驅動力和反力的方向，所以按力的平衡方程作力多邊形如圖所示。然后由圖3.9可得 （3.10） 如果、間沒有摩擦，則有，可得理想的水平驅動力 可得滑塊上升時斜面的效率 （3.11） （2)滑塊下降 如圖所示，設將力減小到，滑塊以等速沿斜面下降，這時為驅動力，而為生產阻力。由于滑塊運動方向的改變，所以總反力與之間的夾角變?yōu)?。然后按作其力多邊形，如圖。可得： 同上面一樣，如果、間沒有摩擦，則有，可得理想的生產阻力為 所以，滑塊下滑時斜面的效率為： (a) (b) (c) (d) 圖3.12 斜面機構示力圖 由上述可知，當一定時，斜面的效率是升程角的函數，且正、反行程的效率不相等。當正行程時，如，則，機器要發(fā)生自鎖現象。因為正行程不應該發(fā)生自鎖現象，所以應使。當反行程時，如，則，機器也會發(fā)生自鎖。 （b)結構設計 脹縮滑塊和懸臂梁的材料都是采用45鋼。靜摩擦系數和動摩擦系數（無潤滑條件下）相同為0.149，根據可以得到。在脹縮滑塊的設計中，脹縮滑塊與懸臂梁接觸的斜面角。自鎖條件為：，因設計中，不滿足自鎖條件。右端小凸臺的作用是連接壓縮彈簧和增大與套筒的接觸面積以減少摩擦。脹縮滑塊結構圖如圖3.13。 圖3.13 脹縮滑塊示意圖 3.3.3套筒的設計和壓力塊的設計 (a）套筒的設計 螺旋傳動通過與脹縮滑塊的接觸將傳位移和力傳動給脹縮滑塊。這樣在旋轉傳動中，螺桿末端圓柱頭與滑塊直接接觸，而且兩者接觸面積較小，導致螺桿末端圓柱頭和脹縮滑塊容易被磨損，螺桿不易拆卸，更換較為復雜。若在圓柱頭前加上一個套筒則可以解決這一問題。通過定位螺釘的定位，套筒只有軸向位移，沒有徑向位移，將螺桿的直線加旋轉運動直接變?yōu)橹本€運動。同時套筒與脹縮滑塊的接觸面積較大，這樣兩者之間受力只有推力，套筒和滑塊的磨損也將大大減少。 (b)壓刀塊的設計 內壓刀塊是陷于內刀桿之中的，被內毛刺刀從中間穿出孔，屬于非規(guī)則零件，制造起來有一定的難度，左右可各用一顆緊定螺釘固定于內刀桿之上。外壓刀塊截面是正方形，四周有四顆緊定螺釘固定。外壓刀原先采用契形塊方便取出和裝配，后考慮到過定位問題，改成矩形塊。 第四章 螺旋傳動設計 4.1 選擇螺旋傳動的種類 表4.1 螺旋傳動的種類、特點及應用 滑動螺旋傳動 滾動螺旋傳動 靜壓螺旋傳動 1.摩擦阻力大，傳動效率低（通常為30－60％） 22．結構簡單，加工方便 33．易于自鎖 44．運轉平穩(wěn)，但低速或微調時可能出現爬行5．螺紋有側向間隙，反向時有空行程，定位精度和軸向剛度較差（采用消隙機構可提高定位精度）6．磨損快 1.摩擦阻力小，傳動效率高（一般在90％以上） 2.結構復雜，制造困難 3.具有傳動可逆性（可以把旋轉運動變成直線運動，又可以把直線運動變成旋轉運動），為了避免螺旋副受載后逆轉，應設置防擬轉機構 4.運轉平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時不爬行 5.螺母和螺桿經調整預緊，可得到很高的定位精度，并可以提高軸向剛度 6.工作壽命長，不易發(fā)生故障 7.抗沖擊性能差 1.摩擦阻力極小，傳動效率高（一般在90％以上） 2.螺母結構復雜 3.具有傳動可逆性，必要時應設置防逆轉機構 4.工作平穩(wěn)，無爬行現象 5.反向時無空行程，定位精度高，并且有很高的軸向剛度 6.磨損小、壽命長 7.需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求高的供油系統(tǒng) 應用 舉例 金屬切削機床的進給、分度機構的傳動螺旋，摩擦壓力機、千斤頂的傳力螺旋 金屬切削機床（特別是加工中心、數控機床、精密機床）、測試機械、儀器的傳動螺旋和調整螺旋，升降、起重機構和汽車、拖拉機轉向機構的傳力螺旋，飛機、導彈、船舶等自控系統(tǒng)的傳動螺旋和傳力螺旋 精密機床的進給、風度機構的傳動螺旋 根據上述內容，通過三種螺旋傳動的比較，得知滑動螺旋傳動更適合本課題的設計要求，故選擇滑動螺旋傳動。 4.2 螺紋副的螺紋種類、特點及應用 表4.2 螺紋副的螺紋種類、特點及應用 種類 牙型圖 特點 應用 梯形 螺紋 牙形角a＝30o，螺紋副的大徑和小徑有相等的徑向間隙。牙根強度高，螺紋的工藝性好（可以用高生產率的方法制造）；內螺紋以錐面貼合，對中性好，不易松動；采用剖分式螺母，可以調整和消除間隙；但其效率較低。 用于傳力螺旋和傳動螺旋如金屬切削機床的絲桿、載重螺旋式起重機、鍛壓機的傳動螺旋 鋸齒 形螺 紋 有兩種牙型一種是工作面牙型斜角α1＝3°（便于加工）非工作斜角α2＝30°；另一種是α1＝3°，α2＝30°的鋸齒形螺紋，只有行業(yè)標準。其外螺紋的牙根處有相當大的圓角，減小了應力集中，提高了動載強度；大徑處無間隙，便于對中。 用于單向受力的傳力螺旋，如初軋機的壓力螺旋、大型起重機的螺旋千斤頂，水壓機的傳力螺旋、火炮的炮栓機構 圓螺 紋 螺紋強度高，應力集中??；和其他螺紋比，對污染和腐蝕的敏感性小，但效率低 用于受沖擊和變載荷的傳力螺旋 矩形 螺紋 牙型為正方形，牙形角α＝0°。傳動效率高，但精確制造困難；螺紋強度比梯形螺紋、鋸齒形螺紋低。 用于傳力螺旋和傳動螺旋，如一般起重螺旋 根據上表格幾種螺紋類型的比較，分析其優(yōu)缺點，梯形螺紋更加適合課題的要求，綜上所述選擇滑動螺旋傳動的梯形螺紋，如圖4.1。 圖4.1 螺旋傳動示意圖 4.3螺旋傳動設計 4.3.1螺旋傳動的運動形式 （a)螺母固定，螺桿轉動并做直線運動。如某些千斤頂。 （b)螺桿轉動，螺母做直線運動。如機床進給運動，虎鉗。 （c)螺母轉動，螺桿做直線運動。如某些千斤頂，壓力機。 （d)螺桿固定，螺母轉動并做直線運動，用于某些手動調節(jié)機構。如插齒機主軸箱的移動調整。 在此次的螺旋傳動設計中我們選擇第一種情況：螺母固定，螺桿轉動并做直線運動。 4.3.2螺母、螺桿材料的選擇 （a)螺母的類型為雙級整體螺母 （b)螺桿的材料：40Cr 熱處理:調質230～280HBS淬火、低溫回火45～50HRC 應用:中等精度的一般傳動 （c)螺母的材料: ZCuSn10Pb1 特點和應用:和鋼制螺桿配合，摩擦系數低，有較好的抗膠合能力和耐磨性；但強度稍低。適用于輕載、中高速傳動精度高的傳動 4.3.3耐磨性計算 (a)計算參數 ζ的值：梯形螺紋ζ＝0.8 φ的值：整體式螺母取φ＝1.2～2.5，現在取φ＝2.5 許用壓強【P】的值：18～25 MPa，現在取20 MPa (b)計算公式： （4.1） ， , 梯形螺紋 (c)計算結果：螺紋中徑＝3.578㎜ 經查表得出下列數據（㎜）： 公稱直徑 中徑計算值 中徑值 螺距P 外螺紋小徑 內螺紋大徑 導程L 16 3.578 4 4 4 4 4 表4.3 螺旋傳動數據 螺母高度H的值為：10mm，現取15 mm 旋合圈數z的值為：2.5，現取3.75 螺紋的工作高度h的值為：2mm 工作壓強p的值為：15.915MPa 4.3.4計算螺桿強度 (a)計算參數 螺桿材料的許用應力：157～261.667 MPa (b)計算公式 （4.2） (c)計算結果 螺桿當量應力σ的值為：95.125MPa 4.3.5螺紋牙強度計算 (a)計算參數 材料的許用應力：30～40 MPa 材料的許用彎曲應力：40～60 MPa (b)計算公式 螺桿 （4.3） 螺母 （4.4） 螺紋牙底寬度 梯形螺紋 (c)計算結果 螺紋牙底寬度為：2.6mm 螺桿抗剪強度為：12.243MPa 螺桿抗彎強度為：28.252MPa 螺母抗剪強度為：12.243MPa 螺母抗彎強度為：28.252MPa 4.3.6螺桿強度計算 (a)計算參數 螺桿材料的切變模量G為：83000MPa (b)計算公式 （4.6） (c)計算結果 軸向載荷使導程產生的變形量為：0.00154mm 轉矩使導程產生的變形量為：0.00047mm 導程的總變形量為：0.00107mm 4.3.7計算效率 （a)計算公式 （0.95～0.99）為軸承效率，決定與軸承形式，滑動軸承取小值 （b)計算結果 軸承效率為：0.96 效率為：0.673 結束語 本設計方案采用在線去毛刺裝置對直縫鋼管的內外毛刺進行清除，基本上能滿足課題研究的要求。采用在線去毛刺裝置改善了去毛刺質量和提高了生產質量，并且能夠實現刀具的在線調整，切削毛刺的同時能實時調節(jié)刀具高度以滿足精度要求。本設計提出了內外毛刺同步切削的嘗試，提高了工作效率和工作精度，效果良好。 裝置原理清晰、結構簡單合理、操作方便可行，實現了在線同步去除內外毛刺，并滿足了規(guī)定的精度要求。去毛刺后的直縫鋼管可用來代替無縫管，具有生產成本低、表面質量好、尺寸進度高、規(guī)格范圍廣、能源消耗低等優(yōu)點，在我國具有廣闊的市場前景。然而限于本人水平和時間倉促，設計中仍有一些不足待以改進，比如設計方案中螺旋傳動機構是用手柄控制進給，下一步可以嘗試用伺服電機控制，同時與感應器連接，實時控制毛刺的切削精度及檢測，開發(fā)全自動在線切削毛刺裝置。 致 謝 在完成本設計之際，首先向尊敬的曲海軍導師老師致以衷心的感謝。本設計是在老師的精心指導、熱情鼓勵和支持下完成的。在整個課題的設計過程中，老師嚴謹的治學態(tài)度，高深的學術造詣和誨人不倦的精神，時刻激勵著我，令學生受益無窮。 在做畢業(yè)設計的這幾個月中，我從老師的耐心指導中獲得了許多幫助，也學到了很多知識，令學生感激不盡。 同時也感謝近幾年來，所有老師對我辛勤的教導，大學是我人生中最重要的一段經歷，在這其中我不僅從老師們那里學到了非常多的知識，老師們的奉獻精神也令學生在以后的人生中不斷受到激勵。在此謹表示我對所有老師的崇高敬意和衷心的感謝。 最后我要感謝百忙中抽出時間審閱論文的老師們，對他們的付出表示深深的謝意！ 參 考 文 獻 ［1］ 劉志儉.ERW直縫焊管內毛刺清除裝的發(fā)展［J］.鋼管2006（3）：7－12 ［2］ 陳靜剛.機械式直縫焊管內毛刺清除裝置［J］.機械制造與自動化 2006（3）：70－71，74 ［3］ 王華坤，范元勛.機械設計基礎［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001 ［4］ 方子良主編.機械制造技術基礎［M］.上海：上海交通大學出版社，2004 ［5］ 葉蔭森.毛刺的檢測方法及其選擇初探［J］.機床及液壓1996（1）：49－50 ［6］ 張惠生.機械零件去毛刺工藝的現狀與發(fā)展［J］.北京建筑工程學院學報，2001（4）：58－59 ［7］ 姜勇，賀松林，丁小玲.AutoCAD 2007中文版基本功能與典型實例［M］.北京：人民郵電出版社，2007 ［8］ 姜勇，馮輝. 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