1、 论文题目：钢管旋切机设计控制部分设计所学专业： 机电技术教育摘 要本设计通过对薄壁钢管的工艺性分析和无削切削工艺方案的分析，确定采用理论与实际相结合的方式并利用现有的条件来设计旋切机，在此基础上对钢管旋切机电气控制系统进行设计，从而得出整体结构方案。通过主要技术指标对钢管和选择，最终确定其装配总图。通过此次设计，掌握了机床电控的相关知识以及 plc 自动控制的知识，对于 ProE3.0/AutoCAD 等软件的应用方面有了进一步的提高。旋切机的电控部分进行选择和安装，然后对钢管旋切机的其它主要零件进行设计关键词：电气控制，薄壁钢管，无屑切削，自动切割，旋切机，plc.AbstractThe
2、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
3、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
4、 spin machine, and then choose to install and steel lathe cutting machine of the other major parts designKeywords: electrical control, tubes, without crumbs cutting, automatic lathe cutting machine, cutting, PLC目 录1 绪论 .12 设计要求 .13 主要技术指标 .14 现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点 .14.1 国内外研究现状 .24.2 现有钢管旋切机的工作原理 .24.3
5、特点及优缺点 .25 钢管旋切机改进方案 .26 切割工艺分析 .26.1 工艺特点 .26.2 钢管轧切过程 .36.3 钢管轧切时的变形分析 .56.4 各参数对轧切工艺的影响 .66.4.1 压下量的影响 .66.4.2 轧切速度的影响 .66.5 刀具参数的影响 .66.6 结论 .77 旋切机的自动控制 .77.1 贮料与上料部分 .77.2 装料与进料部分 .77.3 轧切部分 .88 电控系统 .88.1 系统构成 .88.2 程序设计思想 .98.3 割刀运动控制 .98.4 卸料运动控制 .108.5 钢管旋切机传感器及行程开关的选择 .108.6 电气控制系统电器的选择 .
6、118.7 旋切机自动控制 PLC 系统原理 .128.8 故障保护 .15致谢 .15参考文献 .1611 绪论目前我 国 机 械 工 业 钢 管 使 用 量 已 达 到 数 千 吨 以 上 ， 钢 管 的 切 割 量 非 常 大 ；但 就 目 前 钢 管 旋 切 技 术 过 于 陈 旧 落 后 ， 自 动 化 程 度 不 高 ， 加 工 精 度 低 ， 噪 声环 境 污 染 严 重 ， 随 着 国 内 plc 和 变 频 技 术 的 不 断 发 展 ， 为 钢 管 旋 切 机 的 改 进 提供 了 技 术 支 持 ， 此 设 计 通 过 plc 技 术 和 传 感 技 术 对 钢 管 的
7、从 上 料 到 切 断 完 全 实现 了 机 电 一 体 化 和 自 动 控 制 ， 不 尽 节 省 了 人 的 体 力 劳 动 ， 而 且 提 高 了 生 产 率 ，节 约 了 钢 材 的 浪 费 。在设计的过程中，能培养我综合运用所学知识，分析和解决实际中所遇到的问题，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，对所学过的一些东西又有了许多新的认识，同时在理解分析能力、制定设计或试验方案能力、设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次毕业设计中，能充分发挥出我们的创新能力和团队精神，树立良好的学术
8、思想和工作作风，牢牢把握住这次在走上岗位之前的实践机会，充分提高自己的实际动手能力，增强自己的工作能力。2 设计要求钢管旋切机的具体设计要求为：（1）对现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点进行分析，拟定改进方案。（2）进行钢管旋切机的工作原理设计。（3）对钢管旋切机的结构进行设计。（4）对钢管旋切机的控制系统进行设计。（5）利用 Pro/ENGINEER 软件设计出钢材旋切机各主要涉及部件的形状及钢管旋切机的总体形状。3 主要技术指标（1） 切管直径 5080mm （2） 割管壁厚 1.55mm（3） 割管长度 201000mm （4） 钢管长度 6m（5） 轧切精度0.15mm （5） 液压工
9、作压力 7.85MPa （7） 压缩空气压力 0.49MPa4 现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点旋切机的发展状况国内和国外有很大差别，主要原因是自动控制技术和传感技术以及 plc 和变频技术的落后。24.1 国内外研究现状国外旋切技术已经相当成熟，无论从机械部分还是自动控制部分，随着传感技术和变频技术的不断发展，机电一体化技术日趋完善，国内旋切技术也一定的提高，但和外国相比还有很大差距。4.2 现有钢管旋切机的工作原理主运动：一台主电机加一组减速机构和一组切割片。主电机通过减速装置进而带动切割片旋转。进给运动：主电机装在一机架上，通过移动机架，使切割片对固定的壁钢管进行切割。4.3 特点及优
10、缺点优点：工作原理简单，工作可靠，使用维护方便，便于携带运输，价格便宜，适用于加工精度不高的场合。缺点：加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大。5 钢管旋切机改进方案根据现在旋切机加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大的缺点，做如下改进：采用无屑轧切工艺，生产效率高管材利用好，可对不同直径，壁厚和长度的钢管作定长切断，钢管自动上料，自动切断，是一种典型的机电一体化产品，有可编程控制器对液压缸，电机，电磁阀，传感器等系统进行控制，从上料、装料、定位、进料到轧切，整个加工过程完全实现了自动化。该设备还装有累加计数和
11、预置计数装置，分别对切断的工件进行累计和设定计数，便于统计产量和计数更换刀具。6 切割工艺分析此钢管切割机是利用金属材料的塑性，对钢管进行塑性切断，以此来满足下道加工工序要求的、符合规定形状和尺寸的坯件。6.1 工艺特点此设备是利用管料塑性轧制切断，简称塑性轧切工艺它具有如下特点： （1） 效率高-轧切速度为 12mm/s，与普通车削工艺相比，可提高功效 10倍以上。（2） 材料利用率高 -因为无屑切削，切断过程中不产生切屑，管材可得3到充分利用。同有屑切断工艺相比，材料利用率可提高 13%左右，割管长度越短，效果越为明显。（3） 精度高- 采用专门的机械定位装置，切割长度偏差不超过士0.15
12、mm， 表面粗糙度R a可达1.6 。m（4） 断口直接成形凡对断口形状有一定要求的工件，利用刀具刀刃形状，就可一次直接成形。（5） 刀具形状简单与斜轧或楔横轧所用的轧辊相比，本工艺所用刀具形状简单，因而易于制造，成本低廉，且安装、调整方便。在轧切工艺中，各工艺参数、刀具形状参数及轧切温度等因素对轧切过程与轧切质量均有较大的影响。6.2 钢管轧切过程6.2.1 切割阶段分析如图1 所示，被轧切的管子2置于一对托轮3上，首先刀具1先旋转，随后液压缸带动连杆迫使刀具向下运动进行切割。整个切割过程可分为三个阶段：(1) 切入阶段 旋转的刀具开始切入静止的管子，并通过摩擦力带动管子转动；(2) 轧切阶
13、段 刀具在带动管子转动的同时，继续向下运动轧切工件，此时管子材料因屈服而产生塑性变形，刀具刃口下部的管材沿径向、轴向和切向三个方向产生流动，使管壁厚度逐渐减小。(3) 切断阶段 在刀具持续轧切下，管壁越来越薄，直到管子被切断为止。图 1 管子扎切示意1刀具；2工件；3托盘46.2.2 管子的旋转条件为使旋转的刀具压住管子后能带动它转动，某些工艺参数和刀具参数必须满足一定条件，称之为旋转条件。轧切初期，沿刀刃和管子之间的接触圆弧A B ，工件受到刀刃所加的压力，该压力是一种分布载荷，同时工件还与刀刃处于转动接触状态，而受到摩擦力的作用，如图2 所示。为简化分析起见，作如下两点假设。(1) 刀刃作
14、用于工件的分布压力和刀刃与工件间的摩擦力均看作为集中力，它们均作用于接触弧的中点C；刀刃对工件的压力以P 表示, 其方向为沿刀具法向；摩擦力以T 表示，方向沿刀具的切向，顺转向为正。 图2 中 a T 力离工件中心的垂直距离；bP 力离工件中心的垂直距离； 接触弧A B 所对应的刀具圆心角；r0 工件入口处的半径；r 工件出口处的半径；R 刀具半径；Z 压下量；(2) 工件在转动过程中所受的其他阻力忽略不计。由图2 可知，作用于管子的力P 与T 分别产生轧制力矩M p和摩擦力矩M t，为满足旋转条件，M p必须大于或等于M t，即MtMp ，或T a P b 6-1因T = P ，得到b/a
15、其中为摩擦系数。由图2分析可得cos/2=a+R/R+r推出a=rcos/2-Rcos/2(1/cos/2-1)图 2 轧切力分析5于是可得a=r-R(1/cos/2-1)cos/2 6-2将b = (R + r) sin/2，及a = r - R ( 1/cos/2- 1) cos/2 6-3代入上式，且当 0 时， cos/2 1 ，可得 (1 + R/r) tg/2经变换，上式可简化为 2 (1 +d/D)( Z/d) 或Z/d (1 + d/D) 6-42 2由上式可见，值越大，旋转条件越容易满足，这是很显然的。当摩擦系数，管子与刀具直径之比d/D 一定时，存在有一个相应的满足旋转条件
16、的极限相对压下量Z/d 。当管子与刀具直径之比d/D较大时，相对压下量必须取较小的值，而d/D 较小时，则允许的相对压下量就比较大。当刀具直径D = 300mm，管子直径 d = 70mm，根据设备的实际工况取摩擦系数= 0.1时，可算出极限压下量Zmax = 0. 6mm。而设备工作时的实际压下量仅0.10.2mm，故旋转条件能充分得到满足。6.3 钢管轧切时的变形分析轧切时，随着楔形刀刃的轧入，钢管在径向压力的作用下，产生剧烈而复杂的变形，这种变形，是由刀刃刃口及两侧作用于钢管所引起的。刃口作用于钢管主要产生径向压缩、切向扩展及轴向延伸等变形。其中径向压缩包括钢管的径向压缩和材料本身的径向
17、压缩，前者指材料向钢管内部流动产生的减径作用后者则是轧切的主要变形，唯此钢管才得以被塑性切断。刀刃轧入工件后，部分材料沿切向流动，使工件呈椭圆状。刀刃下部的材料还会沿轴向延伸而变形，这时在连皮材料内部将产生拉应力，成为延伸变形的阻力。刀刃侧面作用于钢管,使材料产生径向压缩、切向扩展、轴向压缩和外径扩展等变形。其中径向压缩和切向扩展同刀刃刃口作用时所产生的变形情况相似。轴向压缩使刃口下部的连皮材料产生拉应力，外径扩展是指切口斜面受压后，材料向管子外径方向流动，致使工件沿切口外径边缘处略微鼓起并呈椭圆状。以上凡由切向扩展和外径扩展所引起的椭圆变形，在整个轧切过程中沿整个圆周不断重复交替出现，随着轧
18、切深度的增加将逐渐减弱，甚至接近消失。因外径扩展产生的凸起状，将在托轮的对滚碾压作用下渐趋敷平。轧切时，管子在刀具刃口及两侧的作用下，产生剧烈而复杂的变形。刃口作用于管子，主要产生径向压缩、切向扩展及轴向延伸。径向压缩包括管子的径向压缩和材料本身的径向压缩，前者指材料向管子内部流动产生的减径作用，后者则是轧切的主要变形，唯此管子才得以被塑性切断。刀刃轧入工件后，部分材料6沿切向移动产生切向扩展，并使工件呈椭圆状。同时刀刃下部的材料还会向轴向压缩，这时管壁尚相连部分材料内部将产生拉应力，成为延伸变形的阻力。刀刃两侧作用于管子，使管子材料产生径向压缩、切向扩展、轴向压缩和外径扩展等变形。其中，径向
19、压缩和切向扩展同刃口作用时情况相似。轴向压缩使刃口下部尚相连部分材料产生拉应力，外径扩展是指材料向管子外径方向流动， 致使切口外径边缘处略显鼓起并呈椭圆状。由切向扩展和外径扩展共同引起的椭圆变形，在整个轧切阶段中，沿整个圆周不断地重复交替出现，随着轧切深度的增加，这种变形逐渐减小，甚至近乎消失。至于外径扩展产生的突起状，将在托轮的对滚碾压作用下趋于敷平。在轧切初期，变形主要由刃口的作用引起，到轧切后期，刀刃两侧造成的轴向压缩变形所产生的轴向拉应力起主要作用，当拉应力超过材料的拉伸强度时，管子就被切断。根据以上的工艺分析，在设计过程中，对各有关的工艺参数、刀具形状、参数、轧切温度以及润滑条件等因
20、素，作了细致、合理的选择，实践表明本设备的工艺要求能得到充分的满足。6.4 各参数对轧切工艺的影响6.4.1 压下量的影响压下量Z 一方面影响到管子的旋转，另一方面影响到轧切压力、轧切力矩与轧切效率。压下量Z 越大，轧切效率就越高，但轧切压力与轧切力矩也越大，对机床的力学要求也就越高，当然压下量的增大受到极限压下量Zmax 的限制，否则将影响轧切过程的顺利进行。压下量Z 越小，轧切压力与轧切力矩就越小，但轧切效率也就越低。在轧切初期刀刃开始作用于管子时，刀刃与管子摩擦时间增多，刀刃受到的冲击力增多。在轧切时刀刃两侧与管子的摩擦时间增多，特别在管子不直时，刀刃受到的轴向冲击力增多，刀具极易崩刃。另外，压下量Z 越大，在轧切时每一瞬时对管子端面的压下量也大，在轧切结束时管子端面的不平整程度就大，成形质量差，尺寸精度下降，反之成形质量好，尺寸精度高。故应从整体上选择合适的压下量Z ，使刀具具有较长的寿命，对机床的力学要求相对较低，同时具有较高的生产效率。6.4.2 轧切速度的影响轧切速度直接影响轧切效率，速度越低效率越低，反之速度越高效率越高。但轧切速度不可能无限提高，因其受到机床输入功率与机床力学性能的限制, 特
