圓型鋼管滾切技術(shù)研究

李國康，于長春

圓型鋼管滾切技術(shù)研究

李國康，于長春

(沈陽理工大學(xué)工程實(shí)踐中心，遼寧沈陽110168)

介紹了圓管滾切裝置的工作原理，建立了滾軸運(yùn)動(dòng)軌跡方程和滾刃運(yùn)動(dòng)軌跡方程，應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)軌跡方程進(jìn)行了仿真分析，提出了滾切曲線槽設(shè)計(jì)的依據(jù)，得出了圓管完全滾斷時(shí)最小公轉(zhuǎn)角的計(jì)算式。

滾切;運(yùn)動(dòng)軌跡;極徑

0 前言

工程實(shí)踐中，圓型鋼管切斷最常見的方法有鋸切、氣割、磨切、滾切等。氣割和磨切切割效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，切口質(zhì)量差;鋸切噪聲大，切口寬，安全隱患大且不適合大口徑鋼管;滾切設(shè)備簡單，切割效率也較高，但只適用于鋼管能夠旋轉(zhuǎn)的場合。本文研究的滾切技術(shù)是鋼管固定不動(dòng)，滾刀圍繞鋼管旋轉(zhuǎn)的滾切方式，該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，切割效率高，易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 滾切裝置工作原理

滾切裝置由滾刀、刀桿組件、曲線槽板、徑向槽板、鎖緊裝置等部件組成。滾切原理示意如圖1所示。圖1中，曲線槽板由鎖緊裝置(圖中未畫)鎖定不動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)徑向槽板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使3把滾刀沿各自曲線槽運(yùn)動(dòng)，在曲線槽壓力角的作用下，滾刀產(chǎn)生徑向內(nèi)移，當(dāng)滾刀刀刃觸及被切圓管時(shí)，滾刀便產(chǎn)生滾動(dòng)切割，隨著公轉(zhuǎn)角增大、切割深度逐漸加深，達(dá)到曲線槽最低點(diǎn)時(shí)圓管進(jìn)入初始切斷狀態(tài)，此時(shí)鎖緊裝置打開，徑向槽板帶動(dòng)曲線槽板一起繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使?jié)L刀繼續(xù)滾切，直至圓管完全斷開，滾切完畢。

圖1 滾切裝置工作示意圖Fig.1Schematic diagram of roll-cutting device

2 滾切運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

以滾切過程為研究對(duì)象，建立如圖2所示物理模型。滾刀以位置A為起點(diǎn)，以角速度ω0繞鋼管公轉(zhuǎn)，同時(shí)還以角速度ω自轉(zhuǎn)，在外加徑向力的作用下繞切圓管，經(jīng)過轉(zhuǎn)角α?xí)r到達(dá)任意位置B。

圖2滾切物理模型Fig.2Roll-cutting physical model

圖2 中，ρ為滾刃處的極徑;R為圓管半徑; r為滾刀半徑;δ為圓管厚度。

設(shè)滾刀徑向進(jìn)給的速度為k，則有

滾刀滾切時(shí)為純滾動(dòng)，在某一瞬時(shí)dt內(nèi)，極徑走過的弧長與滾刀轉(zhuǎn)過的弧長相等，有

式中，dα為滾刀公轉(zhuǎn)角度。

將式(1)代入式(2)并積分，可得

為便于求解，假定ω為勻速，可得

式中，h為滾刀與圓管初始狀態(tài)時(shí)的徑向間隙。

式(5)、式(6)即為滾刀繞切圓管時(shí)滾刃極徑和滾軸極徑的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

如要研究滾刀軸極徑ρz的變化規(guī)律，則式(5)中的R用R+r+h代替

式(1)代入式(4)，整理后，有

3 仿真結(jié)果分析

本文以無縫鋼管D219×12為例編寫了MATLAB仿真程序。程序中初始參數(shù)為:滾刀徑向進(jìn)給速度分別為k=1 mm/s和k=1.5 mm/s，滾刀半徑r=40 mm，滾刀自轉(zhuǎn)角速度ω=0.58 rad/s，鋼管半徑R=109.5 mm，徑向間隙h= 5.5 mm，鋼管壁厚δ=12 mm。

3.1 MATLAB仿真程序

部分程序如下:

alpha=0:pi/180:2/3*pi;

H=R+r+h;

rho1=H*exp(－k*alpha/r/w);

rho11=H*exp(－1.5*k*alpha/r/w);

rho2=R/H*rho1;

rho21=R/H*rho11;

polar(alpha，rho1)，grid on

hold on

polar(alpha，rho2)，grid on

hold on

polar(alpha，rho11)，grid on

hold on

polar(alpha，rho21)，grid on

3.2 仿真結(jié)果分析

程序運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。圖中曲線1和曲線2為滾刀滾軸極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡圖，曲線3和曲線4為滾刀滾刃極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡圖;曲線1和曲線3對(duì)應(yīng)滾刀徑向速度k=1 mm/s的情況，曲線2和曲線4對(duì)應(yīng)k=1.5 mm/s的情況。由圖看出曲線2和曲線4曲率半徑更小，說明徑向進(jìn)給速度越大，滾軸軌跡曲率半徑越小，單位切削深度越大，切斷效率越高。所以，仿真階段可以調(diào)整徑向進(jìn)給速度k值的大小來模擬滾切運(yùn)動(dòng)軌跡和滾斷圓管所需轉(zhuǎn)角以及時(shí)間。

圖3中，曲線4比曲線3的運(yùn)動(dòng)軌跡更早進(jìn)入圓管斷開狀態(tài)，說明曲線4以更短的時(shí)間和更高的效率實(shí)現(xiàn)了圓管滾斷，由仿真計(jì)算結(jié)果知，曲線4轉(zhuǎn)入120°時(shí)對(duì)應(yīng)的極徑值為95.63 mm，說明圓管已進(jìn)入滾斷狀態(tài)，而曲線3在120°時(shí)所對(duì)應(yīng)的極徑為100.05 mm，說明圓管仍未被滾斷。因此滾斷滑槽曲線以曲線4為設(shè)計(jì)依據(jù)比較合理。

3.3 滾斷總公轉(zhuǎn)角計(jì)算

由圖3曲線可知，當(dāng)滾刀公轉(zhuǎn)角度達(dá)到滾斷圓管初始角度時(shí)，圓管已進(jìn)入初始斷開狀態(tài)，但欲完全滾斷，滾刀還需繼續(xù)公轉(zhuǎn)，因已無需徑向進(jìn)給，所以只要繞圓心繼續(xù)作等半徑滾斷運(yùn)動(dòng)即可，繼續(xù)的角度為360/n，n為滾刀個(gè)數(shù)。

圖3 極徑極坐標(biāo)圖Fig.3Polar diagram

所以，滾切總公轉(zhuǎn)角計(jì)算式為

式中，αz為滾刀從滾切開始至圓管完全滾斷所轉(zhuǎn)過的公轉(zhuǎn)角;αc為滾刀從滾切開始至滾斷圓管的初始公轉(zhuǎn)角。

圖3中曲線2方案，3把滾刀時(shí)最小公轉(zhuǎn)角為

即驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)使徑向槽板最小轉(zhuǎn)動(dòng)240°角，如此就給驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)行程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)建立的滾軸運(yùn)動(dòng)軌跡方程和滾刃運(yùn)動(dòng)軌跡方程，體現(xiàn)了滾切運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律;前者可直接作為曲線槽的數(shù)控加工方程，后者可判斷滾切狀態(tài);

(2)編寫的Matlab程序可以方便靈活地選擇滾切裝置最佳參數(shù);

(3)得出的滾刀公轉(zhuǎn)角計(jì)算式有助于驅(qū)動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)。

［1］李景方，習(xí)榮堂，邵新如，等．鋼管圓周剪切法的實(shí)驗(yàn)研究［J］．鋼鐵，1997(2)．

［2］李國勇，謝克明．控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

［3］黎康康．基于純滾運(yùn)動(dòng)的滾切剪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究［D］．大連:大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文．2009．

［4］韓霞，郝南海．圓周剪切裝置的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析［J］．機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009(8)．

［5］王濱鹽．各種熱切割的原理與特征［J］．國外機(jī)車車輛工藝．2014(3)．

［6］胡真，李志誠，王開和．鋼管切斷刀具研究與設(shè)計(jì)［J］．天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(1)．

［7］楊祖孝，姜軍生，李平．單層薄壁焊接鋼管切斷飛模［J］．模具技術(shù)，1999(3)．

［8］雷聞?dòng)?，王正燧，陳健．滾動(dòng)式剪切機(jī)滾切原理分析及剪切機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．重型機(jī)械，1987 (6)．

［9］莊文義．金屬微切削過程的有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究［D］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003．

［10］趙曉雯，劉豐，于恩林，等．管材滾切剪壓過程的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］．鋼鐵，2004(6)．

Roll-cutting technology research on circular steel tube

LI Guo-kang，YU Chang-cun
(Engineering practice center，Shenyang Ligong University，Shenyang 110168，China)

The working principle of roll-cutting device is introduced，and its trajectory equations are established and simulated based on MATLAB software．Design basis of the roll shaft curve groove is proposed，the calculation formula of least revolution corner is obtained．

roll-cutting;trajectory;polar radius

TG113.25

A

1001－196X(2017)01－0058－03

2016－09－21;

2016－09－29

李國康(1960－)，男，沈陽理工大學(xué)教授，研究方向液壓傳動(dòng)及控制