HRB500高強(qiáng)度鋼筋剝肋倒角裝置設(shè)計(jì)與研究

?；⒗瑮畲T，楊佳俊，孫曉婷，張嘉鈺

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.石家莊理工職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，河北石家莊 050228)

0 前言

熱軋帶肋鋼筋是目前我國使用量最大的鋼材品種之一，被廣泛用于道路、橋梁、核電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[1]。近年來由于國家去產(chǎn)能政策的相繼出臺(tái)和對(duì)高能耗產(chǎn)業(yè)的不斷調(diào)整，HRB500高強(qiáng)度鋼筋作為一種高強(qiáng)度材料，是近幾十年來在HRB400鋼筋研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種熱軋帶肋鋼筋，具有可減少鋼筋的使用量、節(jié)約工程直接成本、減少鋼筋的安裝量等優(yōu)點(diǎn)，更加貼合市場需求，對(duì)節(jié)能減排將產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用[2-3]。大直徑HRB500高強(qiáng)鋼筋能夠有效減少鋼筋的使用量，節(jié)省建筑空間和建造成本，具有較好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。然而大直徑高強(qiáng)鋼筋螺紋采用傳統(tǒng)切削加工的方式，刀具難以對(duì)它進(jìn)行加工并且削弱了母材的連接強(qiáng)度，不能滿足大直徑高強(qiáng)鋼筋的加工要求。采用滾壓的方式對(duì)它進(jìn)行加工，由于鋼筋橫肋和縱肋的存在，使得滾壓前毛坯尺寸不準(zhǔn)確，也難以保證滾壓后螺紋的精度[7]。

基于此，本文作者提出一種針對(duì)鋼筋的銑端面、剝肋和倒角工序的加工設(shè)備，對(duì)鋼筋剝肋倒角機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元仿真分析。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

機(jī)床主要由六部分組成：進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、剝肋刀具、定位裝置、定心夾具、機(jī)床底座，如圖1所示。由于鋼筋長度較長，可采用臥式加工的方式，夾緊工件，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)。通過擋塊對(duì)工件進(jìn)行軸向定位，為保證工件與刀具之間的同軸度，采用定心夾緊機(jī)構(gòu)。平整端面采用端銑刀銑削的方式，剝肋和倒角采用車削的加工方式。主傳動(dòng)系統(tǒng)采用離合器變速機(jī)構(gòu)以滿足不同的轉(zhuǎn)速需求，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用絲杠螺母副傳遞運(yùn)動(dòng)。實(shí)物和經(jīng)過銑斷面、剝肋、倒角后的鋼筋分別如圖2和圖3所示。

圖1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)布局

圖2 機(jī)床實(shí)物

圖3 工件銑端面、剝肋、倒角后的鋼筋

工件由鋼筋輸送裝置輸送至剝肋工位，利用擋塊進(jìn)行定位，同時(shí)擋塊上安裝的金屬傳感器檢測工件到位后，夾具裝置運(yùn)行，夾緊工件。主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行帶動(dòng)剝肋刀具高速旋轉(zhuǎn)，橫向進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行，帶動(dòng)縱向進(jìn)給系統(tǒng)和主傳動(dòng)系統(tǒng)橫向進(jìn)給，對(duì)鋼筋端面進(jìn)行銑端面處理。當(dāng)剝肋刀具軸線與工件軸線重合時(shí)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行，帶動(dòng)主傳動(dòng)系統(tǒng)縱向進(jìn)給，對(duì)鋼筋端部依次進(jìn)行剝肋和倒角處理。最后縱向進(jìn)給系統(tǒng)和橫向進(jìn)給系統(tǒng)依次退回，夾具裝置松開，鋼筋被輸送裝置運(yùn)回，完成該工位的加工工藝。工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 刀具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼筋的幾何尺寸及實(shí)際情況，確定端面銑削厚度為3 mm，車削余量為1.4 mm，車削長度為60 mm，倒角為2 mm。文中設(shè)計(jì)的刀具由刀桿、銑端面刀片、剝肋刀片和倒角刀片組成，采用圖5所示結(jié)構(gòu)。刀具在加工高強(qiáng)鋼筋時(shí)，加工過程為斷續(xù)切削，刀具持續(xù)地受到載荷的震動(dòng)和沖擊作用，為了保證刀具的使用壽命，采用的刀具材料應(yīng)該具有高耐磨性和強(qiáng)度[8]。

圖5 刀具結(jié)構(gòu)

銑削部分采用的6片硬質(zhì)合金刀片均布在刀桿端部，剝肋部分兩片剝肋刀片距刀具中心距離分別為d1和d2且d1

倒角部分是對(duì)剝肋后的鋼筋進(jìn)行倒角加工，此部分也采用可轉(zhuǎn)位刀片。為了便于刀槽的加工和刀片的安裝，此部分刀片可采用和剝肋部分相同的刀片。該部分也采用2片刀片，對(duì)稱安裝在刀具體內(nèi)部。

2.2 切削用量的確定

2.2.1 車削(剝肋)切削用量的確定

刀具采用2個(gè)材料為硬質(zhì)合金的刀片，主偏角Kr=90°，前角γo=0°，刃傾角λS=0°，刀尖圓弧半徑r=0.4 mm。工件的公稱直徑為38.7 mm；縱肋寬和高均為3.5 mm；橫肋寬為2.9 mm。為了保證螺紋加工質(zhì)量，剝肋不能傷到底徑(38.7±0.7) mm。因此，將鋼筋剝肋直徑設(shè)置為40.5 mm。

(1)確定背吃刀量ap。刀具采用2片硬質(zhì)合金刀片將工件剝肋至φ40.5 mm，每個(gè)刀片的最大吃刀量為1.4 mm。

(2)確定進(jìn)給量f。被加工件的材料為合金鋼，加工直徑為43 mm，單個(gè)刀片的刀桿尺寸可等價(jià)于16 mm×25 mm，背吃刀量ap=1.25 mm。查機(jī)械加工工藝手冊，可知進(jìn)給量f=0.4～0.5 mm/r。因?yàn)殇摻顧M肋和縱肋的存在，加工過程為斷續(xù)切削，進(jìn)給量應(yīng)乘以系數(shù)k=0.75～0.85。取k=0.8，進(jìn)給量f=0.32～0.4 mm/r，取進(jìn)給量f=0.4 mm/r。

(3)確定切削速度。根據(jù)刀具材料為硬質(zhì)合金，背吃刀量ap=1.25 mm、進(jìn)給量f=0.4 mm/r由機(jī)械加工工藝手冊可得，切削速度v=142 m/min=2.4 m/s。因?yàn)榧庸げ牧夕襜=630 MPa，需要對(duì)切削速度進(jìn)行修正，查表得修正系數(shù)Kma=650/630=1.03，所以切削速度v=142×1.03=147.29 m/min。

剝肋切削用量如表1所示。

表1 剝肋切削用量

2.2.2 銑削切削用量的選擇

銑削鋼筋端面采用是端銑刀，齒數(shù)z=6，銑刀直徑取d0=125 mm，刀片材料為硬質(zhì)合金。

端面銑削用量如表2所示。

表2 銑削端面切削用量

(1)車削剝肋切削力的計(jì)算

刀具在切削工件時(shí)，存在切屑與工件內(nèi)部彈、塑性變形抗力，切屑與工件對(duì)刀具產(chǎn)生的摩擦阻力，兩者作用在刀具上的合力為F。合力F作用在切削刃工作空間某方向，由于大小和方向都不易確定，所以，為了便于測量、計(jì)算和反映實(shí)際作用的需要，可將合力F分解為3個(gè)分力：切削力Fc為主運(yùn)動(dòng)方向上的分力；背向力Fp為垂直于假定工作面上分力；進(jìn)給力Ff為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力。

根據(jù)金屬切削原理，刀具合力F的大小為

(1)

(2)銑削力的計(jì)算

銑刀為多齒刀具。銑削時(shí)，每個(gè)工作刀齒都受到變形抗力和摩擦力作用，每個(gè)刀齒的切削位置和切削面積隨時(shí)在變化，因此每個(gè)刀齒所承受切削力的大小和方向也在不斷變化。由于機(jī)床、夾具設(shè)計(jì)的需要和測量方便，通常將總切削力沿著機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為3個(gè)力：進(jìn)給力Ff、橫向進(jìn)給力Fe、垂直進(jìn)給力FfN。銑削時(shí)，各進(jìn)給力和切削力有一定比例，根據(jù)金屬切削原理與刀具，銑刀總切削力F為

(2)

根據(jù)《金屬切削原理與刀具》可得端銑時(shí)的銑削力公式為

(3)

查表可得：Fc=3 807 N；Ff=1 523 N；FfN=3 617 N；Fe=2 094 N；總切削力F=4 448 N。

2.3 夾具設(shè)計(jì)

2.3.1 夾緊裝置設(shè)計(jì)

采用圖6所示結(jié)構(gòu)對(duì)工件進(jìn)行軸向定位和夾緊，包括定位塊和定心夾緊機(jī)構(gòu)。定位塊安裝在橫向進(jìn)給工作臺(tái)上，對(duì)工件完成定位后可隨橫向進(jìn)給工作臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。定心夾具由V形塊、連接塊、夾緊滑塊和液壓馬達(dá)等組成，如圖7所示。V形塊兩工作面夾角為90°，具有良好的對(duì)中性，保證了工件軸線與剝肋刀具軸線的同軸度。液壓馬達(dá)通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾緊滑塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了V形塊對(duì)工件的夾緊與松開。采用2組兩爪卡盤能夠顯著減小工件偏移量的范圍，所以機(jī)床采用一組夾具水平放置、另一組夾具旋轉(zhuǎn)45°角安裝的方式。

圖6 定心夾具

圖7 定心夾具結(jié)構(gòu)

2.3.2 夾緊力計(jì)算

機(jī)床在加工零件時(shí)，為了保證加工精度，必須對(duì)工件進(jìn)行夾緊和定位[11]。夾緊力的作用主要是用來保證工件的定位基準(zhǔn)與定位件保持良好的接觸，使加工時(shí)不至于受切削力、離心力、慣性力、工件自重等作用而產(chǎn)生位移，在夾具設(shè)計(jì)過程中非常重要[12]。

根據(jù)金屬機(jī)械加工工藝人員手冊可知：采用圖8所示以2個(gè)V形塊定位夾緊進(jìn)行銑削時(shí)，所需夾緊力的計(jì)算公式為

圖8 加工簡圖

(4)

式中：W為所需加緊力；M為切削力矩；D為工件直徑；k為安全系數(shù)；f為摩擦因數(shù)。

工件直徑D取43 mm，端面銑削為粗加工安全系數(shù)k取3，摩擦因數(shù)f取0.3，切削力矩最大為117.92 N·m，計(jì)算得W=5 777 N。

2.4 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了縮短輔助時(shí)間，要求進(jìn)給系統(tǒng)具有快速空行程移動(dòng)功能，以實(shí)現(xiàn)刀具的快速接近和快速返回。采用以伺服電機(jī)作為動(dòng)力源的傳動(dòng)系統(tǒng)，采用絲杠螺母副傳遞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫向和縱向2個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

主傳動(dòng)箱重力W1=2 880 N，縱向進(jìn)給系統(tǒng)與主傳動(dòng)箱重力W2=5 832 N，縱向進(jìn)給系統(tǒng)最大行程Lk=590 mm，快速進(jìn)給速度vmax=100 mm/s，要求壽命Lh=20 000 h，可靠度97%。其他參數(shù)如表3所示。

表3 進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)

(1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得：

(5)

(2)確定當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm

在加工過程中，絲杠的軸向載荷Fi=Pxi+μ(W1+W2+Pxi)，由此代入機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中可得當(dāng)量載荷：

(6)

代入機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中相關(guān)數(shù)值可得當(dāng)量轉(zhuǎn)速

(7)

(3)確定預(yù)期額定動(dòng)載荷Cam

先按Lh要求根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊計(jì)算，伴有沖擊和振動(dòng)取fw=1.5；精度等級(jí)1～3級(jí)，取fa=1.0；可靠度97%，取fe=0.44，則

(8)

采用中預(yù)緊絲杠，取fe=4.5，按最大載荷Fmax計(jì)算：

C″am=feFmax=4.5×4 448=20 016 N

(9)

取C′am與C″am較大值，則Cam=38 764.7 N

(4)確定允許的最小螺紋底徑d2m

估算絲杠允許的最大軸向變形量δm：

(10)

(11)

取兩結(jié)果最小值δm=2.5 μm。

F0=μ0W=μ0W1=0.2×5 821=1 164.2 N

(12)

L=600 mm。取兩端固定支撐形式Q=0.039代入得

(13)

(5)確定滾珠絲杠副的代號(hào)

選擇內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)法蘭式ZD型2505-3，查表得d0=25.5 mm，d2=22 mm>d2m=20.6 mm，查表得螺母長為46 mm。

2.5 伺服電機(jī)的計(jì)算與選型

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式：

JR=md2/8=πρd4L/32

(14)

式中：m為旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量；d為旋轉(zhuǎn)部件直徑；L為旋轉(zhuǎn)部件長度；ρ為旋轉(zhuǎn)部件材料的密度。絲杠直徑d取0.04 m，工作長度0.48 m，材料密度ρ取7 800 kg/m3。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=π×7 800×0.044×0.48/32=0.94×10-3kg·m2。聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量依據(jù)樣本可以查得J2=1.1×10-3kg·m2。由于減速機(jī)為外購件，根據(jù)樣本可以查得J3=0.924×10-3kg·m2。直線運(yùn)動(dòng)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J4：

J4=M[P/(2π)]2=0.002 5 kg·m2

(15)

折算至電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

Jeq=(J1+J2+J3+J4)/i2=6.376 7 kg·m2

計(jì)算加速力矩及加速過程中電機(jī)軸上的總扭矩T∑，其中加速力矩：

(16)

式中：nm為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；ta為加速時(shí)間(s)。

等效摩擦轉(zhuǎn)矩：

(17)

式中：Fm為最大軸向載荷(N)，1/3Fm為螺母預(yù)緊力，即預(yù)緊力一般為軸向載荷的1/3；k為絲杠螺母副內(nèi)部摩擦因數(shù)，取0.3；μ為導(dǎo)軌與工作臺(tái)之間的摩擦因數(shù)；W為工作臺(tái)(含工件)重力(N)；Ph為絲杠導(dǎo)程(m)；η為效率，取0.88；i為齒輪傳動(dòng)比。

等效外負(fù)載力矩TL：

(18)

總扭矩：

T∑=max{Ta+Tf,TL+Tf}=9.06 N·m

(19)

電機(jī)功率：

(20)

3 基于ANSYS有限元分析

3.1 建立幾何模型

復(fù)合刀具可以對(duì)鋼筋完成銑端面、剝肋及倒角3道工序，其中刀具端部均勻分布6片硬質(zhì)合金刀片，用于剝肋的刀片及倒角的刀片位于刀具體內(nèi)部，如圖9所示。

圖9 刀具模型

3.2 建立材料模型

在切削過程中，材料的行為是非線性的，工件模型采用Johnson-Cook模型[13-14]，刀具可看成線性彈性模型，刀具材料為鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，密度為11 500 kg/m3，彈性模量為530 GPa、泊松比為0.3。工件的屈服強(qiáng)度為500 MPa，抗拉強(qiáng)度為630 MPa，工件材料參數(shù)如表4所示。

表4 工件材料Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

Johnson-Cook模型如下：

(21)

其中：A為材料在準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服強(qiáng)度；B為應(yīng)變硬化系數(shù)；εe為等效塑性應(yīng)變常數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變率；εo為參考應(yīng)變率；C為應(yīng)變率敏感系數(shù)；v為應(yīng)變率靈敏指數(shù)；Tm為材料熔點(diǎn)；Tr為室溫。

3.3 求解與結(jié)果分析

設(shè)置計(jì)算時(shí)間及時(shí)間步，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解?？梢钥闯?個(gè)切削過程均分為3個(gè)階段[15]：(1)塑性變形階段。刀尖和工件接觸并擠壓工件，使切削層發(fā)生塑性變形；(2)剪切滑移階段。切削層受到刀具的擠壓進(jìn)一步加劇，當(dāng)工件材料單元達(dá)到失效準(zhǔn)則時(shí)，將該單元從網(wǎng)格中刪除，切削層和工件發(fā)生分離，材料沿切削刃向上滑移；(3)切屑形成階段?；瞥龅牟牧喜粩嗔鞒觯⒃诘毒叩臄D壓下產(chǎn)生塑性變形，形成切屑。工件的等效應(yīng)力云圖表明：當(dāng)工件與刀具開始接觸時(shí)，等效應(yīng)力由刀尖與工件接觸點(diǎn)迅速向工件內(nèi)部延伸并衰減，隨著刀片的進(jìn)給，等效應(yīng)力范圍逐漸擴(kuò)大。如圖10所示，切削過程中位于第一變形區(qū)的材料，產(chǎn)生了塑性變形，等效應(yīng)力也達(dá)到最大值。

圖10 銑削仿真過程

由圖11可知：當(dāng)?shù)都饨佑|鋼筋時(shí)，等效應(yīng)力急劇增大，直至達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，使材料破壞，切屑和工件分離，切削穩(wěn)定進(jìn)行，最大等效應(yīng)力在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，最大等效應(yīng)力為1 772 MPa。由圖12可知：刀片與工件發(fā)生碰撞時(shí)，等效應(yīng)力從刀尖向刀體方向延伸并衰減，最大等效應(yīng)力均發(fā)生在刀尖處，其大小分別為1 611.1、1 193.7 MPa。

圖11 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖12 應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)語

(1)針對(duì)大直徑高強(qiáng)鋼筋螺紋，采用傳統(tǒng)切削加工的方式，刀具難以對(duì)它進(jìn)行加工并且削弱了母材的連接強(qiáng)度，不能滿足大直徑高強(qiáng)鋼筋的加工要求等問題，提出了一種針對(duì)鋼筋的銑端面、剝肋和倒角工序的加工設(shè)備。

(2)根據(jù)方便裝夾和便于更換，采用可轉(zhuǎn)位式刀具。銑削部分采用6 片可轉(zhuǎn)位刀片均勻地分布在刀體的端部，刀片的夾緊結(jié)構(gòu)采用壓孔式，剝肋和倒角部分采用2片刀片。

(3)根據(jù)加工要求，確定了剝肋倒角設(shè)備的工藝方案，計(jì)算了刀具的切削用量及切削力，為關(guān)鍵元器件的選型提供參考，闡述了該設(shè)備的加工過程。依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)剝肋倒角機(jī)床進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵元器件進(jìn)行了選型計(jì)算；根據(jù)加工設(shè)備的布局情況，確定了鋼筋輸送裝置總體方案，并對(duì)它進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵元器件的選型。

(4)對(duì)復(fù)合刀具切削鋼筋的過程進(jìn)行了研究，建立了三維切削仿真模型。通過仿真分析刀具擠壓材料產(chǎn)生切屑的過程，得到了切削過程中刀具應(yīng)力變化規(guī)律與應(yīng)力分布云圖，為HRB500高強(qiáng)度鋼筋剝肋倒角裝置設(shè)計(jì)與切削性能研究提供依據(jù)。