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1、摘要生产电冰箱和空调的工厂的冷凝管的铜管需要铜管矫直切断机切断下料，而国内没有成熟的铜管矫直机，所使用的是从日本进口的机器。本文运用国内外著名机械设计专家关于矫直切断技术研究的优秀成果，设计出了具备自主送料、矫直、切断、拉断、堆放等功能，且可实现高效切断、柔性生产，产品精度符合要求、高质量、无屑无变形的铜管矫直切断机。通过比较传统管材矫直方法的各种特点及应用，将辊矫直改为滚轮矫直，更适合本课题研究的矫直切断机的工作要求。经过相比现有管材切断办法的优缺点，完成了对切断方案的设计，采纳滚压剪切法切断铜管，可以达到切口平整、无切屑、无变形的要求，且生产效率符合要求。本文通过查阅资料和在市场上调研后设
2、计出铜管矫直切断专机。经 Creo 3.0 软件绘制三维图，CAD软件绘制二维图，完成了对铜管矫直切断机的设计。本文基于传统的铜管矫直切断机提出了以下两个特点：1、能够通过 PLC 控制完成任意长度的切断；2、通过滚压剪切法实现无屑、无变形切断，且切断半径可调。关键词：铜管，矫直切断机，滚压剪切法，结构设计目 录摘要 IAbstract II一绪论 11.1 课题的来源、背景及意义 11.1.1 课题的来源 11.1.2 课题的背景 11.1.3 课题的意义 11.2 国内外研究现状 11.3 本课题研究内容 1二矫直与切断机构的设计与计算 32.1 矫直方案的选定 32.1.1 铜管矫直原理
3、与方法 32.1.2 矫直力的理论计算 42.2 切断方案的选定 72.2.1 传统管材切断方案 72.2.2 滚压剪切法 82.3 本章小结 8三铜管矫直切断机的总体设计 93.1 概述 93.1.1 矫直切断机机械系统设计要求 93.1.2 矫直切断机总体方案设计 103.1.3 切断机参数特性 113.2 铜管矫直切断机结构设计 113.2.1 送料传动结构方案设计 113.2.2 切断装置 133.2.3 矫直装置结构 143.2.4 夹紧拉断装置结构 153.4 总体结构设计三维图 173.5 本章小结 19四主要零部件的选型与计算 204.1 进给系统电动机的容量的选择 204.1
4、.1 电动机容量的选择原则 204.1.2 步进电动机的概述 204.1.3 步进电动机的容量的计算 204.2 滚珠丝杆传动 214.2.1 滚珠丝杆副的工作原理 214.2.2 丝杆长度和导程的计算 214.2.3 丝杠所受的额定动载荷 214.2.4 估算丝杆轴允许最大轴向变形 214.2.5 估算滚珠丝杆的底径大小 224.2.6 滚珠丝杠副的规格代号 224.2.7 值校验 234.2.8 预紧力的计算 234.2.9 临界转速验算 244.2.10 滚珠丝杠压杆稳定性验算 244.2.11 额定静载荷验算 244.2.12 丝杆轴拉压强度验算 244.2.13 系统刚度验算及精度选
5、择 244.3 本章小结： 25五总结 26致谢 27参考文献 28一绪论1.1 课题的来源、背景及意义1.1.1 课题的来源本课题来源自于武汉文博通机电设施 有限公司的协作项目 “铜管矫直切断机的设计 ”，主要设计一种应用于薄壁、细径铜管的矫直切断机， 要求设备能够快速切断，切口平整无切屑的目的。1.1.2 课题的背景生产电冰箱和空调的工厂的冷凝管是总长大概 10 米的铜管，使用前要求对铜管进行校对，保证平直，绕在圆筒上的盘料卷不矫直就无法使用，为了将铜管矫直，而且按既定的长度切断，需要可靠性高的铜管矫直切断机。而国内没有成熟的铜管矫直机，所使用的是从日本进口的机器，虽然能够矫直和切断，但是
6、不是同步的，生产效率不高，所以生产一台具备自主送料、矫直、切断、拉断、接料等功能，并且要保证铜管切口变形小、毛刺少、端口平整的铜管矫直切断机迫在眉睫。1.1.3 课题的意义基于铜管矫直切断机的实践需要，将平行滚轮和垂直滚轮矫直法以及滚压剪切切断法应用于铜管矫直切断机的 设计，以达到提高设计质量，缩短铜管矫直切断机的开发设计周期的目的。1.2 国内外研究现状生产电冰箱和空调的工厂的冷凝管是展开长大约 10 米的铜管，绕在圆筒上的盘料卷不矫直就无法使用，所以为了将铜管矫直，而且按要求的长度切断，迫切需求铜管矫直切断机。而国内没有成熟的铜管矫直机，所使用的是从日本进口的机器，虽然能够矫直和切断，但是
7、不是同步的，生产效率不高，并且国内切断方法多使用铣刀或砂轮切断法，切削时间长，且切下的铜末不易清除，使铜管杂质增多，影响冰箱或空调的制冷效果。冲切切断法采用气缸或油缸驱动冲切模切断铜管。冲切法切断时间短，能满足同步切断的节拍要求，基本无切削，但是铜管断面有变形，我已经查阅到了比较合适的改进方案，将在本文第二部分第二节中作中详细介绍。因此生产出一台具有自动送料、矫直、切断、翻板堆放功能的铜管矫直切断机迫在眉睫。1.3 本课题研究内容本课题的研究内容是设计出完整可用于批量生产的铜管矫直切断机，原始的铜管矫直机主要由主机、送料架、料架、电气控制部分、气动部分、切断机构组成。但是我准备用步进电机带动丝
8、杆螺母送料穿过校直机构进行校直，电控部分控制进料的长度，随后用伺服电机控制切割头切断铜管。切断完成后通过气缸推动切割夹爪拉断铜管使其掉入接料架完成一次校直切断。其应满足（5-10）m/min 的送料速度，柔性生产（切管范围直径 6mm- 14mm，壁厚为 0.45mm-1 mm）。基于传统的铜管矫直切断机提出了以下两个改进方面：1、能够经过电气控制完成任意长度的切断；2、通过滚压剪切法实现无屑、无变形切断，且切断半径可调，实现柔性生产。二矫直与切断机构的设计与计算2.1 矫直方案的选定2.1.1 铜管矫直原理与方法如图 2.1，分别是是拉伸矫直、压力矫直、辊式矫直、正弦矫直这 4 种用于管、棒
9、材矫直的方法1。图 2.1 管棒材矫直方式a-拉伸矫直 b-压力矫直 c-辊式矫直 d-正弦矫直拉伸矫直铜管的方法需要对铜管两端施加拉力来矫直铜管，本课题的实际条件只能一端受力，此方法不适用；压力矫直法的效率低下，不适用于本课题的薄壁铜管；旋转辊式矫直法要求被矫直管材旋转，对于本课题的的铜管来说，铜管的一端在盘料架上，不能旋转，此方法也不能使用；结合各种矫直方法的原理，和本课题盘料铜管自身条件，经过分析所得结论是，我们要矫直的铜管，毛坯状态是盘料状，年生产量是几十万台，并且要便于进行探伤，所以我们设计出专用于盘料铜管的一种矫直方法即平行辊矫直法。平行辊矫直法：平行辊矫直法有两个基本使用条件：一
10、是为实现铜管的多次弯曲矫直要保证交错分布的矫直锟的数量足够；二是为满足矫直不同弯曲程度的铜管，要有可以调节压弯量的装置。符合这些基本要求的 5 辊式矫直法如图 2.21。图 2.2 平行辊矫直旋转辊 1, 3, 5 与旋转辊 2, 4 成对向布置，盘料铜管在一端受拉的作用下通过该 机构，在拉压应力的作用下铜管产生弹塑性变形从而达到对铜管进行 矫直的目的。通过将辊改变成滚轮的设计，使得矫直是的点接触改变为线接触，大大减小了矫直时产生的接触应力，同时大大加强铜管抵制变形的能力。因此设计出专用于铜管矫直的滚轮结构，如图 2.3。图 2.3 矫直滚轮2.1.2 矫直力的理论计算管材矫直时塑性变形普通都
11、要深入到管内径处，但不必要深入过多2。 管材的弯矩是通过管材外内径设想棒材即粗棒与细棒的弯矩之差来求得的。首先 想象粗棒的塑性变形比细棒小，其应力应变模型图如图 2.4 所示，假定:粗棒半径为，细棒半径为；弹性中心半径为；。图 2.4 管材弯曲应力应变图粗棒的弯矩2：（2.1）细棒弯矩为:（2.2）则管材的弯矩为。鉴于，及。代入上面 2.1、2.2 两式，相减得出管材弯矩为：（2.3）由于管材的弹性极限弯矩，故。代入上式可得（2.4）其弯矩比为（2.5）为避免矫直时管材受力过大而变形，应 采用较大的值来确定最大值。故推荐使用来计算。而塑性极限弯矩比仍按来计算，可得（ 2.6）对于常见管材的之间
12、，现取四个典型管材，作出 4 条曲线，见图 2.5，这四条曲线的最大弯矩比及塑性极限弯矩比对比如下:因此应用最大弯矩来计算所需的矫直力的大小，考虑到实际情况，应采用的压弯量。故管材的弯矩比为式 2.6 按代入得出结果，并用表示为:（2.7）图 2.5 管材的曲线这是条件下管材全长度中的最大弯矩比。此时要了解塑性变形深度沿纵轴的变化，需给出弯矩的表达式 :（2.8）将及代入上式得：（2.9）由于管材的，用它可以求出上式得弯矩比为：（2.10）在纵轴方向上任意一点 X 处外力矩与内力矩的平衡式为：（2.11）图 2.6 管材的曲线与曲线1最大弯曲时曲线；2 最大弯曲时曲线式中可由中求出，即：（2.
13、12）2.2 切断方案的选定2.2.1 传统管材切断方案管材切断主要有机械加工和剪切切断加工两种办法3。这些非剪切切断的长处是切断面的品质十分稳固，缺陷是切断的端口会不平，并且会发生切屑，这些非剪切切断办法不适用于硬度较小材质的管材切断。剪切法的优点是生产加工的效率较高，但是变形量大，容易发生切断面的畸变或者倾斜等缺点4。如果用剪切铜棒的方法来剪切铜管，铜管的剪切断面一定发生变形。2.2.2 滚压剪切法上述的传统管材切断管材的几种方法又有点也有缺点，但是都不是非常适用于本课题的铜管剪切，经过参考相干文献5 研究出如图 2.7 的一种专用于切割铜管的切断办法。图 2.7 滚压剪切原理图1铜管 2
14、切割刀 3拖轮2.3 本章小结本章主要研究内容如下：比较传统管材矫直方法的各种特点及应用，将辊矫直改为滚轮矫直，更适合本课题研究的矫直切断机的工作要求。相比现有管材切断办法的优缺点，完成了对铜管矫直切断机切断方案的设计；采用滚压剪切法切断铜管，可以达到切口平整、无切屑、无变形的要求，且生产效率符合要求，并且可以切断一定直径范围的铜管，实现柔性生产。三铜管矫直切断机的总体设计3.1 概述设计铜管矫直切断机，可以分为三步骤:第一步是确定方案。第二步是参数的设计计算。第三步是机器总体装配结构和相关重要零部件设计。（2） 技术原理为满足铜管矫直切断机的设计要求，并且用机械手段来实现要求的 功能目标。我
15、们把铜管矫直切断机的工艺过程分解如下：3.1.1 矫直切断机机械系统设计要求铜管矫直切断机设计基本要求，即能够满足盘料铜管的矫直、与定尺寸送料、 同时保证铜管的切断质量。除了满足其功能以外，还应 满足设计文件与工艺文件的标准化，工作牢靠、成本低、形状好看等要求。根据上面的设计要求分析的铜管切断机的大体需要实现的功能原理6，其具体功能细化图见图 3.1所示。图 3.1 切断主机功能分解图细分矫直切断机总功能和其他各个功能后，再求解分析各个细分功能的实现载体，对实现各个简单功能的载体进行构思 7。3.1.2 矫直切断机总体方案设计铜管矫直切断下料机的方案工作原理（见图 3.2 所示） 8:首先铜管
16、先经过 1、2 矫直装置对铜管实现矫直功能，通过步进电机和滚珠丝杆机构完成铜管的定尺寸送料，然后，经过 6 切割装置完成对铜管的切割，最后经由 7 拉断装置对没有完全切断的铜管进行拉断，铜管最终以规定长度放置在 8 接料架上面。图 3.2 铜管矫直切断下料机工作原理图1垂直矫直装置 2水平矫直装置 3机架 4送料装置 5铜管固定夹爪 6切断装置7拉断装置 8接料架 9光杆 10丝杆 11传动电机图 3.2 铜管矫直机方案图根据薄壁铜管矫直切断机的工作原理，以及设计的要求，其功用完成的机构包含以下几个结构。矫直装置：按平行辊矫直法的原理用两排矫直轮对铜管进行矫直9。送料装置：通过伺服电机控制定尺寸的送料，使用滚珠丝杆进行送料，使用伺服气缸夹紧。切断装置：使用无齿刀具切割，伺服气动刀具进给的方式。10。夹紧装置：夹紧装置采取伺服气缸气动夹紧方式夹取切断的铜管。拉断装置：以免断口存在缺陷，一般在切断铜管管材时会留有余量，然后拉断装置进
