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針對(duì)管材的精密下料問題，給出一種基于疲勞斷裂機(jī)理的新型精密下料方法。完成了精密下料機(jī)和控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，利用徑向循環(huán)加載和管料表面缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)，通過變頻器改變下料模具的旋轉(zhuǎn)速度，控制在不同下料階段對(duì)管料的加載頻率，實(shí)現(xiàn)管材的精密下料。通過不同的實(shí)驗(yàn)控制曲線，進(jìn)行45鋼管、304不銹鋼管和T2Y銅管的下料實(shí)驗(yàn)，得出了下料時(shí)相應(yīng)的最佳變頻規(guī)律和理想控制曲線，并獲得了良好質(zhì)量的管料斷面。在理想控制曲線下，304不銹鋼管斷面最大凸起高度僅為0.08mm，凹陷深度僅為0.05mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的下料方法切實(shí)可行，能滿足工業(yè)中多種材料中小直徑厚壁管的下料要求。

由于管材是空心結(jié)構(gòu)，徑向沖擊、受壓很容易變形。我國普遍沿用鋸片或砂輪片來切斷管材。此方法的缺點(diǎn)是金屬消耗量多，噪聲大，而且毛刺比較長。剪切加工是一種經(jīng)濟(jì)的下料方法，它無廢料損失且生產(chǎn)效率高，特別適合大批量生產(chǎn)，但采用普通剪切下料法生產(chǎn)的毛坯精度較低，不能滿足精密成形的要求。目前針對(duì)棒料發(fā)展了多種精密下料的新方法，但有關(guān)管料下料的新方法研究比較少，能查到的是有關(guān)帶芯棒剪切的研究，但是該方法會(huì)使管料斷面產(chǎn)生壓塌、撕裂等缺陷，相對(duì)來講，其他管料的下料工藝研究較少，所以新的管料下料工藝和下料機(jī)理需要進(jìn)一步的探索和完善。本文提出了一種新型下料系統(tǒng)，是一種近凈成形下料工藝，該系統(tǒng)巧妙利用管料表面所預(yù)制環(huán)形缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)來進(jìn)行斷裂分離，使裂紋沿著環(huán)形缺口所在的截面處萌生并擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)低周疲勞、低應(yīng)力的精密下料。本文采用疲勞下料原理與實(shí)驗(yàn)工藝相結(jié)合的方法，研究了45鋼管、304不銹鋼管和T2Y銅管下料時(shí)加載頻率及控制曲線對(duì)斷面的影響規(guī)律。獲得了理想的加載頻率和控制曲線，提高了下料效率，并獲得了良好斷面。

1低周疲勞精密下料原理

該下料機(jī)工作初始狀態(tài)，管料B的中心線O1O1與下料模具的中心線重合，且與偏心模具固定盤的中心線O2O2平行，并具有偏心距e，開始工作時(shí)，下料模具的中心線以e為半徑，圍繞偏心模具固定盤的中心線做圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)管料的夾持端作圓周運(yùn)動(dòng)，使管料在夾持位置到環(huán)形缺口之間部分(L段)同時(shí)受到彎矩和剪切力的復(fù)合作用，這樣更加有利于促使管料在環(huán)形缺口處快速萌生微裂紋，并加速裂紋擴(kuò)展，能夠使管料在短時(shí)間內(nèi)快速斷裂，完成下料，且能夠獲得非常平整的管料斷面。

2新型厚壁管下料系統(tǒng)

2.1機(jī)械部分

該偏心套高速旋轉(zhuǎn)式管料精密下料機(jī)，主要由3部分組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、徑向加載下料機(jī)構(gòu)和棒管料固定裝置，如圖2所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主電機(jī)，主電機(jī)的軸上安裝有一主動(dòng)帶輪，主電機(jī)下面的機(jī)架上沿同一水平面配置傳動(dòng)軸和主軸，主軸空心，傳動(dòng)軸一端安裝有從動(dòng)帶輪，另一端安裝有齒輪，齒輪連接主軸，主軸的一端固定于機(jī)架上，傳動(dòng)帶連接主動(dòng)帶輪與從動(dòng)帶輪。徑向加載下料機(jī)構(gòu)包含下料模具，下料模具通過軸承連接于偏心模具固定盤上，偏心模具固定盤通過定位圓柱銷固定連接于主軸的另一端上。棒管料固定裝置包含支架，支架固定在底板上，在支架上固定有棒管料固定套，棒管料定位套緊配合于棒管料固定套內(nèi)，棒料一端放在下料模具中，一端放在棒管料定位套里。該下料機(jī)在進(jìn)行下料時(shí)，管料置于中心靜止。

電機(jī)開啟后，隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)偏心模具固定盤轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就會(huì)對(duì)管料進(jìn)行周向加載，由于管料環(huán)形缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)，快速持續(xù)的管料徑向循環(huán)施加的力會(huì)使管料環(huán)形缺口處萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在循環(huán)力的作用下快速擴(kuò)展，然后會(huì)瞬間斷裂。圖3為下料模具與管料固定套筒部位的結(jié)構(gòu)圖，很清楚地顯示了下料模具和管料固定套與管料的配合狀態(tài)。管料的環(huán)形缺口需要放置在管料固定套的端部截面處。

2.2計(jì)算機(jī)控制部分

下料機(jī)控制部分的結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。包括轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制和聲音監(jiān)測。轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制的主要任務(wù)是完成對(duì)下料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸及下料模具轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的模擬信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，來改變振動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制管料徑向加載頻率的目的，同時(shí)光電傳感器將轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)反饋回計(jì)算機(jī)，起到轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)顯示的效果，方便調(diào)節(jié)控制。聲音檢測的主要任務(wù)是檢測下料機(jī)下料過程中主軸產(chǎn)生的聲音頻譜，進(jìn)而摸索和完善對(duì)管料下料系統(tǒng)的優(yōu)化和對(duì)管料加載過程中裂紋起裂、然后斷裂這個(gè)過程的探索研究�？刂葡到y(tǒng)中的主要設(shè)備選用聯(lián)想品牌電腦、研華PCI－1712型高速多功能數(shù)據(jù)采集卡、采集卡端子板、博光E18－D50NK紅外光電傳感器、傳聲器、億恒MI－7008數(shù)據(jù)采集與分析儀、PanasonicM1XA54BSA型變頻器。

3厚壁管低周疲勞精密下料實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)管料

實(shí)驗(yàn)管料采用工業(yè)中常用的304不銹鋼管、45鋼管和T2Y銅管，其幾何參數(shù)如圖5所示。圖中，L1為下料長度，D為管料外徑，d為管料內(nèi)徑，r為開槽底角半徑，h為開槽深度，α為開槽角度。根據(jù)課題組的研究結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)中的需要，將本實(shí)驗(yàn)中管料參數(shù)定為L=50mm，D=20mm，d=14mm，r=0.2mm，h=0.5mm，α=90°。

3.2下料實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)的確定

該下料實(shí)驗(yàn)中，在控制方面主要有以下幾種參數(shù)起到主要的作用:初始頻率f0、結(jié)束頻率f1、過渡頻率值Δf、完成過渡頻率的時(shí)間Δt、完成下料所用時(shí)間tc，實(shí)驗(yàn)中選取了圖6中6種控制曲線進(jìn)行研究，進(jìn)而找出理想的控制曲線，在較短時(shí)間內(nèi)完成下料且獲得良好斷面。

3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照?qǐng)D6中的控制曲線進(jìn)行下料實(shí)驗(yàn)研究，表1中為采用的管料材料及其相關(guān)的控制參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)研究及驗(yàn)證得出控制曲線圖6f為理想控制曲線，能夠在保證提高效率的情況下獲得良好斷面。圖7為理想控制曲線所得的下料管料實(shí)物圖。

表2是不同材料精密下料實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括測量后管料斷面的凹凸最大數(shù)值以及完成下料所用時(shí)間。

4結(jié)論

(1)介紹了一種新型的厚壁管精密下料工藝，完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，并對(duì)厚壁管料的下料進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)研究。

(2)選取了6種不同實(shí)驗(yàn)控制曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果獲得了理想控制曲線，通過該曲線能夠提高下料效率，并且可以獲得具有良好斷面質(zhì)量的坯料。

(3)該精密下料工藝能獲得良好管料斷面、適用范圍較廣，該下料工藝尤其更適合脆性材料的管料下料。雖然塑性材料的管料下料效率很高，但斷面質(zhì)量的提高還有待進(jìn)一步研究。