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1～2mm/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0.15mm， 表面粗糙度Ra可达1.6。
（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。

6.2.2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；
b——P 力离工件中心的垂直距离；
Ø ——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Mp和摩擦力矩Mt，为满足旋转条件，Mp必须大于或等于Mt，即
Mt≥Mp ，或T a ≥ P b 6-1
因T = μP ，得到b/a≤ μ
其中μ为摩擦系数。
由图2分析可得cosФ/2=a+R/R+r
推出a=r·cosΦ/2-RcosΦ/2(1/cosΦ/2-1)
于是可得a=[r-R(1/cosΦ/2-1)]cosΦ/2 6-2
将b = (R + r) sinΦ/2，
及a = [ r - R ( 1/cosμ/2- 1) ]cosФ/2 6-3
代入上式，且当Ф ≈ 0 时，cosФ/2 ≈ 1 ，
可得μ≥ (1 + R/r) tgФ/2
经变换，上式可简化为[2]
≥ (1 +d/D)·( Z/d) 或Z/d≤·(1 + d/D) 6-4

由上式可见，μ值越大，旋转条件越容易满足，这是很显然的。当摩擦系数μ，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μ= 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0.1～0.2mm，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, 特别是在被轧切管子的直线度较差时，刀刃受到的不稳定冲击力大增，刀刃极易崩裂。
另外，轧切速度提高将使刀具温升增大，磨损增大，刀具寿命降低。故应在保证轧切能顺利进行的前提下，尽可能选取大些的轧切速度，同时采取有效措施降低刀具温升，减小摩擦。
6.5 刀具参数的影响
(1)刀具直径
刀具直径对轧切过程的影响主要在同样刀具转速下，管子转速随刀具直径变大而变大，此时相对压下量可适当取大些，可提高工作效率。其次，当刀具直径增大时，其对管子产生的切向扩展将会变小，可减小轧制力矩。
(2)刀刃角
刀刃角的大小对管子材料的变形有较大影响，当刀刃角较大时，其两侧作用于管子，使材料产生的径向压缩增大，轴向延伸与外径扩展减小，其对轧切压力与轧切力矩的影响也较大。刀刃角越大所需轧切压力与轧切力矩也越大。
当然，刀刃角的大小决定了切割后工件端面的倒角，也就是说其实际上取决于工件的形状要求。如果可能的话，将其设计得小些，对减小轧切压力与轧切力矩是有利的。
6.6 结论
(1) 轧切的旋转条件为：
μ2 ≥ (1 + d/D)·( Z/d) 或Z/d≤μ2/(1 +d/D)； 6-5
(2) 刀具直径D 越大，允许的相对压下量Z/d也越大；
(3) 刀刃刃角越大，轧切压力与轧切力矩也就越大；
(4) 应选择合适的刀刃圆角，以提高其强度与使用寿命；
7 旋切机的自动控制
该设备的机械部分主要由贮料、上料、装料、送料及轧切等部分组成，下面对各部分的构成与作用作扼要叙述。
7.1 贮料与上料部分
这部分主要由贮料架和上料机构组成。每次可在储料板上放置10根钢管，储料板设置一定的斜度，可使钢管自动向下滚落。储料板上装料完成时，按下启动开关，挡块缩回，物料慢慢向下滚落，当检测物料的传感器检测到传动链上有物料后，驱动控制电器使挡块伸出，以挡住上面的物料不再继续下落，同时送料电机启动，通过减速器带动传动链轮转动，当物料传动过去时，检测物料的传感器再次启动，挡块收回，再次使物料向下运动，当有物料放到传动链上时，检测物料的传感器再次启动，挡块挡住上面的物料不继续下落，如此循环。
7.2 装料与进料部分
装料部分主要由管子支架、挡块、装料机构、检测装置、传送装置等部件组成。支架起支承钢管的重量和储料的作用；挡块起防止储料板上的物料持续下落的作用；检测装置主要由传感器控制其它电器来完成；传送装置主要是完成钢管的传送。
装料时,先使物料挡块缩回，因储料板有一定的倾斜度，钢管开始向下慢慢滚动，当检测物料的传感器检测到有物料经过时，挡块伸出以防止上面的物料继续向下运动，同时送料电动机开始旋转，通过减速机构带动链轮旋转，从而带动传动链转动实现送料的目的。由液压缸带动控制轧切部分沿滑槽上下移动，实现刀具的向下压紧或抬起放松。轧切时，首先切削电机旋转并通过带轮带动传送带转动，从而带动刀具旋转，通过液压缸带动切削部分沿滑槽向下运动或上升，实现轧切。液压缸带动轧切部分以适当的压力压住钢管，以减少钢管转动时产生的径向跳动。
进料机构由传动链实现，进料时，传动链带动钢管向前运动,直到钢管端头被挡块挡住为止，送料电机随即停转。进料传感器检测到物料到达后，轧切电机开始启动并通过传送带带动刀具旋转，通过液压缸的伸缩使轧切部分沿滑槽上下移动，依此控制刀具上下移动，控制刀具以适当的压力逐渐切入钢管，随着切入深度的一步步加深，直到拉应力超过材料的拉伸强度时，管子就被切断为止，切断的钢管自动落入料槽，检测物料传感器控制液压缸带动刀具上升，进料电机再次启动进行送料，实现下一次的切削。
7.3 轧切部分
这部分主要由割刀部件、支撑托轮、挡块和导向滑槽等组成，其中割刀部件包括主轧电动机、传送带、控制液压缸等机件。
刀具安装在传送带轮的输出轴上，主轧电动机通过传送带装置带动刀具转动，电机转速也可通过变频器调节。刀具的进给运动，由液压缸带动轧切部分上下移动来实现，支撑轮在轧切过程中起支撑工件的作用。挡块装在所需料长的固定位置上。当传送带传送钢管到位被挡块挡住后，切割电动机通过传送带带动刀具旋转，控制液压缸带动轧切部分沿滑槽向下运动，随着轧切深度的不断加深，钢管最终被切断，随后刀具在控制液压缸的作用下向上运动，送料电机随后起动继续向前等待下一次的切削，滚轮主要起支撑物料实现轧切的目的。挡块前端顶盘的仲出长度及其中心高度，可分别予以调整，以适应不同直径的钢管和不同长度的割件。
导向滑槽的作用是通过液压缸带动轧切部分上下移动。切断的物料可直接掉入料槽中。
8 电控系统
8.1 系统构成
本系统采用FP0型可编程控制器(PLC)作为控制核心，选用了一个十槽的CPU框架和一个十槽的扩展框架。除CPU模块外, 框架中共装有11个输入、输出模块和1个拨盘模块，模块的选用，主要根据触点的数量，负载的大小和动作频率的高低而定。输入器件中包括操作控制面板上的按钮和选择开关，各种功能和限位传感器。其中输出部分还包括：
三项交流电动机、以及接触器和直流电磁阀线

PLC体积小，可靠性高，尤其是它无需改动任方便地改变输出器件的状态或动作顺序的控制柔性，特别适用于本设备这一类机电一体化产品。
8.2 程序设计思想
PLC的控制程序，是根据管子的轧切工艺、设备功能和操作要求来进行设计的。
设备开机后只需按下启动按钮，设备即开始自动连续运行。对这一运行状态，程序的基本设计思想如下：
首先判定支承上有无料，若有料，进入正常轧切循环, 直到将割剩的料尾推出为止。此时支承处于无料状态，于是需判定支架上是否有料，如有料，则向支承装料，然后返回前面的程序，如无料，进一步判定贮料架中是否有料，若贮料架有料，则先向支架上料，然后再向支承装料。