间歇式薄壁不锈钢管切削切管机的切削特性分析

  本章首先讨论了切管机的研究背景，对薄壁不锈钢管切管机的国内外研究现状做出了综述，其次对间歇式切削切管机的可行性进行了理论探究，再次对间歇式切削切管机在切削过程中存在的切削力进行了理论分析和计算，再次对间歇式切削切管机的主要部件进行了参数确定和标准件选取，最后对间歇式切削切管机的主要部件进行有限元分析，验证其参数合理性，并对间歇式切削切管机做出客观的评价，对未来切管机的发展方向做出展望。在研究内容上，以其它切管机的设计结构为基础，提出并设计了行星式双刀对称偏心安装间歇式切削的切削方式，这种切削方式打破了传统的一把刀具连续切削的切削方式，是切削方式上的一种突破。并且利用合理的机械结构提高了切管机的切削精度和自动化程度，降低了切削电机的使用数量，通过一个主电机带动两把刀具来提高切削效率。除此之外，刀具所产生的切削力能够相互抵消，降低了钢管的切割变形量，本课题的主要研究内容包括以下几个方面：

（1）针对薄壁不锈钢管的自身特性，提出了间歇式切削的薄壁不锈钢管切管机的设计方案，包括切割头、夹具、送料部分的设计。

（2）对间歇式切削的薄壁不锈钢管切管机的机械部分进行了相关的计算和设计，并且通过Solidworks和AutoCAD绘制了相应的三维和二维图形，并把三维图形进行了装配和运动仿真，从而验证了零件尺寸的合理性。

（3）对刀具切割过程进行了分析，并计算出了刀具的切割力，从而确定了切管机的刀具和切削功率。

（4）对间歇式切削的薄壁不锈钢管切管机的关键零部件进行ANSYS有限元分析，验证了零件的强度和刚度是否满足设计要求，对不合理的部分进行优化。

   切管机的最大切削力和额定切削功率是切管机的主要切削特性，最大切削力决定了切管机的最大切削厚度，而额定切削功率则决定了切管机的切削力和切削速度。由此可知，切削功率与切削力和切削速度有关，而切削力直接影响着切管机的切口质量，因此对间歇式切削切管机的切削力研究是设计切管机的基础。除此之外，由于不锈钢中含有一定量的铬、镍等元素，使得其机械性能得到了很大的提高，但是其切削性却大大降低，尤其是薄壁不锈钢的切削，更是不锈钢的切削难点，因此对切管机切削特性的研究显得尤为重要。

  整体来看，刀具对工件的切割实质上是刀具对工件进行挤压变形，使工件切割部分的材料沿着刀具的切割方向移动，并且产生剪切滑移和塑性变形，其中剪切滑移占切割的主要部分。当刀具切割工件时，刀具从接触工件开始对工件的作用力逐渐增大，工件的切割部分在材料的屈服极限之内首先发生弹性变形，随着刀具对钢管的作用力进一步增大，钢管切割部分发生塑性变形，当刀具继续进给达到材料的抗拉强度时切割部分的材料开始从工件上脱落，最终形成切屑。通过对切削区的研究，根据其变形特点可以把切削区划分为三个部分，即剪切滑移区、刀具与切屑接触区、刀具与薄壁不锈钢管接触区，如图中所示。剪切滑移区又被称为第一变形区，是切削力的主要来源。当刀具接触钢管时，刀具的切割面开始对钢管进行挤压，从而使钢管发生弹性变形，在屈服强度的范围内，当刀具的作用力进一步加大，钢管所受的挤压力进一步增加，其弹性变形量也逐渐增加，当钢管所受的力大于材料的屈服极限时，钢管开始发生塑性变形，切割部分的材料开始沿着刀具的切割方向移动，即出现了剪切滑移区。刀具进一步旋转，切口的塑性变形加大，塑性变形的范围也逐渐增加，当刀具的切割力大于钢管的剪切应力时切割部分的材料开始断裂，从而与工件分开。剪切滑移区与切削过程中的切削力和刀具的切削功率有关，在常见的切削速度范围内，剪切滑移区的宽度大约为0.02～0.2mm，并且与切削的速度成反比。

  刀具与切屑的接触部分为第二变形区，当材料从工件上脱离形成切屑时就变成了第二变形区。由于切屑经过刀片的切割使得自身的强度和硬度都有所增加，并且刀具前刀面仍对切屑产生强烈挤压，因此对刀具的前刀面影响较大。除此之外，这一变形区的相对滑移速度较低，产生的切屑在外界的挤压作用下开始堆积，导致了刀具的切削力增加，从而加剧了刀具的磨损。这一区域通常是研究刀具与工件之间的摩擦、刀具磨损、切削润滑的主要区域，刀具的耐用程度主要与第二变形区有关。刀具侧面与工件的已切割表面形成了第三变形区，它可以分为两部分，一部分是刀具切割以后切割部分材料的恢复区，另一部分则是恢复以后的稳定区。第三变形区是刀具摩擦力的主要来源，由于刀具与已切割部分发生摩擦，因此它影响着刀具的强度和刀具的切割质量。