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  • 厚壁管精密下料新工藝的實驗研究

    針對管材的精密下料問題,給出一種基于疲勞斷裂機理的新型精密下料方法。完成了精密下料機和控制系統的實驗平臺搭建,利用徑向循環加載和管料表面缺口的應力集中效應,通過變頻器改變下料模具的旋轉速度,控制在不同下料階段對管料的加載頻率,實現管材的精密下料。通過不同的實驗控制曲線,進行45鋼管、304不銹鋼管和T2Y銅管的下料實驗,得出了下料時相應的最佳變頻規律和理想控制曲線,并獲得了良好質量的管料斷面。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。實驗結果表明,所研究的下料方法切實可行,能滿足工業中多種材料中小直徑厚壁管的下料要求。

    由于管材是空心結構,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。剪切加工是一種經濟的下料方法,它無廢料損失且生產效率高,特別適合大批量生產,但采用普通剪切下料法生產的毛坯精度較低,不能滿足精密成形的要求。目前針對棒料發展了多種精密下料的新方法,但有關管料下料的新方法研究比較少,能查到的是有關帶芯棒剪切的研究,但是該方法會使管料斷面產生壓塌、撕裂等缺陷,相對來講,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理需要進一步的探索和完善。本文提出了一種新型下料系統,是一種近凈成形下料工藝,該系統巧妙利用管料表面所預制環形缺口的應力集中效應來進行斷裂分離,使裂紋沿著環形缺口所在的截面處萌生并擴展,實現低周疲勞、低應力的精密下料。本文采用疲勞下料原理與實驗工藝相結合的方法,研究了45鋼管、304不銹鋼管T2Y銅管下料時加載頻率及控制曲線對斷面的影響規律。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

    該下料機工作初始狀態,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,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動,帶動管料的夾持端作圓周運動,使管料在夾持位置到環形缺口之間部分(L)同時受到彎矩和剪切力的復合作用,這樣更加有利于促使管料在環形缺口處快速萌生微裂紋,并加速裂紋擴展,能夠使管料在短時間內快速斷裂,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

    2.1機械部分

    該偏心套高速旋轉式管料精密下料機,主要由3部分組成,傳動機構、徑向加載下料機構和棒管料固定裝置,如圖2所示。傳動機構包括主電機,主電機的軸上安裝有一主動帶輪,主電機下面的機架上沿同一水平面配置傳動軸和主軸,主軸空心,傳動軸一端安裝有從動帶輪,另一端安裝有齒輪,齒輪連接主軸,主軸的一端固定于機架上,傳動帶連接主動帶輪與從動帶輪。徑向加載下料機構包含下料模具,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,棒料一端放在下料模具中,一端放在棒管料定位套里。該下料機在進行下料時,管料置于中心靜止。

    電機開啟后,隨著主軸的轉動進而帶動偏心模具固定盤轉動,這樣就會對管料進行周向加載,由于管料環形缺口的應力集中效應,快速持續的管料徑向循環施加的力會使管料環形缺口處萌生疲勞裂紋,疲勞裂紋在循環力的作用下快速擴展,然后會瞬間斷裂。圖3為下料模具與管料固定套筒部位的結構圖,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。管料的環形缺口需要放置在管料固定套的端部截面處。

    2.2計算機控制部分

    下料機控制部分的結構簡圖如圖4所示。包括轉動速度控制和聲音監測。轉動速度控制的主要任務是完成對下料機轉動主軸及下料模具轉速的調節和控制,通過計算機發出的模擬信號控制變頻器的輸出頻率,來改變振動電機轉速,以達到控制管料徑向加載頻率的目的,同時光電傳感器將轉動信號反饋回計算機,起到轉速動態顯示的效果,方便調節控制。聲音檢測的主要任務是檢測下料機下料過程中主軸產生的聲音頻譜,進而摸索和完善對管料下料系統的優化和對管料加載過程中裂紋起裂、然后斷裂這個過程的探索研究?刂葡到y中的主要設備選用聯想品牌電腦、研華PCI1712型高速多功能數據采集卡、采集卡端子板、博光E18D50NK紅外光電傳感器、傳聲器、億恒MI7008數據采集與分析儀、PanasonicM1XA54BSA型變頻器。

    3厚壁管低周疲勞精密下料實驗研究

    3.1實驗管料

    實驗管料采用工業中常用的304不銹鋼管、45鋼管和T2Y銅管,其幾何參數如圖5所示。圖中,L1為下料長度,D為管料外徑,d為管料內徑,r為開槽底角半徑,h為開槽深度,α為開槽角度。根據課題組的研究結果和實際生產中的需要,將本實驗中管料參數定為L=50mm,D=20mm,d=14mm,r=0.2mm,h=0.5mm,α=90°。

    3.2下料實驗工藝參數的確定

    該下料實驗中,在控制方面主要有以下幾種參數起到主要的作用:初始頻率f0、結束頻率f1、過渡頻率值Δf、完成過渡頻率的時間Δt、完成下料所用時間tc,實驗中選取了圖66種控制曲線進行研究,進而找出理想的控制曲線,在較短時間內完成下料且獲得良好斷面。

    3.3實驗驗證

    按照圖6中的控制曲線進行下料實驗研究,表1中為采用的管料材料及其相關的控制參數。通過實驗研究及驗證得出控制曲線圖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物圖。

    2是不同材料精密下料實驗的實驗數據,包括測量后管料斷面的凹凸最大數值以及完成下料所用時間。

    4結論

    (1)介紹了一種新型的厚壁管精密下料工藝,完成了實驗平臺的搭建,并對厚壁管料的下料進行了具體的實驗研究。

    (2)選取了6種不同實驗控制曲線進行實驗研究,結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,但斷面質量的提高還有待進一步研究。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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