全自動盤料銅管單根校直無屑下料機的設計分析

許寧萍 張 浩

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226000）

隨著銅管的使用范圍不斷拓展，直徑小、薄壁和高效能銅管的需求量不斷增加。建筑、機械制造等行業均需要使用大量的銅管，如各種建筑管道、配件、裝飾用品、工業閥門以及泵類設備等。本文主要針對實際的盤料銅管生產需求，對其校直、切斷等加工工藝進行研究。

1 相關技術分析

1.1 銅管切斷技術

傳統的切斷技術均為非剪切式切斷法，如鋸切法、砂輪切斷法以及切削式切斷法。該類方法存在管材切斷面十分粗糙的明顯缺陷，其中砂輪切斷法還存在砂輪損耗大、噪聲大等弊端，且用于加工硬度較低的細徑、薄壁銅管時極易造成管口變形等問題。沖切剪斷法、雙重沖切法、旋轉輥剪切和芯棒剪切法等剪切式切斷技術可避免管口變形，但部分剪切式切斷技術存在切斷下料效率不高的問題。自動化生產中常應用剪切式切斷技術，加工時需采用專用設備。雖然加工成本較低，但是存在管材加工質量不穩定、管口易出現裂紋等缺點，且不同剪切方法的原理、適用范圍和優缺點也有所不同。例如：沖切法利用壓力機切斷管材；雙重沖切法利用刨刀、移動式薄片切刀進行兩次加工，可較好地避免管材被壓扁，但會產生少量毛刺；芯棒剪切法在銅管中放置芯棒避免了管材被壓扁，適用于剪切長度較短的銅管，但是切斷完成后不易取出管材，且會降低加工效率；旋轉輥剪切法在銅管中放置芯棒使管材直徑發生變化，刀具全周旋轉切割，能獲得平整的切割端面，適用于圓度好的薄壁銅管。

相比以上方法，在加工薄壁細徑銅管時，滾壓剪切法可獲得平整的切割端口，避免了銅管變形或存在毛刺，且生產工藝較為簡單，能更好地實現無屑切削和自動化下料。因此，本研究將基于該技術進行下料機設計。應用該技術切割銅管時，下料機無齒牙切割刀圍繞銅管沿銅管徑向的垂直方向進行切割，切割時由托輪支撐銅管，能有效避免銅管變形。該切斷方式操作簡單，斷面可靠，工作效率較高，能保證端口平整且不易產生切屑[1]。

1.2 銅管校直技術

常用的銅管校直方法有壓力反彎曲校直法、旋轉輥校直法以及張力校直法等。其中：壓力校直法是通過兩點支撐并向銅管彎曲方向反向施加壓力來校直管材的方式，適用于厚壁管材，缺點是校直效率低、質量無保證；旋轉輥校直利用不同輥形，使通過其中的銅管被反復彎曲來校直管材，應用較廣，適用于薄壁類管徑銅管的加工；張力校直通過向銅管兩端施加拉力，使銅管產生塑性變形實現校直，適用于加工拉伸率為1%～3%的銅管[2]。平行輥校直、張力校直和壓力校直都具有直接的校直過程，不會產生過大或十分不均勻的曲率，因此適用于加工細長的盤料銅管彎。實際生產中，應用該方法時需要根據銅管直徑、管壁厚度等數據來改進旋轉輥，并結合合理的改變滾輪形式和滾動速率，保證合理的加工速度和接觸壓力來校直銅管，從而保證銅管校直的質量和效率。

2 全自動盤料銅管單根校直無屑下料機的機械設計研究

2.1 機械設計要求

設計盤料銅管下料機時，需要滿足銅管校直、定尺寸送料以及銅管切斷等基本功能，且需要有較好的機械性能。例如，整個下料機需要具有合理的振動性能和傳動精度、設備自身的剛度和熱變形等特性，同時應滿足設計文件的相關要求，在保證機械能夠可靠工作的基礎上降低設備制造成本。確定機械總體功能后，需要對總體功能進行拆解，以得到該機械各項子功能結構圖及系統整體的工作過程圖，從而細化各項功能并確定功能載體。基于這一思路可知，盤料銅管下料機應具備校直校圓和銅管切斷兩大功能。其中：校直校圓可細分為銅管校直和校圓兩項子功能；銅管切斷應包括銅管送料、固定夾緊、旋轉切斷和快速拉斷等子功能，而旋轉切斷又可細分為刀具回轉、徑向進給等內容。得到細分功能后，需要對各功能載體開展構思。例如，構思夾緊拉斷裝置時，可將其分為螺旋夾緊、機械夾緊或壓力夾緊，然后設計相應的夾緊裝置[3]。

2.2 總體方案

盤料銅管下料機由伺服電機及相應的傳動和送料裝置實現銅管的送料，然后經過開料架被拉直。銅管經過應用平行輥校直技術的校直裝置后被校直、校圓，使其直線度、圓度滿足加工要求，然后由銅管夾緊模塊夾緊被傳送的銅管，之后夾緊模塊沿絲桿移動以保持夾緊銅管的狀態，并向同方向運送傳送銅管。當送料長度達到一定要求后，拉斷裝置收縮夾緊銅管，最后銅管被應用滾壓剪切法的切斷裝置旋轉切割，再由拉斷裝置拉斷[4]。

在啟動全自動程序后，盤料架開卷電機會將盤料架打開，盤料架中的銅管會直接下垂到一定尺寸，然后微動開關會向開卷電機發出信號，使電機停止工作。此時的銅管會借助校直裝置，在垂直方向或水平方向完成校直成直料。在夾緊裝置配合下，會將直料傳送到氣缸位置并不斷向前運動，在加緊裝置和拉斷裝置配合下，銅管達到設定的長度后夾緊，此時啟動切斷裝置，使系統按照相應設定切割銅管。在銅管內徑還有0.03～0.05 mm時，拉斷裝置啟動，及時將銅管拉斷。在這一過程中，銅管內部不會出現銅屑，因此十分方便可靠，并在完成切削后自動進入下一個加工工序。該系統的控制原理包含可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 控 制、OP320文本操作、同步皮帶送料、伺服電機驅動以及日本歐姆龍旋轉編碼器計數等內容。本機是針對直徑為20 mm以下的盤管（銅管、鋁管）進行無屑開料的設備，管料經放料架過渡至主機的校直機構校直，由伺服電機驅動同步帶帶動管料到無屑開料機切頭，經前后夾緊切管、拉斷，最后由氣動集料架接管，全部過程自動化，穩定可靠。裝置使用時可分為手動操作和自動操作，模具更換簡單，操作簡便，生產效率高。

2.3 各裝置的設計

2.3.1 傳動結構

傳動方案應保證送料過程安全、可靠，且能夠滿足傳送速率的要求。為實現高精度、平穩和高效傳動，可采用液壓、電氣傳動等方式。本文采用伺服電機作為傳動動力，同時采用數控裝置控制絲桿的傳遞過程，以實現靈敏、高精度的自動送料。設計傳動結構時，需要確定最佳降速比，以減少傳動慣量，保證其負載與電動機匹配。切斷傳動結構應滿足相應的剛度、抗震等性能需求[5]。

2.3.2 切斷裝置

伺服電機驅動無齒伺服氣動刀具進行滾壓剪切，可保證切割面光整且不留銅屑。因此，應合理設計刀具結構，確定刀具、刀桿尺寸和切割時的移動距離，使用機械定位裝置合理控制進刀深度。

2.3.3 校直裝置

校直裝置應在水平、垂直方向各布置多組旋轉輥和整圓輪，對銅管進行包裹式的校直、校圓。同時，為保證校直、校圓的質量，避免因校直、校圓的作用力過大而劃傷銅管，應合理確定旋轉輥、整圓輪的外徑同軸度、圓度以及粗糙度等參數。此外，裝置的硬度等機械性能也應滿足使用需求。

2.3.4 拉斷裝置

為避免切斷口拉斷時產生變形，通常切斷裝置不能完全切斷銅管，需要保留一些余量，再由拉斷裝置在伺服電機的作用下拉斷銅管，使其與母材分離，然后掉落在接料架上。

2.3.5 夾緊裝置

設計夾緊裝置時，要合理確定夾緊力，避免用力過大時使銅管變形，或用力過小時因切割引起的振動而使銅管脫落。另外，為方便加工不同質量和直徑的銅管，可設計夾緊力可調的夾緊裝置。這種工藝方法在加工生產制造中的應用比較常見，多用于車夾具、鉆夾具以及磨夾具等設計制造過程。在夾具的設計制造中，要想達到鉆套中心軸線和安裝基準面的垂直角度要求，最好的技術方法就是在裝配后使用精鏜導向孔。這樣的設計工藝主要是為了應對組成零件累積誤差問題，借助坐標鏜床的精度，達到夾具要求的位置精度目標。因此，這一技術方法能夠確保鉆套中心軸線和夾具安裝基準面保持直角狀態，借助導向套底孔的方式，實現精度控制目標。在夾具使用中，要確保夾具設計的控制精度達標，需要從以下幾個方面做起。

第一，夾具在夾緊工件的情況下，要避免對于工件夾具占有的位置產生影響，以防止造成誤差。第二，要做好夾緊力大小的計算，保證工件在加工中的位置絕對可靠，避免夾具在使用中出現松動，同時避免加工過程中的較大震動。此外，還需要減少工件的夾緊變形，防止對夾具和工件表面造成損傷。第三，確保夾緊裝置操作便利，省時省力。在批量的生產中，可使用氣動或液動夾緊模式，而對于小批量的專用夾具的設計，可盡量使用結構簡單的螺釘壓板，以減少輔助時間的消耗。第四，夾具結構設計應該盡可能簡潔明了，并確保夾具的結構工藝性，盡量使用標準件，同時確保夾具自鎖性良好。

2.3.6 送料裝置

設計送料裝置時，要根據銅管直徑大小設計相應規格的送料模塊。工作時，夾緊模塊在伺服電機的作用下沿絲桿一起移動，從而夾緊并傳送銅管。因此，夾緊和送料裝置應設計合理的夾緊與送料方案，且絲桿及夾緊塊的剛度等機械性能應滿足使用需求。

3 結語

綜上所述，本文分析了適宜進行薄壁、細徑盤料銅管加工，有利于實現無屑切割和全自動加工的相關校直、切割技術，并基于滾壓剪切法和平行輥校直法研究了下料機的設計問題，同時研究了其功能需求、工作方案及各裝置的結構，可為后續實現全自動化的盤料銅管校直與無屑切割工作提供依據。