全自动盘料铜管单根校直无屑下料机的设计分析

许宁萍 张 浩

（南通理工学院 机械工程学院，南通 226000）

随着铜管的使用范围不断拓展，直径小、薄壁和高效能铜管的需求量不断增加。建筑、机械制造等行业均需要使用大量的铜管，如各种建筑管道、配件、装饰用品、工业阀门以及泵类设备等。本文主要针对实际的盘料铜管生产需求，对其校直、切断等加工工艺进行研究。

1 相关技术分析

1.1 铜管切断技术

传统的切断技术均为非剪切式切断法，如锯切法、砂轮切断法以及切削式切断法。该类方法存在管材切断面十分粗糙的明显缺陷，其中砂轮切断法还存在砂轮损耗大、噪声大等弊端，且用于加工硬度较低的细径、薄壁铜管时极易造成管口变形等问题。冲切剪断法、双重冲切法、旋转辊剪切和芯棒剪切法等剪切式切断技术可避免管口变形，但部分剪切式切断技术存在切断下料效率不高的问题。自动化生产中常应用剪切式切断技术，加工时需采用专用设备。虽然加工成本较低，但是存在管材加工质量不稳定、管口易出现裂纹等缺点，且不同剪切方法的原理、适用范围和优缺点也有所不同。例如：冲切法利用压力机切断管材；双重冲切法利用刨刀、移动式薄片切刀进行两次加工，可较好地避免管材被压扁，但会产生少量毛刺；芯棒剪切法在铜管中放置芯棒避免了管材被压扁，适用于剪切长度较短的铜管，但是切断完成后不易取出管材，且会降低加工效率；旋转辊剪切法在铜管中放置芯棒使管材直径发生变化，刀具全周旋转切割，能获得平整的切割端面，适用于圆度好的薄壁铜管。

相比以上方法，在加工薄壁细径铜管时，滚压剪切法可获得平整的切割端口，避免了铜管变形或存在毛刺，且生产工艺较为简单，能更好地实现无屑切削和自动化下料。因此，本研究将基于该技术进行下料机设计。应用该技术切割铜管时，下料机无齿牙切割刀围绕铜管沿铜管径向的垂直方向进行切割，切割时由托轮支撑铜管，能有效避免铜管变形。该切断方式操作简单，断面可靠，工作效率较高，能保证端口平整且不易产生切屑[1]。

1.2 铜管校直技术

常用的铜管校直方法有压力反弯曲校直法、旋转辊校直法以及张力校直法等。其中：压力校直法是通过两点支撑并向铜管弯曲方向反向施加压力来校直管材的方式，适用于厚壁管材，缺点是校直效率低、质量无保证；旋转辊校直利用不同辊形，使通过其中的铜管被反复弯曲来校直管材，应用较广，适用于薄壁类管径铜管的加工；张力校直通过向铜管两端施加拉力，使铜管产生塑性变形实现校直，适用于加工拉伸率为1%～3%的铜管[2]。平行辊校直、张力校直和压力校直都具有直接的校直过程，不会产生过大或十分不均匀的曲率，因此适用于加工细长的盘料铜管弯。实际生产中，应用该方法时需要根据铜管直径、管壁厚度等数据来改进旋转辊，并结合合理的改变滚轮形式和滚动速率，保证合理的加工速度和接触压力来校直铜管，从而保证铜管校直的质量和效率。

2 全自动盘料铜管单根校直无屑下料机的机械设计研究

2.1 机械设计要求

设计盘料铜管下料机时，需要满足铜管校直、定尺寸送料以及铜管切断等基本功能，且需要有较好的机械性能。例如，整个下料机需要具有合理的振动性能和传动精度、设备自身的刚度和热变形等特性，同时应满足设计文件的相关要求，在保证机械能够可靠工作的基础上降低设备制造成本。确定机械总体功能后，需要对总体功能进行拆解，以得到该机械各项子功能结构图及系统整体的工作过程图，从而细化各项功能并确定功能载体。基于这一思路可知，盘料铜管下料机应具备校直校圆和铜管切断两大功能。其中：校直校圆可细分为铜管校直和校圆两项子功能；铜管切断应包括铜管送料、固定夹紧、旋转切断和快速拉断等子功能，而旋转切断又可细分为刀具回转、径向进给等内容。得到细分功能后，需要对各功能载体开展构思。例如，构思夹紧拉断装置时，可将其分为螺旋夹紧、机械夹紧或压力夹紧，然后设计相应的夹紧装置[3]。

2.2 总体方案

盘料铜管下料机由伺服电机及相应的传动和送料装置实现铜管的送料，然后经过开料架被拉直。铜管经过应用平行辊校直技术的校直装置后被校直、校圆，使其直线度、圆度满足加工要求，然后由铜管夹紧模块夹紧被传送的铜管，之后夹紧模块沿丝杆移动以保持夹紧铜管的状态，并向同方向运送传送铜管。当送料长度达到一定要求后，拉断装置收缩夹紧铜管，最后铜管被应用滚压剪切法的切断装置旋转切割，再由拉断装置拉断[4]。

在启动全自动程序后，盘料架开卷电机会将盘料架打开，盘料架中的铜管会直接下垂到一定尺寸，然后微动开关会向开卷电机发出信号，使电机停止工作。此时的铜管会借助校直装置，在垂直方向或水平方向完成校直成直料。在夹紧装置配合下，会将直料传送到气缸位置并不断向前运动，在加紧装置和拉断装置配合下，铜管达到设定的长度后夹紧，此时启动切断装置，使系统按照相应设定切割铜管。在铜管内径还有0.03～0.05 mm时，拉断装置启动，及时将铜管拉断。在这一过程中，铜管内部不会出现铜屑，因此十分方便可靠，并在完成切削后自动进入下一个加工工序。该系统的控制原理包含可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 控 制、OP320文本操作、同步皮带送料、伺服电机驱动以及日本欧姆龙旋转编码器计数等内容。本机是针对直径为20 mm以下的盘管（铜管、铝管）进行无屑开料的设备，管料经放料架过渡至主机的校直机构校直，由伺服电机驱动同步带带动管料到无屑开料机切头，经前后夹紧切管、拉断，最后由气动集料架接管，全部过程自动化，稳定可靠。装置使用时可分为手动操作和自动操作，模具更换简单，操作简便，生产效率高。

2.3 各装置的设计

2.3.1 传动结构

传动方案应保证送料过程安全、可靠，且能够满足传送速率的要求。为实现高精度、平稳和高效传动，可采用液压、电气传动等方式。本文采用伺服电机作为传动动力，同时采用数控装置控制丝杆的传递过程，以实现灵敏、高精度的自动送料。设计传动结构时，需要确定最佳降速比，以减少传动惯量，保证其负载与电动机匹配。切断传动结构应满足相应的刚度、抗震等性能需求[5]。

2.3.2 切断装置

伺服电机驱动无齿伺服气动刀具进行滚压剪切，可保证切割面光整且不留铜屑。因此，应合理设计刀具结构，确定刀具、刀杆尺寸和切割时的移动距离，使用机械定位装置合理控制进刀深度。

2.3.3 校直装置

校直装置应在水平、垂直方向各布置多组旋转辊和整圆轮，对铜管进行包裹式的校直、校圆。同时，为保证校直、校圆的质量，避免因校直、校圆的作用力过大而划伤铜管，应合理确定旋转辊、整圆轮的外径同轴度、圆度以及粗糙度等参数。此外，装置的硬度等机械性能也应满足使用需求。

2.3.4 拉断装置

为避免切断口拉断时产生变形，通常切断装置不能完全切断铜管，需要保留一些余量，再由拉断装置在伺服电机的作用下拉断铜管，使其与母材分离，然后掉落在接料架上。

2.3.5 夹紧装置

设计夹紧装置时，要合理确定夹紧力，避免用力过大时使铜管变形，或用力过小时因切割引起的振动而使铜管脱落。另外，为方便加工不同质量和直径的铜管，可设计夹紧力可调的夹紧装置。这种工艺方法在加工生产制造中的应用比较常见，多用于车夹具、钻夹具以及磨夹具等设计制造过程。在夹具的设计制造中，要想达到钻套中心轴线和安装基准面的垂直角度要求，最好的技术方法就是在装配后使用精镗导向孔。这样的设计工艺主要是为了应对组成零件累积误差问题，借助坐标镗床的精度，达到夹具要求的位置精度目标。因此，这一技术方法能够确保钻套中心轴线和夹具安装基准面保持直角状态，借助导向套底孔的方式，实现精度控制目标。在夹具使用中，要确保夹具设计的控制精度达标，需要从以下几个方面做起。

第一，夹具在夹紧工件的情况下，要避免对于工件夹具占有的位置产生影响，以防止造成误差。第二，要做好夹紧力大小的计算，保证工件在加工中的位置绝对可靠，避免夹具在使用中出现松动，同时避免加工过程中的较大震动。此外，还需要减少工件的夹紧变形，防止对夹具和工件表面造成损伤。第三，确保夹紧装置操作便利，省时省力。在批量的生产中，可使用气动或液动夹紧模式，而对于小批量的专用夹具的设计，可尽量使用结构简单的螺钉压板，以减少辅助时间的消耗。第四，夹具结构设计应该尽可能简洁明了，并确保夹具的结构工艺性，尽量使用标准件，同时确保夹具自锁性良好。

2.3.6 送料装置

设计送料装置时，要根据铜管直径大小设计相应规格的送料模块。工作时，夹紧模块在伺服电机的作用下沿丝杆一起移动，从而夹紧并传送铜管。因此，夹紧和送料装置应设计合理的夹紧与送料方案，且丝杆及夹紧块的刚度等机械性能应满足使用需求。

3 结语

综上所述，本文分析了适宜进行薄壁、细径盘料铜管加工，有利于实现无屑切割和全自动加工的相关校直、切割技术，并基于滚压剪切法和平行辊校直法研究了下料机的设计问题，同时研究了其功能需求、工作方案及各装置的结构，可为后续实现全自动化的盘料铜管校直与无屑切割工作提供依据。