化学切割范文

化学切割范文（精选8篇）

化学切割 第1篇

零件毛坯切割在零件毛坯加工中占有很大比重,获得具有一定尺寸精度和表面质量的零件毛坯可以缩短产品生产制造周期,提高生产效率。目前工业生产中广泛用于零件毛坯加工的切割技术大致分为热切割和冷切割两类。热切割以火焰切割、等离子切割、激光切割和电火花切割为主,冷切割主要为水射流切割技术。前者在工件表面会产生不同程度变形和热损伤[1,2,3,4],后者则投资成本较高,难以广泛应用。

电解加工作为一种非接触式加工方式,通过阳极金属溶解达到材料去除目的,具有无应力变形和热损伤、加工工件表面质量高的优点,广泛用于不同硬度金属导电材料的加工[5]。Seoul National University采用钨丝作为电极丝实现微细槽孔的微电解加工[6];南京航空航天大学研究人员基于电解原理采用在线制造微细电极的方法实现微米尺度的微金属零件加工[5]。但电解原理用于大尺度、高厚度的零件毛坯切割,研究者较少。

我们提出基于电解原理的金属电化学线切割技术,用于零件毛坯的前期切割加工,同时完成了相关实验装置的设计和调试,为本课题进一步研究打下基础[7]。本文在此基础上,提出切割效果的评价标准,针对影响金属电化学线切割效果的主要工艺参数如加工电压、进给速度等展开相关实验,分析参数变化对于工件切割效果的影响并对参数进行优化,为零件毛坯的实际切割加工提供参考。

2 金属电化学线切割技术原理

金属电化学线切割装置在加工时,工件(阳极)接直流电源的正极,工具电极丝(阴极)接电源的负极,两者之间施加直流电压。在实验中,采用准0.3mm的导电紫铜丝作为工具电极丝材料。加工原理如图1所示。

铁质材料加工过程中,阳极(待加工工件),铁失去电子被氧化,发生阳极溶解;阴极,氢离子得到电子被还原,产生氢气。反应如下:

3 工件切割效果评价标准

金属电化学线切割技术主要为后续零件加工提供具有较高尺寸精度和表面质量的毛坯,同时利用电化学切割技术的柔性,实现精度和效率的统一。切割缝宽是工件切割精度的集中体现。如何在大厚度切割材料下缩小切缝宽度、使缝宽沿工件切割轨迹均匀变化并保证切缝的垂直度是提高切割精度的关键。因此,本实验选取缝宽作为切割效果的评价标准,通过对切割缝宽模型的分析,得到影响缝宽变化的工艺参数,同时参考不同工艺参数下的电流效率,得到优化工艺参数,从而提高切割精度。

3.1 切割缝宽模型分析

金属电化学线切割加工过程中,工具电极丝直径(准0.3mm)相对于切割缝宽尺寸(1~3mm)来说较小,决定切割缝宽wa的主要因素为工具电极丝与切缝侧壁之间的侧面间隙△s。从金属电化学线切割缝宽原理图(图2)中,可以得出切割缝宽的表达式为:

式中,wa为切割缝宽,mm;△s为侧面间隙,mm;dc为工具电极丝直径,mm。

假设在进给位移为h时,侧面间隙△s=x,根据电解加工间隙的基本方程[8]:式中,θ为阳极工件某处电解面的法向与阴极进给速度νc的夹角;νaθ为工件在θ处的电解速度,mm/min;△θ为θ处的法向平衡加工间隙,mm;UR为加工间隙△θ方向上电解液的欧姆压降,V;κ为电解液电导率,1/Ωmm;ω为体积电化学当量,mm3/Amin;η为电流效率。

可得工件在此处的电解速度为:工具电极丝位于o1点时,t=0。经过时间dt后,工具电极丝与切缝侧壁间隙△s将产生增量dx,则:

对上式进行积分,求解得到工具电极丝位于o2时的侧面间隙(mm):

式中,x0为工具电极丝位于o1点时,与切缝侧壁之间的侧面间隙,mm;t为工具电极丝由o1到o2点的进给时间,min。

工具电极丝的进给速度(mm/min):

式中,h为工具电极丝的进给位移,mm。

将上式代入到式(8)中得:

由于此时工具电极丝进给位移h=dc,侧面间隙由x0变为x,完成一个进给周期,故:

基于理想电解加工过程研究的假设条件[8],上式中,对于选定的电解液成份和工件材料,影响侧面间隙△s的主要因素为加工电压U和工具电极丝进给速度νc。因此,实验选取加工电压U、工具电极丝进给速度νc、电解液成份作为影响切割缝宽的主要工艺参数进行优化分析。

3.2 电流效率计算方法

整个电化学切割加工过程中实际金属的去除量并不等于理论计算值,为了表征实际溶解阳极金属所占的耗电量对通过阳极总电量的有效利用率,定义电流效率η为[8]:

在求得阳极金属理论和实际溶解体积后,可计算出不同工艺参数下的电流效率,分析不同工艺参数下电源能量的有效利用率,从而为评价切割效果提供依据。

(1)阳极金属理论溶解体积计算:

根据法拉第定律,得到阳极溶解金属的体积(mm3)为:

式中,ω为体积电化学当量,mm3/Amin;I为加工时电流强度,A;t为加工时间,min。

在本实验中,所选用的工件材料为45钢,主要成份为Fe,故阳极金属的体积电化学当量为:

加工过程中时间t、电流强度I均可测得,故金属理论溶解体积可以求得。

(2)阳极金属实际溶解体积计算:

在实际切割加工中,缝宽截面形状示意图如图3所示。

可以看出,截面形状近似关于y轴对称,在测量数据时可以选取右侧一半截面进行测量,并求出半侧截面面积Ah,则实际截面面积A即可求出。由于切割材料厚度确定,在截面面积A确定后,即可求出金属实际溶解体积V实际:

式中,A为切缝截面面积,mm2;b为切割材料厚度,mm。

对于半侧截面面积Ah,由测量得到的数据值xi、yi(i=1,2,3)进行插值计算,在得到分布更为密集的插值点坐标后,对由此一系列离散数据点所表达的函数进行积分,得到的积分值即为Ah。针对此求解方法,利用Matlab软件所提供的“trapz(X,Y)”函数[9]来实现数值积分,得到求解值。

4 金属电化学线切割加工实验系统

本实验系统的总体结构原理图如图4所示。系统由机床床身模块、运动控制执行模块、电解液系统模块、工艺装备模块和电源模块组成[7]。

1.直流电源2.工作箱3.控制器4.阳极工件5.机床床身6.电解液储液箱7.回流粗过滤装置8.加热器9.耐腐蚀泵10.进口精过滤器11.溢流阀12.压力表13.截流阀14.流量计15.组合工装夹具16.工具阴极(电极丝)

5 金属电化学线切割加工实验

在本次实验中,工具电极丝(阴极)材料为准0.3mm的导电紫铜丝,工件材料(阳极)为厚度3mm的45钢。

实验中分别选取浓度为14.575%NaCl溶液和以NaC溶液为主、加入1.75kg NaNO3构成的复合溶液作为切割用电解液,对比分析不同电解液成份对于切割效果的影响。电解液温度控制在35℃,波动范围为±1℃。

为考察加工电压U、工具电极丝进给速度νc对工件电化学线切割缝宽的影响,两者参数值分别设定如表1所示。进给速度的调节为增益调节,实际加工时速度波动范围为±0.25μm/s。由于传动系统的惯性,加工开始前工具电极丝和工件之间保持300μm的间隙,使工具电极丝的进给速度在开始切割时达到稳定值。

根据缝宽截面形状示意图(图3),将测量到的不同位置处的缝宽(即不同y坐标下的x值)取平均,得到平均缝宽w,用以代替切割缝宽wa,进行评价分析。

5.1 加工电压对切割缝宽的影响

在考察加工电压对切割缝宽的影响时,切割过程中进给速度保持不变。不同电压下平均缝宽变化如图5所示。从图中可以看出,在恒进给速度条件下,随着电压上升,平均缝宽逐渐增大。进给速度为5.22μm/s、7.14μm/s时,缝宽随电压变化波动较小,变化趋势稳定。

5.2 进给速度对切割缝宽的影响

平均缝宽随进给速度的变化趋势如图6所示。从图中可以看出,当加工电压大于14V时,缝宽变化趋势稳定,波动较小。故选取在此范围内的电压作为优化参数,当电压为16V时,不同进给速度下获得的平均缝宽较小。

实验机床现有的数控加工控制系统实现速度准确调节较为困难,需要多次重复调试才能达到稳定值,因而使得进给速度控制参数的改变较为繁琐,故对切割缝宽的控制以电压调节为主。

5.3 不同电解液成份对切割缝宽和电流效率的影响

从图7中可以看出,采用NaCl电解液切割工件时,缝宽为采用复合电解液(添加NaNO3)的2倍多,但从图8中可以看出,前者电流效率为后者的7倍多。根据电流效率计算公式(12),综合对比分析,在同样的缝宽条件下,采用NaCl电解液在单位时间内切割获得的缝长更长,更有利于零件毛坯的切割加工。由此,本次实验选取U=16V、νc=7.14μm/s,电解液采用14.575%NaCl溶液,进行零件毛坯切割。切割效果如图9、图10所示。

经测量发现切割缝宽在2.5mm上下波动,从图9、10中可以看出切割缝宽沿工件切割轨迹变化均匀,形状规则,切缝表面光滑,具有一定的切割精度和表面质量,达到实验目的。

6 结语

本文通过探讨两种不同组份电解液条件下,不同电压和工具电极丝进给速度下工件切割缝宽和电流效率的变化情况,得出:

(1)采用NaCl电解液,利用具有小孔径的电解液喷嘴可以实现金属板材零件毛坯的高精度切割,获得较高的表面质量;

(2)影响切割缝宽的主要因素为加工电压和工具电极丝的进给速度,在U=16V、νc=7.14μm/s可以切割出较好的缝宽,说明工件切割电压不需要太高。此外,电解液喷嘴对切割缝宽的质量也有重要影响;

(3)如何通过改善电解液流场和加工电流来进一步缩小切割缝宽、增大工件切割厚度、保证切缝的形位精度,提高切割效率,需要进一步的研究。

摘要：文中根据电化学加工原理,以金属电化学线切割缝宽模型作为切割效果评价标准,分析得出影响缝宽变化的工艺参数,主要有加工电压和工具电极丝进给速度。在此基础上考察参数变化对缝宽的影响,同时参考切割时的电流效率对参数进行优化,获得具有较高精度和表面质量的切割工件毛坯。

关键词：金属切割,电化学,切割缝宽,参数优化

参考文献

[1]周翔.浅谈现代切割技术在工程机械制造中的应用[J].科教文汇,2008(1):196.

[2]赵宇龙,李贵霞.实现又好又快的切割[J].金属加工(热加工),2009(14):6-9.

[3]蒋中范.水下等离子切割技术的应用[J].中国设备工程,2003(12):26-28.

[4]左铁钏.现代激光制造及其未来发展[J].北京工业大学学报,2004,30(2):260-264.

[5]ZHU D,et al.Micro Wire Electrochemical Cutting by Using In Situ Fabricated Wire Electrode[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2007,56(1):241-244.

[6]SHIN H S,et al.Analysis of the side gap resulting from micro electrochemical machining with a tungsten wire and ultrashort voltage pulses[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2008(18):1-6.

[7]陈里龙,等.金属电化学线切割加工装置的设计及其实现[J].机械工程师,2009(11):8-10.

[8]徐家文,等.电化学加工技术-原理·工艺及应用[M].北京:国防工业出版社,2008.

影响激光切割机切割精度因素分析 第2篇

我们知道光纤激光切割机的切割精度是衡量切割机好坏和影响切割样件质量的重要因素，那么在日常生产中，我们最关心的自然是，有哪些因素能够影响到光纤激光切割机的切割精度呢？下面就由山大易美科光纤激光切割机生产厂家为您解读一下吧！

第一：激光器发出的光束为锥形，所以切出来的缝隙也是锥形，在这种情况下，厚度0.4MM的不锈钢就会比3MM的切缝小的多。因此，激光光束的形状取决于影响金属激光切割机切割精度的一大要素。在这种锥形的激光光束条件下，工件厚度越大，精度也就会越低，因此切缝越大。

第二：当锥形的激光光束聚集在一起之后，此时的会越变越小，因此该激光切割机的精度也变得越来越高，特别是切缝的幅面也就变得越来越小。在这个时候最小的光斑可以达到0.01mm。这也是影响激光切割机切割精度的要素之一。

第三：在这样的情况下，不同材质的切割精度也稍有不同。即使是同一材质，如果材料的成分不同，切割的精度也会有差异。因此，工件材质对激光切割精度也有一定的影响。

第四：工作台的精度，若工作台精度不平或者其它原因也会导致高精度的激光切割效果。

我国耐切割化学纤维的研究进展状况 第3篇

1 耐切割纤维的作用机理

纤维耐刀具的冲击性能越好, 纤维就具有更好的耐切割性。而纤维的耐冲击性和纤维的性能有很大关系, 具体表现在纤维的断裂强力, 弹性模量, 断裂伸长率和耐热性能上。纤维的断裂强力越大, 弹性模量越高, 断裂伸长率越小, 耐热性越好, 相应的纤维在受到外力冲击时就可以通过自身的形变来吸收更多的冲击能量, 其耐切割性也就越好。由此可见, 要提高纤维的耐切割性能, 就要提高纤维的强力模量, 降低伸长率, 提高耐热性。

2 高强高模纤维性能的主要影响因素

2.1 大分子交联程度

聚合物的强力取决于分子间的作用力和化学键的断裂力, 其中化学键的断裂强力远大于分子间的作用力, 所以, 在聚合物分子之间建立大量的化学交联, 会大大提高断裂强力, 纤维内部分子的交联程度越高, 就要破坏更多的化学键才能使纤维拉断, 即体现为更高的拉断强力, 但是过多的化学交联会加大纺丝和成纤难度, 所以可以通过后续方法提高纤维的交联程度, 例如:在纤维成纤后, 通过物理化学方法提高纤维内部分子的交联程度;在纺丝前加入容易发生交联度小分子物质, 等成纤后, 通过强氧化剂或辐射引发小分子物质和大分子进行交联, 提高纤维的交联程度, 从而提高纤维性能。

2.2 减少支化程度

过高的支化程度会增加纺丝的困难, 影响纤维的结晶度和后续纤维的拉伸性能, 降低纤维的强力模量, 所以控制好纤维的支化程度, 对于提高纤维性能至关重要, 在减少支化程度方面, 一般采用的大分子物质多为线性结构, 尽量减少不必要的官能团。

2.3 提高芳香环的比率

一般的聚合物都是线性结构, 可以和带芳香环的分子进行聚合成为芳香环聚合物或者杂环聚合物, 大大提高分子间的拉断强力, 也就是提高最终纤维的拉断强力, 但是芳香环聚合物要考虑结晶度和取向度对纤维强力的影响, 过多的芳香环和杂环, 会导致结晶度的降低, 从而造成纺丝的困难, 这也是耐切割纤维在制作时必须要考虑的因素。

2.4 工艺控制

在纤维的拉伸过程中, 尽量减少对大分子的破坏, 每次大分子的断裂都是对强力的损失, 所以在纤维后续拉伸过程中, 通过对工艺的控制, 减少分子断裂非常关键。

3 高强高模纤维的制备及研究进展状况

3.1 化学方法

通过化学方法合成一些特殊结构的聚合物单体, 并通过聚合方法生产高强高模纤维是目前最有效的方法, 例如通过特殊催化剂和合成条件合成的超高分子量聚乙烯, 在通过纺丝制成高强度纤维;还有现在工艺比较成熟的聚丙烯腈基碳纤维、PBO超级纤维、对位芳纶纤维等, 这些纤维由于其特殊的聚合生产工艺, 与常规纤维相比, 具有较高的强力模量, 已经得到了很大的应用, 但是由于这些纤维的合成方法特殊, 并且后期的纺丝加工工艺要求非常苛刻, 所以高强高模纤维的成本非常高, 只在一些特殊领域有所应用。

3.2 物理方法

1) 共混改性。共混改性是指在一定温度下将两种或者多种不同特性的聚合物按照一定比例混合, 在剪切应力作用下掺混来制备新性能的化学材料的方法。在共混过程中, 要考虑多种物质混合中连续相和分散相的相互影响, 连续相会影响共混材料的模量和强力, 而分散相会影响共混材料的抗冲击性能, 所以通过改变多种聚合物的特性和不同的混合比例, 以及控制混合时的工艺参数, 来调整共混材料的特性。共混改性是目前纤维改性中, 比较常用的一种, 但是效果有限。

2) 填充改性。填充改性是指在高强高模纤维的加工过程中, 加入特殊性质的有机或者无机添加剂, 来改善纤维的性能, 从而使得纤维具有某些特殊的性能。在填充改性过程中, 填充物的颗粒决定了填充效果, 使用纳米级粒子可以使得填充改性效果更好。纳米粒子的比表面积更大, 表层原子数量多, 并处于高度活化状态, 将其填充与聚合物中, 可以更好的分散在聚合物中, 有效阻止聚合物的塑性变形, 提高聚合物的强力。

3.3 纺丝工艺的研究

1) 皮-芯结构纺丝工艺。高强高模纤维生产的另一个方法就是利用皮-芯纤维纺丝工艺。通过控制皮芯结构中“皮”和“芯”不同物质的配比和不同物质之间的界面相容性来提高纤维的综合性能, 从而提高纤维的耐切割性能, 一般来说, “皮”结构一般采用成纤较好, 而且界面相容性比较好的聚合物, 比如PET和尼龙;“芯”结构一般采用一种强度和硬度较大的填充物, 填充物的含量一般为0.05%~20%, 比较合适的填加剂主要有钨和氧化铝等。

2) 凝胶纺丝。凝胶纺丝是指将成纤聚合物溶解在一定介质中, 降低大分子链的缠结度, 制备比较均匀的网络结构, 纺丝之后通过一定方法除掉介质, 并通过高倍拉伸, 使得不规则排布的大分子可以有序排列, 从而得到结晶度非常高的结构, 提高纤维的强度和模量。同时在凝胶纺丝中, 通过降低溶液的浓度可以大大降低大分子链的缠结度, 更容易获得高性能纤维。

4 结束语

正如我们所讨论的, 提高纤维的强度和模量可以有效提高纤维的耐切割性。而纤维的强度、模量与纤维的分子的结构, 分子量, 填充物的性能以及纺丝工艺有很大关系。聚合物本身的大分子性能对纤维强度和模量有最根本的关系, 所以通过选择不同的大分子或者对大分子进行化学改性可以明显的提高纤维的性能, 但是这种方法需要大量的研究工作。我国对纤维改性更多的集中在物理改性和纺丝工艺的改进上, 这两种方法对纤维的改性有限, 但方法较简单。目前, 合成纤维的实际强度, 还远远低于我们预期的理论值, 提高纤维的耐切割性还有很长的一段路要走。

参考文献

[1]蔡晓良, 邵斌姣, 汪家铭.高强高模聚乙烯纤维发展概况与应用前景[J].高科技纤维与应用, 2008.

数控火焰切割件切割变形的工艺控制 第4篇

数控火焰切割机是一种使用数控系统控制切割系统, 利用氧气加丙烷等燃烧气体对金属材料进行切割的设备。切割过程利用气体火焰将金属材料加热到燃点, 在金属材料燃烧熔化的同时, 利用高速氧气流将熔渣吹除, 从而形成切口[1]。由于可切割厚度大、切割成本低, 数控火焰切割机广泛应用于机车车辆等行业。但是, 火焰切割的热影响区较大, 所以切割变形大的问题经常存在且难以避免, 探索出有效控制变形的方法, 是提高火焰切割质量的重要手段。

1 产生切割变形的理论分析

金属板材在火焰切割时产生切割变形, 主要有以下三方面的原因: (1) 金属板材在轧制或开卷过程中难免存在分布不均匀的残余内应力; (2) 金属板材在切割过程中, 受局部高温热源的影响, 沿切割方向急剧膨胀, 而周围母材金属又会限制这种膨胀, 从而在切口边缘产生不可抵消的应力, 当应力超过金属的屈服强度时, 就产生压缩塑性变形; (3) 在冷却过程中, 金属板材沿切割方向产生一定的收缩变形, 同时受周围母材金属的限制, 材料内部会产生一定的拉应力。由于这种不均匀的加热和冷却, 材料内部的应力不可能平衡和完全消除, 所以在材料内部应力的作用下, 被切割的零件会发生不同程度热变形, 表现为零件形状扭曲和尺寸偏差。

影响切割变形的因素主要有切割速度、割嘴的型号及其高度、切割程序等。根据板材厚度选择合适的切割速度和割嘴型号, 控制好割嘴与板材之间的距离, 能有效控制热输入量, 减少切割变形。切割程序的合理与否, 直接影响着切割质量。

2 切割变形分析及控制

从出口澳大利亚PN机车制造过程中几种零件的切割变形实际出发, 分析这几种不同形状特征的零件产生切割变形的原因, 优化切割工艺, 达到有效控制切割变形的目的。

2.1 单一规则零件的切割

以PN机车构架上某零件的切割为例, 该零件板厚为10mm, 其特点是外形比较规则, 可采用多只割嘴同时切割, 同时零件的长宽比比较大。图1中1-A模型所示为三只割嘴同时切割该零件的常规程序, 箭头方向为割嘴的运行方向, 虚线为切割空程。每只割嘴切割完A的所有孔之后从a点引入切割A的外形, 然后切割B的所有孔, 再从b点引入切割B的外形。实践证明, 按该程序切割出的零件, 大部分会有不同程度的变形, 表现在零件上是实际的孔中心线的一端偏离理论位置, 最大偏离量达4mm (图2) 。

分析变形的原因, 主要是因为零件长宽比比较大, 长边的热应力不均衡引起变形。图1中, 从a点起沿边1切割A时, 钢板处于静止状态, 钢板框架上边1和边2上的热应力基本是平衡的, 零件基本不产生变形。但沿边3切割B时, 由于边2离边3很近, 所以切割边3的过程也是加热边2的过程, 这时边2和边1的所受的热应力就不平衡了, 所有边1上的应力之和使所有的边1同时收缩, 从而使钢板框架向右偏移, 导致割嘴割至下端时, 之前割好的孔已随框架发生位移, 从而出现图3所示的偏差。

基于以上分析, 改用图1中1-B所示切割模型, 该模型将A和B看作整体, 先切割所有内孔, 然后依次按照1-7的顺序依次切割各边, 其中边4为共用边。这样在切割完B时, 边2与边4上应力相平衡, 切割A时, 边4与边6上的应力也基本平衡, 钢板框架不会偏移, 从而能保证所有孔的位置的准确度。

细长直条是一种特殊的长宽比比较大的规则零件, 用常规方法切割时常常出现旁弯现象, 为此可采取以下切割技巧:多割嘴同时切割, 先切割稍大于零件长度的直线条, 待钢板冷却后, 再沿宽度方向切割所需要的长度。在各割嘴火焰强度基本一致的情况下, 零件长度方向的两边是同时受热的, 因此不会出现旁弯。

2.2 单一异形零件的切割

以PN机车车架上某零件的切割为例, 该零件厚度为6mm, 其特点是外形不规则且尺寸较大。切割这类零件时, 为提高板材利用率, 常采用套料的方式。图3中3-A为常规的切割程序模型, 每只割嘴先从a点引入切割A, 再从b点引入切割B。实践结果表明, 有近50%的零件会产生旁弯变形, 而且由于该零件板料较薄, 所以最大变形量可达5-7mm。

分析其变形原因:切割A时, 后切割的边2轮廓长度大于先切割的边1的长度, 所以边2上的收缩应力超过了边1上应力的作用, 同时因为边2轮廓是凹边, 所以钢板的凸边对边2的收缩有一定的阻碍作用, 在合应力的作用下, 零件变形较小且钢板框架基本没有位移;切割B时, 先切割的边3产生的应力比很大, 后切割的边4上的应力, 以及钢板凸边对边3的阻碍作用, 只能抵消很小一部分边3上的应力, 所以零件变形比较大。

基于以上分析, 改用图3中3-B所示切割模型, A的切割程序不变, 切割B时, 从b点引入, 逆时针切割, 这样就保证了作用在B上的合应力最小, 从而最大限度地控制变形。

无论是规则零件还是异形零件, 如果零件较长且尺寸较大时, 采用间断切割法, 是一种有效控制切割变形的方法。间断切割法是在零件的周边上设置一些暂时不切割的点, 用以连接切割零件与钢板, 防止零件变形, 等钢板冷却后再断开这些点。

切割变形不仅与切割零件的形状有关外, 还与钢板的厚度、切割零件在钢板上的位置、以及切割零件和钢板的相对大小有关。一般来讲, 钢板越薄, 切割变形越大;切割零件离钢板中心越近, 变形越小;切割零件相对钢板越大, 变形越大。

2.3 多零件套料切割

当一张板上切割多种零件时, 需要对整张板进行套料切割, 影响切割变形的因素也变得很复杂。要能平衡变形应力, 切割方向和切割顺序就显得尤为重要。

2.3.1 切割方向

合理的切割方向应该是要保证最后切割的一边与钢板的大部分分离。如果切割零件过早和钢板的大部分分离, 那么周边的框架因为太轻而不能够抵消切割时产生的热应力, 造成切割零件的变形或者板材框架的位移, 从而出现尺寸超差。

2.3.2 切割顺序

合理的切割顺序也是控制切割变形的有效措施, 经过大量探索实践, 一般应该遵守“先内后外、先小后大、先圆后方”的原则[2]。先内后外, 即先切割零件的内轮廓或者内轮廓中嵌套的零件;先小后大, 即先切割小尺寸零件, 产生的热量相对较小, 对零件影响也小;先圆后方, 即先切割圆形孔或者圆形零件, 使产生的热量辐射向外传递, 钢板内部的应力相对比较平衡。

2.3.3 应用Sigma NEST套料软件

Sigma NEST软件是一款融合了先进自动套料技术、加工轨迹优化技术和自动化管理技术的自动套料软件。在控制切割热变形方面, 该软件有留割、搭桥、工艺筋、最小热量法等几种方法。留割是在大尺寸零件的边上留几段15-30mm的桥不切割, 使之与母板相连, 以牵制零件收缩变形;搭桥是在套料完成后, 在零件之间增加一定宽度的桥, 将相邻零件看作一个整体切割, 达到相互牵制、降低变形的目的;工艺筋是在零件内部的大开孔上预留一定宽度的工艺拉筋, 用于减小零件内孔的收缩;最小热量法是Sigma NEST软件中, 按照最小热变形量设定的切割路径, 实际编程中, 也可以根据套料情况更改切割路径, 降低变形量。

3 结语

数控火焰切割时, 采用共边、留割、搭桥、留工艺筋等技巧, 从切割方向、切割顺序等方面着手, 编写合理的切割程序, 能有效减少切割零件的热变形, 提高切割质量, 从而降低生产成本。

摘要：钢板在进行火焰切割时, 容易产生切割变形, 影响切割质量, 造成原材料的浪费或者机加工成本的增加。本文分析了我公司出口澳大利亚PN机车生产过程中几种不同形状特征的切割零件产生切割变形的原因, 并提出相应的防变形措施, 对提高火焰切割件的切割精度有较强的应用价值。

关键词：数控火焰切割,切割变形,工艺控制

参考文献

[1]任秀联, 等.钢板数控切割热变形分析[J].煤矿机械, 1999, 5.

化学切割 第5篇

当前,谷物联合收获机已经成为最重要的收获机械,在我国已经得到了广泛的使用。 但是国内谷物联合收获机往复式切割器的切割速度与机器前进速度在不同工作条件下的合理搭配问题一直处于参考国外样机参数或半理论半经验选择状态,很多场合如高速收获状态下还难以达到理想工作状态。因此,对谷物联合收获机往复式切割器切割过程进行理论研究和分析很有必要。

1 切割器及工作参数的选定

1.1 切割器

标Ⅱ型切割器简图如图1所示。

1.2 工作参数选择范围

割刀曲柄转速n/rmin-1:300～1 500机器工作速度V/kmh-1:4～8

割刀进距H/mm:41.67～111.11

2 切割过程分析

往复式切割器工作时,其动刀片往复运动的方程式为

X=r(1-coswt)

标Ⅱ型切割器切割图如图2 所示。根据运动方程式可作出割刀相对地面运动的轨迹,即切割图。切割图是对于实际切割过程的简化表示,通过切割图的分析可以看到切割过程影响要素及其变化规律。

在图2中,在定刀片轨迹线内(IV区)的作物被护刃器及定刀片推向两侧。在相邻两定刀片间的作物,由于所处位置的不同,有3 种不同的情况: ① 一次切割区(I区) 中的作物,在刀刃第1次在该区域运动时即被切割; ② 重割区 (II 区) 中的作物,在割断后其割茬被另一刃口重复触;③ 漏割区(III 区) 中的作物,在刀刃向右运动时未曾触及,在割刀回程运动中被切断。

在某一条件下,重割区和漏割区希望达到最小,这样就要平衡重割区和漏割区的面积,不能只顾其一。在实际生产中,漏割区影响谷物的切割效果,如谷物的损失情况、割茬的高度差等,重割区则主要影响割刀的切割功率。即是,随漏割区的增大,谷物的损失会增大,割茬的不平整度增大,严重时禾秆会出现撕裂;随重割区的增大,谷物的损失情况会降低,割茬不平整度会减小,但是功率损耗却在增大。

3 由切割图分析速度配比

3.1 机具前进速度不变、改变割刀曲柄转速

图3所示为机具前进速度不变,改变割刀曲柄转速时的切割图组。其中,切割图下标为机具前进速度和割刀曲柄转速,如“8 700”,即是前进速度8km/h、转速700r/min时的切割图(本文中类似图示均如此,不另加说明)。

按照实际生产要求,现在的谷物联合收获机一般前进速度为4～8km/h。由图3可以很清楚地看到,当机具前进速度不变时,随着割刀曲柄转速的增大,切割图中的重割区在不断增大,同时漏割区在减小,一次切割区的面积也在不断减小。这种情况下,对于一个行程,切割区面积减小,其中包含的谷物株数减少,割刀的功耗、震动均在减小,切割效果渐佳;而对于整个区域,株数一定,则需增加行程次数,整体功耗增大,不利于节能。

将切割图中的各区域的面积做出一系列各区域面积变化趋势图,如图4所示。

为使漏割区及重割区面积最小,漏割区要尽量小,且使一次切割区的面积偏小,则由图4可得:当前进速度为8km/h时,割刀曲柄转速为1 200～1 300r/min比较符合条件,此时漏割区和重割区均比较小,而且漏割区小于重割区保证切割质量;同样可知,7km/h时取1 070～1 150r/min,6km/h时取900～1 000r/min,5km/h时取750～850r/min,4km/h时取600～650r/min,这些数据均符合要求。由于实际联合收获机的切割器有唯一的割刀曲柄转速,应兼顾各种速度下的切割状况,实际中一般要求高效快速。由此可知:当机具前进速度为4～6km/h时,800～850r/min比较符合切割要求;6～8km/h时,1 100～1 200r/min比较符合条件。

3.2 割刀曲柄转速不变、机具前进速度改变

割刀曲柄转速不变,机具前进速度改变的切刀图如图5所示。由图5可知,当割刀曲柄转速不变时、机具前进速度增大,切割进距变大,重割区减小,漏割区增大,一次切割区增大。对于单个行程,切割区面积增大,即是一次切割的株数增多,切割负荷增大,同时割茬的高度差异增大;对于整个区域,行程减少,有利于节能。现今我国的收获机械都是割刀曲柄转速一定,因此这种情况的分析有很重要的现实意义。为了清晰直观,我们做出切割图各区域面积变化图,如图6所示。

由图6可以清晰地看出,随着前进速度的增大,切割图中各区域面积的变化趋势以及变化幅度:600r/min时,符合切割要求的速度低于5km/h;700r/min时,在4～6km/h的切割效果较好;800r/min时,也是4～6km/h的效果好些;900r/min时,5～7km/h内的切割效果较好;1 000r/min时,6～8km/h的切割效果好。鉴于以上分析,由图6得出,900～1 000r/min时,对于机器前进速度变化时(在4～8km/h之间),适应性较好,各个区域的面积也比较符合切割要求。同时应该看到,图像的变化较大,难以找到一个合适的转速值,使得机具前进速度在4～8km/h一直保持良好的切割效果,因此对于实际情况应分为不同时间段:当机具前进速度为4～6km/h时,割刀曲柄转速700～800r/min可基本满足要求;6～8km/h时,割刀曲柄为1 000～1 100r/min时,基本满足要求。对于割刀曲柄转速一定的机器,这些值可以基本满足收获要求。

3.3 模拟实际切割分析切割过程

在实际切割过程中,刀片不止一个,以下以相邻两个刀片为例,模拟实际切割过程。以割刀曲柄转速500r/min为例分析,如图7所示。第2个刀片会在行程末扫过临刀的切割区域。假设当割刀扫过谷物是可以完成谷物的切割,则可以看出,切割图中出现了很大面积的重割区(相邻两刀重割区),而且此类重割区刚好扫过临刀第1行程的漏割区,即使得漏割区大幅减少。此时,相当于一个刀的分析,在满足切割要求的前提下,割刀进距增大。通过分析和试验,在前进速度4km/h、转速500r/min、 H=66.67mm时最为符合要求,此时漏割区及重割区面积都比较小。

图8中的各个不同区域表示切割过程中不同切割状态(假设切割区域的谷物行距10mm,株距10mm,切割器离地面高度为150mm)。在此切割图中,相邻两刀片的切割会出现重叠区域,从而使切割图发生改变。切割开始后,切割器经过区域如图8中网格所示,在单个刀片的切割区域有左右两个漏割区。在推动禾秆的区域,将左部漏割区内的禾秆推至下一行程的切割区。在一次切割区中的禾秆由动刀扫过切割,在第2行程动刀又扫过一片区域。其中,会出现重割区,在一个刀片时也会出现漏割区,而相邻动刀片会扫过定刀下的禾秆、右部漏割区以及一部分切割区的禾秆。如果假设动刀扫过禾秆即能切割,按照以上分析,这种情况下禾秆割茬会很平整。但是,实际情况中割茬均有一定的不平整,也就是说,动刀扫过时,并不一定就切割,但是当禾秆推到定刀处时,由于定刀片的支撑,完成切割。在此情况下,以图9中的黑框区域分析计算割茬高度,画出割茬高度分布图。如图9所示,由于切割器离地高度为150mm,实际割茬应该在150～250mm。由图9可以看出割茬分布在150～175mm之间,符合实际要求。

4 结论

通过对谷物联合收割机往复式收割器切割图对切割过程的分析,详细研究了切割过程中的具体情况,可知当机具前进速度为4～6km/h时,在800r/min时比较符合切割要求;6～8km/h时,1 100r/min比较符合条件。本课题为往复式切割器工作性能和作业效果的改善提供了理论依据和工作参数设计参考。但是,随着工作环境的不同,切割效果会有所不同,相关的研究还需进一步深入。

摘要：为了获得谷物联合收获机的理想工作状态,通过切割图分析,对联合收割机往复式切割器切割过程的一次切割区、重割区以及漏割区面积在不同切割情况下的变化特性进行了理论分析,得出了相应的速度匹配参数。在割刀切割速度与机器前进速度配比等方面为谷物联合收获机往复式切割器工作性能和作业效果的改善提供了理论依据和工作参数设计参考。

关键词：谷物,联合收获机,往复式切割器,切割图,速度匹配

参考文献

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提高数控火焰切割机切割质量的措施 第6篇

随着科学技术和机械加工行业的快速发展, 在钢材加工领域, 数控火焰切割机已被广泛应用于实际生产, 它能加工各种形状的异形结构件, 具有一定的通用性、高效性和易操作性。而切割件的切割质量会直接影响到产品的焊接质量和后续的整机使用性能, 因此, 对于数控火焰切割机加工的结构件, 能否确保高质量加工, 极为重要。

1 切割用气体对切割质量的影响

(1) 切割氧的纯度。

火焰切割过程, 就是利用气体火焰 (预热火焰) 将钢材表面加热到燃点, 并形成活化状态, 然后通过高纯度、高流速的切割氧, 使钢板中的铁在氧环境下充分燃烧生成氧化铁熔渣同时放出大量的热, 借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的中下层及切口前缘, 使之也达到燃点, 直至工件的底部;与此同时, 利用高速的切割氧流把熔渣吹除, 从而形成切口 (割缝) 将钢材割开。由此可见, 切割氧在钢板切割过程中, 不仅为达到钢板的燃点提供必需的能量, 使钢材被预热达到燃点后进行燃烧, 而且起到了及时吹除熔渣、形成割缝, 使成品件与废料相分离的作用。

在钢板切割中, 一般要求氧气纯度在99.5%以上, 才能有效保证切割顺利进行, 对切割质量标准要求较高的氧气纯度需保证在99.7%以上。氧气纯度-时间关系如图1所示, 切割氧纯度每下降0.5%, 相应的切割速度就需放慢10%左右。氧气纯度不够, 钢板整个切面不能被完全充分燃烧, 不仅会在切割面底层形成不易清除的挂渣, 切割面整体粗糙度也将增大, 甚至出现明显的波纹, 而且随着切割速度的降低, 割缝也会变宽, 这样就会与事先设定的割缝补偿值出现一定的偏离, 从而使工件切割尺寸出现较大偏差, 直接影响到加工尺寸精度。另外, 切割速度下降, 气体消耗量必将增加, 不仅降低了生产效率和产品加工质量, 也增加了生产成本。因此, 保证高纯度的切割氧, 是提高火焰切割质量的前提。

(2) 切割火焰的调整。在火焰切割过程中, 通过对氧气和燃气 (如乙炔气等) 的不同比例的调整, 可得到三种相应的火焰, 即中性焰、氧化焰、还原焰, 如图2所示。

中性焰一般称为正常火焰, 其焰芯的成分由氧气和燃气组成, 接近圆柱形, 末端呈均匀的圆形, 焰芯的温度一般可达1000℃以上。还原区处于焰芯之外, 其明显特征是较焰芯区亮度暗, 还原区主要是由燃气未完全燃烧的氧化碳和氢气组成, 其温度可达到3000℃左右。位于还原区外的为外焰区, 即完全燃烧区, 主要由燃气完全燃烧后的二氧化碳、水蒸气、氮气组成, 其温度在1300~2500℃之间。氧化焰是在氧气过剩的情况下产生的, 其焰芯呈圆锥形, 长度变短, 亮度变暗, 同样还原区和外焰也缩短, 在实际切割过程中火焰呈紫蓝色, 并且伴有响声, 响声的大小与氧气的压力有关, 氧化焰温度高于中性焰, 如果使用氧化焰进行切割, 将严重影响到切割面质量。还原焰是在氧气不足、燃气过剩的情况下产生的切割火焰, 其焰芯没有明显的轮廓, 焰芯的末端边缘呈淡绿色, 依此可判断燃气是否过剩, 还原区异常明亮, 和焰芯几乎混为一体, 外焰呈黄色, 当燃气过剩太多时, 就会冒黑烟, 这是燃气燃烧缺乏必需的氧气造成的。

由此可见, 切割火焰能量的大小与切割质量有着密切的联系, 在正常的切割速度下, 切割火焰能量增大, 金属燃烧产生的反应热就会增大, 同样也增强了切割点前沿的预热能力, 这样就会使切割上边缘出现严重熔化塌边;如果切割火焰能量过弱, 切割金属将不能及时充分燃烧, 逼使切割速度下降, 甚至切割中断或切割面出现波纹等现象, 严重影响到切割质量。因此, 切割火焰调到最佳中性焰状态是获得良好切割质量的有效保证, 在实际切割中, 可根据经验通过观察火焰焰芯、外焰颜色、切割声响等调整火焰, 以获得良好的切割效果。

(3) 切割气体压力的稳定性。如果切割氧压力太高, 不仅会造成浪费, 而且会使切割件切口变宽, 切割面顶部出现有规则的沟槽和凹坑, 底部变得不光滑, 难以清渣, 切割氧压力太低, 切割面会形成较厚的鳞皮, 不易清理。乙炔等燃气压力太高则会导致过热, 切割面顶部会形成较大凹槽, 也易塌边, 压力过低, 则难以保证切割顺利进行。因此, 气压压力的调整需根据所使用的割嘴类型、切割的钢板厚度进行相应调整, 如果采用不合乎规定数值的气体压力, 不仅不能提高切割速度, 反而使切割断面质量下降, 挂渣难清, 增加切割后的修磨加工时间和成本。根据不同切割工件的厚度、割嘴型号适时对气体压力进行合理调整, 可得到良好的切割质量。一般情况下, 厚度在50mm以下的钢板, 氧气压力可调为0.5~0.6MPa, 乙炔压力0.05~0.06MPa;厚度大于50mm小于100mm的工件, 氧气压力可调为0.65~0.7MPa, 乙炔压力0.07MPa。气体压力可根据经验及具体切割参数、介质的不同进行调整。

2 切割速度对切割质量的影响

钢板的切割速度是与金属在氧气中充分燃烧的速度相对应的, 切割速度要根据钢板材质、厚度、气体质量和种类以及使用割嘴的性能参数进行调整。切割速度直接影响到切割的稳定性和切割面质量, 如果速度过快, 切割面将会出现凹陷或者挂渣, 甚至会出现割不透以及中断切割过程的现象;而切割速度过慢, 切割上边缘就会塌边熔化, 下边缘出现圆角等。

一般情况下切割速度可随着工件厚度的增大而降低, 也可根据切割氧流量带出熔渣从割缝中喷出的方向来判断切割速度是否适中。在正常切割过程中, 切割氧流量方向相对于垂直的割炬会有一个稍微偏后的角度, 这个角度叫做后拖量。切割火花示意图见图3。在速度过低时, 不会产生后拖量, 割缝下边火花束会向切割方向偏移;而当提高切割速度或切割速度过快时, 火花束会向与切割相反的方向明显偏移, 后拖量增大;在切割速度适中时, 火花束与切割氧流几乎就会平行。因此, 在实际切割中, 可以依照火花束的偏移方向调整不同割嘴、板厚情况下的切割速度, 以达到满意的效果。

3 割嘴高度对切割质量的影响

割嘴到工件表面距离 (割嘴高度) 可根据工件厚度、预热火焰长度来确定。一般预热火焰焰芯离工件表面2~4mm为宜, 割嘴高度过低, 会使切割上边缘发生塌边及增碳现象, 飞溅时极易堵塞割嘴甚至引起回火;割嘴距离过高, 预热面积增大, 工件变形量增大, 而且热损失增加, 使预热火焰对切口前沿的预热不充分, 影响到切割面质量, 产生难清理的切割渣, 同时, 进入切口的氧气纯度降低, 切割速度降低, 导致后拖量和切割宽度增大。因此, 合理调整割嘴高度, 对工件加工质量和生产效率起着至关重要的作用。

4 结语

在数控火焰切割过程中, 影响切割质量的因素是多方面的, 诸多因素还需在实际操作中进一步探索、总结。对影响切割质量、精度、效率和加工成本的因素加以有效控制和选取, 将会大大提高火焰切割质量, 提高生产效率。

参考文献

[1]聂素华, 麻胜荣.数控等离子切割机切割质量的控制[J].热加工工艺, 2006, (15) :76-77

化学切割 第7篇

关键词：水刀(水射流),红宝石喷嘴,水切割设备组成,智能便携水刀切割设备,产品优势与主要技术指标,水切割应用诠释

一、水切割简介

水切割,又称水刀,即高压水射流切割技术,它是将普通的水经过多级增压后所产生的高能量水流,再通过一个极细的红宝石喷嘴(Φ0.1mm~0.35mm),以每秒近千米的速度喷射切割,水切割设备是一种利用高压水流切割的机器,在电脑的控制下能任意雕琢工件,而且受材料质地影响小,因为其成本低,易操作,良品率又高,水切割正成为工业切割技术方面的主流切割方式。

二、水切割设备组成

(一)设备主要部件

工作台、增压式高压泵,电控系统,万向摆动头,切割头,供砂系统,冷却系统,水位升降系统,补水泵,过滤系统,单手夹具,电子水平仪,集线器,机床垫铁,导轨润滑油

(二)目前也有无水位升降系统工作台面的国外设备

BELOTTI(意大利倍珞蒂)公司生产的设备,在切割时可直接把喷出来的水与切割下来的粉尘吸走,只有一少部分的水与粉尘会掉落到地面上。

三、用途

水切割机床是一种多用途、性能完善的切割设备,它最大特点是非热源的高能量射流束加工,切割中无热过程,故可切割所有金属和非金属材料,特别是各种热切割方法难以胜任或不能加工的材料。具有:切口快、切口平整、无尘埃、无热变形、无污染、减少材料浪费等特点。可切割:钛合金、铜板、钢板、铝板、铸铁、花岗岩、大理石、瓷砖、化纤、木材、布匹、纸张、皮革、塑料等材料。已应用到航空、军工、汽车复合材料零件、石材、建筑、装潢等精加工企业。目前水切割比较知名的供应商国内的上海狮迈、奥拓福,国外的美国傲马、意大利倍珞蒂等。

四、小型智能便携式水切割

目前用途最广的是小型智能便携式水切割,通常水切割设备都是很大,一般为机床式,小型水切割指重量小于200kg的水切割设备。

(一)产品应用

公安排爆;废旧弹药销毁;武警破障;石油工业、天燃气管道的排险;油罐的清理工作;隧道施工和救援等领域;化工行业。同时,水切割设备的快速、无损、作业精细、一次成型的特点,也可广泛应用于建筑、设备加工、石材切割、管件切割等方面。

(二)同类对比

市场上现有的水切割设备均属大型数控水切割设备,其主要应用于航空工业、汽车复合材料、金属行业、石材行业、玻璃行业、陶瓷行业等材料的切割及工艺品的加工制造。但因其体积大,只能固定位置进行工作和生产,而智能水切割系统有效的克服了传统水切割设备整体体积过大的缺点,使整机重量减少到90kg~110kg,大大增强了其工作的灵活性,运输方便,操作简单安全,单人即可灵活操作整套设备系统,减少了人力的付出,提高工作效率和工作质量。另一方面,积极进行设备改革,采用燃油机作为驱动,可广泛应用于公安系统对野外安全破障、救援等工作,克服了断电对其设备工作效率的影响,保证了公安系统对特殊情况的安全快速解决,维护人民群众的生命及财产安全。

(三)产品优势与主要技术指标

小型——设备较传统设备系统体积小,运输方便;轻便——产品独特的设计减小了设备的重量,整机重量90kg左右;操作简单——单人即可操作,节省人力;断电操作——产品使用燃油机作为驱动动力,避免了传统电机断电不能操作的弊端;不受使用地点的限制——可有效应用于野外作业,不受电源问题的影响;切割时无热量发生——可对雷管、炸药直接切割安全;切割速度快——不小于150mm/min(5mm厚37高炮弹40s);横切面平整——水切割系统的切割面较传统机械切割断口处光滑平整。碳钢最大切割深度:≥20mm;切缝宽度:0.3mm~2mm。

五、水切割应用诠释

相比于其他切割方法,水切割有着无可比拟的优势。水切割是万能切割,当您感到激光和等离子所能切割的厚度太薄,所产生的毛刺太大,所产生的热影响区不利时,您可以考虑选用水切割;当您感到火焰切割的毛刺太大、粗糙度太差、热影响区太大时,您可以考虑选用水切割;当您感到线切割的速度太慢,并且不能切割非导电材料时,您可以考虑选用水切割;当您感到铣削的方法产生了许多废屑,造成了很大的浪费时,您也可以考虑选用水切割,因为水切割不会产生废屑,而是整片切割,水切割加工分开的材料大多是可利用的;当您感到使用圆锯和带锯太慢,而又不能进行非直线切割时,您照样可以考虑选用水切割;当您切割易燃易爆材料或在易燃易爆的环境下切割时,更必须考虑选用水切割;当您切割时不想产生毒副气体、不需二次加工、不想产生热效应或变形或微裂缝、又想产生良好的切边品质并能同时切割细小的孔时,您更要考虑选用水切割机;当你在航空、汽车行业切割复合材料时你更要想到用水切割。

结论

概括起来说水切割机的用途主要有三个,一是切割非可燃性材料,如航空航天汽车业复合材料、大理石、磁砖、玻璃、水泥制品等材料,这是热切割无法加工的材料;二是切割可燃性材料与钢板,如塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等,以往的热切割也可以加工这些材料,但容易产生燃烧区和毛刺,但水切割加工不会产生燃烧区和毛刺,被切割材料的物理、机械性能不发生改变,这也是水切割的一大优点;三是切割易燃易爆材料,这是其它加工方法无法取代的。另外航空航天汽车业等复合材料碳纤维、玻璃纤维零部件的加工也最好优先选用水切割。

参考文献

[1]CCTV10-水切割.CCTV10——2012-07[Z].

[2]张福祥.中国纤维复合材料行业汇编[M].2014.

化学切割 第8篇

在世界矿产资源愈来愈匮乏的情况下,生物质能源的研究和开发日益紧迫。以甜高粱为代表的新型再生作物能源对未来能源的贡献将日显重要。随着甜高粱在我国种植规模的快速扩大,收获日益成为甜高粱广泛开发利用的关键工艺。甜高粱植株高大、秆茎粗而脆,目前研究主要集中在甜高粱饲料化、能源化利用的收获工艺技术上。应重点突破高秆植株顶部果穗切断、茎秆扶禾切割、高效切断、铺条、集装及动力匹配技术[1]。为开发甜高粱茎穗兼收的机械化工艺,研制甜高粱联合收割机械,锯齿形双圆盘切割器是甜高粱等高秆植株作物收获机的关键部件之一。工作在恶劣环境条件下高速运转的双圆盘切割器会承受很大的冲击载荷,并产生受迫振动,从而影响切割质量与收获效率。如何设定合理的转速、切割角度和振动模态对锯齿形圆盘刀设计尤为重要。本文对锯齿形双圆盘切割器进行滑动切割原理分析以及结构工作参数仿真,找出最佳的参数匹配,可达到减少甜高粱收割机动力消耗和提高切割质量的目的,为实际设计工作提供依据。研究成果将对降低甜高粱收获机的动力消耗和提高甜高粱的收获效率具有重要意义,也将拓展应用于其它高秆植物的收获技术中。

1 切割原理

双圆盘锯齿形切割器是甜高粱等高秆植株作物收获机的关键部件之一。在收获作业时,双圆盘切割器由彼此压紧的上下两片刀盘组合而成,并且高速旋转[2,3]。机器前进的过程中,双圆盘刀为有支撑回转切割器。

茎秆受力状况如图1所示。

茎秆受到刀盘作用于茎秆的摩擦力F和作用于茎秆的法向反力N两个力[4],以茎秆中心点为坐标原点建立坐标系。在机器作业时,甜高粱茎秆被刀盘滑动切割,为保证茎杆沿着B-B线的轨迹,向刀盘旋转方向倒伏,刀盘工作过程中茎秆所受的两个力F和N在B-B线的分力应为

Fcosβ>Nsinβ (1)

F=μN (2)

把式(2)代入式(1)

μNcosβ>Nsinβ

μ>tanβ (3)

式中 N切割点作用于茎秆的法向反力;

F切割点作用于茎秆的摩擦力;

β钳住角;

μ刀齿与茎秆间的接触摩擦力。

机器前进过程中茎秆的受力状况如图2所示。茎秆中心点的运动轨迹为C-C,通过轨迹曲线建立切线为B-B,过切割点作切割线L-L,法线为A-A。

建立运动方程如下:

切割点的位移方程为

$\{\begin{array}{c}V{}_x=\frac{\text{d}x}{\text{d}t}=R\omega \cos \omega t\hfill \\ V{}_y=\frac{\text{d}y}{\text{d}t}=R\omega \sin \omega t-V{}_m\hfill \end{array}$

(4)

式中 Vx切割点移动x轴方向距离;

Vy切割点移动y轴方向距离;

t时间;

ωt相位角;

R刀盘半径;

Vm机器前进速度。

切割点的绝对速度方程为

V2=Vx2+Vy2=R2ω2+V${}_m^2$-2RωVmsinθ (5)

式中 V绝对速度;

θ相位角ωt。

由图2所示,按照余弦定理推得

V2=V${}_r^2$+V${}_m^2$-2VrVmcos(∠FCD+∠PCF) (6)

由式(5)、式(6)联立得

$\angle FCD+\angle {\rm P}CF=\frac{\text{π}}{2}-\omega t$ (7)

$\angle FCD=\frac{\text{π}}{2}-\epsilon$ (8)

∠PCF=ε-ωt (9)

由图2受力分析可以有

Vrcosε+Vmsin∠PCF=Vcosα (10)

Vrsinε-Vmcos∠PCF=Vsinα (11)

$\theta +\beta =\omega t+\beta =\frac{\pi }{2}$ (12)

将式(7)～式(12)联立求得

$\tan \alpha =\frac{R\omega \sin \epsilon -V{}_m\cos (\epsilon +\beta -\frac{\text{π}}{2})}{R\omega \cos \epsilon +V{}_m\sin (\epsilon +\beta -\frac{\text{π}}{2})}$ (13)

式中 Vr角速度;

α滑切角;

ε曲线上任一点切线与径点极径的夹角。

取刀盘半径为180mm,θ=30o,ε=60o,机器前进速度为2m/s,代入式(13),利用Matlab软件做出α和β的仿真拟合曲线,如图3所示。

从切割稳定性和效率角度看,当滑切角α与钳住角β函数成线性变化时是合理的切割角度[3]。从图3的仿真分析结果可以看出,当β在0～π/4区间时函数成线性变化规律,为滑切角与钳住角合理的切割角度选择范围。

2 切割速度分析

切割器工作时刀盘高速旋转,无论是田间作业还是室内物理试验都无法观察刀片的动态切割过程,动态仿真可以反映刀片运动的复杂过程[5,6]。因此,应用Pro/E软件的机构运动分析功能,对圆盘刀切割过程进行轨迹仿真。选定一齿韧上的齿根和齿尖两点进行轨迹仿真,根据钳住角α与滑切角β的合理范围,选择合适的切割转动速度。以试验使用的甜高粱收获机切割器的实际结构参数:刀盘半径180mm,刀盘厚度6mm,机器前进速度设定为2m/s,得到轨迹分析如图4所示。

模拟刀盘运动轨迹分析,绘制出不同刀盘转速条件下的切割图。从图4(a)中可以看出,空白区域过大,刀具切割间歇太大,较多茎秆处于倾斜切割状态。从图4(b)、图4(c)结果显示轨迹清晰,轨迹点运动合理,茎秆倾斜量较小。图4(d)结果显示轨迹运动不规则性,影响茎秆的切割稳定性。仿真结果表明,锯齿形圆盘刀旋转的合理转动速度应为300～400r/min。

3 刀盘的模态分析

模态分析是结构动力学分析的一种分析类型,可以仿真分析圆盘刀的固有频率和各阶模态振型,提高切割器的刚度,使切割器刀盘的低阶固有频率避开工作时的激振频率[7,8,9,10,11]。圆盘刀材料选择高硬度合金工具钢9SiCr,弹性模量E=206GPa,泊松比u=0.3,密度ρ=7 850kg/m3。利用Ansys软件对圆盘刀进行模态分析,如图5所示。由以上4种模态振动结果来看,图5(a)振动为扭转振动,图5(b)、图5(c)为工作平面振动,图5(d)为工作平面的挤压变形振动。由图5可以看出圆盘刀一阶固有频率避开了扭振时的激振频率,因此现有的圆盘刀结构可用于物理样机的使用。

4 结论

1)对锯齿形双圆盘切割器的切割原理进行了分析,建立了影响切割效率的主要参数滑切角α与钳住角β二者间的数学模型;从切割稳定性角度,确定了β在0～π/4区间时为合理的线性切割角度选取范围。

2)利用Pro/E的机构运动分析功能,仿真分析了圆盘刀锯齿上一齿韧的齿根和齿尖两点的切割运动轨迹与圆盘刀转动速度的变化规律。为达到良好的切割效果,给出了圆盘刀合理转动速度范围为300～400r/min。

3)利用Ansys的模态分析功能,对锯齿形双圆盘 刀进行了模态分析,明确了圆盘刀的固有频率和各阶 模态,为实际工作避开扭转振动状态提供了设计依据。

参考文献

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