矩形管仿形銑切鋸恒定弧長切割算法

呂翠玉， 於成業

（1. 沈陽康特機電設備有限公司， 沈陽110144；2. 沈陽機床股份有限公司數控刀架分公司， 沈陽110142）

0 前 言

隨著較大直徑直縫焊管產品需求的日益增長， 仿形銑切鋸的使用量逐年遞增。 仿形銑切鋸能夠克服普通冷切鋸在切割大直徑、 厚壁管上存在的困難， 一般由2～4 個鑲齒鋸片參與切割， 鋸片直徑為250～350 mm， 利用仿形鋼管輪廓銑切的原理實現以小鋸片切透大鋼管的目的。在直縫焊管生產線中， 仿形銑切鋸作為最后的切斷設備， 決定著焊管的切割精度和切口質量，同時還制約著生產效率， 影響生產成本。 如果切割時鋸片位置不合理， 不但會導致切面粗糙，還會影響鋸片壽命。 本研究在R-θ 仿形銑切機的基礎上， 采用兩張鋸片進行切割， 設計了一種針對矩形管的恒定弧長切割算法， 并進行了實際切割驗證。

1 切割模型

R-θ 仿形銑切機械結構如圖1 所示， 由大盤旋轉軸、 徑向進給軸和鋸片旋轉軸組成， 切割時通過大盤旋轉， 進給的徑向運動， 擬合運行軌跡， 完成切割。

圖1 R-θ 仿形銑切機械結構示意圖

本研究設計的切割算法適用于矩形管， 鋸片中心的軌跡如圖2 所示， 且在切割管壁時， 鋸片與管壁相交的弧長一致， 進給軸的速度隨進給位置的增大而逐漸降低到0， 之后再反向增大， 這樣在切割立面時可降低主軸扭矩， 達到提高鋸片使用壽命的目的。

圖2 R-θ 鋸片中心軌跡示意圖

2 切割算法

大盤勻速旋轉， 進給根據擬合曲線前進或后退動作。 已知大盤的旋轉角β， 鋸片的半徑R，矩形管水平邊長H， 矩形管垂直邊長L， 求鋸片中心到管中心的距離W。 現以立出的矩形管為例， 需保證大盤啟動加速度一定要小， 否則會導致徑向切割速度過大， 主軸扭矩升高， 損傷鋸片。結合圖2 得出的具體計算步驟如下

①當0≤β≤β1時， 進給位置不變， 此時還未切到管壁；

此時開始鋸片始終與過切量的直線相切運動， 保證切割立面時鋸片與管壁相交的弧長保持恒定；

此段仍然沿L1等弧長切削；

此時開始鋸片始終與過切量的直線L2相切運動， 保證切割水平面時鋸片與管壁相交的弧長保持恒定；

⑥當π-B2＜β＜計算的切斷角度時，

此段仍然沿L2等弧長切削。

通過分段計算出的鋸片中心到管中心的距離W， 可以確定進給軸每周期走的位置， 并在CT-Ⅲ運動控制器中進行程序編寫， 模擬測試空載時進給軸和大盤軸的速度和位置曲線， 如圖3 所示。

該切割算法考慮到大盤機械間隙的問題， 故讓大盤旋轉軸以固定速度運動， 但實際折算到矩形管管壁的進刀量并不是恒定的。 若可以忽略大盤間隙的影響， 該算法可以進行更進一步的優化。

圖3 仿形鋸空載時進給軸和大盤軸速度與位置變化曲線

3 試驗驗證

對該仿形鋸恒定弧長切割算法進行驗證， 實際切割Q345B 材質140 mm×140 mm×2.4 mm 矩形焊管。 鑲齒鋸片直徑300 mm， 72 齒， 大盤進刀量0.07 mm， 鋸片線速度300 m/min， 進給過切量6 mm ， 主軸1 的扭矩和速度波形如圖4 所示。 由試驗結果可知， 立面切割時的主軸扭矩明顯降低， 切割表面光滑， 無毛刺。 但需要注意的是在大盤開始旋轉時應減小加速度， 以達到入切扭矩降低的目的。

圖4 仿形鋸主軸扭矩與速度波形圖

4 結束語

通過對矩形管仿形銑切飛鋸的研究， 設計出了一種恒定弧長切割算法。 本切割算法在R-θ仿形設備上進行了實際切割測試。 試驗結果表明， 該優化切割算法效果良好、 易于實現， 可廣泛應用于矩形管仿形飛鋸中。