HRB500高強度鋼筋剝肋倒角裝置設計與研究

牛虎利，楊碩，楊佳俊，孫曉婷，張嘉鈺

(1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.石家莊理工職業學院機械工程系，河北石家莊 050228)

0 前言

熱軋帶肋鋼筋是目前我國使用量最大的鋼材品種之一，被廣泛用于道路、橋梁、核電等基礎設施建設[1]。近年來由于國家去產能政策的相繼出臺和對高能耗產業的不斷調整，HRB500高強度鋼筋作為一種高強度材料，是近幾十年來在HRB400鋼筋研究的基礎上發展起來的一種熱軋帶肋鋼筋，具有可減少鋼筋的使用量、節約工程直接成本、減少鋼筋的安裝量等優點，更加貼合市場需求，對節能減排將產生積極的促進作用[2-3]。大直徑HRB500高強鋼筋能夠有效減少鋼筋的使用量，節省建筑空間和建造成本，具有較好的環保和經濟效益[4-6]。然而大直徑高強鋼筋螺紋采用傳統切削加工的方式，刀具難以對它進行加工并且削弱了母材的連接強度，不能滿足大直徑高強鋼筋的加工要求。采用滾壓的方式對它進行加工，由于鋼筋橫肋和縱肋的存在，使得滾壓前毛坯尺寸不準確，也難以保證滾壓后螺紋的精度[7]。

基于此，本文作者提出一種針對鋼筋的銑端面、剝肋和倒角工序的加工設備，對鋼筋剝肋倒角機的總體結構進行詳細設計，并進行有限元仿真分析。

1 裝置整體結構與工作原理

機床主要由六部分組成：進給傳動系統、主傳動系統、剝肋刀具、定位裝置、定心夾具、機床底座，如圖1所示。由于鋼筋長度較長，可采用臥式加工的方式，夾緊工件，刀具轉動。通過擋塊對工件進行軸向定位，為保證工件與刀具之間的同軸度，采用定心夾緊機構。平整端面采用端銑刀銑削的方式，剝肋和倒角采用車削的加工方式。主傳動系統采用離合器變速機構以滿足不同的轉速需求，進給傳動系統采用絲杠螺母副傳遞運動。實物和經過銑斷面、剝肋、倒角后的鋼筋分別如圖2和圖3所示。

圖1 機床總體結構布局

圖2 機床實物

圖3 工件銑端面、剝肋、倒角后的鋼筋

工件由鋼筋輸送裝置輸送至剝肋工位，利用擋塊進行定位，同時擋塊上安裝的金屬傳感器檢測工件到位后，夾具裝置運行，夾緊工件。主傳動系統運行帶動剝肋刀具高速旋轉，橫向進給系統運行，帶動縱向進給系統和主傳動系統橫向進給，對鋼筋端面進行銑端面處理。當剝肋刀具軸線與工件軸線重合時，縱向進給系統運行，帶動主傳動系統縱向進給，對鋼筋端部依次進行剝肋和倒角處理。最后縱向進給系統和橫向進給系統依次退回，夾具裝置松開，鋼筋被輸送裝置運回，完成該工位的加工工藝。工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

2 主要結構參數確定

2.1 刀具體結構設計

根據鋼筋的幾何尺寸及實際情況，確定端面銑削厚度為3 mm，車削余量為1.4 mm，車削長度為60 mm，倒角為2 mm。文中設計的刀具由刀桿、銑端面刀片、剝肋刀片和倒角刀片組成，采用圖5所示結構。刀具在加工高強鋼筋時，加工過程為斷續切削，刀具持續地受到載荷的震動和沖擊作用，為了保證刀具的使用壽命，采用的刀具材料應該具有高耐磨性和強度[8]。

圖5 刀具結構

銑削部分采用的6片硬質合金刀片均布在刀桿端部，剝肋部分兩片剝肋刀片距刀具中心距離分別為d1和d2且d1

倒角部分是對剝肋后的鋼筋進行倒角加工，此部分也采用可轉位刀片。為了便于刀槽的加工和刀片的安裝，此部分刀片可采用和剝肋部分相同的刀片。該部分也采用2片刀片，對稱安裝在刀具體內部。

2.2 切削用量的確定

2.2.1 車削(剝肋)切削用量的確定

刀具采用2個材料為硬質合金的刀片，主偏角Kr=90°，前角γo=0°，刃傾角λS=0°，刀尖圓弧半徑r=0.4 mm。工件的公稱直徑為38.7 mm；縱肋寬和高均為3.5 mm；橫肋寬為2.9 mm。為了保證螺紋加工質量，剝肋不能傷到底徑(38.7±0.7) mm。因此，將鋼筋剝肋直徑設置為40.5 mm。

(1)確定背吃刀量ap。刀具采用2片硬質合金刀片將工件剝肋至φ40.5 mm，每個刀片的最大吃刀量為1.4 mm。

(2)確定進給量f。被加工件的材料為合金鋼，加工直徑為43 mm，單個刀片的刀桿尺寸可等價于16 mm×25 mm，背吃刀量ap=1.25 mm。查機械加工工藝手冊，可知進給量f=0.4～0.5 mm/r。因為鋼筋橫肋和縱肋的存在，加工過程為斷續切削，進給量應乘以系數k=0.75～0.85。取k=0.8，進給量f=0.32～0.4 mm/r，取進給量f=0.4 mm/r。

(3)確定切削速度。根據刀具材料為硬質合金，背吃刀量ap=1.25 mm、進給量f=0.4 mm/r由機械加工工藝手冊可得，切削速度v=142 m/min=2.4 m/s。因為加工材料σb=630 MPa，需要對切削速度進行修正，查表得修正系數Kma=650/630=1.03，所以切削速度v=142×1.03=147.29 m/min。

剝肋切削用量如表1所示。

表1 剝肋切削用量

2.2.2 銑削切削用量的選擇

銑削鋼筋端面采用是端銑刀，齒數z=6，銑刀直徑取d0=125 mm，刀片材料為硬質合金。

端面銑削用量如表2所示。

表2 銑削端面切削用量

(1)車削剝肋切削力的計算

刀具在切削工件時，存在切屑與工件內部彈、塑性變形抗力，切屑與工件對刀具產生的摩擦阻力，兩者作用在刀具上的合力為F。合力F作用在切削刃工作空間某方向，由于大小和方向都不易確定，所以，為了便于測量、計算和反映實際作用的需要，可將合力F分解為3個分力：切削力Fc為主運動方向上的分力；背向力Fp為垂直于假定工作面上分力；進給力Ff為進給運動方向上的分力。

根據金屬切削原理，刀具合力F的大小為

(1)

(2)銑削力的計算

銑刀為多齒刀具。銑削時，每個工作刀齒都受到變形抗力和摩擦力作用，每個刀齒的切削位置和切削面積隨時在變化，因此每個刀齒所承受切削力的大小和方向也在不斷變化。由于機床、夾具設計的需要和測量方便，通常將總切削力沿著機床工作臺運動方向分解為3個力：進給力Ff、橫向進給力Fe、垂直進給力FfN。銑削時，各進給力和切削力有一定比例，根據金屬切削原理與刀具，銑刀總切削力F為

(2)

根據《金屬切削原理與刀具》可得端銑時的銑削力公式為

(3)

查表可得：Fc=3 807 N；Ff=1 523 N；FfN=3 617 N；Fe=2 094 N；總切削力F=4 448 N。

2.3 夾具設計

2.3.1 夾緊裝置設計

采用圖6所示結構對工件進行軸向定位和夾緊，包括定位塊和定心夾緊機構。定位塊安裝在橫向進給工作臺上，對工件完成定位后可隨橫向進給工作臺一起運動。定心夾具由V形塊、連接塊、夾緊滑塊和液壓馬達等組成，如圖7所示。V形塊兩工作面夾角為90°，具有良好的對中性，保證了工件軸線與剝肋刀具軸線的同軸度。液壓馬達通過齒輪齒條機構帶動夾緊滑塊往復運動，實現了V形塊對工件的夾緊與松開。采用2組兩爪卡盤能夠顯著減小工件偏移量的范圍，所以機床采用一組夾具水平放置、另一組夾具旋轉45°角安裝的方式。

圖6 定心夾具

圖7 定心夾具結構

2.3.2 夾緊力計算

機床在加工零件時，為了保證加工精度，必須對工件進行夾緊和定位[11]。夾緊力的作用主要是用來保證工件的定位基準與定位件保持良好的接觸，使加工時不至于受切削力、離心力、慣性力、工件自重等作用而產生位移，在夾具設計過程中非常重要[12]。

根據金屬機械加工工藝人員手冊可知：采用圖8所示以2個V形塊定位夾緊進行銑削時，所需夾緊力的計算公式為

圖8 加工簡圖

(4)

式中：W為所需加緊力；M為切削力矩；D為工件直徑；k為安全系數；f為摩擦因數。

工件直徑D取43 mm，端面銑削為粗加工安全系數k取3，摩擦因數f取0.3，切削力矩最大為117.92 N·m，計算得W=5 777 N。

2.4 進給傳動系統設計

為了縮短輔助時間，要求進給系統具有快速空行程移動功能，以實現刀具的快速接近和快速返回。采用以伺服電機作為動力源的傳動系統，采用絲杠螺母副傳遞運動，實現橫向和縱向2個方向的進給運動。

主傳動箱重力W1=2 880 N，縱向進給系統與主傳動箱重力W2=5 832 N，縱向進給系統最大行程Lk=590 mm，快速進給速度vmax=100 mm/s，要求壽命Lh=20 000 h，可靠度97%。其他參數如表3所示。

表3 進給系統參數

(1)確定滾珠絲杠副的導程Ph

由機械設計手冊查得：

(5)

(2)確定當量載荷Fm與當量轉速nm

在加工過程中，絲杠的軸向載荷Fi=Pxi+μ(W1+W2+Pxi)，由此代入機械設計手冊中可得當量載荷：

(6)

代入機械設計手冊中相關數值可得當量轉速

(7)

(3)確定預期額定動載荷Cam

先按Lh要求根據機械設計手冊計算，伴有沖擊和振動取fw=1.5；精度等級1～3級，取fa=1.0；可靠度97%，取fe=0.44，則

(8)

采用中預緊絲杠，取fe=4.5，按最大載荷Fmax計算：

C″am=feFmax=4.5×4 448=20 016 N

(9)

取C′am與C″am較大值，則Cam=38 764.7 N

(4)確定允許的最小螺紋底徑d2m

估算絲杠允許的最大軸向變形量δm：

(10)

(11)

取兩結果最小值δm=2.5 μm。

F0=μ0W=μ0W1=0.2×5 821=1 164.2 N

(12)

L=600 mm。取兩端固定支撐形式Q=0.039代入得

(13)

(5)確定滾珠絲杠副的代號

選擇內循環浮動法蘭式ZD型2505-3，查表得d0=25.5 mm，d2=22 mm>d2m=20.6 mm，查表得螺母長為46 mm。

2.5 伺服電機的計算與選型

回轉運動件轉動慣量公式：

JR=md2/8=πρd4L/32

(14)

式中：m為旋轉部件質量；d為旋轉部件直徑；L為旋轉部件長度；ρ為旋轉部件材料的密度。絲杠直徑d取0.04 m，工作長度0.48 m，材料密度ρ取7 800 kg/m3。絲杠轉動慣量J1=π×7 800×0.044×0.48/32=0.94×10-3kg·m2。聯軸器轉動慣量依據樣本可以查得J2=1.1×10-3kg·m2。由于減速機為外購件，根據樣本可以查得J3=0.924×10-3kg·m2。直線運動折算到絲杠上的轉動慣量J4：

J4=M[P/(2π)]2=0.002 5 kg·m2

(15)

折算至電機軸上的總轉動慣量：

Jeq=(J1+J2+J3+J4)/i2=6.376 7 kg·m2

計算加速力矩及加速過程中電機軸上的總扭矩T∑，其中加速力矩：

(16)

式中：nm為電機轉速(r/min)；ta為加速時間(s)。

等效摩擦轉矩：

(17)

式中：Fm為最大軸向載荷(N)，1/3Fm為螺母預緊力，即預緊力一般為軸向載荷的1/3；k為絲杠螺母副內部摩擦因數，取0.3；μ為導軌與工作臺之間的摩擦因數；W為工作臺(含工件)重力(N)；Ph為絲杠導程(m)；η為效率，取0.88；i為齒輪傳動比。

等效外負載力矩TL：

(18)

總扭矩：

T∑=max{Ta+Tf,TL+Tf}=9.06 N·m

(19)

電機功率：

(20)

3 基于ANSYS有限元分析

3.1 建立幾何模型

復合刀具可以對鋼筋完成銑端面、剝肋及倒角3道工序，其中刀具端部均勻分布6片硬質合金刀片，用于剝肋的刀片及倒角的刀片位于刀具體內部，如圖9所示。

圖9 刀具模型

3.2 建立材料模型

在切削過程中，材料的行為是非線性的，工件模型采用Johnson-Cook模型[13-14]，刀具可看成線性彈性模型，刀具材料為鎢鈷鈦類硬質合金，密度為11 500 kg/m3，彈性模量為530 GPa、泊松比為0.3。工件的屈服強度為500 MPa，抗拉強度為630 MPa，工件材料參數如表4所示。

表4 工件材料Johnson-Cook本構模型參數

Johnson-Cook模型如下：

(21)

其中：A為材料在準靜態下的屈服強度；B為應變硬化系數；εe為等效塑性應變常數；n為應變硬化指數；εp為等效塑性應變率；εo為參考應變率；C為應變率敏感系數；v為應變率靈敏指數；Tm為材料熔點；Tr為室溫。

3.3 求解與結果分析

設置計算時間及時間步，對有限元模型進行求解。可以看出3個切削過程均分為3個階段[15]：(1)塑性變形階段。刀尖和工件接觸并擠壓工件，使切削層發生塑性變形；(2)剪切滑移階段。切削層受到刀具的擠壓進一步加劇，當工件材料單元達到失效準則時，將該單元從網格中刪除，切削層和工件發生分離，材料沿切削刃向上滑移；(3)切屑形成階段。滑移出的材料不斷流出，并在刀具的擠壓下產生塑性變形，形成切屑。工件的等效應力云圖表明：當工件與刀具開始接觸時，等效應力由刀尖與工件接觸點迅速向工件內部延伸并衰減，隨著刀片的進給，等效應力范圍逐漸擴大。如圖10所示，切削過程中位于第一變形區的材料，產生了塑性變形，等效應力也達到最大值。

圖10 銑削仿真過程

由圖11可知：當刀尖接觸鋼筋時，等效應力急劇增大，直至達到材料的屈服應力，使材料破壞，切屑和工件分離，切削穩定進行，最大等效應力在一定的范圍內波動，最大等效應力為1 772 MPa。由圖12可知：刀片與工件發生碰撞時，等效應力從刀尖向刀體方向延伸并衰減，最大等效應力均發生在刀尖處，其大小分別為1 611.1、1 193.7 MPa。

圖11 應力隨時間變化曲線

圖12 應力分布云圖

4 結語

(1)針對大直徑高強鋼筋螺紋，采用傳統切削加工的方式，刀具難以對它進行加工并且削弱了母材的連接強度，不能滿足大直徑高強鋼筋的加工要求等問題，提出了一種針對鋼筋的銑端面、剝肋和倒角工序的加工設備。

(2)根據方便裝夾和便于更換，采用可轉位式刀具。銑削部分采用6 片可轉位刀片均勻地分布在刀體的端部，刀片的夾緊結構采用壓孔式，剝肋和倒角部分采用2片刀片。

(3)根據加工要求，確定了剝肋倒角設備的工藝方案，計算了刀具的切削用量及切削力，為關鍵元器件的選型提供參考，闡述了該設備的加工過程。依據設計指標對剝肋倒角機床進行了總體結構設計，并對關鍵元器件進行了選型計算；根據加工設備的布局情況，確定了鋼筋輸送裝置總體方案，并對它進行了結構設計及關鍵元器件的選型。

(4)對復合刀具切削鋼筋的過程進行了研究，建立了三維切削仿真模型。通過仿真分析刀具擠壓材料產生切屑的過程，得到了切削過程中刀具應力變化規律與應力分布云圖，為HRB500高強度鋼筋剝肋倒角裝置設計與切削性能研究提供依據。