一种用于无缝钢管切割的加工设备的制作方法

本发明涉及机械加工与金属切削领域，具体为一种用于无缝钢管切割的加工设备。

背景技术：

1、在无缝钢管的切断加工领域，特别是在厚壁管材的深切削工况下，加工设备需要维持预设公差范围内的定姿态切削；为抑制切削区夹刀现象，现有加工方案普遍依靠增加刀杆截面积以提升结构刚度、降低机床进给速度或采用单一冷却液浇注的方式维持切削状态；虽然这些常规手段在切削前期具备一定的刚性支撑与降温作用，但当切削深度持续增加至管壁余量接近消失的临界区段时，管壁材料内部残余应力的释放会引发切缝剧烈收缩；在此阶段，切断刀片需同时承受恒定的径向切削主载荷与突发的侧向挤压冲击，传统依靠单一高刚度固定结构的刀架体系难以兼顾整体的平稳进给驱动与应对切缝侧向变形的柔性适应；由于缺乏针对切缝收缩趋势的动态预判与自适应缓冲机制，切削阻力存在瞬时阶跃突增的倾向，引发刀片崩刃、刀杆震颤失稳以及管材切口撕裂等加工故障。

2、因此，如何在无缝钢管厚壁深切断作业中动态兼顾刀具系统的进给稳定性与应对侧向冲击的自适应调节能力，有效防止临界区夹刀现象，成为当前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于无缝钢管切割的加工设备，具体而言，本发明的技术方案包括：

2、床身，所述床身的上端设置有主轴箱，所述主轴箱与床身固定连接，所述主轴箱的内部设置有旋转主轴，所述旋转主轴设置有三爪卡盘，所述旋转主轴通过三爪卡盘夹持并带动无缝钢管旋转，所述床身的一侧设置有径向进给滑台，所述床身与径向进给滑台滑动连接；

3、所述径向进给滑台连接有第一伺服电机，所述径向进给滑台由第一伺服电机驱动，所述径向进给滑台的顶面设置有自适应拮抗刀座，所述自适应拮抗刀座与径向进给滑台固定连接；

4、所述自适应拮抗刀座的前端开口处密封连接有刀杆，所述刀杆的前端固定有切断刀片，所述刀杆的尾部延伸至自适应拮抗刀座的内部，所述刀杆的内部设置有磁致伸缩换能器；

5、所述磁致伸缩换能器连接有超声波发生器，所述自适应拮抗刀座的上方固定连接有高压流体喷头，所述高压流体喷头连接有相变流体混合泵。

6、在一种可能的实现方式中：所述床身的一侧设置有燕尾导轨，所述床身通过燕尾导轨与径向进给滑台滑动连接，所述第一伺服电机的端部设置有滚珠丝杠，所述径向进给滑台由第一伺服电机通过滚珠丝杠直接驱动，所述滚珠丝杠无减速机构且螺距为5mm，所述第一伺服电机的端部与滚珠丝杠之间设置有梅花形弹性联轴器，所述第一伺服电机通过梅花形弹性联轴器连接滚珠丝杠端部，所述梅花形弹性联轴器的扭转刚度为5kn·m/rad。

7、在一种可能的实现方式中：所述自适应拮抗刀座的内部设置有前置腔室和后置腔室，所述前置腔室和后置腔室沿进给方向对称布置，所述前置腔室和后置腔室之间设置有节流通道，所述前置腔室和后置腔室通过节流通道连通，所述节流通道的直径为3mm，所述前置腔室和后置腔室内注有剪切增稠流体。

8、在一种可能的实现方式中：所述径向进给滑台的顶面设置有四个m12螺栓，所述径向进给滑台通过四个m12螺栓固定连接自适应拮抗刀座，所述自适应拮抗刀座的前端开口处设置有波纹钢膜片，所述自适应拮抗刀座的前端开口处通过波纹钢膜片密封连接刀杆，所述波纹钢膜片的厚度为1mm，所述刀杆的尾部延伸至前置腔室内并与前置腔室内壁留有2mm的间隙，所述刀杆的前端设置有压板，所述刀杆前端通过压板固定切断刀片。

9、在一种可能的实现方式中：所述刀杆的内部沿轴向开设有通孔，所述通孔的直径为15mm，所述磁致伸缩换能器过盈配合安装在通孔内，所述磁致伸缩换能器的尾端设置有屏蔽电缆，所述磁致伸缩换能器尾端通过屏蔽电缆连接超声波发生器，所述自适应拮抗刀座的上方设置有l型支架，所述自适应拮抗刀座上方通过l型支架固定连接高压流体喷头，所述高压流体喷头的喷嘴对准切断刀片与无缝钢管接触的切缝区域，所述高压流体喷头的尾端设置有高压软管，所述高压流体喷头尾端通过高压软管连接相变流体混合泵。

10、在一种可能的实现方式中：所述加工设备被配置为在无缝钢管切削前期执行以下步骤，所述第一伺服电机驱动径向进给滑台以恒定速度向前推进，所述主轴箱带动无缝钢管高速旋转，所述切断刀片连续去除无缝钢管的材料，由此产生的微小高频径向颤振配置为通过波纹钢膜片与刀杆传递至前置腔室。

11、在一种可能的实现方式中：所述加工设备被配置为随着切削深度增加进入壁厚余量趋近于零的临界区执行以下步骤，提取旋转主轴内部定子电流的高频谐波分量幅值以及第一伺服电机的扭矩波动频谱，将定子电流的5次和7次高频谐波分量幅值随时间的积分值作为管壁残余应力释放的表征量，记为高频谐波能量积分值；当所述高频谐波能量积分值小于或等于预设的动态基准线时，维持当前切削状态；当所述高频谐波能量积分值超过预设的动态基准线时，进入干预步骤。

12、在一种可能的实现方式中：所述加工设备被配置为根据扭矩波动频谱的波峰频率与高频谐波能量积分值计算夹刀趋势指数，根据所述扭矩波动频谱的波峰频率、所述高频谐波能量积分值、刀杆的固有刚度系数以及已标定的剪切增稠流体初始黏度，确定所述夹刀趋势指数。

13、在一种可能的实现方式中：所述加工设备被配置为当所述夹刀趋势指数小于或等于预设的安全阈值时，维持当前切削状态；当夹刀趋势指数大于预设的安全阈值时执行以下步骤，所述前置腔室配置为接收所述刀杆传递的侧向冲击力，并使内部的所述剪切增稠流体发生相变以对所述刀杆提供固态支撑力。

14、在一种可能的实现方式中：所述加工设备被配置为根据夹刀趋势指数实时计算补偿参数；所述加工设备控制超声波发生器输出高频微幅超声振动并通过磁致伸缩换能器作用于刀杆，同步控制相变流体混合泵向切缝内喷射液氮与切削液的混合微滴。

15、本发明具备以下有益效果：

16、1.本发明通过设置自适应拮抗刀座并在前后腔室注满剪切增稠流体，在切削前期利用流体低黏度状态的往复流动耗散颤振能量以维持切入位姿；在切削临界区受侧向挤压冲击时，流体瞬间相变为高刚度固态并产生反向抵消力，被动防止刀杆折断；同时协同超声波发生器输出微幅振动实现高频断续切削，并利用相变流体混合泵脉冲喷射液氮与切削液混合微滴撑开切缝，实现了应对侧向变形的柔性适应，有效防止了夹刀引起的刀片崩损；

17、2.本发明建立了一种针对切缝收缩趋势的动态预判与主动干预机制；通过提取旋转主轴定子电流的高频谐波分量幅值积分及伺服电机的扭矩波动频谱，并结合刀杆固有刚度系数等参数精准计算出夹刀趋势指数；当该指数超出安全阈值时，系统能根据指数实时计算出目标超声振幅和目标喷射压力，同步精准调度超声机械微振与极低温高压流体楔入效应进行多物理场协同补偿，动态兼顾了整体进给稳定性与自适应缓冲调节能力。

1.一种用于无缝钢管切割的加工设备，包括：

2.如权利要求1所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述床身（1）的一侧设置有燕尾导轨（15），所述床身（1）通过燕尾导轨（15）与径向进给滑台（6）滑动连接，所述第一伺服电机（7）的端部设置有滚珠丝杠（16），所述径向进给滑台（6）由第一伺服电机（7）通过滚珠丝杠（16）直接驱动，所述滚珠丝杠（16）无减速机构且螺距为5mm，所述第一伺服电机（7）的端部与滚珠丝杠（16）之间设置有梅花形弹性联轴器（17），所述第一伺服电机（7）通过梅花形弹性联轴器（17）连接滚珠丝杠（16）端部，所述梅花形弹性联轴器（17）的扭转刚度为5kn·m/rad。

3.如权利要求2所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述自适应拮抗刀座（8）的内部设置有前置腔室（18）和后置腔室（19），所述前置腔室（18）和后置腔室（19）沿进给方向对称布置，所述前置腔室（18）和后置腔室（19）之间设置有节流通道，所述前置腔室（18）和后置腔室（19）通过节流通道连通，所述节流通道的直径为3mm，所述前置腔室（18）和后置腔室（19）内注有剪切增稠流体（21）。

4.如权利要求3所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述径向进给滑台（6）的顶面设置有四个m12螺栓（22），所述径向进给滑台（6）通过四个m12螺栓（22）固定连接自适应拮抗刀座（8），所述自适应拮抗刀座（8）的前端开口处设置有波纹钢膜片（23），所述自适应拮抗刀座（8）的前端开口处通过波纹钢膜片（23）密封连接刀杆（9），所述波纹钢膜片（23）的厚度为1mm，所述刀杆（9）的尾部延伸至前置腔室（18）内并与前置腔室（18）内壁留有2mm的间隙，所述刀杆（9）的前端设置有压板（24），所述刀杆（9）前端通过压板（24）固定切断刀片（10）。

5.如权利要求4所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述刀杆（9）的内部沿轴向开设有通孔（25），所述通孔（25）的直径为15mm，所述磁致伸缩换能器（11）过盈配合安装在通孔（25）内，所述磁致伸缩换能器（11）的尾端设置有屏蔽电缆（26），所述磁致伸缩换能器（11）尾端通过屏蔽电缆（26）连接超声波发生器（12），所述自适应拮抗刀座（8）的上方设置有l型支架，所述自适应拮抗刀座（8）上方通过l型支架固定连接高压流体喷头（13），所述高压流体喷头（13）的喷嘴对准切断刀片（10）与无缝钢管（5）接触的切缝区域，所述高压流体喷头（13）的尾端设置有高压软管，所述高压流体喷头（13）尾端通过高压软管连接相变流体混合泵（14）。

6.如权利要求5所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述加工设备被配置为在无缝钢管（5）切削前期执行以下步骤，所述第一伺服电机（7）驱动径向进给滑台（6）以恒定速度向前推进，所述主轴箱（2）带动无缝钢管（5）高速旋转，所述切断刀片（10）连续去除无缝钢管（5）的材料，由此产生的微小高频径向颤振配置为通过波纹钢膜片（23）与刀杆（9）传递至前置腔室（18）。

7.如权利要求6所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述加工设备被配置为随着切削深度增加进入壁厚余量趋近于零的临界区执行以下步骤，提取旋转主轴（3）内部定子电流的高频谐波分量幅值以及第一伺服电机（7）的扭矩波动频谱，将定子电流的5次和7次高频谐波分量幅值随时间的积分值作为管壁残余应力释放的表征量，记为高频谐波能量积分值；当所述高频谐波能量积分值小于或等于预设的动态基准线时，维持当前切削状态；当所述高频谐波能量积分值超过预设的动态基准线时，进入干预步骤。

8.如权利要求7所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述加工设备被配置为根据扭矩波动频谱的波峰频率与高频谐波能量积分值计算夹刀趋势指数，根据所述扭矩波动频谱的波峰频率、所述高频谐波能量积分值、刀杆（9）的固有刚度系数以及已标定的剪切增稠流体（21）初始黏度，确定所述夹刀趋势指数。

9.如权利要求8所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述加工设备被配置为当所述夹刀趋势指数小于或等于预设的安全阈值时，维持当前切削状态；当夹刀趋势指数大于预设的安全阈值时执行以下步骤，所述前置腔室（18）配置为接收所述刀杆（9）传递的侧向冲击力，并使内部的所述剪切增稠流体（21）发生相变以对所述刀杆（9）提供固态支撑力。

10.如权利要求9所述的一种用于无缝钢管切割的加工设备，其特征在于：所述加工设备被配置为根据夹刀趋势指数实时计算补偿参数；所述加工设备控制超声波发生器（12）输出高频微幅超声振动并通过磁致伸缩换能器（11）作用于刀杆（9），同步控制相变流体混合泵（14）向切缝内喷射液氮与切削液的混合微滴。