管道切割時(shí)切削力與效率的關(guān)系

在管道切割工程施工作業(yè)時(shí)，由于管道材質(zhì)的不同，因此所選用的切管機(jī)刀片也有所不同。例如切割球墨鑄鐵管道時(shí)，使用液壓切管機(jī)XJQG-1型并使用普通刀片XJDP-01即可；切割L系列（美標(biāo)X系列）合金及不銹鋼管道時(shí)應(yīng)使用XJDX-03型刀片。

尤其是進(jìn)行管道防爆切割作業(yè)時(shí)更加明顯。由于在機(jī)械冷切割（無(wú)火花切割）領(lǐng)域中，壓強(qiáng)數(shù)值越大（P=F/S），越容易使刀尖及刀片刃入管道表面，切割所產(chǎn)生的熱量越少，切割時(shí)產(chǎn)生的切割碎屑越小。

在相同的切管機(jī)設(shè)備及液壓泵站動(dòng)力設(shè)備配套使用的條件下，根據(jù)以上公式可以得出，力與面積是壓強(qiáng)的重要兩個(gè)因素，即管道切削力F與切削時(shí)的面積之比。因此，進(jìn)行管道切割時(shí)，F恒定的情況下，切削面越小，所獲得的壓強(qiáng)越大。

刀片在進(jìn)行制造時(shí)，不可能將面積做得很小，主要原因是因?yàn)殄懺斓牡毒咴谇邢鞴艿罆r(shí)也要承受管道的反作用力，這種力對(duì)刀具也有很大的破壞作用。因此，刀具除了要有一定的硬度外還要有一定的韌性來(lái)保持刀具不發(fā)生變形和折斷。下面就簡(jiǎn)要分析一下切管機(jī)刀片在進(jìn)行管道切割時(shí)切削力及相應(yīng)的受力情況：

1.切削力及合力

1.1研究管道切割的切削力，對(duì)進(jìn)一步弄清管道切削機(jī)理，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)刀具、切管機(jī)、切管機(jī)刀片的設(shè)計(jì)都具有非常重要的意義。金屬管道進(jìn)行切削時(shí)，刀具切進(jìn)管道，使管道表面金屬發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱(chēng)為切削力。其中切削力的主要來(lái)源在以下3個(gè)方面：

a.克服管道表面被切削時(shí)對(duì)彈性變形的抗力；

b.克服管道表面被切削時(shí)對(duì)塑性變形的抗力；

c.克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)渡表面、管道在切割后切管機(jī)刀片表面因抗拒切割向力與管道壁之間所形成的摩擦力。

1.2切削合力及分解

它們的合力Fr作用在前刀面上近切削刃處。為了便于分析切削力在管道切削時(shí)的作用和丈量、計(jì)算切削力的大小，通常將合力Fr，在按主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向和進(jìn)給方向作的空間直角坐標(biāo)軸z、y、x上分解成三個(gè)為相互垂直的Fz、Fy和Fx三個(gè)分力。

a.主切削力Fz（切向力）：主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力。

Fz是切管機(jī)進(jìn)行管道切割時(shí)最大的一個(gè)分力，它消耗了切管機(jī)切削總功率的95%左右，是設(shè)計(jì)與使用刀具的主要依據(jù)，并用于驗(yàn)算切管機(jī)、切管機(jī)刀片、切割主軸等主要零部件的強(qiáng)度和剛度以及液壓馬達(dá)的標(biāo)稱(chēng)功率。

b.切管機(jī)的切深抗力Fy（徑向力）：切深方向的分力。

Fy不消耗切管機(jī)的功率，但在切管機(jī)主軸、切管機(jī)鏈條捆進(jìn)度、切管機(jī)刀片所組成的管道切割系統(tǒng)剛性不足時(shí)，造成切管機(jī)在進(jìn)行管道切割時(shí)振動(dòng)的主要因素。

c.切管機(jī)的進(jìn)給抗力Fx（軸向力）

Fx消耗了總功率5%左右，它是驗(yàn)算切管機(jī)繞管道自動(dòng)爬行的進(jìn)給系統(tǒng)主要零、部件強(qiáng)度和剛性的依據(jù)。

F=(Fxy2+fz2)1/2=(fx2+fy2+fz2)1/2，其中，Fy=FxycosKr ， Fx=Fxy sin Kr

注：在切管機(jī)切削管道表面時(shí)，上述分力亦稱(chēng)為：Fr——切向力、Fy——徑向力、Fx——軸向力。

2.管道切割時(shí)切削力公式

在進(jìn)行管道切割過(guò)程中使用防爆切管機(jī)時(shí)，我們已經(jīng)積累了大量的切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于一般管道切割方法，如直切、懸切等方法已建立起了可直接利用的經(jīng)驗(yàn)公式。

在進(jìn)行管道切割測(cè)力實(shí)驗(yàn)的方法有單因素法和多因素法，通常采用單因素法：即固定其它實(shí)驗(yàn)條件，在管道切削時(shí)分別改變背吃刀量ap和進(jìn)給量f，并從測(cè)力儀上讀出對(duì)應(yīng)切削力數(shù)值，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理求出它們之間的函數(shù)關(guān)系式。

通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)建立的車(chē)削力實(shí)驗(yàn)公式，其一般形式為：

Fz=Cfz ap2fz*?yfzkfz

其中，CFz是指影響系數(shù)，它的大小與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)；

XfZ是指背吃刀量ap對(duì)管道切削力影響指數(shù)；

Yfz是指進(jìn)給量?對(duì)切削力影響指數(shù)；

Kfz是指計(jì)算條件與實(shí)驗(yàn)條件不同時(shí)對(duì)切削力的修正系數(shù)。

管道切割時(shí)的切削力實(shí)驗(yàn)公式是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下求出來(lái)的。在實(shí)際計(jì)算切管機(jī)的切削力時(shí)，假如切削條件與實(shí)驗(yàn)條件不符，需乘一個(gè)修正系數(shù)KF，它是包括了很多因素的修正系數(shù)乘積。修正系數(shù)也是用實(shí)驗(yàn)方法求出。

總之，在管道切割作業(yè)過(guò)程中，遇到的諸如管道材質(zhì)，配套的液壓泵站以及切管機(jī)刀片、液壓馬達(dá)功率等很多因素的影響，其切割的效果也不盡相同。理論計(jì)算的數(shù)值僅為提供管道切割時(shí)力學(xué)分析及熱學(xué)分析的主要思路，希望在實(shí)際的管道切割作業(yè)按照參數(shù)進(jìn)行理論與實(shí)踐相結(jié)合，并有效率地完成管道切割施工作業(yè)。

關(guān)注“天津先鋒帶壓開(kāi)孔”百家號(hào)，可在下方留言將管道切割工程的其它問(wèn)題可一起研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

1.《先鋒管道切割作業(yè)流程》TJXFGD-QG-03 20190905版；

2. 切削力的理論公式[J]. 天津商學(xué)院學(xué)報(bào), 1991, 011(003):22-28.

3. 金東燮. 切削過(guò)程中應(yīng)力和切削力的研究[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 1980(00):100-109.

4．張耀良, 楊明, 劉錫錄,等. 金屬切削加工中切削力計(jì)算的量綱分析法[J]. 哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 1992.