基于Pro／E的可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡長(zhǎng)亮，唐術(shù)鋒，安志亮，孫景福，仇洪然

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

在基礎(chǔ)制造業(yè)中，金屬切削是加工制造的準(zhǔn)備工序，切削質(zhì)量的好壞將直接影響到后續(xù)工作的進(jìn)行。目前，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的金屬切割設(shè)備是手動(dòng)式砂輪切割機(jī)，它是利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪來(lái)對(duì)鋼材、鐵材、非金屬材料及部分有色金屬進(jìn)行切斷加工的設(shè)備，在機(jī)械、冶金、汽車(chē)制造、建筑、礦山等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用［1］。手動(dòng)砂輪切割機(jī)與其他切削設(shè)備相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以比較容易地切斷較高硬度的材料；②切斷過(guò)程中所耗時(shí)間較短，效率較高；③切斷面美觀，精度較高；④使用方便，成本低，可移動(dòng)強(qiáng)。但是，手動(dòng)式砂輪切割機(jī)仍然存在很多缺點(diǎn)，比如使用時(shí)穩(wěn)定性較差、機(jī)械振動(dòng)較大，對(duì)切削材料形狀有所限制，安全防護(hù)性能較差，切屑不易收集清掃等［2］。本文在傳統(tǒng)切割設(shè)備的基礎(chǔ)上，借鑒數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床。

1 可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證預(yù)設(shè)特性的實(shí)現(xiàn)，該金屬切割機(jī)床的設(shè)計(jì)原則是：主體結(jié)構(gòu)必須緊湊而合理，各工作部件具有較高的獨(dú)立性，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠［3］。金屬切割設(shè)備采用可移動(dòng)臺(tái)式結(jié)構(gòu)，切割臺(tái)配有切屑收集裝置，切割方式主要采用電機(jī)與砂輪片固定不動(dòng)的方式，可根據(jù)材料式樣的不同采取不同的切割模式進(jìn)行切割作業(yè)?？梢苿?dòng)式金屬切割機(jī)床整機(jī)模型是在Pro／E中進(jìn)行繪制并裝配完成的，裝配模型如圖1所示。

2 可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床主要部件設(shè)計(jì)

結(jié)合切割材料形狀，最終確定該切割機(jī)床主要部件的結(jié)構(gòu)［4］。該切割機(jī)床在進(jìn)行切割時(shí)，根據(jù)被切割材料的形狀，選取不同的夾具裝置。切割機(jī)主要工作部分結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

2.1 切割裝置

2.1.1 砂輪的選擇

砂輪切割機(jī)種類(lèi)很多，以其切斷形式可以分為直線式切斷機(jī)、懸掛式切斷機(jī)、橫向進(jìn)給式切斷機(jī)、工件旋轉(zhuǎn)式切斷機(jī)和擺動(dòng)式切斷機(jī)等［4-5］。本文中切割機(jī)床的切斷形式屬于直線式中的工件進(jìn)給方式，如圖3所示，該切割方式應(yīng)用很廣泛。

圖1 可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床裝配模型

圖2 切割機(jī)主要工作部分結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)加工工件的尺寸要求，選用Φ400mm樹(shù)脂砂輪切割片，該砂輪片硬度高，自銳性較好，轉(zhuǎn)速可達(dá)3 500r／min以上［6］。參考市場(chǎng)多種品牌切割片，選用上海市藍(lán)鳥(niǎo)牌樹(shù)脂切割片，該型號(hào)切割片可切割圓形鋼材直徑達(dá)Φ90mm。

2.1.2 電機(jī)的選擇

通過(guò)對(duì)磨削力以及傳動(dòng)帶和砂輪切割時(shí)的受力分析，并結(jié)合砂輪轉(zhuǎn)速等方面的要求，參考常用砂輪切割設(shè)備的電機(jī)配置，選用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，該系列電機(jī)具有啟動(dòng)性能好、效率高、噪聲低、振動(dòng)小、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、維修方便等特點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，電動(dòng)機(jī)功率為2.5kW即可滿(mǎn)足使用要求，選用Y100L-2型三相異步電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)功率為3kW，額定轉(zhuǎn)速為2 870r／min，質(zhì)量為25kg。

圖3 工件進(jìn)給式切斷

2.2 夾緊裝置

機(jī)床夾緊裝置一直以來(lái)都是工藝裝備設(shè)計(jì)的重要組成部分，又稱(chēng)機(jī)床夾具。機(jī)床夾具應(yīng)能保證加工精度，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，且排屑方便。該切割機(jī)床采用圓形金屬夾具與方形板材夾具的組合形式，這樣使切割分工更明確，大大提高了切割效率。夾緊裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 進(jìn)給系統(tǒng)

考慮到該切削機(jī)床的切削形式為工件進(jìn)給式，在切削過(guò)程中需要對(duì)工件的進(jìn)給速度進(jìn)行人為控制，因此該機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用滾珠絲杠與直線光軸滑塊導(dǎo)軌的配合移動(dòng)達(dá)到工件進(jìn)給的目的。進(jìn)給系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 夾緊裝置結(jié)構(gòu)

圖5 進(jìn)給系統(tǒng)

滾珠絲杠總長(zhǎng)度Lu由下式計(jì)算：

其中：Lx為滾珠絲杠機(jī)械最大行程，Lx=1 770mm；La為余量，La=10mm；Ln為螺母長(zhǎng)度，Ln=（1～2）Ph，Ph為絲杠導(dǎo)程，Ph=6mm。經(jīng)計(jì)算，滾珠絲杠總長(zhǎng)度為1 800mm。

通過(guò)計(jì)算，選用SFU20×1800型號(hào)滾珠絲杠，滾珠絲杠主軸上配有螺母與螺母座，滾珠絲杠兩端裝有兩個(gè)支撐座，支撐座與背板中央固定連接，背板兩邊各安裝一個(gè)光軸滑塊導(dǎo)軌，光軸導(dǎo)軌底座固定在機(jī)架上。在進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)手輪控制絲杠運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使背板在滑塊上直線運(yùn)動(dòng)，達(dá)到工件進(jìn)給的目的。

2.4 切割臺(tái)的設(shè)計(jì)

切割臺(tái)主體尺寸為1 800mm×1 200mm×600 mm，切割臺(tái)機(jī)架主要由45×45鋁型材組合而成。鋁型材具有質(zhì)量輕、可塑性好、不需要焊接、安裝拆卸方便等特點(diǎn)，該機(jī)架能很好地滿(mǎn)足機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。切割臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 切割臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

可移動(dòng)式金屬切割機(jī)床是在對(duì)傳統(tǒng)的金屬切割機(jī)進(jìn)行改造與創(chuàng)新的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，經(jīng)改造后的機(jī)床有以下優(yōu)點(diǎn)：①水平絲杠進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，配合手輪的使用，能對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行更好的人為控制，進(jìn)而減小砂輪因切割速度過(guò)快產(chǎn)生過(guò)熱造成的損壞；②獨(dú)特的切削夾具設(shè)計(jì)，大大擴(kuò)大了可加工工件的直徑與厚度范圍，并且能夠減少工件固定、定位的時(shí)間，提高了切削效率；③增加了防塵保護(hù)罩，解決了傳統(tǒng)上人為操縱切割機(jī)進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的飛濺切屑對(duì)人造成的劃傷與燙傷；④切屑收集裝置的設(shè)計(jì)，一方面很好地利用了機(jī)床的空余空間，另一方面能夠?qū)η行歼M(jìn)行集中的、定期的收集處理，避免了每次切割作業(yè)后對(duì)切屑進(jìn)行清掃的麻煩；⑤地腳與腳輪的配合使用，使機(jī)床移動(dòng)更加便捷，且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為今后切割機(jī)床自動(dòng)化提供了可能。

［1］ 田建平，李棟全.一種新型砂輪切割機(jī)的研制［J］.裝備制造技術(shù)，2008（4）：20-21.

［2］ 李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［3］ 石從繼，趙燕，吳斌方.一種新型可調(diào)式切割機(jī)的研究設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（2）：64-71.

［4］ 任意，石小英，曾勝.全自動(dòng)型材切割機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009（9）：30-33.

［5］ 李華雷，李福靖，烏日?qǐng)D.一種錨板開(kāi)槽的專(zhuān)用鋸床設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2014（1）：124-126.

［6］ 余光國(guó)，馬俊，張興發(fā).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1995.