一種電纜剪切工具的機(jī)械設(shè)計(jì)

許曉淳 潘玉華 劉志君

摘? 要：電動(dòng)扳手的彈性儲(chǔ)能錘擊作為一項(xiàng)經(jīng)典的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，其本質(zhì)是使微型電機(jī)恒定的轉(zhuǎn)矩通過儲(chǔ)能釋放形成具有超強(qiáng)力矩的扭力，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行換向減速。基于此，本文了設(shè)計(jì)一種可以切斷大直徑、高硬度電纜的電動(dòng)工具。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)扳手;刀座;刀架;絲桿;等高螺絲

中圖分類號(hào)：TP242? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）09-0000-00

0引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，許多經(jīng)典的機(jī)械設(shè)計(jì)，使人們的勞動(dòng)強(qiáng)度、工作方式得到了巨大的改變，其中應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有液壓、氣壓設(shè)備，通過經(jīng)典的機(jī)構(gòu)，將電能轉(zhuǎn)化成強(qiáng)大的氣壓、液壓，由此衍生出氣動(dòng)機(jī)械臂、氣動(dòng)螺絲刀、氣動(dòng)鋸、液壓折彎、沖孔等一系列的衍生裝置，且該裝置在不同的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用[1]。

隨著電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，這些原來應(yīng)用于重型工業(yè)的裝置，通過改變形成了一大批便攜式生產(chǎn)工具，這些工具攜帶方便、造價(jià)低廉卻有著強(qiáng)大的功能，使原有的使用場(chǎng)景不再局限于工廠內(nèi)，而是可以隨時(shí)隨地使用，因此極為便利。

本文基于電動(dòng)鋰電池扳手的工作原理，提出一種線纜剪切工具的設(shè)計(jì)方案，為省力工具領(lǐng)域提供一種新思路[2]。

1設(shè)計(jì)背景

在電力施工過程中，電纜裁剪是一項(xiàng)最基本的工作，當(dāng)前電動(dòng)工具一共有2種類型，一種是通過油泵的液壓工作方式，另一種是通過多級(jí)齒輪減速增加力矩的方式。

液壓油缸通過油泵向油缸注油，并由單向閥門控制其油回流，不斷增加油缸內(nèi)油的壓力，從而提供給活塞足夠壓力推動(dòng)剪刀切斷電纜。液壓模式結(jié)構(gòu)比較笨重，需要由油泵、油缸組成，由于液壓力要求較大，因此電機(jī)的大小，油缸壁都需要由強(qiáng)度很高的金屬材料制作，因此其攜帶不便，另外由于油缸內(nèi)油壓較大，為了防止?jié)B漏，對(duì)于油缸、活塞的加工工藝要求較高，造價(jià)較高，且隨著使用損耗的增大，其維護(hù)成本也增大[3]。

多級(jí)齒輪的減速方式相對(duì)于液壓在加工難度及成本方面均有改善，但是其結(jié)構(gòu)依然復(fù)雜，需要一個(gè)復(fù)雜的齒輪箱來安裝齒輪。此外研究發(fā)現(xiàn)由于其末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是齒輪狀，刀片鑲嵌在非全圓齒輪盤中間，這樣使用不如液壓方式便利。

2設(shè)計(jì)方案概述

電纜剪切需要一個(gè)超強(qiáng)大的力量，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力足夠、且重量輕巧，實(shí)踐證明電動(dòng)扳手就剛好滿足這一要求，電動(dòng)扳手將微型電機(jī)通過行星齒輪減速后，連接一個(gè)帶彈簧的錘擊機(jī)構(gòu)，當(dāng)輸出軸的軸向阻力足夠大時(shí)，彈簧會(huì)帶動(dòng)錘擊機(jī)構(gòu)捶打輸出軸，由于彈簧的勢(shì)能到達(dá)錘擊面時(shí)間極短，則每一次錘擊都將給輸出軸輸送一次強(qiáng)大的扭力。

如何將這種強(qiáng)大的扭力轉(zhuǎn)化成切斷電纜的力，研究發(fā)現(xiàn)絲桿傳動(dòng)是當(dāng)前最好的選擇，絲桿傳動(dòng)可將扭力運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，且具備一定的減速效果，可進(jìn)一步增加扭力帶來的效果。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 裝置結(jié)構(gòu)圖及各部件功能

①-軸套固定孔：軸套固定孔設(shè)置在絲桿末端，與電動(dòng)扳手輸出端相連，提供穩(wěn)定可靠的力矩輸出;

②-限位塊：限位塊由四個(gè)螺絲固定在⑧-刀座上，使得絲桿受力后，保持前后位置不移動(dòng)，從而推動(dòng)絲桿法蘭向前移動(dòng)，切斷線纜;

③-壓力軸承：壓力軸承安裝在此主要減小絲桿受力時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)于②-限位塊的摩擦力，④-傳動(dòng)絲桿在此處外徑變小，在壓力軸承處形成一個(gè)臺(tái)階，絲桿向左受力時(shí)，絲桿的力通過壓力軸承再傳輸給②-限位塊，由于②-限位塊與⑧-刀座相連，則傳動(dòng)絲桿的力將全部傳輸給⑧-刀座;

④-傳動(dòng)絲桿：絲桿直接與電動(dòng)扳手連接，提供動(dòng)力，其材質(zhì)為304不銹鋼，外牙為T型牙，可以承受較大的力;

⑤-絲桿法蘭：絲桿法蘭內(nèi)牙與④-傳動(dòng)絲桿外牙配合，傳動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)絲桿法蘭前后移動(dòng)，絲桿法蘭采用黃銅制作，具有強(qiáng)度高、耐磨等特性;

⑥-刀架：刀架一端與絲桿法蘭連接，在運(yùn)動(dòng)過程中隨著絲桿法蘭的運(yùn)行而運(yùn)動(dòng)，刀架另一端連接刀頭，其功能是將絲桿法蘭傳遞的力量轉(zhuǎn)化給刀頭。刀架的底部與⑧-刀座相平行，為了避免受力后刀架偏離與刀座的平行方向，在刀架的底部設(shè)置了四顆⑩-等高螺絲進(jìn)行限制，確保其運(yùn)行軌道與刀座平行。

⑦-刀頭：刀頭是與被剪切材料直接接觸的部件，采用Cr12材質(zhì)，并進(jìn)行熱處理，使其硬度達(dá)到58-60HRC，確保在剪切過程中有足夠的硬度切開線纜;

⑧-刀座：刀座相對(duì)于⑦-刀頭是靜止的，其末端有一個(gè)向上的支撐面，與⑦-刀頭形成閉合狀，為剪切動(dòng)作提供靜止的支撐面;

⑨-避位缺口：避位缺口是當(dāng)⑦-刀頭運(yùn)行至支撐面時(shí)，支撐面與⑦-刀頭之間尚有未完全閉合的區(qū)域， 此時(shí)⑦-刀頭需要繼續(xù)前進(jìn)，通過避位缺口，使二者完全閉合，也就完成了剪切的動(dòng)作;

⑩-等高螺絲：等高螺絲安裝在⑥-刀架，螺桿通過⑧-刀座長(zhǎng)圓孔，由螺絲帽在長(zhǎng)圓孔上形成卡阻，為⑥-刀架在⑧-刀座上的水平運(yùn)動(dòng)提供了固定的軌道;

?-避位臺(tái)階：沿著⑧-刀座長(zhǎng)圓孔下沉同心的等高螺絲帽避位孔，可以減小等高螺絲的高度，提高等高螺絲的支撐強(qiáng)度[4]。

3.2 運(yùn)動(dòng)路徑（圖2 ）

（1）首先將待剪切電纜放入刀口，當(dāng)傳動(dòng)絲桿在電動(dòng)扳手的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲桿法蘭、刀架、刀座以及等高螺絲均向右移動(dòng);

（2）持續(xù)移動(dòng)中，刀片將對(duì)被剪斷電纜形成擠壓并切割，等高螺絲限制進(jìn)刀方向始終與電纜的軸徑方向垂直;

（3）當(dāng)?shù)镀ㄟ^刀座避位缺口且二者弧面完全重合時(shí)，電纜已經(jīng)切斷。

4優(yōu)勢(shì)分析

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于攜帶;

（2）加工工藝要求不高，基本的車銑機(jī)械加工就可以制作完成;

（3）造價(jià)低廉，生產(chǎn)及維護(hù)成本低。

5結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)電動(dòng)扳手的衍生設(shè)計(jì)，為便攜式工具的研究提供了新思路，如折彎、沖孔、拉伸等均可進(jìn)行相關(guān)嘗試。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]肖正義.滾珠絲杠副的發(fā)展趨勢(shì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2002（5）：8-11.

[3]田地銀，田云.關(guān)于滾珠絲杠副的選擇[J].電子工藝技術(shù)，1997（1）：18-21.

[4]催忠析，覃耀春.金屬與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

收稿日期：2020-08-15

作者簡(jiǎn)介：許曉淳（1986—），男，廣東汕頭人，本科，工程師，研究方向：生產(chǎn)技術(shù)。