高速數(shù)控切割機床傾斜臺面的研究與設(shè)計

楊紅光 趙慶志

（①山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博255049;②上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

近年來為適應(yīng)廣告等行業(yè)發(fā)展需要，市場上開發(fā)出了一種適用于切割鋁、薄鋼板、塑料紙張、皮革、布料、有機玻璃、環(huán)氧樹脂、亞克力、毛料、塑料、橡膠等材料中，工作臺呈水平放置（圖1所示）的高速數(shù)控切割機床。這種高速數(shù)控切割機床工作臺較大且是水平設(shè)計的，在切割過程中切屑堆積在工件上，排屑困難，并且散落在地面上，影響環(huán)境衛(wèi)生和產(chǎn)品的質(zhì)量，需人工排屑又增加勞動強度，降低生產(chǎn)效率。本文提出易于排屑的傾斜臺面設(shè)計方案。

1 傳統(tǒng)水平臺面高速切割機床的特點

傳統(tǒng)高速切割機床（以BXG－1325IIA型數(shù)控切割機床為例）如圖1所示，長3.6 m，寬2.6 m，高1.3 m，x、y方向上采用齒輪齒條傳動，z方向上采用滾珠絲杠傳動。

從其近幾年在市場上的應(yīng)用和發(fā)展來看，主要優(yōu)點為:（1）結(jié)構(gòu)簡單，功能廣泛;（2）尤其適合加工薄鋼材、鋁板、有機玻璃和塑料等板材類零件，應(yīng)用廣泛。

結(jié)合其加工條件，經(jīng)過用戶使用得出其缺點主要表現(xiàn)為:

（1）切屑排除困難，一方面切削熱集中在工件表面，不利于工件精度的提高［1］;另一方面切屑積存在工作臺上且工作臺較大，清理困難，清理加工輔助時間較長，勞動強度較大，降低了加工效率，而且加工場地切屑遍地，加工環(huán)境較差。

（2）裝夾工件不方便，薄鋼材、鋁板等水平人工搬運裝夾時易變形。

2 垂直臺面高速切割機床的特點

2．1 垂直臺面高速切割機床及其優(yōu)缺點

如圖2所示為改為垂直臺面高速切割機床的外形圖。改進后，總體上保留原高速切割機床結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，臺面垂直布置，下部設(shè)置切屑自動收集箱。

其優(yōu)點主要表現(xiàn)為:（1）結(jié)構(gòu)簡單;（2）加工過程中切屑自動下落入切屑收集箱，干凈衛(wèi)生，清理輔助時間短，加工效率更高;（3）工作臺立起來后，占用工作場地較小，且安裝時符合人的安裝習(xí)慣。

但是改進后也出現(xiàn)了一些新缺點，主要表現(xiàn)為:（1）工作臺不能太大，從人類的操作習(xí)慣和廠房的高度來看，機床總體高度不應(yīng)超過2.2 m，但是寬度方面可以不做太大限制，因此除了一些特別大的加工零件外，均可滿足要求;（2）切屑容易排除，但加工的工件也很有可能落下摔壞，這是一個十分致命的缺點。

2．2 垂直臺面高速切割機床的優(yōu)化與分析

直接采用垂直臺面的方案，有可能降低一些工件的加工合格率，顯然這對于降低工件成本和提高加工效率方面是十分有害的。因此在加工過程中就必須采取一些防止工件摔壞的措施，如可采用磁石吸?。▽τ诒′摬牡瓤纱呕牧希⒕W(wǎng)袋人工輔助收集、吸盤收集等。

顯然，采用這些措施就可以改善垂直臺面設(shè)計的缺陷，達到優(yōu)化的效果。但是進行人工收集同時也會增加工人的工作強度，而收集輔助時間與加工時間重合，原則上不會降低生產(chǎn)效率。

2．3 水平臺面方案與垂直臺面方案的對比

如表1所示，垂直臺面方案和水平臺面方案在5個方面上的對比，充分顯示了二者的優(yōu)缺點，用戶可依據(jù)這些特點來選擇臺面設(shè)置方案。若加工零件形狀都類似于沖裁件，就可以采用垂直臺面設(shè)置方案，切屑易于排除，安放方便，且無須考慮工件的摔壞問題。

表1 垂直臺面方案和水平臺面方案的對比

3 傾斜臺面方案的提出

臺面水平可以看作臺面傾斜角α=0°，臺面垂直可以看作是傾斜角α=90°，兩者各具優(yōu)缺點，如果臺面傾斜會不會具有二者的優(yōu)點而避免或減小現(xiàn)有的缺點呢?直觀上分析可以看出，在0°～90°之間確實存在一個臺面傾斜角度范圍能做到既不摔壞工件又易取易放，如圖3所示。對于這個傾斜角的范圍可建立受力分析模型予以計算和分析。

4 傾斜臺面上切屑受力分析模型

4．1 切屑受力模型的建立

根據(jù)切削用量、刀具幾何參數(shù)和工件材料，切屑類型一般有:帶狀切屑、擠裂切屑、單元切屑和崩碎切屑。切屑的形狀在材料方面可歸納為塑性材料（如鋼板、鋁板、鐵板等）切屑和脆性材料（如塑料、鑄鐵、木板等）切屑。從受力分析，顯然可知形狀接近于圓形的切屑更容易脫離傾斜的工作臺，而類似于薄料層的切屑較難滑落脫離。本文將以薄料層為例分析切屑和工件在傾斜工作面的受力情況，當切屑薄層順利下滑而工件薄層不出現(xiàn)較大拋擲運動時，就滿足要求。

4．2 切屑下滑受力分析［2］

4．2．1 位移、速度和加速度

如圖4所示為切屑受力分析圖，加工中工件受周期性激振力，表面振動位移公式為

式中:λ為工作面沿振動方向的單振幅;ω為振動角頻率;t為時間;φ為振動相角。

分解后

求式（2）對時間t求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，便得y方向和x方向速度vy、vx和加速度ay、ax為

4．2．2 正向滑行指數(shù)［2］Dk

研究切屑在工作面上的運動情況（在這種條件下，切屑顆粒之間的相互作用力可以忽略），首先假設(shè)切屑對工作面作相對運動，在y方向和x方向的相對位移為Δy、Δx;相對速度為Δy、Δx;相對加速度為Δy、Δx。這時，切屑顆粒沿x方向的慣性力和重力分力之和為

而沿y方向物料顆粒作用于工作面上的正壓力大小為

式中:m、G分別為切屑顆粒的質(zhì)量與重力;Δy、Δx分別為切屑顆粒相對于工作面在y方向與x方向的相對加速度;α0為工作面傾角。

當切屑對工作面保持接觸的情況下，工作面對切屑的極限摩擦力為

式中:f0為切屑對工作面的靜摩擦系數(shù);“－”號對應(yīng)于正向滑動。

滑動開始的瞬時，切屑對工作面的相對加速度Δx=0，因為未出現(xiàn)拋擲運動，Δy也為零。所以式（5）的F與極限摩擦力F0之和等于零，即

將式（5）及式（7）代入式（8），并將式（6）及式（4）代入，便得

因為f0=tanμ0（μ0為靜摩擦角），G=mg，代入式（9），化簡則得開始正向滑動的相位角φk0為

正向滑行指數(shù)Dk為

式中:K為振動強度（或稱機械指數(shù)）;μ0為靜摩擦角;g為重力加速度。

4．3 工件的拋擲運動分析

當正向滑行指數(shù)Dk＜1時，由式（10）看出φk0無解，這時切屑不能出現(xiàn)正向滑動。所以出現(xiàn)正向滑動的條件為Dk＞1。即

式中:f為臺面振動頻率。

顯然當α0＞μ0時，更易實現(xiàn)下滑故

此時，切屑薄層靠重力和振動共同作用，可以實現(xiàn)下滑脫落。

拋擲運動對切屑下滑的影響，有利于切屑下落，同時也容易使工件滑落摔壞?？山⒐ぜ樱愃朴诼淞霞┰趦A斜面上的受力分析模型，與切屑受力模型類似。

當工件薄層開始拋擲運動的瞬時，沿y方向的相對加速度Δy=0，正壓力Fn=0，借鑒切屑薄層受力分析中式（6）及式（4）可得

式中:φd為拋始角。由上式可以求出拋始角φd為

當D＞1時，式（14）的φd有解，工件可以出現(xiàn)拋擲運動;當D＜1時，φd無解，工件不能出現(xiàn)拋擲運動。

顯然，為使工件不出現(xiàn)摔壞的現(xiàn)象，工件薄層在工作斜面上可以不出現(xiàn)拋擲運動或輕微的拋擲運動。為了簡化計算和避免摔壞工件，應(yīng)留有一定的安全余量，使工件不出現(xiàn)拋擲運動，即拋擲指數(shù)D＜1。

因為振動強度K=ω2λ/g，而ω =2πf，代入式（15）得

此時斜面上工件薄層不會出現(xiàn)拋擲運動，由于切縫的作用，便不會出現(xiàn)工件滑落摔壞的現(xiàn)象。

4．4 實例驗證

用于切割木材，當轉(zhuǎn)速選n=9 000 r/min檔位時，工作臺面振動為136 ～150 Hz［3］，取f=145 Hz，取工作面振動的單振幅λ=0.01 mm，動摩擦因數(shù)近似取木在木上的靜摩擦因數(shù)，則f0=0.3，μ0=arctan0.3=16.70°，代入式（13）及式（16）可得臺面及工作面傾斜角范圍為2.63°＜α0＜32.21°。

5 結(jié)語

［1］趙俊偉，武良臣．超高速數(shù)控銑床的設(shè)計［J］．湖北工學(xué)院學(xué)報，1995，10（1）:9－13．

［2］聞邦椿，李以農(nóng)，張義民，等．振動利用工程［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［3］李志仁，戴大力，黃文波．木工機床振動質(zhì)量的評價［J］．林業(yè)機械與木工設(shè)備，2001，29（6）:35－37．