曲線鋸鋸片夾頭的設(shè)計

張艷林

摘要：該文通過一個曲線鋸鋸片夾頭的設(shè)計實例，詳細介紹了鋸片夾頭的結(jié)構(gòu)原理和其關(guān)鍵零件的具體設(shè)計及設(shè)計注意事項，如鋸片鎖緊力的設(shè)計、鋸片彈出距離的控制、影響鋸片釋放狀態(tài)的零件特征的設(shè)計要點、有相對角度要求的連接螺紋的螺紋起始點控制要點等，理論聯(lián)系實際，實用性強，對鋸類工具鋸條的鎖緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作具有實際參考價值。

關(guān)鍵詞：自鎖;扭簧扭力;壓簧壓力與彈出距離;多線螺紋;軸孔壓配

曲線鋸及其夾頭功能簡介：曲線鋸主要用于建筑或裝修行業(yè)切割塑料板、各類木板、薄金屬板以及紙面石膏板和纖維石膏板等板材。曲線鋸夾頭用于鋸片的縮進和更換。

典型的自鎖式曲線鋸鋸片夾頭結(jié)構(gòu)如下圖，工作狀態(tài)鋸片被Adapter sleeve鎖緊，Torsional spring為鏈接螺紋提供放松扭矩;釋放時，通過桿撥旋轉(zhuǎn)Adapter sleeve旋轉(zhuǎn)，鋼珠在Ejector圓弧槽推力作用下進入Adapter sleeve的圓弧槽內(nèi)，同時Ejector在Compression spring推力作用下將鋸片推出;安裝時，插入的鋸片將Ejector復(fù)位，Adapter sleeve在Torsional spring扭力作用下旋轉(zhuǎn)再次將鋸片鎖緊。

鋸片夾頭之關(guān)鍵設(shè)計點：

Torsional spring扭力

實測知當(dāng)扭簧扭力小于110N·mm時，夾頭連接螺紋會在鋸割和震動作用下開始松動。由圓柱螺旋鋼絲扭簧扭矩公式T=E*d4*ψ/（3667*N*D）知，扭轉(zhuǎn)角ψ越大扭矩T越大。但扭轉(zhuǎn)角大，對應(yīng)的裝配時反向扭轉(zhuǎn)量越多，越易出現(xiàn)彈簧裝配塑變。結(jié)合實際功能需要，設(shè)計鋸條釋放狀態(tài)扭轉(zhuǎn)角ψ2=270°，鋸條鎖緊狀態(tài)扭轉(zhuǎn)角ψ1=180°。同樣，受裝配時反向扭轉(zhuǎn)的影響，彈簧工作圈數(shù)N不易過小，結(jié)合實際安裝空間取N=6，中徑D=11.2mm。對彈簧扭力影響交大的線徑由常規(guī)0.8mm改為1.0mm。采用性價比較高的EN10270–1DH1.00琴鋼絲，其彈性模量E=206000N/mm2。最終得旋轉(zhuǎn)扭矩T2=225N·mm、防松扭矩T1=150N·mm。實際生產(chǎn)T1約束最小值，T2約束最大值。

Pipe brzd與Adapter sleeve的連接螺紋

此螺紋設(shè)計為4頭螺紋，主要目的是在保持螺距不變的情況下將導(dǎo)程由1.5mm增大為6mm，這樣Adapter sleeve旋轉(zhuǎn)90°即可獲得1.5mm的縱向位移量，既減少裝配時扭簧的反向扭轉(zhuǎn)量又方便鋸條更換。根據(jù)扭緊力與扭矩關(guān)系式F=T/KD，在扭矩T和扭矩系數(shù)K相同的情況下，僅僅將螺紋由M15減為M14，即可將鎖緊力F提高為原來的1.1倍。

鋸片釋放狀態(tài)Compression spring的壓縮量

壓簧的壓縮量可通過調(diào)整Pipe brzd的孔深改變，其難點在壓縮量的確定上。Compression spring的總壓縮量由釋放狀態(tài)壓縮量L0和鋸條裝入導(dǎo)致的壓縮量4mm（由鋸條規(guī)格決定）兩部分組成，壓縮量直接影響鋸片彈出時的力和速度。壓縮量過小鋸片無法彈出，壓縮量過大鋸片容易飛出傷人。理想的鋸條彈出距離L=500mm，根據(jù)能量守恒原理，忽略較小的摩擦阻力，可近似認為彈力做功等于Ejector和鋸條運動消耗的能量。即0.5*K*[（L0+4）2 –L02] =9.8*（M1*4+M2*L），其中，彈簧的剛度系數(shù)K=G*d4/（8*N*D3）=206000*0.64/（8*8*53）=4.0N/mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入能量守恒公式得釋放狀態(tài)壓縮量L0 =3mm。（其中：G彈性模量、d線徑、N有效圈數(shù)、D中徑、M1為Ejector重量0.002Kg，M2鋸條重約為量0.015Kg。）

Pipe brzd 的結(jié)構(gòu)

Pipe brzd的導(dǎo)管外徑D和壁厚t對整機重量有重要影響（因動平衡需多倍配重），導(dǎo)管工作中主要承受拉力和彎矩，需根據(jù)拉力正應(yīng)力公式σ=4*P/{π*[D2–（D–2*t）2]}和彎矩正應(yīng)力公式σ=M/{0.098*[D4–（D–2*t）4]}*D核算導(dǎo)管外徑。（其中P為導(dǎo)管拉力、M為導(dǎo)管彎矩）

Pipe brzd的一V型槽用于鋸片的固定和該零件其它特征的定位參考，采用V型結(jié)構(gòu)的原因為鋸片厚度1.0～2.0mm不等。由于V型結(jié)構(gòu)不方便測量，直接將量棒測量尺寸繪制在其2D圖上，以方便制作功能檢具。

鋼珠孔為Pipe brzd的一個重要特征，由于鋼珠選用的是標準件，鋼珠與Pipe brzd的配合完全通過控制鋼珠孔實現(xiàn)，鋼珠孔過小工作中易被灰塵卡死，鋼珠孔過大影響Pipe brzd結(jié)構(gòu)強度，甚至影響Adapter sleeve旋轉(zhuǎn)角度而導(dǎo)致鋸片裝不進或彈不出。鋼珠孔相對與V型槽有明確的位置要求，鋼珠孔公差直接影響釋放位置Pipe brzd的V型槽與Adapter sleeve的U型槽之間的相對位置誤差。鋼珠孔最佳尺寸通過一系列實際樣品測試獲得。鋼珠孔不可以貫通，否則裝配中鋼珠易掉入Pipe brzd內(nèi)部，故而孔底端為冠裝，加工時刀頭根據(jù)加工形狀定制。

由于選用直徑2（+0.01/–0）mm長2（+0/–0.18）mm的通用滾針，Pin與孔間為壓配連接。若壓配量過大會造成壓配件變形;壓配量過小，工作中Pin脫落會導(dǎo)致夾頭功能失效。實驗測得該處合適的壓配力范圍為120～1700N。根據(jù)壓配力公式：F=Pfmax*π*df*Lf*μ，其中Pfmax=δmax/[df *（Ca/Ea+Ci/Ei）]，Ca=（da2+df2）/（da2–df2）+v，Ci=（df2+di2）/（df2–di2）–v，計算可得孔理論尺寸為φ2.0（–0.003/–0.032）mm，考慮到常規(guī)供應(yīng)商加工φ2.0孔制程公差為0.03和產(chǎn)品裝配中最大壓力值可控，本著可靠性優(yōu)先的原則，將該孔設(shè)計為φ2.0（–0.005/–0.035）mm并注明裝配壓力最大值1700N，裝配線將壓不進的極少數(shù)導(dǎo)向銷回收，根據(jù)CPK分析，該占比不足0.02%。后期實際生產(chǎn)也證明確是如此。（備注：壓配直徑df=2.0mm，壓配長度Lf=1.5mm，摩擦系數(shù)μ=0.11，彈性模量Ea=200000N/mm2、Ei=220000N/mm2，孔外徑da=4mm，軸內(nèi)徑di=0，泊松系數(shù)v=0.3）。

排屑槽是Pipe brzd上一個非常重要但又容易被忽略的特征。由于曲線鋸工作環(huán)境惡劣，夾頭內(nèi)很容易進入木屑粉塵等，粉塵堆積到一定程度會導(dǎo)致夾頭螺紋或鋼珠卡死失效。設(shè)計導(dǎo)向槽后，粉塵會在機器震動的作用下沿導(dǎo)向槽排出，有效避免螺紋卡死。

Adapter sleeve 的結(jié)構(gòu)

Adapter sleeve為MIM件，結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意三點：①Adapter sleeve的螺紋起始位置量規(guī)需與Pipe brzd的螺紋量規(guī)成組制作。②鋼珠圓弧槽尺寸可通過3D軟件模擬夾頭的運動獲得，其公差需考慮相關(guān)零件的極限狀態(tài)，測量推薦GOM 3D掃描儀。③彈簧固定槽和鋸條脫出方向不得有銳棱。

小結(jié)：曲線鋸鋸片夾頭是曲線鋸的部件，屬于緊湊型鎖緊機構(gòu)，設(shè)計時要理論計算、3D模擬和實際樣品測試相結(jié)合，以最經(jīng)濟的方式實現(xiàn)恰到好處的設(shè)計。

參考文獻

聞邦椿.機械設(shè)計手冊（第六版）[M].機械工業(yè)出版社，2018.

GB/T 22680–2008.曲線鋸設(shè)計標準[S].