一種直線進(jìn)給鋸切小型自動(dòng)切管機(jī)的設(shè)計(jì)

祝正兵， 朱呈霞， 王扣成

（常熟理工學(xué)院，江蘇 常熟215500）

0 引 言

很多的小型切管機(jī)一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，使用進(jìn)口鋸片，普遍存在鋸片鋸齒的崩齒現(xiàn)象。在生產(chǎn)過程中溫度不易控制，造成鋸片在鋸切過程中出現(xiàn)鋸齒的斷裂、崩齒等現(xiàn)象，因此某企業(yè)提出改進(jìn)切管機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的需求。切管機(jī)加工時(shí)的工作要求為切割管件的尺寸范圍50～80 mm，采用液壓的方式完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。要求減少人力成本，并要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料的動(dòng)作?？紤]以液壓的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料，通過各液壓缸動(dòng)作的協(xié)調(diào)與配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料的過程。

1 小型切管機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 小型切管機(jī)切割管件動(dòng)作要求

現(xiàn)場需要改進(jìn)的小型切管機(jī)如圖1 所示。改進(jìn)后，要在一次鋸切過程完成的情況下，鋸切的整體部分開始回退，到達(dá)合適的位置。位置感應(yīng)器接受位置信號(hào)，發(fā)出信號(hào)控制液壓系統(tǒng)的動(dòng)作，豎直放置的液壓缸做回退的動(dòng)作，松開夾爪將管件放開，水平放置的液壓缸做回退的動(dòng)作并將整體夾料機(jī)構(gòu)向回拉到設(shè)定的位置，此時(shí)豎直放置的液壓缸接收到動(dòng)作完成的信號(hào)，做伸出動(dòng)作將管件夾緊，水平放置的液壓缸做伸出的動(dòng)作將管件運(yùn)送到加工的位置。直線電動(dòng)機(jī)接收到夾料機(jī)構(gòu)整個(gè)動(dòng)作的完成，直線電動(dòng)機(jī)開始做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)梯形絲桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，使鋸切的整體機(jī)構(gòu)部分運(yùn)動(dòng)切割管件，這樣的好處是直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，使鋸切的過程中切削力穩(wěn)定，減少對鋸片的傷害，當(dāng)將管件鋸切完成后，另一端安裝的位置感應(yīng)器接收到完成信號(hào)，進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作的周期運(yùn)行，周而復(fù)始地不斷切割管件[1-3]。小型自動(dòng)切管機(jī)液壓系統(tǒng)如圖2 所示，動(dòng)作要求如圖3 所示。

圖1 要求改進(jìn)的切管機(jī)現(xiàn)場照片

圖2 液壓系統(tǒng)圖

1.2 小型自動(dòng)切管機(jī)的設(shè)計(jì)思路

1）機(jī)構(gòu)提出階段。根據(jù)多次到該企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研、綜合其生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及對國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，提出零部件及重要機(jī)構(gòu)部分的改進(jìn)方案[1]。

2）方案設(shè)計(jì)階段。根據(jù)該企業(yè)的要求，對切管機(jī)需要改進(jìn)的機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行改進(jìn)，確定機(jī)構(gòu)方案，對比不同的方案，選擇最合適的方案，對確定的方案進(jìn)行三維建模，繪出所改進(jìn)的三維造型圖。

3）具體實(shí)施階段。通過進(jìn)給部件設(shè)計(jì)、鋸切部件設(shè)計(jì)和管件夾持與送料部件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)切管機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的動(dòng)作過程，解決生產(chǎn)過程中運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的現(xiàn)象，滿足企業(yè)的改進(jìn)要求。

1.3 切管機(jī)進(jìn)給部件設(shè)計(jì)

切管機(jī)采用伺服電動(dòng)機(jī)控制將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，通過電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)梯形絲桿及其配合使用的梯形絲桿安裝座，絲桿座安裝在底座上，底座上裝有推桿的整體部分。通過鋸切部分的重力及電動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)管件的自動(dòng)切割過程[2]。此種結(jié)構(gòu)較為簡單、節(jié)省成本，進(jìn)給部件方案如圖4 所示。

圖4 進(jìn)給部件設(shè)計(jì)模型圖

圖5 鋸切機(jī)構(gòu)V 帶傳動(dòng)模型圖

1.4 切管機(jī)鋸切機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

因要求傳動(dòng)的距離范圍比較大，設(shè)計(jì)選用帶傳動(dòng)，鋸切機(jī)構(gòu)V 帶傳動(dòng)如圖5 所示。

1.5 切管機(jī)自動(dòng)送料部件設(shè)計(jì)

送料部件要求能夠?qū)崿F(xiàn)管件的自動(dòng)送料過程，它以3 個(gè)液壓缸為主要的動(dòng)力源，由豎直放置的2 個(gè)拉桿式液壓缸及1 個(gè)水平放置的拉桿式液壓缸為主要部分，通過液壓系統(tǒng)的控制，以液壓缸的相互協(xié)調(diào)的動(dòng)作代替電動(dòng)機(jī)的直線送料方式。通過調(diào)整限位螺絲的長度來控制切割管件的長度及精度，用燕尾槽滑軌使整體夾料部分運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，減少在運(yùn)動(dòng)過程中能量的損失，加快運(yùn)動(dòng)的速度，節(jié)省時(shí)間，提高生產(chǎn)效率[8]。自動(dòng)送料部件如圖6所示。

圖6 自動(dòng)送料部件設(shè)計(jì)模型圖

小型自動(dòng)切管機(jī)的設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 小型自動(dòng)切管機(jī)的設(shè)計(jì)方案圖

2 小型切管機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)零件選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖4 可知，進(jìn)給機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、配合的絲桿螺母座、推桿及各零件的安裝架、安裝底座組成。電動(dòng)機(jī)選擇交流伺服電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)如表1 所示。

進(jìn)給部件的設(shè)計(jì)要能完成對鋸切部分的進(jìn)給動(dòng)作，其主要原理是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)。

表1 MINAS系列交流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表

2.2 鋸切機(jī)傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

2.2.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1）確定切管機(jī)切割管件時(shí)的計(jì)算功率：Pc=KA·P（P為電動(dòng)機(jī)的傳遞功率，KA為工作情況系數(shù)）。由于切管機(jī)的工作過程中載荷變動(dòng)小，查表時(shí)根據(jù)一般金屬切削機(jī)床空載、輕載且每天工作時(shí)間小于10 h，選擇KA=1.1。代入公式得Pc=KA·P=1.1×4=4.4 kW。

2）選擇V帶的型號(hào)。由文獻(xiàn)[4]，根據(jù)Pc=4.4 kW和n1=1440 r/min確定出V帶的型號(hào),即選取A型V帶，V帶的基本參數(shù)如下：節(jié)寬bp=11.0 mm，頂寬b=13.0 mm，高度h=8 mm，橫截面積A=81 mm2，楔角Φ=40°。可得小帶輪的基準(zhǔn)直徑d1=100 mm。

3）傳動(dòng)比i。選取大帶輪的直徑為d2=500 mm，帶傳動(dòng)過程中的平均傳動(dòng)比i=n1/n2=d2/[（1-ε）d1]。因?yàn)樵趲鲃?dòng)的過程中存在滑動(dòng)現(xiàn)象的概率很小，因此可以忽略帶傳動(dòng)過程中滑動(dòng)率對帶傳動(dòng)的影響。即傳動(dòng)比為i=n1/n2=d2/d1。i=500/100=1440/n2,可得n2=288 r/min。

2.2.2 鋸片軸上的軸承型號(hào)的選擇與壽命計(jì)算

軸承預(yù)期壽命：由文獻(xiàn)[5]推薦的軸承預(yù)期計(jì)算壽命Lh，因?yàn)槠髽I(yè)的工作狀況為每天工作8 h。由表查得，受載荷變動(dòng)不大的切管機(jī)預(yù)期計(jì)算壽命為20 000～30 000 h，取預(yù)期壽命為25 000 h。左右端均采用圓錐滾子軸承32912，查得基本額定動(dòng)載荷C=108400 N。

2）驗(yàn)算軸承壽命[7]。因?yàn)镻1＞P2，以軸承1驗(yàn)算軸承的壽命：Lh=［106/(60n )］(C/P)ε=［106÷(60×288)］(108400÷4426.92)10/3=2.47×106，Lh≥Lh′=25000 h。即所選軸承壽命滿足要求，軸承的尺寸如圖8和圖9所示。

3 切管機(jī)總裝配圖

進(jìn)給機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)、梅花彈性聯(lián)軸器、梯形絲桿、滑桿、絲桿安裝座、軸承、擋油環(huán)及電動(dòng)機(jī)安裝架組成。鋸切部分由大小帶輪、鋸切軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承、端蓋等組成。自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)由3 個(gè)拉桿液壓缸、燕尾槽滑軌、夾爪等組成，通過液壓缸的相互動(dòng)作完成送料的動(dòng)作。切管機(jī)三維總裝配模型如圖10 所示。

圖8 圓錐滾子軸承模型圖

圖9 圓錐滾子軸承尺寸圖

圖10 三維總裝配模型圖

4 結(jié) 論

1）進(jìn)給機(jī)構(gòu)部分改進(jìn)。通過伺服電動(dòng)機(jī)輸出端連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接絲桿軸，絲桿配合絲桿安裝座，安裝座上裝有推桿，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成推桿的直線運(yùn)動(dòng)，這種進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)方式平穩(wěn)，可以通過電動(dòng)機(jī)的控制快速實(shí)現(xiàn)啟停的動(dòng)作，同時(shí)，能夠在鋸切的時(shí)候較慢地進(jìn)給，在回退的時(shí)候快速地回退，節(jié)省加工時(shí)間[8]。

2）鋸切機(jī)構(gòu)部分改進(jìn)。鋸切機(jī)構(gòu)部分通過帶傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)鋸切管件的過程，此部分主要是注意鋸切軸的軸向固定、轉(zhuǎn)軸的軸向固定，防止在鋸切過程中出現(xiàn)軸向竄動(dòng)，將鋸齒損壞，鋸片的成本是比較高的。另外帶傳動(dòng)在切割時(shí)能夠不斷地改變切入角度，有利于排屑，減少吃刀量大的情況，減輕鋸片的磨損。

3）自動(dòng)送料部分改進(jìn)。自動(dòng)送料部分由滑軌、相互作用的液壓缸及夾爪組成，此設(shè)計(jì)解決了人工上料問題，減少勞動(dòng)力，節(jié)約成本，自動(dòng)送料部分還能很好地調(diào)整切割管件的寬度，通過螺桿螺母的配合，旋轉(zhuǎn)一定的長度即可調(diào)整管件的切割寬度。