電腦裁板鋸鋸車導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)研究

符 濤

(江蘇力維智能裝備制造有限公司，江蘇 無錫 214200)

電腦裁板鋸的精度分為靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度。靜態(tài)精度取決于電子鋸主要部件的制造精度，如主鋸軸組件、絲桿調(diào)節(jié)螺母、齒輪齒條、機(jī)架等的制造精度以及它們的裝配精度，可以通過提高產(chǎn)品的加工精度和提高選用標(biāo)準(zhǔn)件的精度來提高靜態(tài)精度。影響動(dòng)態(tài)精度的重要因素除了零部件的靜態(tài)精度外，電子鋸整機(jī)機(jī)架的剛性、抗振性以及熱穩(wěn)定性等因素起決定性作用，因此運(yùn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)是影響動(dòng)態(tài)精度的重要因素。

1 電腦裁板鋸精度的主要影響因素

電腦裁板鋸的主鋸總成和鋸車驅(qū)動(dòng)部分是整臺(tái)設(shè)備中最重要的運(yùn)動(dòng)部件，這兩部分的精度和穩(wěn)定性直接影響板材鋸切質(zhì)量的好壞。主鋸總成的回轉(zhuǎn)精度和軸向竄動(dòng)是主要影響因素，鋸車驅(qū)動(dòng)部分的主要影響因素是鋸車行走的直線度和縱向跳動(dòng)，以上精度不夠都會(huì)使板材的切口處出現(xiàn)明顯的刀紋或爆邊現(xiàn)象，這對(duì)板材后續(xù)的封邊流程將產(chǎn)生影響，同時(shí)降低成品的外觀質(zhì)量。

電腦裁板鋸的導(dǎo)軌是磨損率最高的部件之一，導(dǎo)軌的精度變化直接導(dǎo)致電腦裁板鋸測(cè)量精度的變化，當(dāng)其磨損時(shí)直接影響加工零件的精度，容易出現(xiàn)不合格品。

本文對(duì)電腦裁板鋸的三種電子鋸鋸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，所有結(jié)構(gòu)中鋸車驅(qū)動(dòng)均是通過齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)的。三種鋸車結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2、圖3所示，圖1中鋸車的支撐和導(dǎo)向通過鋸車上的V型滾輪軸承和機(jī)架上的上下圓導(dǎo)軌配合實(shí)現(xiàn)，鋸車的重量集中在下導(dǎo)軌和下滾輪，上導(dǎo)軌起導(dǎo)向作用。圖2中鋸車的支撐和導(dǎo)向通過鋸車上的滾輪軸承和機(jī)架上的平導(dǎo)軌配合實(shí)現(xiàn)，鋸車的重量集中在下垂直滾輪上，另外三個(gè)水平滾輪起導(dǎo)向作用。圖3中鋸車的支撐和導(dǎo)向通過機(jī)架兩側(cè)的方形導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，鋸座上固定的滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。

圖1 結(jié)構(gòu)1

圖2 結(jié)構(gòu)2

2 輪軌磨損形成機(jī)理

材料的接觸疲勞即相互接觸的材料承受循環(huán)應(yīng)力的作用，在一定的循環(huán)次數(shù)之后會(huì)導(dǎo)致局部永久性的累積損傷，會(huì)有麻點(diǎn)、剝落甚至斷裂等接觸面損傷產(chǎn)生。通過非Hertz滾動(dòng)接觸理論的數(shù)值關(guān)系來分析對(duì)比不同結(jié)構(gòu)輪軌之間的滾動(dòng)接觸磨損，其對(duì)接觸斑作用力的分布、總的作用力、黏滑區(qū)的分布、相接觸質(zhì)點(diǎn)對(duì)相對(duì)滑動(dòng)量、摩擦功的計(jì)算等都能給出一定精確的解析[1]。

圖1中的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)鋸車的重心在兩個(gè)滾輪的軸線上，因?yàn)槭荲型滾輪和圓形導(dǎo)軌相配合，輪軌之間有接觸角，存在縱向蠕滑力、橫向蠕滑力、自旋蠕滑力，無搖頭角和橫移量，輪軌的接觸面相對(duì)固定，設(shè)定圓軌和滾輪接觸斑的面積為A。圖2中，鋸車上的支撐滾輪和導(dǎo)向滾輪在重心左側(cè)，支撐輪產(chǎn)生了橫向蠕滑力和自旋蠕滑力，水平滾輪產(chǎn)生了縱向蠕滑力和自旋蠕滑力，搖頭角和橫移量可以忽略，設(shè)定滾輪和導(dǎo)軌的接觸斑面積為B。圖3中，鋸車的重心在左右滑軌組的中間，因?yàn)槭腔瑝K導(dǎo)軌組合，所有產(chǎn)生的蠕滑力均作用在滑塊內(nèi)的小滾珠上，搖頭角忽略不計(jì)，設(shè)定滾珠和導(dǎo)軌的接觸斑面積為C。三者的關(guān)系為B值最大，C值最小，A值居中。

圖3 結(jié)構(gòu)3

設(shè)定磨損量為D，則計(jì)算公式為：

D=μ0.6*TxVx+TyVyS

D=[-0.014 45+1.780 47e(t/R x 0.023 16)]W

式中：μ為輪軌間的摩擦系數(shù)，μ0.6是對(duì)Kelker系數(shù)的修正，Tx、Ty為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力；Vx、Vy為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力矩；S為輪軌間接觸斑的面積；t為軸重；W為摩擦功[2]。

同時(shí)根據(jù)Archard磨損系數(shù)計(jì)算公式：

D=KPsH=mρ

式中：D為輪軌材料體積磨損量(m3)；s為相對(duì)滑動(dòng)距離；P為垂向載荷(N)；H為材料表面硬度；m為輪軌材料質(zhì)量磨損量；ρ為材料密度；K為磨損系數(shù)[3]。

處于接觸狀態(tài)的輪軌在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生磨損的原因非常復(fù)雜，為了方便對(duì)比，在上述公式中曲線半徑、鋸車重量、相對(duì)運(yùn)行速度和加速度、材料硬度、蠕滑力等接觸參數(shù)均相差不大，可取相同值，即只考慮接觸斑面積的影響。在機(jī)器剛開始使用時(shí)，接觸斑面積S1W3>W2，在T之后，新的磨損量W3>W1>W2，而T小于設(shè)計(jì)使用壽命。因此，理論中圖2中的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的，圖3的穩(wěn)定壽命相對(duì)最短。

在實(shí)際應(yīng)用中，除了考慮以上的磨損量，還要結(jié)合實(shí)際的加工精度條件及工作環(huán)境的影響。圖1中，V型槽和圓軌經(jīng)過精密加工和表面淬火、研磨，表面硬度至少可達(dá)HRC60，通過保證部件的耐磨性，確保直線運(yùn)動(dòng)的高速和平穩(wěn)，這樣可以確保整套V型導(dǎo)向滾輪直線導(dǎo)軌系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的使用壽命。

圖2中，在滾輪導(dǎo)軌上銑槽后鑲裝上鋼帶，此鋼帶的硬度高于基體的硬度，從而提高導(dǎo)軌的耐磨性，改善摩擦條件，這種導(dǎo)軌屬于靜壓導(dǎo)軌，該導(dǎo)軌的承載能力大，剛性、吸振性好且鋼帶的摩擦系數(shù)很小，所以驅(qū)動(dòng)力很小，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好。但是這種鑲鋼導(dǎo)軌工藝非常復(fù)雜，成本很高，因此這種結(jié)構(gòu)的成本相比于其他兩種都高。

圖3中，采用標(biāo)準(zhǔn)的方形被動(dòng)導(dǎo)軌副，可以提高耐用度和保證精度。導(dǎo)軌副樣本上的額定動(dòng)靜載荷都是在理想狀態(tài)下計(jì)算出來的，承受的是均勻載荷。但在應(yīng)用中，工況更復(fù)雜，可能會(huì)有非均勻的力使某些滾珠的載荷超過計(jì)算中確定的許用接觸應(yīng)力Ca值，引起過早的疲勞失效或出現(xiàn)壓痕和振動(dòng)噪聲，降低移動(dòng)精度[4]，因此必須注意避免這種情況的產(chǎn)生。

3 減小磨損及延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的措施

根據(jù)上述磨損機(jī)理的闡述及不同結(jié)構(gòu)的具體磨損分析，為了能夠提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命可以從以下幾方面實(shí)施。

(1)選擇合適、摩擦力相對(duì)較小的尺寸、質(zhì)量、表面粗糙度，在結(jié)構(gòu)中增加刮屑板或毛氈，使用油潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑，盡可能地減少材料損耗，減少成本支出，提高生產(chǎn)效率。

(2)使用過程中要對(duì)金屬材料進(jìn)行定期保養(yǎng)，因?yàn)殡娮愉彽墓ぷ鳝h(huán)境中粉塵很多，導(dǎo)軌上沾滿粉塵是必然的，隨著使用時(shí)間的增加，粉塵會(huì)造成金屬材料空隙的堵塞，加大金屬材料運(yùn)行過程中的摩擦力，造成材料損耗，導(dǎo)致鋸車振動(dòng)左右偏移。而且濕潤(rùn)、水分較多的環(huán)境，會(huì)對(duì)制造材料造成化學(xué)侵蝕，改變材料的性質(zhì)，其硬度、耐性都會(huì)受到影響。

(3)導(dǎo)軌上的滾輪啟動(dòng)和停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩，由于負(fù)載過大，會(huì)導(dǎo)致一些滾動(dòng)元件損壞。因此，當(dāng)加速度較大時(shí)，可以采取減輕鋸車的質(zhì)量、降低鋸車的重心、用多級(jí)制動(dòng)來減小加速度、并在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)增加阻尼裝置等措施[5-7]。

因此，要盡可能地選擇合適、整潔的工作環(huán)境，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少外部環(huán)境造成的金屬材料損耗，盡可能地將材料磨損降到最小化，延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命，在保障相關(guān)設(shè)備安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

4 小結(jié)

在設(shè)計(jì)選用鋸車導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)時(shí)選用了圖1的鋸車結(jié)構(gòu)，即上下都是圓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造過程及后期維護(hù)中具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡娔X裁板鋸為木質(zhì)板材鋸切設(shè)備，加工粉塵較多，屬于極端惡劣的工作環(huán)境，因此V型導(dǎo)軌的排屑遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)，能長(zhǎng)時(shí)間保證生產(chǎn)鋸切精度在0.08 mm以內(nèi)，且高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.1 mm。但在使用過程中必須及時(shí)且按時(shí)進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)，才能減緩導(dǎo)軌的磨損，保證其精度。