石材粗加工鋸切機(jī)的設(shè)計(jì)與分析*

李麗萍 王君超 蘇治欽

(廈門工學(xué)院機(jī)械與制造工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

隨著我國(guó)石材加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，福建省石材產(chǎn)業(yè)迅速騰飛，現(xiàn)已成為我國(guó)石材加工市場(chǎng)不可或缺的主要力量。福建省石材出口量長(zhǎng)期居全國(guó)首位，出口總額占全國(guó)一半左右。泉州市是福建省石材工業(yè)中心，而泉州市下屬的惠安縣又是最具影響力的石材產(chǎn)業(yè)集群?；莅部h目前有2 000多家石材加工廠，大部分以生產(chǎn)石雕為主，石雕制品市場(chǎng)需求旺盛，年增長(zhǎng)率超過10%。但從調(diào)研惠安共榮石材廠、鼎立石材廠等多家石雕加工企業(yè)的現(xiàn)有情況來看，石雕加工企業(yè)正面臨以下難題：石雕粗加工以手工制作和單機(jī)單工序?yàn)橹?，加工效率低，自?dòng)化程度低；現(xiàn)有加工方式產(chǎn)生大量粉塵等污染物，嚴(yán)重污染環(huán)境及影響操作人員健康狀況，工作環(huán)境差，很難吸引人才加入，存在嚴(yán)重的人力不足現(xiàn)象；缺乏石雕粗加工數(shù)控設(shè)備，粗加工階段占據(jù)了很大的時(shí)間成本。上述問題導(dǎo)致石雕產(chǎn)品價(jià)格居高不下，高價(jià)石雕市場(chǎng)低迷，嚴(yán)重影響石雕行業(yè)發(fā)展。

結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)和數(shù)控設(shè)備在石材加工中的應(yīng)用[1]，本文設(shè)計(jì)一款鋸切動(dòng)力頭和擠壓榔頭動(dòng)力頭組成雙動(dòng)力頭的全自動(dòng)化數(shù)控加工中心，用于解決石雕加工企業(yè)急需粗加工數(shù)控設(shè)備和高效鋸切技術(shù)的現(xiàn)狀。

1 石材粗加工鋸切機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)布局

石材平面浮雕制品越來越受建筑裝飾行業(yè)喜愛，主要用于各類裝修、裝飾場(chǎng)合。參考當(dāng)今石材平面浮雕產(chǎn)品的市場(chǎng)需求來看，主要尺寸結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 石材平面浮雕制品市場(chǎng)主要需求尺寸表

參考表1所示的尺寸需求表，綜合石材平面浮雕制品的加工特點(diǎn)，石材粗加工鋸切機(jī)(直線軸X、Y、Z三軸和轉(zhuǎn)動(dòng)軸B、C兩軸)采用龍門式的結(jié)構(gòu)布局[2-3]，方便石材的輸料與加工。因石材平面浮雕制品具有長(zhǎng)寬尺寸大、厚度小的結(jié)構(gòu)特征，若在切削加工中由工作臺(tái)完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，則在工件自重、主軸部件重力及切削力等作用下，石材極易因脆性高而產(chǎn)生振動(dòng)和裂紋，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。為了提高石材平面浮雕制品的可加工性能，石材粗加工鋸切機(jī)采用工件固定不動(dòng)的切削模式，形成切削運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由金剛石圓鋸片完成[4]，其整體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

石材粗加工鋸切機(jī)工作臺(tái)固定不動(dòng)，石材直接放置在工作臺(tái)上，靠自身重力實(shí)現(xiàn)固定。整體布局結(jié)構(gòu)合理，固定式的工作臺(tái)能承受較大的重量，能加工尺寸較大的板材，符合平面浮雕粗加工要求。

1.2 運(yùn)動(dòng)方式

石材粗加工鋸切機(jī)的功能需求除了邊線成型加工外，通常還要完成凸起、凹坑及曲面成型等工序[5]，且需要適應(yīng)多種石材(花崗巖、大理石及板石)的加工。結(jié)合整體布局圖1，該設(shè)備的基本運(yùn)動(dòng)形式有：

(1)雙動(dòng)力頭在橫梁2上的直線運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式，形成X軸；橫梁2在床身1立柱上的直線運(yùn)動(dòng)采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式，形成Y軸；鋸切動(dòng)力頭的上下直線運(yùn)動(dòng)采用絲杠傳動(dòng)方式，行成Z軸。

(2)鋸切動(dòng)力頭下方的金剛石圓鋸片5由電機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)45°以內(nèi)的偏擺運(yùn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)軸B軸；圓鋸片5繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)軸C軸；其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2a所示。轉(zhuǎn)動(dòng)軸B軸的擺動(dòng)能實(shí)現(xiàn)圓鋸片的斜向進(jìn)刀鋸切，較好地解決浮雕深度較小及浮雕邊緣斜面等常見的加工難題。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)浮雕特點(diǎn)對(duì)鋸切加工進(jìn)行控制，并將各處加工余量鋸切為面積大體一致的小石塊。

(3)擠壓榔頭動(dòng)力頭采用凸輪傳動(dòng)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2b所示。對(duì)已完成鋸切加工的小石塊進(jìn)行側(cè)向擠壓作用，利用脆性材料的懸臂梁根部斷裂原理去除加工余量，從而達(dá)到平面浮雕全自動(dòng)化粗加工的目的。

1.3 整機(jī)主要參數(shù)

結(jié)合石材平面浮雕市場(chǎng)需求尺寸(表1)，選擇市場(chǎng)需求量較大的浮雕尺寸1 200 mm×1 000 mm×(100～200 mm)作為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，綜合整體結(jié)構(gòu)布局圖1，確定石材粗加工鋸切機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 石材粗加工鋸切機(jī)主要參數(shù)

1.4 整機(jī)模態(tài)分析

石材粗加工鋸切機(jī)屬于裝配體，各部件間存在相互約束作用。雙動(dòng)力頭與橫梁、橫梁與立柱間因存在滑移，故其接觸關(guān)系以定義摩擦系數(shù)的方式設(shè)置，其余部件關(guān)系設(shè)置為粘結(jié)。影響整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵原因應(yīng)從低階模態(tài)信息入手，故提取鋸切機(jī)前四階固有頻率，并對(duì)其振型進(jìn)行描述，如表3所示。

表3 整機(jī)低階模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)振型特征

整機(jī)前四階振型特征均與橫梁、立柱有關(guān)，隨著頻率的升高，橫梁、立柱產(chǎn)生的彎曲變形越明顯，并伴隨著工作臺(tái)的扭轉(zhuǎn)變形。石材粗加工鋸切機(jī)一階模態(tài)頻率為89.67 Hz，說明整機(jī)動(dòng)態(tài)剛度較好[6]。

2 橫梁部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 橫梁部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橫梁部件是石材粗加工鋸切機(jī)的關(guān)鍵部件之一，也是本次設(shè)計(jì)的核心部件。橫梁的設(shè)計(jì)應(yīng)保證梁上部件(雙動(dòng)力頭)在移動(dòng)過程中有足夠的空間，滿足互不干涉的要求。因左側(cè)動(dòng)力頭的鋸切加工和右側(cè)動(dòng)力頭的榔頭擠壓加工設(shè)計(jì)為可同時(shí)操作的加工模式，結(jié)合較大的橫梁跨度要求，確定其為高架橋式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

橫梁主體尺寸定為2 000 mm×350 mm×250 mm，前方開有50 mm×150 mm的槽。在橫梁前方上下、橫梁頂部均安裝長(zhǎng)1 600 mm的導(dǎo)軌用于分散載荷；在橫梁底部?jī)蓚?cè)留有與Y軸滑座相固定的平面。

2.2 橫梁部件受力分析

橫梁在工作狀態(tài)下，除了自身重力和主軸部件的重力外，還要考慮切削開始時(shí)及斷續(xù)加工中切削反力和沖擊載荷的作用[7]。

橫梁的受力情況簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)式簡(jiǎn)支梁，如圖4所示，橫梁受到的力包括：除了自身重力均勻載荷q外，還受到兩個(gè)滑鞍、滑枕、蝸桿箱及其他部件自身的重力mg1和mg2、滑鞍對(duì)橫梁的扭矩T1、T2。

橫梁采用鑄造方法成型，材料選擇灰鑄鐵HT300，其力學(xué)性能如表4所示。

表4 HT300力學(xué)性能

將橫梁按表4數(shù)據(jù)指派材料，并使用3D四面體網(wǎng)格功能，并將網(wǎng)格大小設(shè)置成50 mm對(duì)橫梁進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，劃分后單元總數(shù)為4 901個(gè)，網(wǎng)格單元為四棱錐結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格后的橫梁結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

劃分網(wǎng)格后，根據(jù)橫梁部件的裝配結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的約束設(shè)置[8-9]。先將橫梁下端左右側(cè)與Y軸滑座相接觸的平面進(jìn)行固定約束設(shè)置；再設(shè)置重力方向?yàn)閳D5所示的YC方向。

2.3 橫梁部件最不利工況分析

由圖4的受力簡(jiǎn)圖可以得出，橫梁的受力結(jié)構(gòu)為左右兩端支承的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，橫梁產(chǎn)生變形的主要原因是受到滑鞍、滑枕、蝸桿箱部件的重力、切削力及自身重力的影響。根據(jù)石材粗加工鋸切機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及石材的脆硬物理特征，當(dāng)左右兩個(gè)動(dòng)力頭同時(shí)趨近于橫梁中點(diǎn)時(shí)，將出現(xiàn)最不利的加工工況。

(1)載荷分析

橫梁上的集中載荷主要為：除了自身重力外，還受到滑鞍、滑枕、蝸桿箱及主軸部件的重力作用。滑鞍、滑枕材料為45#鋼，蝸桿箱材料為HT150。上述材料的主要力學(xué)性能是：45#鋼密度為7 850 kg/m3，HT150密度為7 100 kg/m3。據(jù)實(shí)體分析可得滑鞍、滑枕、蝸桿箱體積如圖6所示，滑鞍、滑枕部件的體積約為0.010 45 m3，故其質(zhì)量為82.03 kg；蝸桿箱體積約為0.003 849 m3，可得出滑鞍滑枕部件的質(zhì)量為27.33 kg。故雙動(dòng)力頭的滑鞍、滑枕、蝸桿箱質(zhì)量為218.72 kg。

再根據(jù)電主軸的尺寸可得電主軸質(zhì)量為4 kg，加上橫梁自身重量651.16 kg及滑塊、蝸輪蝸桿、電機(jī)等其余部件的重量后，考慮安全因子，可設(shè)橫梁上集中載荷大小為10 000 N。

石材鋸切加工時(shí)的受力分析如圖7所示，以切削花崗石為例[10-12]，當(dāng)切削深度5 mm，進(jìn)給速度40 mm/s，主軸轉(zhuǎn)速2 400 r/min時(shí)，測(cè)得最大的水平分力30 N，最大的豎直分力230 N。考慮雙動(dòng)力頭同時(shí)操作加工模式，最不利工況下的切削力總和設(shè)定為500 N。

綜上可得，在石材平面浮雕加工遭遇最不利工況時(shí)，橫梁上各個(gè)部件的質(zhì)量與切削力產(chǎn)生載荷一共是10 500 N。

(2)有限元分析

在橫梁上加載重力，并在中間400 mm處的正前方加載載荷10 500 N，方向均為YC，使用固定約束固定橫梁底部?jī)蓚?cè)凸臺(tái)，加載后如圖8所示。

加載載荷后進(jìn)行有限元分析求解，得到位移及應(yīng)力云圖如圖9所示。

由圖9a可知，Y向最大變形量0.034 3 mm發(fā)生在橫梁中央的前方位置，橫梁呈前凸后凹式變形；由圖9b可知，Z向最大變形量0.008 0 mm發(fā)生在橫梁上方位置，橫梁呈中間凹兩端翹式變形。由圖9c可知，橫梁中央的前方位置變形量最大，其值為0.036 4 mm。由圖9d可知，在最不利工況的加工中，橫梁受到的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在左右兩側(cè)的下方位置(橫梁兩側(cè)溜板的彎曲處)，其值為3.577 MPa。橫梁材料HT300的最大抗拉強(qiáng)度300 MPa，遠(yuǎn)高于橫梁分析所得出的最大應(yīng)力值3.577 MPa，假設(shè)安全因子a為10，[σb]=Rm/a=30 MPa?3.577 MPa，可得許用強(qiáng)度為[σb]為30 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于橫梁承受的最大應(yīng)力值3.577 MPa，故橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

2.4 橫梁部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橫梁部件是石材粗加工鋸切機(jī)的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響整機(jī)的加工性能。由于橫梁跨度較大，在保證彎曲變形不增大的前提下，采用輕量化優(yōu)化方法[13-14]，以減輕橫梁重量，優(yōu)化整機(jī)綜合性能，降低生產(chǎn)成本。

把降低重量、減小變形定義為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，將截面改為中空梯形結(jié)構(gòu)[15-16]，并添加斜支撐結(jié)構(gòu)提升整體的穩(wěn)定性，優(yōu)化前后的截面結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的橫梁體積約為0.0846 m3，重量約617.58 kg，與優(yōu)化前的651.16 kg相比，減小了33.58 kg，降低了5.2%。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的橫梁在相同的最不利加工工況下進(jìn)行有限元分析，其位移、應(yīng)力云圖如圖11所示。

通過對(duì)比橫梁設(shè)計(jì)優(yōu)化前后有限元分析的位移云圖及應(yīng)力云圖，可以得出表5的結(jié)果。

表5 優(yōu)化前后對(duì)比

通過對(duì)比優(yōu)化前后的位移及應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到：優(yōu)化后Y方向最大變形量比優(yōu)化前減小了14.3%；優(yōu)化后Z方向最大變形量比優(yōu)化前減小了21.3%；優(yōu)化后綜合最大變形量比優(yōu)化前減小了16.5%；單元最大應(yīng)力值由優(yōu)化前的3.577 MPa降為3.320 MPa，減少了0.257 MPa，減小了7.2%。上述數(shù)據(jù)表明：優(yōu)化后，橫梁的抗彎強(qiáng)度有了較大幅度的提高，橫梁的整體性能得到了較好的改善。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案達(dá)到了高效全自動(dòng)化粗加工目的。

(1)圓鋸片除了垂直切入外，鋸切動(dòng)力頭在主軸電機(jī)帶動(dòng)下能實(shí)現(xiàn)左右45°的偏擺運(yùn)動(dòng)，用于45°范圍內(nèi)的斜向進(jìn)刀鋸切，解決石材平面浮雕深度較小、曲面特征較復(fù)雜、邊緣傾斜面及短梁部分等常見的加工難題。

(2)擠壓榔頭動(dòng)力頭對(duì)已完成鋸切的小石塊進(jìn)行側(cè)向擠壓加工，利用石材脆性較大的物理特征實(shí)現(xiàn)小石塊的根部斷裂，達(dá)到余量去除目的，從而實(shí)現(xiàn)石材平面浮雕高效全自動(dòng)化粗加工的效果。

(3)石材粗加工鋸切機(jī)整機(jī)模態(tài)分析表明：整機(jī)動(dòng)態(tài)特性良好。對(duì)整機(jī)關(guān)鍵部件——橫梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，利用有限元分析法驗(yàn)證了其整體性能，并應(yīng)用輕量化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的橫梁部件重量減小了5.2%，最大變形量減小了16.5%，最大應(yīng)力值減小了7.2%。結(jié)果表明，優(yōu)化后的橫梁部件在最不利加工工況下具有更好的綜合力學(xué)性能。