MIR-01 型雪茄卷制機離線式茄衣茄套切刀磨刀機的研制

張 閣，孫東亮，常月勇，戴由宗

山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠，濟南市高新區(qū)科航路2006 號 250000

機制雪茄是指茄衣卷制、茄胚成型過程均由雪茄專用機械設(shè)備完成的雪茄，也稱為全機械制作（或卷制）雪茄［1-3］。其中，茄胚成型過程包括茄套切割準備、茄芯準備和茄套包裹茄芯3個環(huán)節(jié)；雪茄成型過程包括茄衣切割準備、茄衣包裹茄胚2個環(huán)節(jié)［4-5］。茄衣茄套的切割準備工作由各自對應的切刀完成，是茄胚成型和雪茄成型的核心過程。荷蘭SCM 公司生產(chǎn)的MIR-01 型雪茄卷制機是國內(nèi)雪茄煙生產(chǎn)企業(yè)的主流設(shè)備，其茄衣茄套切刀刀刃為特定形狀的閉環(huán)刀刃，由于該設(shè)備未配置在線磨刀裝置，當切刀刀刃產(chǎn)生磨損時，容易出現(xiàn)切刀無法切斷茄衣茄套煙葉或煙葉切斷后有粘連等問題，導致雪茄煙產(chǎn)品質(zhì)量不合格，影響設(shè)備運行效率［6］。近年來針對MIR-01 型雪茄卷制機主要在工藝參數(shù)快速調(diào)整方面開展研究［7］，對于切刀磨刀裝置的研制則鮮見報道。為此，借鑒柏益林［8］設(shè)計車刀刃磨裝置、李文治等［9］設(shè)計新型扁鉆刃磨機的原理及方法，研制了一種MIR-01 型雪茄卷制機離線式茄衣茄套切刀磨刀機，以期提高雪茄煙產(chǎn)品品質(zhì)，延長切刀使用時間，降低煙葉生產(chǎn)消耗。

1 問題分析

1.1 工作原理

茄衣茄套切割機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同，其切割機構(gòu)主要由壓輥、切刀等部件組成，見圖1。以茄套切刀為例，擺臂（1）帶動壓輥（2）（3）沿X方向做往復運動。當擺臂沿X正方向運動至最右端時，壓輥遠離安裝于固定座（5）上的切刀（4）；此時操作人員將茄套平鋪在刀盒（6）上，在來自風道底座（7）內(nèi)腔的負壓吸風作用下，茄套被吸附于刀盒上。當擺臂沿X反方向運動時，在調(diào)節(jié)彈簧（8）的拉力作用下，壓輥輥壓經(jīng)過刀盒，吸附于刀盒上的茄套被切刀的刀刃（9）軋斷，茄套與刀刃形狀一致，通過包裹茄芯制成茄胚。除尺寸不一樣外，茄衣茄套切刀的型制及結(jié)構(gòu)相同，裁切為特定形狀的茄衣被包裹在茄胚外面，從而完成雪茄煙支的成型過程。

圖1 茄套（或茄衣）切割機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of binder/wrapper cutting mechanism

1.2 存在問題

茄衣茄套的切割主要依靠切刀刀刃與壓輥之間的軋壓作用完成。在設(shè)備運行過程中，隨著切刀刀刃磨損，會出現(xiàn)煙葉未切斷或切斷后煙葉有粘連等情況，此時可通過調(diào)整彈簧增大拉力改善切割狀況。當彈簧拉伸至一定長度后仍無法切斷煙葉時，判定切刀刀刃失效，需要更換切刀。由圖2 可見，切刀刀刃磨損并非環(huán)形刀刃整體失效，刀刃磨損最早出現(xiàn)在壓輥切入端的ab、ah、hg 段，這與切入端斜口和壓輥接觸瞬間的沖擊作用力較大有關(guān)；隨著彈簧拉力增大，失效位置沿bc、gf 方向延伸；當bc、gf 段的刀刃大部分失效時需要更換切刀，但此時切出端的cd、de、fe 段因刀刃磨損程度輕而較少出現(xiàn)未切斷煙葉現(xiàn)象。更換下來的切刀在整個閉環(huán)刀刃上只有某一段或幾段刀刃磨損，經(jīng)過修復可繼續(xù)使用。但因切刀刀刃形狀復雜，在現(xiàn)有的MIR-01 型雪茄卷制機切割機構(gòu)上無法增加在線磨刀裝置，而采用人工磨削方法修復切刀，則勞動強度大、操作時間長且存在人為差異。為此，研制了一種專用離線式切刀磨刀機，以提高切刀磨削質(zhì)量和工作效率。

圖2 切刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of knife

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 磨刀機結(jié)構(gòu)

磨刀機由砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)、磨刀平臺角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、砂輪傳動機構(gòu)三大部分組成，見圖3。磨刀時，將切刀（1）需要磨削的刀刃正對砂輪（2）放于磨刀平臺（3）上，通過砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)（4）調(diào)整砂輪高度，使砂輪的4點方向觸碰刀刃；調(diào)整磨刀平臺的角度，使切刀與砂輪接觸的角度保持一致，此時切刀與砂輪的接觸點高度會有變化，通過微調(diào)砂輪高度使砂輪的4 點方向觸碰刀刃；砂輪和磨刀平臺調(diào)節(jié)完成后，啟動砂輪傳動機構(gòu)（5），沿磨刀平臺的長度方向（與砂輪垂直）輕推切刀，完成刀刃的磨削過程；使用JB-360 角度儀（上海精帛儀器設(shè)備有限公司）測量磨削角度，使用605A 游標卡尺（哈爾濱量具集團有限責任公司）測量刀刃寬度，直至切刀刀刃符合要求。

圖3 磨刀機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of knife grinding machine

2.2 切刀可磨削量的模擬

圖4是切刀刀刃部分橫截面示意圖?？梢姡械缎阅芘c刃角α相關(guān)。刃角α越小，刀刃越鋒利，滾切效果較好，但切刀能夠承受的最大切削力變小，強度降低，使用時間縮短；刃角α越大，刀刃變鈍，滾切效果較差，但切刀能夠承受的最大切削力變大，強度增加，使用時間延長。經(jīng)實際測量，MIR-01型雪茄卷制機茄套切刀刀刃寬度L1為0.15 mm，刃角α為43°，前刀面有效寬度L2為1.75 mm。計算可得后刀面寬度L3=L2cosα=1.28 mm，切刀基體寬度L4=L2sinα+L1=1.34 mm。

圖4 刀刃橫截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of blade cross section

為研究刀刃的磨削次數(shù)，取一把全新的茄套切刀進行磨削試驗。磨削過程中，在刀刃寬度L1不變，每次磨削0.1 mm條件下，按不同刃角分別磨削切刀刀刃和前刀面，然后安裝到MIR-01型雪茄卷制機驗證茄套切割情況。各磨削層的刃角角度見表1。當磨削至第3層時，刃角α3超過50°，刀刃變鈍。觀察發(fā)現(xiàn)，此時切刀滾切效果較差。因此，將切刀的磨鈍標準設(shè)定為第3層失效，即每把切刀可經(jīng)過兩次修復。

表1 各磨削層的刃角角度Tab.1 Blade angles of grinding layers

2.3 砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計

砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)由方形水平底座、豎向安裝板、安裝板上2個截面形導槽、把手架、調(diào)節(jié)把手、把手軸、調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母、截面形滑塊和砂輪支架組成，見圖5。其中，安裝板（2）和安裝于其上的2 個形導槽（3）共同圍成一個上開口的形垂直通道，形滑塊（9）剛好可以卡在形垂直通道內(nèi)。安裝于把手架（4）上的調(diào)節(jié)把手（5）通過把手軸（6）、調(diào)節(jié)螺桿（7）、調(diào)節(jié)螺母（8）與形滑塊（9）連接，隨著調(diào)節(jié)把手轉(zhuǎn)動，由調(diào)節(jié)螺桿和調(diào)節(jié)螺母組成的螺旋副可以在垂直方向上改變滑塊高度，而緊固在滑塊上的砂輪支架（10）也會隨之上下移動，從而實現(xiàn)磨刀砂輪高度可調(diào)。

圖5 砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of grind wheel height adjustment system

砂輪高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主要用于控制砂輪高度的調(diào)節(jié)范圍，因此調(diào)節(jié)螺桿的長度及螺距是設(shè)計重點。經(jīng)分析，選用了螺紋直徑6 mm、螺距0.75 mm 單線細牙右旋螺紋［10］。由表2 可見，不同型號茄衣茄套切刀的長度和寬度相差較大，但高度基本相同。圖5中調(diào)節(jié)螺母（共同組成螺旋副）的深度為27 mm，因此選擇螺紋的有效旋合長度為30 mm。

表2 不同型號切刀尺寸Tab.2 Sizes of different type knives （mm）

2.4 磨刀平臺角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計

磨刀平臺角度調(diào)節(jié)機構(gòu)由磨刀平臺、旋轉(zhuǎn)軸、螺釘、底座、上調(diào)節(jié)螺母和下調(diào)節(jié)螺母組成，見圖6。磨刀平臺（1）通過旋轉(zhuǎn)軸（2）和螺釘（3）固定在底座（4）上；旋轉(zhuǎn)軸高度不可調(diào)節(jié)，磨刀平臺可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；螺釘穿過磨刀平臺的孔與底座焊接在一起，螺釘不可旋轉(zhuǎn)和移動。因旋轉(zhuǎn)軸端的高度不可調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)螺母（5）（6）的高度可調(diào)整磨刀平臺的高度，進而實現(xiàn)磨刀平臺角度可調(diào)。

圖6 磨刀平臺角度調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of angle adjustment system for knife grinding work table

為提高調(diào)節(jié)精度，螺釘設(shè)計為螺紋直徑6 mm、螺距0.75 mm 的單線細牙右旋螺紋，調(diào)節(jié)螺母（5）（6）的厚度為5.2 mm。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，切刀刃角最大可磨削至50.6°，磨刀平臺的最大寬度L7=205 mm。因此，螺釘端磨刀平臺的高度改變值ΔL=L7tanΔα=205×tan（50.6°-43.0°）=36.2 mm，計算可得螺釘?shù)挠行祥L度為36.2+5.2×2=46.6 mm，故將螺釘?shù)挠行祥L度［10］確定為50 mm。

2.5 砂輪傳動機構(gòu)的設(shè)計

砂輪傳動機構(gòu)由總成支架、大帶輪、電機軸、V型帶、小帶輪、錐形軸、砂輪、螺釘?shù)炔糠纸M成，見圖7。L 形總成支架（1）的懸臂內(nèi)側(cè)安裝有大帶輪（2）［設(shè)有電機軸（3）］和小帶輪（4），大小帶輪間利用V型帶（5）實現(xiàn)傳動；小帶輪在懸臂外側(cè)連接有錐形軸（6），錐形軸上的砂輪左端蓋（7）和砂輪右端蓋（9）共同夾持砂輪（8），并由螺釘（10）壓緊，從而實現(xiàn)電機帶動砂輪轉(zhuǎn)動。

圖7 砂輪傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of grind wheel transmission system

砂輪左端蓋的右側(cè)軸設(shè)計為右旋外螺紋M22、螺距2.5 mm，右端蓋的左側(cè)軸為右旋內(nèi)螺紋M22、螺距2.5 mm。已知，錐形軸右端與砂輪左端蓋的錐面錐度為1 ∶5；大帶輪直徑d1=120 mm，小帶輪直徑d2=25 mm，砂輪直徑d3=100 mm；配置的動力電機為Y80M2-2 三相異步電動機（德國LENZE 公司），功率P=1.1 kW，額定轉(zhuǎn)速n1=2 830 r/min，效率η1=77%，功率因數(shù)cosφ=0.86。經(jīng)計算，砂輪轉(zhuǎn)速n2=n1d1/d2=13 584 r/min，線速度Vc=πd3n2/60 000=71.09 m/s。

3 應用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“泰山（紅3G）”機制雪茄煙原料（山東中煙工業(yè)有限責任公司濟南卷煙廠）。

設(shè)備：MIR-01型雪茄卷制機以及茄衣茄套切刀（荷蘭SCM公司）；茄衣茄套切刀磨刀機（自制）。

方法：取磨損嚴重、準備更換的茄衣切刀D1、D2 和茄套切刀D3、D4，通過磨刀機進行磨削處理后，在同一臺MIR-01 型雪茄卷制機上進行使用。按照表1的方法兩次磨削切刀（第3次磨削的使用時間不計入總時間），統(tǒng)計切刀使用時間。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3 可見，與新刀相比，隨著磨削次數(shù)增加，磨削后切刀使用時間呈降低趨勢，且明顯低于新刀的使用時間；經(jīng)過兩次磨削后4 把切刀均失去正常使用功能。4 把切刀增加兩次磨削處理后，茄衣切刀的使用時間平均增加1 734 h/把，增幅43.35%；茄套切刀的使用時間平均增加2 019.5 h/把，增幅

表3 磨削處理后切刀使用時間①Tab.3 Working life of the sharpened knives

40.39%。

4 結(jié)論

基于MIR-01 型雪茄卷制機研制了一種茄衣茄套切刀磨刀機，通過模擬計算和運動分析，保證了砂輪高度和磨刀平臺角度的精準調(diào)控，實現(xiàn)了分層定量磨削切刀的功能。取4把磨損嚴重的茄衣茄套切刀通過磨刀機進行磨削處理，結(jié)果表明：與新刀相比，通過兩次磨削后茄衣茄套切刀的使用時間分別增加43.35%和40.39%，有效提高了切刀磨削質(zhì)量和工作效率。該磨刀機還可應用于MIL 上茄衣機、RCM紗布茄衣機等設(shè)備切刀的精準磨削，具有推廣應用價值。