天然石材多线液压切割机床的设计与研究

牛兴坤，张志军，王树荣，张 杰，柴 娜

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159;2.燕山大学建筑工程与力学学院，河北秦皇岛066004)

用于各种天然石材、宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体等硬脆材料的多线切割技术是近几年发展起来的，其以较高的加工精度和加工效率等优势，得到了迅速的发展［4］。

目前，日本TAKATORT公司的MWS-3020产品、瑞士M＆B公司的DS261-DS264系列产品，在国内外使用广泛，但是价格昂贵［5］。国内许多院校和科技公司也研究开发了系列多线切割机，但大部分只能用于科研。

本文针对我国中小机床厂的特点，利用液压传动的诸多优点，研究设计了一种多线液压切割机床，为此类机床的发展开辟了一个新的方向。

1 机床的主要技术参数

最大工件毛坯尺寸(mm):800×800×800

金刚石线锯(mm):SD170/200PA5Φ1

线锯长度(km): 48

线锯最多条数(条): 20

2.1 坚持实事求是，与时俱进的工作方式方法。实事求是我们党一贯的工作准则。当前形势下，思想政治教育工作应当针对国有企业职工队伍思想变化，克服脱离客观实际的教育方式方法，要善于抓住主要矛盾，把思想政治教育工作与企业生产经营工作紧密结合起来，渗透到企业经营、管理各方面，理顺职工思想情绪，提高职工大局意识，使思想政治教育的效果体现在企业决策、执行、管理等环节。同时，把握好分寸，做好思想政治教育工作与职工的切身利益相结合，全心全意为人民服务，办实事，从根本上解决职工的合理诉求，改善职工生活中遇到的困难，促使职工把心思全身心的放到经营生产中来，提高企业的工作效率。

板材最小加工厚度(mm): 10

工作台进给速度(mm/min):5～15

最大走线(移动)速度(m/min):1000

工作台尺寸(mm): 1000×1000

2 机床结构布局与工作原理

天然石材多线液压切割机床的结构见图1所示。该机床是由四大部分组成:床身与支撑机构;走丝机构;工作台及进给系统;液压控制系统。

图1 机床结构

床身与支撑机构由立柱1、横梁8、主动端支架3、从动端支架13等组成。走丝机构由导向轮(2、7、9、11)、供线轮 4、卷线轮 12、张紧轮(6、10)，液压弹簧等组成。

走丝机构的工作原理:在工作台实现进给之前，液压弹簧先压紧张紧轮6和10;卷线轮12和供线轮4再先后启动，卷线轮12带动支撑在导向轮上的走丝线由左向右进行切割运动;当走丝线完成石材的切割后，供线轮4和卷线轮12反向转动，将走丝线重新绕在供线轮4上。

走丝机构的技术要求:在石材切割时，卷线轮12先转动，供线轮4后运转，二者间隔时间1～3秒;液压弹簧压紧张紧轮时，张力随外载荷的变化而变化，使切割状态保持稳定。

机床的工作原理:当走丝机构正常工作后，石材安装在工作台，并按切削效率的高低和加工质量的好坏设定进给量，工作台带动石材实现向上的进给;走丝线完成对石材的切割并至终了;工作台向下快速运动到起点位置;同时供线轮和卷线轮反向转动，将走丝线重新绕在供线轮上，等待下一次的石材切割。

3 液压系统设计

液压控制系统在工作时应满足:走丝线在切割过程中的自动张紧;供线轮和卷线轮在启动时的先后转动;保证工作台的平稳向上进给和快速返程运动。

3.1 液压系统的组成

液压系统由工作台的升降液压缸、二个张紧液压弹簧、二个液压马达、二个比例节流阀、五个三位四通电磁换向阀、一个单向调速阀、二个减压阀、一个溢流阀、三个液控单向阀、一个压力继电器等元件组成。以实现金刚石线锯的张紧、卷线轮和供线轮的运转及工作台的平稳进给运动。液压控制系统如图2所示(见下页)。

3.2 液压系统的工作原理

①走丝线在切割过程中，液压系统中液压油通过14和15、12和13实现液压弹簧10和9伸出，压紧张紧轮;

②换向阀18和比例节流阀21动作，驱动叶片马达23带动卷线轮12转动。相隔1～3秒后减压阀17、换向阀19和比例节流阀20动作，驱动叶片马达22带动供线轮4转动;

③当走丝线正常运动后，换向阀5、调速阀7、液控单向阀6动作控制液压缸8带动工作台实现工作进给和快速返程运动。

4 基于Ansys下的整机动态特性研究

图2 液压系统图

该切割机床工作台做向上进给运动，走丝机构不做上下运动，整机在切割过程中不同模态的固有频率比较低。因此，用Ansys软件只研究机床的前十阶阵型。频率与振幅如表1所示(见下页)。

各阶阵型的振动状态:第1阶阵型沿X方向整体振动，第2阶阵型沿Z轴方向整体振动，第3阶阵型沿Z轴方向扭转振动，第4阶阵型是从动端支架沿Z轴方向振动，第5阶阵型是X轴方向振动和Y轴方向振动，第6阶阵型是主动端支架沿Z轴方向扭转振动，第7阶阵型是主动端安装棍轮的外部底座部分沿Z轴方向局部振动，第8阶阵型是横梁的扭转振动，第9阶阵型是从动端支架外部的护板、横梁、主动端外部支架发生局部扭转振动，第10阶阵型是从动端支架外部的护板沿Z方向局部振动。

给出整机模态的第3阶和第8阶阵型(图3、图4)，表1给出整机模态前十阶的阵型参数，图5给出整机的总体应变状态。由图3可看出，X方向最大变形量出现在主动端支架下侧安装棍轮的外底座处，变形量为0.0406mm;最大应力出现在主动端支架和立柱结合处，其值为0.017GPa。

图3 整机模态的第3阶振型图

图4 整机模态的第8阶振型图

由图4可以看出，沿Z方向的最大变形位于内测横梁中部，其值为0.329mm。由图5可以看出，最大变形位置在内侧横梁中间区域，变形值为0.361mm。

图5 整机总体应变图

表1 整机模态前十阶的阵型参数

5 结论

1)机床加工过程中，张紧力能自动随负荷的变化而实现压力的自动调节;

2)在切割加工过程中，液压马达随负载的变化实现流量自动调节;

3)走丝机构由双液压马达驱动，其结构简单、调速范围大，且可实现无级调速;

4)第3阶阵型是横梁沿X轴方向扭转振动，影响前横梁和左前立柱的接触刚度;第8阶阵型是横梁沿Z轴方向振动，影响横梁的刚度。整机的最大变形发生在前横梁的中部内侧。

机床可配备沟槽不同宽度的轮系，以适合切割不同厚度的薄板。

［1］中川平三郎.用金刚石线锯高速高精度切割加工天然大理石［J］.超硬材料工程，2006，18(6):42-47.

［2］陈冀渝.新型超薄石材切割机［J］.石材，2006，18(6):35-36.

［3］王培磊.金刚石框架锯结构优化及其关键技术研究［D］.济南:山东大学，2009.

［4］高伟，刘镇昌，王霖.硬脆材料的线锯切割加工技术［J］.工具技术，2001，35(11):6-9.

［5］王琮.多线切割机的现状和发展趋势［J］.电子工业专用设备，2008，37(11):11-15.