全自动钢管专用锯床设计及结构优化分析

王宇钢，李旭渤

（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州121001）

0 引言

钢管锯切加工作为钢管加工的起点，在现代制造行业中起着十分重要的作用。圆锯机床具有加工精度高，加工时间快，在材料利用方面也有着很好的优势，具有广阔的发展前景。为适应现代制造业的快速发展，锯床的自动化需求正不断提高[1]。

当前在欧美等工业强国，弓锯床已逐步被淘汰，而圆锯床和带锯床发展迅速。其中，德国在锯床领域占据领先地位。近年来，我国锯床水平也得到较大提高，主要表现在精密化和自动化。一是不断提高机床的加工精度，选用更加先进的检测仪器和检测设备。其次，发展基于数控的技术升级，为达到更高的加工精度和效率。

本文设计了一种应用于大批量钢管切割的专用机床，具有自动上下料、定位、装卡和切断的功能，能够大幅度提高生产效率，降低加工过程中的电力，人力和时间的消耗，减少成本。在设计过程中，对机床的关键部件切削头机架进行了拓扑优化，在满足负载强度的条件下使其实现轻量化设计，并验证了优化结构效果。

1 机床总体结构设计

为实现机床全自动化加工，机床主要有自动上下料装置、切削头以及床身等结构构成。采用PRO/E三维建模，机床结构如图1所示[2]。

图1 机床结构三维图

上料装置主要由导轨、移动夹具和拖送机构组成。移动夹具夹紧钢管，使用上下料气缸提供向前推动的动力，按照一定的动作顺序沿着导轨将钢管向前拖送指定长度，固定夹具在钢管移动到指定位置后夹紧钢管，运动夹具张开并返回复位，等待进入下一工作周期。

切削头部分选用摆式的布局方式，使用液压缸从机架尾部顶起，使得切削头绕固定支点旋转，前端刀具下压，完成切削钢管的动作。上料装置在下一工作周期，带动钢管再次向前拖送上料，并将切断钢管从机床前段经下料滚轮移出机床。切削头和上料装置一同安装在机床床身上表面。

2 切削头设计计算

切削头的功能是用电机通过减速机带动高速钢锯片，对钢管进行切断操作，本文采用摆式布局结构，如图2所示。

图2 切削头结构

切削头主要包括锯片、减速机、电机、机架和为进给运动提供动力的液压缸等。圆锯片绕底座上一固定支点摆动，同时向下进给。电机和减速器用联轴器进传递动力使两者之间有足够的距离，方便安装刀具，机架设置在侧面，以给底部留下足够的运动空间。进给动力由液压系统提供，液压缸通过支架安装在机床床身上，安装方式为前端整体式安装，活塞杆与机架尾部连接。工作时，液压缸将机架尾部顶起，使前端刀具下压，完成切削动作。

液压缸的负载主要来源于切削头重力和切削力，考虑受力极限情况，选择切削头在水平位置时进行分析，此时受力情况如图3所示。

图3 切削头受力图

由图3可知，切削头绕支点所受合力矩为0，故计算公式为：

式中，F1为电机重力；F2为减速器重力；F3为切削反力；F为液压缸负载。

3 支架拓扑优化设计

切削头支架作为支撑液压缸的零件，其在工作过程中受到较强的载荷，为验证其强度可靠性，利用ANSYS软件对其进行结构强度有限元分析和拓扑优化设计[3-4]。

由于切削头支架左右两部分结构完全对称，工作过程中强度变化也应一致。为简小分析计算量，只选取左侧支架进行有限元分析。网格划分结果如图4所示。

图4 网格划分结果

3.1 静力分析

支架材料为45#，所受载荷主要来自于液压缸工作所受到的反力，大小采用式（1）中液压缸负载值，经计算得负载为720 N，承受载荷位置为支架的液压缸安装孔的下半表面，侧面两个安装孔为固定约束。静力分析支架变形云图和应力云图分别如图5、图6所示。

图5 支架变形云图

图6 支架应力云图

分析结果显示零件在工作过程中最大变形为0.04 204 mm，所受最大应力为61.957 MPa，且小于材料许用应力355 MPa，符合使用要求。

3.2 拓扑优化

为节省成本，采用ANSYS的拓扑优化模块Topology Optimization进行结构优化，优化目标为在满足使用强度条件下，质量减重50%。拓扑优化分析所得的支架拓扑密度云图，如图7所示。

图7 支架拓扑密度云图

根据云图重新设计结构，分别对支架固定背板长度及肋板进行设计，优化后的零件结构对比如图8所示。

图8 优化结构对比

3.3 验证分析

对优化后零件，重新进行静力分析，支架变形云图和应力云图分别如图9、图10所示。

图9 支架变形云图

图10 支架应力云图

结果显示零件在工作过程中最大变形0.041 928 mm，所受最大应力59.936 MPa。且质量由优化前2.4151 kg，减小到1.1610 kg，实现减重51.9%。

4 结束语

为提高锯床自动化程度，通过对钢管锯床的功能分析，设计了全自动锯床的总体结构方案。采用PRO/E建立三维实体模型，检验结构设计合理性。对切削头进行受力分析，计算获取了受力极值。并对关键部件切削头支架进行静力分析和拓扑优化设计。仿真结果表明，设计支架符合强度要求，并实现结构优化减重51.9%。