一种电缆剪切工具的机械设计

许晓淳 潘玉华 刘志君

摘  要：电动扳手的弹性储能锤击作为一项经典的传动设计，其本质是使微型电机恒定的转矩通过储能释放形成具有超强力矩的扭力，并在此基础上进行换向减速。基于此，本文了设计一种可以切断大直径、高硬度电缆的电动工具。

关键词：电动扳手;刀座;刀架;丝杆;等高螺丝

中图分类号：TP242    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）09-0000-00

0引言

在工业生产中，许多经典的机械设计，使人们的劳动强度、工作方式得到了巨大的改变，其中应用广泛的基础设计有液压、气压设备，通过经典的机构，将电能转化成强大的气压、液压，由此衍生出气动机械臂、气动螺丝刀、气动锯、液压折弯、冲孔等一系列的衍生装置，且该装置在不同的工业生产领域发挥了巨大的作用[1]。

随着电池技术、电机技术、材料技术、机械加工技术的发展，这些原来应用于重型工业的装置，通过改变形成了一大批便携式生产工具，这些工具携带方便、造价低廉却有着强大的功能，使原有的使用场景不再局限于工厂内，而是可以随时随地使用，因此极为便利。

本文基于电动锂电池扳手的工作原理，提出一种线缆剪切工具的设计方案，为省力工具领域提供一种新思路[2]。

1设计背景

在电力施工过程中，电缆裁剪是一项最基本的工作，当前电动工具一共有2种类型，一种是通过油泵的液压工作方式，另一种是通过多级齿轮减速增加力矩的方式。

液压油缸通过油泵向油缸注油，并由单向阀门控制其油回流，不断增加油缸内油的压力，从而提供给活塞足够压力推动剪刀切断电缆。液压模式结构比较笨重，需要由油泵、油缸组成，由于液压力要求较大，因此电机的大小，油缸壁都需要由强度很高的金属材料制作，因此其携带不便，另外由于油缸内油压较大，为了防止渗漏，对于油缸、活塞的加工工艺要求较高，造价较高，且随着使用损耗的增大，其维护成本也增大[3]。

多级齿轮的减速方式相对于液压在加工难度及成本方面均有改善，但是其结构依然复杂，需要一个复杂的齿轮箱来安装齿轮。此外研究发现由于其末端的执行机构也是齿轮状，刀片镶嵌在非全圆齿轮盘中间，这样使用不如液压方式便利。

2设计方案概述

电缆剪切需要一个超强大的力量，同时要求结构简单、动力足够、且重量轻巧，实践证明电动扳手就刚好满足这一要求，电动扳手将微型电机通过行星齿轮减速后，连接一个带弹簧的锤击机构，当输出轴的轴向阻力足够大时，弹簧会带动锤击机构捶打输出轴，由于弹簧的势能到达锤击面时间极短，则每一次锤击都将给输出轴输送一次强大的扭力。

如何将这种强大的扭力转化成切断电缆的力，研究发现丝杆传动是当前最好的选择，丝杆传动可将扭力运动转换成直线运动，且具备一定的减速效果，可进一步增加扭力带来的效果。

3结构设计

3.1 装置结构图及各部件功能

①-轴套固定孔：轴套固定孔设置在丝杆末端，与电动扳手输出端相连，提供稳定可靠的力矩输出;

②-限位块：限位块由四个螺丝固定在⑧-刀座上，使得丝杆受力后，保持前后位置不移动，从而推动丝杆法兰向前移动，切断线缆;

③-压力轴承：压力轴承安装在此主要减小丝杆受力时，旋转对于②-限位块的摩擦力，④-传动丝杆在此处外径变小，在压力轴承处形成一个台阶，丝杆向左受力时，丝杆的力通过压力轴承再传输给②-限位块，由于②-限位块与⑧-刀座相连，则传动丝杆的力将全部传输给⑧-刀座;

④-传动丝杆：丝杆直接与电动扳手连接，提供动力，其材质为304不锈钢，外牙为T型牙，可以承受较大的力;

⑤-丝杆法兰：丝杆法兰内牙与④-传动丝杆外牙配合，传动丝杆转动时，带动丝杆法兰前后移動，丝杆法兰采用黄铜制作，具有强度高、耐磨等特性;

⑥-刀架：刀架一端与丝杆法兰连接，在运动过程中随着丝杆法兰的运行而运动，刀架另一端连接刀头，其功能是将丝杆法兰传递的力量转化给刀头。刀架的底部与⑧-刀座相平行，为了避免受力后刀架偏离与刀座的平行方向，在刀架的底部设置了四颗⑩-等高螺丝进行限制，确保其运行轨道与刀座平行。

⑦-刀头：刀头是与被剪切材料直接接触的部件，采用Cr12材质，并进行热处理，使其硬度达到58-60HRC，确保在剪切过程中有足够的硬度切开线缆;

⑧-刀座：刀座相对于⑦-刀头是静止的，其末端有一个向上的支撑面，与⑦-刀头形成闭合状，为剪切动作提供静止的支撑面;

⑨-避位缺口：避位缺口是当⑦-刀头运行至支撑面时，支撑面与⑦-刀头之间尚有未完全闭合的区域， 此时⑦-刀头需要继续前进，通过避位缺口，使二者完全闭合，也就完成了剪切的动作;

⑩-等高螺丝：等高螺丝安装在⑥-刀架，螺杆通过⑧-刀座长圆孔，由螺丝帽在长圆孔上形成卡阻，为⑥-刀架在⑧-刀座上的水平运动提供了固定的轨道;

⑪-避位台阶：沿着⑧-刀座长圆孔下沉同心的等高螺丝帽避位孔，可以减小等高螺丝的高度，提高等高螺丝的支撑强度[4]。

3.2 运动路径（图2 ）

（1）首先将待剪切电缆放入刀口，当传动丝杆在电动扳手的驱动下转动时，丝杆法兰、刀架、刀座以及等高螺丝均向右移动;

（2）持续移动中，刀片将对被剪断电缆形成挤压并切割，等高螺丝限制进刀方向始终与电缆的轴径方向垂直;

（3）当刀片通过刀座避位缺口且二者弧面完全重合时，电缆已经切断。

4优势分析

（1）结构简单，体积小，便于携带;

（2）加工工艺要求不高，基本的车铣机械加工就可以制作完成;

（3）造价低廉，生产及维护成本低。

5结语

通过对电动扳手的衍生设计，为便携式工具的研究提供了新思路，如折弯、冲孔、拉伸等均可进行相关尝试。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]肖正义.滚珠丝杠副的发展趋势[J].制造技术与机床，2002（5）：8-11.

[3]田地银，田云.关于滚珠丝杠副的选择[J].电子工艺技术，1997（1）：18-21.

[4]催忠析，覃耀春.金属与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

收稿日期：2020-08-15

作者简介：许晓淳（1986—），男，广东汕头人，本科，工程师，研究方向：生产技术。