一种直线进给锯切小型自动切管机的设计

祝正兵， 朱呈霞， 王扣成

（常熟理工学院，江苏 常熟215500）

0 引 言

很多的小型切管机一般采用液压驱动，使用进口锯片，普遍存在锯片锯齿的崩齿现象。在生产过程中温度不易控制，造成锯片在锯切过程中出现锯齿的断裂、崩齿等现象，因此某企业提出改进切管机进给机构的需求。切管机加工时的工作要求为切割管件的尺寸范围50～80 mm，采用液压的方式完成进给运动。要求减少人力成本，并要求实现自动送料的动作。考虑以液压的方式实现自动送料，通过各液压缸动作的协调与配合，实现自动送料的过程。

1 小型切管机的总体方案设计

1.1 小型切管机切割管件动作要求

现场需要改进的小型切管机如图1 所示。改进后，要在一次锯切过程完成的情况下，锯切的整体部分开始回退，到达合适的位置。位置感应器接受位置信号，发出信号控制液压系统的动作，竖直放置的液压缸做回退的动作，松开夹爪将管件放开，水平放置的液压缸做回退的动作并将整体夹料机构向回拉到设定的位置，此时竖直放置的液压缸接收到动作完成的信号，做伸出动作将管件夹紧，水平放置的液压缸做伸出的动作将管件运送到加工的位置。直线电动机接收到夹料机构整个动作的完成，直线电动机开始做旋转运动，带动梯形丝杆旋转推动推杆运动，使锯切的整体机构部分运动切割管件，这样的好处是直线电动机运动平稳，使锯切的过程中切削力稳定，减少对锯片的伤害，当将管件锯切完成后，另一端安装的位置感应器接收到完成信号，进行下一个动作的周期运行，周而复始地不断切割管件[1-3]。小型自动切管机液压系统如图2 所示，动作要求如图3 所示。

图1 要求改进的切管机现场照片

图2 液压系统图

1.2 小型自动切管机的设计思路

1）机构提出阶段。根据多次到该企业现场调研、综合其生产过程中出现的问题及对国内外现状分析，提出零部件及重要机构部分的改进方案[1]。

2）方案设计阶段。根据该企业的要求，对切管机需要改进的机构部分进行改进，确定机构方案，对比不同的方案，选择最合适的方案，对确定的方案进行三维建模，绘出所改进的三维造型图。

3）具体实施阶段。通过进给部件设计、锯切部件设计和管件夹持与送料部件设计来实现切管机自动运行的动作过程，解决生产过程中运动不平稳的现象，满足企业的改进要求。

1.3 切管机进给部件设计

切管机采用伺服电动机控制将旋转运动转换成直线运动，通过电动机的旋转运动带动梯形丝杆及其配合使用的梯形丝杆安装座，丝杆座安装在底座上，底座上装有推杆的整体部分。通过锯切部分的重力及电动机的控制实现管件的自动切割过程[2]。此种结构较为简单、节省成本，进给部件方案如图4 所示。

图4 进给部件设计模型图

图5 锯切机构V 带传动模型图

1.4 切管机锯切机构传动部件设计

因要求传动的距离范围比较大，设计选用带传动，锯切机构V 带传动如图5 所示。

1.5 切管机自动送料部件设计

送料部件要求能够实现管件的自动送料过程，它以3 个液压缸为主要的动力源，由竖直放置的2 个拉杆式液压缸及1 个水平放置的拉杆式液压缸为主要部分，通过液压系统的控制，以液压缸的相互协调的动作代替电动机的直线送料方式。通过调整限位螺丝的长度来控制切割管件的长度及精度，用燕尾槽滑轨使整体夹料部分运动平稳，减少在运动过程中能量的损失，加快运动的速度，节省时间，提高生产效率[8]。自动送料部件如图6所示。

图6 自动送料部件设计模型图

小型自动切管机的设计方案如图7所示。

图7 小型自动切管机的设计方案图

2 小型切管机主要部件的设计与计算

2.1 进给机构零件选型及结构设计

由图4 可知，进给机构由电动机、联轴器、配合的丝杆螺母座、推杆及各零件的安装架、安装底座组成。电动机选择交流伺服电动机，主要参数如表1 所示。

进给部件的设计要能完成对锯切部分的进给动作，其主要原理是将电动机的旋转运动转化为推杆的直线运动。

表1 MINAS系列交流伺服电动机技术参数表

2.2 锯切机传动部件设计

2.2.1 带传动的设计计算

1）确定切管机切割管件时的计算功率：Pc=KA·P（P为电动机的传递功率，KA为工作情况系数）。由于切管机的工作过程中载荷变动小，查表时根据一般金属切削机床空载、轻载且每天工作时间小于10 h，选择KA=1.1。代入公式得Pc=KA·P=1.1×4=4.4 kW。

2）选择V带的型号。由文献[4]，根据Pc=4.4 kW和n1=1440 r/min确定出V带的型号,即选取A型V带，V带的基本参数如下：节宽bp=11.0 mm，顶宽b=13.0 mm，高度h=8 mm，横截面积A=81 mm2，楔角Φ=40°。可得小带轮的基准直径d1=100 mm。

3）传动比i。选取大带轮的直径为d2=500 mm，带传动过程中的平均传动比i=n1/n2=d2/[（1-ε）d1]。因为在带传动的过程中存在滑动现象的概率很小，因此可以忽略带传动过程中滑动率对带传动的影响。即传动比为i=n1/n2=d2/d1。i=500/100=1440/n2,可得n2=288 r/min。

2.2.2 锯片轴上的轴承型号的选择与寿命计算

轴承预期寿命：由文献[5]推荐的轴承预期计算寿命Lh，因为企业的工作状况为每天工作8 h。由表查得，受载荷变动不大的切管机预期计算寿命为20 000～30 000 h，取预期寿命为25 000 h。左右端均采用圆锥滚子轴承32912，查得基本额定动载荷C=108400 N。

2）验算轴承寿命[7]。因为P1＞P2，以轴承1验算轴承的寿命：Lh=［106/(60n )］(C/P)ε=［106÷(60×288)］(108400÷4426.92)10/3=2.47×106，Lh≥Lh′=25000 h。即所选轴承寿命满足要求，轴承的尺寸如图8和图9所示。

3 切管机总装配图

进给机构由伺服电动机、梅花弹性联轴器、梯形丝杆、滑杆、丝杆安装座、轴承、挡油环及电动机安装架组成。锯切部分由大小带轮、锯切轴、转动轴、轴承、端盖等组成。自动送料机构由3 个拉杆液压缸、燕尾槽滑轨、夹爪等组成，通过液压缸的相互动作完成送料的动作。切管机三维总装配模型如图10 所示。

图8 圆锥滚子轴承模型图

图9 圆锥滚子轴承尺寸图

图10 三维总装配模型图

4 结 论

1）进给机构部分改进。通过伺服电动机输出端连接联轴器，联轴器连接丝杆轴，丝杆配合丝杆安装座，安装座上装有推杆，将电动机的旋转运动转化成推杆的直线运动，这种进给的运动方式平稳，可以通过电动机的控制快速实现启停的动作，同时，能够在锯切的时候较慢地进给，在回退的时候快速地回退，节省加工时间[8]。

2）锯切机构部分改进。锯切机构部分通过带传动来实现锯切管件的过程，此部分主要是注意锯切轴的轴向固定、转轴的轴向固定，防止在锯切过程中出现轴向窜动，将锯齿损坏，锯片的成本是比较高的。另外带传动在切割时能够不断地改变切入角度，有利于排屑，减少吃刀量大的情况，减轻锯片的磨损。

3）自动送料部分改进。自动送料部分由滑轨、相互作用的液压缸及夹爪组成，此设计解决了人工上料问题，减少劳动力，节约成本，自动送料部分还能很好地调整切割管件的宽度，通过螺杆螺母的配合，旋转一定的长度即可调整管件的切割宽度。