基于Pro／E的可移動式金屬切割機床的結構設計

蔡長亮，唐術鋒，安志亮，孫景福，仇洪然

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

在基礎制造業中，金屬切削是加工制造的準備工序，切削質量的好壞將直接影響到后續工作的進行。目前，國內傳統的金屬切割設備是手動式砂輪切割機，它是利用高速旋轉的砂輪來對鋼材、鐵材、非金屬材料及部分有色金屬進行切斷加工的設備，在機械、冶金、汽車制造、建筑、礦山等行業有著廣泛應用［1］。手動砂輪切割機與其他切削設備相比較，具有以下優點：①可以比較容易地切斷較高硬度的材料；②切斷過程中所耗時間較短，效率較高；③切斷面美觀，精度較高；④使用方便，成本低，可移動強。但是，手動式砂輪切割機仍然存在很多缺點，比如使用時穩定性較差、機械振動較大，對切削材料形狀有所限制，安全防護性能較差，切屑不易收集清掃等［2］。本文在傳統切割設備的基礎上，借鑒數控機床的結構，設計了一種可移動式金屬切割機床。

1 可移動式金屬切割機床總體結構設計

為了保證預設特性的實現，該金屬切割機床的設計原則是：主體結構必須緊湊而合理，各工作部件具有較高的獨立性，并且經濟實惠［3］。金屬切割設備采用可移動臺式結構，切割臺配有切屑收集裝置，切割方式主要采用電機與砂輪片固定不動的方式，可根據材料式樣的不同采取不同的切割模式進行切割作業。可移動式金屬切割機床整機模型是在Pro／E中進行繪制并裝配完成的，裝配模型如圖1所示。

2 可移動式金屬切割機床主要部件設計

結合切割材料形狀，最終確定該切割機床主要部件的結構［4］。該切割機床在進行切割時，根據被切割材料的形狀，選取不同的夾具裝置。切割機主要工作部分結構示意圖見圖2。

2.1 切割裝置

2.1.1 砂輪的選擇

砂輪切割機種類很多，以其切斷形式可以分為直線式切斷機、懸掛式切斷機、橫向進給式切斷機、工件旋轉式切斷機和擺動式切斷機等［4-5］。本文中切割機床的切斷形式屬于直線式中的工件進給方式，如圖3所示，該切割方式應用很廣泛。

圖1 可移動式金屬切割機床裝配模型

圖2 切割機主要工作部分結構示意圖

根據加工工件的尺寸要求，選用Φ400mm樹脂砂輪切割片，該砂輪片硬度高，自銳性較好，轉速可達3 500r／min以上［6］。參考市場多種品牌切割片，選用上海市藍鳥牌樹脂切割片，該型號切割片可切割圓形鋼材直徑達Φ90mm。

2.1.2 電機的選擇

通過對磨削力以及傳動帶和砂輪切割時的受力分析，并結合砂輪轉速等方面的要求，參考常用砂輪切割設備的電機配置，選用Y系列三相異步電動機，該系列電機具有啟動性能好、效率高、噪聲低、振動小、可靠性高、使用壽命長、維修方便等特點。經計算，電動機功率為2.5kW即可滿足使用要求，選用Y100L-2型三相異步電動機，該電機功率為3kW，額定轉速為2 870r／min，質量為25kg。

圖3 工件進給式切斷

2.2 夾緊裝置

機床夾緊裝置一直以來都是工藝裝備設計的重要組成部分，又稱機床夾具。機床夾具應能保證加工精度，提高生產效率，減輕勞動強度，且排屑方便。該切割機床采用圓形金屬夾具與方形板材夾具的組合形式，這樣使切割分工更明確，大大提高了切割效率。夾緊裝置結構如圖4所示。

2.3 進給系統

考慮到該切削機床的切削形式為工件進給式，在切削過程中需要對工件的進給速度進行人為控制，因此該機構在設計過程中，利用滾珠絲杠與直線光軸滑塊導軌的配合移動達到工件進給的目的。進給系統如圖5所示。

圖4 夾緊裝置結構

圖5 進給系統

滾珠絲杠總長度Lu由下式計算：

其中：Lx為滾珠絲杠機械最大行程，Lx=1 770mm；La為余量，La=10mm；Ln為螺母長度，Ln=（1～2）Ph，Ph為絲杠導程，Ph=6mm。經計算，滾珠絲杠總長度為1 800mm。

通過計算，選用SFU20×1800型號滾珠絲杠，滾珠絲杠主軸上配有螺母與螺母座，滾珠絲杠兩端裝有兩個支撐座，支撐座與背板中央固定連接，背板兩邊各安裝一個光軸滑塊導軌，光軸導軌底座固定在機架上。在進行切割作業時，通過旋轉手輪控制絲杠運動，進而使背板在滑塊上直線運動，達到工件進給的目的。

2.4 切割臺的設計

切割臺主體尺寸為1 800mm×1 200mm×600 mm，切割臺機架主要由45×45鋁型材組合而成。鋁型材具有質量輕、可塑性好、不需要焊接、安裝拆卸方便等特點，該機架能很好地滿足機床的設計要求。切割臺主體結構如圖6所示。

圖6 切割臺主體結構

3 結束語

可移動式金屬切割機床是在對傳統的金屬切割機進行改造與創新的基礎上開發的，經改造后的機床有以下優點：①水平絲杠進給機構的設計，配合手輪的使用，能對進給速度進行更好的人為控制，進而減小砂輪因切割速度過快產生過熱造成的損壞；②獨特的切削夾具設計，大大擴大了可加工工件的直徑與厚度范圍，并且能夠減少工件固定、定位的時間，提高了切削效率；③增加了防塵保護罩，解決了傳統上人為操縱切割機進行切割作業時，產生的飛濺切屑對人造成的劃傷與燙傷；④切屑收集裝置的設計，一方面很好地利用了機床的空余空間，另一方面能夠對切屑進行集中的、定期的收集處理，避免了每次切割作業后對切屑進行清掃的麻煩；⑤地腳與腳輪的配合使用，使機床移動更加便捷，且降低了工人的勞動強度，為今后切割機床自動化提供了可能。

［1］ 田建平，李棟全.一種新型砂輪切割機的研制［J］.裝備制造技術，2008（4）：20-21.

［2］ 李洪.實用機床設計手冊［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，1999.

［3］ 石從繼，趙燕，吳斌方.一種新型可調式切割機的研究設計［J］.機電技術，2011（2）：64-71.

［4］ 任意，石小英，曾勝.全自動型材切割機設計與實現［J］.電機與控制應用，2009（9）：30-33.

［5］ 李華雷，李福靖，烏日圖.一種錨板開槽的專用鋸床設計［J］.機床與液壓，2014（1）：124-126.

［6］ 余光國，馬俊，張興發.機床夾具設計［M］.重慶：重慶大學出版社，1995.