臺式小板件倒角機的研制與試驗

王征,宋月鵬*,柳洪潔,高東升,樊桂菊,陳修德,徐保巖

1.山東農業大學機械與電子工程學院,山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東泰安271018

2.山東農業大學動物科技學院,山東泰安271018

3.山東農業大學園藝科學與工程學院,山東泰安271018

臺式小板件倒角機的研制與試驗

王征1,宋月鵬1*,柳洪潔2,高東升3*,樊桂菊1,陳修德3,徐保巖1

1.山東農業大學機械與電子工程學院,山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東泰安271018

2.山東農業大學動物科技學院,山東泰安271018

3.山東農業大學園藝科學與工程學院,山東泰安271018

對用于農機產品制造的鉚、焊小板件的邊棱倒角加工，傳統方式是采用砂輪打磨，費時、勞動強度大且倒角不規整。為提高鉚、焊小板件的倒角加工質量，設計了一種臺式小板件倒角機。采用電機帶動主軸，主軸上安裝銑刀，通過調節靠板、墊板及墊塊，實現對銑削量的調節；還可以根據用戶倒角規格及種類要求更換銑刀。整機結構簡單，操作靈活，且工作穩定，滿足鉚焊小板件倒角加工的需要，提高了加工效率和質量，降低了勞動強度。

小板件;臺式倒角機;研制

鋼件腐蝕是一種極為嚴重和常見的失效形式，據不完全統計，全世界每年因腐蝕而損壞的金屬制件約占其產量的10%，因腐蝕造成的經濟損失約為當年GDP的3%～4%。若采用有效的防腐蝕措施，全國每年至少可以挽回約4千億元的腐蝕損失[1,2]。農業機械工作條件比較惡劣，腐蝕失效情況更為嚴重。據統計，國內由于銹蝕損壞導致農業機械更新所花費的費用約占更新費用的40%[3]，其中板類小件如加強板、連接板及各種支板和方、圓法蘭等極易發生腐蝕失效，成為影響農業機械壽命的主要問題。分析原因主要在于兩方面，一是板件邊棱尖角處涂裝效果差[4]，二是板件邊棱尖角處易發生應力集中導致板件斷裂[5]。由此可見，對板類小件進行邊棱倒角，以提高其涂裝效果，進而提高其耐腐蝕性，顯得極為重要。

板類小件倒角的傳統工藝，一般是用手提角向磨光機對邊棱打磨，由于工件小不易固定，倒角質量差，且勞動強度大，操作不安全[6,7]。除此之外，如用刨邊機、銑邊機及智能自動倒角機等進行加工，成本高，質量也難以保證[8,9]。因此，研發一種簡易、專用的臺式小板件倒角機，提高小板件（＜300×300×30 mm）倒角的加工質量，對于提升農業裝備的制造質量和可靠性具有重要意義。

1 倒角機結構與工作原理

倒角機結構如圖1所示，主要包括機架、電動機、銑刀、刀罩、可換墊塊、調整墊板、托板和靠板等。電動機安裝在機架下方，其輸出軸通過套筒和鍵與銑刀7、10連接。托板2和靠板3分別通過沉頭螺栓和調整螺栓固定于機架臺面上，靠板位于托板內側、主軸的前面。靠板前后可調，以控制銑刀的一次銑削量。靠板和托板表面設有溝槽，以提高其剛度[10]。

圖1 臺式小板件倒角機結構Fig.1 Structure of small desktop chamfering machine for small pieces

工作時，被加工的小板件18置于托板之上，沿著靠板與托板橫向滑移，經銑刀銑削，板件邊棱即形成規則的倒角。通過更換墊塊8或墊板11，可實現對不同厚度板件和不同角度倒角的加工。

2 關鍵部件的設計與選型

2.1 電機選型

按板件上、下棱同時銑削成4×4 mm倒角時計算所消耗的功率，設工件進給速度Vf=600 mm/min，刀具直徑Dc=φ63 mm，切深ap=2.828 mm，切寬ac=5.656 mm，每刃進給fz=0.05 mm。銑削材質為非淬火的低合金鋼，銑刀厚度6 mm，工作過程中參與切削的刀刃約占67%（倒角的切口長/刀具每刃的長度）[11]。經過計算，臺式小板件倒角機銑削過程中消耗的功率約為1.25 kW，圓周切削力為125 N，逆銑走刀抗力150 N，總切削力為275 N，負載轉矩為8.66 N·m，所需功率最低為1.27 kW。

由此，查閱相關設計手冊，擬匹配YLJ112-10-4型電動機，其輸出扭矩為10 N.m，轉速為1400 r/min，功率1.5 kW。

2.2 主軸設計

為使整機結構緊湊，電動機輸出軸與主軸采用鍵連接，即主軸一端車螺紋，用以緊固銑刀；另一端為軸套（開鍵槽）和鍵與電動機輸出軸連接，并用螺栓將軸套與電動機輸出軸緊固，為避免輸出軸從軸套中滑脫。

銑削過程中，主軸上產生扭矩載荷（圖2），經估算，主軸的額定扭矩T1為10.23 N.m，工作扭矩T2為8.66 N.m，主軸材質選擇45鋼調質，材料的剪切許用應力[τ]=60 MPa，G=80 GPa，許用扭轉角[j]=1°/m。利用機械設計基本原理，對主軸AB段進行設計，其直徑φ為10.25 mm。主軸AB段與銑刀內孔通過鍵連接配合，選用的標準銑刀內徑φ為21.5 mm，大于主軸AB段的設計直徑φ10.25 mm，因此主軸尺寸結構完全滿足使用要求。

圖2 主軸結構及其扭轉受力分析Fig.2 Structure and torsional stress analysis for spindle

采用ANSYS軟件對主軸工作過程進行應力場有限元模擬仿真，邊界條件為：主軸工作扭矩為8.66 N.m，材質為45鋼調質，剪切許用應力[τ]=60 MPa，G=80 GPa，結果如圖3所示。

圖3 主軸工作過程中扭轉應力應變分布模擬Fig.3 Simulation of torsional stress and strain distribution for main shaft in working

模擬結果，主軸上A部位肩根部所受扭矩最大，為7.7427 N.m，此處的剪切應力為2.47 MPa，遠遠小于材料的許用剪切應力[τ]=60 MPa，由此可以認為，主軸結構尺寸設計及材料選擇是合理的。

3 調試與試驗

3.1 銑刀安裝與調整

主軸上安裝有兩片銑刀，通過緊固螺母和彈簧墊圈緊固連接，可對板件的上、下兩個邊棱同時進行銑削；在上、下兩片銑刀之間更換不同厚度的墊塊，即改變兩片銑刀間的距離，以滿足工件厚度或銑削深度變化的需要。主軸上也可以只安裝一片銑刀，只對板件的一個邊棱做倒角處理。

銑刀可選用直角銑刀也可選用圓角銑刀[13]，在下銑刀的下面裝有墊片，更換不同厚度的墊板，可改變銑刀與工作臺面的相對高度。因此，通過更換銑刀的種類、規格，以及不同厚度的墊片，即可改變板件邊棱的加工類型（直角或圓角）或加工參數，如圖4所示。

圖4 銑刀倒角原理圖Fig.4 Schematic principle of milling cutter chamfering

3.2 銑削量調整

一次銑削量的大小，可通過調整靠板的位置來確定。靠板立板位于主軸的前方，靠近托板的內邊沿，并與托板垂直。通過調整靠板的前后位置，可以改變銑刀外露尺寸，從而實現對銑刀一次銑削量大小的調節，如圖5所示。

圖5 靠板位置調整Fig.5 Position adjustment for backup board

3.3 試驗及驗證

在倒角加工過程中不需要夾具，工件只需用手在適當位置按住并沿靠板立板向前推移即可。但用力的方向對倒角加工的質量會產生一定影響，譬如力用矢量F表示、分別向托板和垂直于托板與靠板立板的平面投影，得到F在水平面內與靠板立板的夾角為θ、在垂直平面內與托板的夾角為β，如圖6所示。

圖6 板件受力方向Fig.6 The force direction of the plate

用規格為150×150×20 mm的Q235板件做實驗，在施加的外力F不變的情況下，改變β與θ（圖6），倒角質量如表1所示。

表1 β、θ對倒角質量的影響Table 1 The effect of β and θ on the chamfering quality

分析試驗結果可以看出，當β≈30°、θ≈45°時，可以獲得較高的倒角質量與倒角效率，倒角表面粗糙度度可達Ra6.3。

圖7 倒角機及倒角實樣Fig.7 Chamfering machine and chamfering samples

4 結論

（1）該機設計結構簡單、功率小、易操作且制作成本低廉。

（2）通過倒角限位板的簡單調整，實現對小板件邊棱不同尺寸、不同角度的圓角、直角的倒角。經試驗驗證，倒角質量能夠滿足一般鉚焊板件的倒角要求。

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Development and Experiment of Desktop Chamfering Machine for Small Pieces

WANG Zheng1,SONG Yue-peng1*,LIU Hong-jie2,GAO Dong-sheng3*,FAN Gui-jü1,CHEN Xiu-de3,XU Bao-yan1
1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering;ShandongKeyLaboratoryof GardenMachineryandEquipment/Shandong AgriculturalUniversity,Tai’an271018,China
2.College of Animal Science and Technology/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China
3.College of Horticulture Science and Engineering/Shangdong Agricultural University,Tai’an 271018,China

According to the edge production for rivet or weld plates of agricultural products,the manual grinding has been always used.The traditional way will produce some defects such as time-energy-consuming,labor-intensive and inferior quality.A small piece of desktop chamfering machine was designed and developed to solve the problems.The working characteristics of device was listed as follows:main spindle with milling cutter rotated with electromotor driving;mill amount was adapted by adjusting the position of backup plate,subplate or subblock;specification and types of edge chamfering from user requirements would meet by changing milling cutter.Furthermore,the equipment has other features: simple construction,easy operation,stable working,high quality and efficiency,low labour intensity and so on.

Small pieces;desktop chamfering machine;development

TG68

A

1000-2324(2016)06-0885-04

2016–04–01

2016–05–19

山東省科技發展計劃項目(2014GGX102012);山東省現代農業產業技術體系—果品創新團隊專項(SDAIT-06-12);山東農業大學2015年智能化農業裝備研發項目

王征(1975-),男,在讀碩士,從事機械制造及其自動化研究.E-mail:intswangzheng@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.Email:uptonsong@163.com;dsgao@sdau.edu.cn