曲線鋸鋸片夾頭的設計

張艷林

摘要：該文通過一個曲線鋸鋸片夾頭的設計實例，詳細介紹了鋸片夾頭的結構原理和其關鍵零件的具體設計及設計注意事項，如鋸片鎖緊力的設計、鋸片彈出距離的控制、影響鋸片釋放狀態的零件特征的設計要點、有相對角度要求的連接螺紋的螺紋起始點控制要點等，理論聯系實際，實用性強，對鋸類工具鋸條的鎖緊結構的設計工作具有實際參考價值。

關鍵詞：自鎖;扭簧扭力;壓簧壓力與彈出距離;多線螺紋;軸孔壓配

曲線鋸及其夾頭功能簡介：曲線鋸主要用于建筑或裝修行業切割塑料板、各類木板、薄金屬板以及紙面石膏板和纖維石膏板等板材。曲線鋸夾頭用于鋸片的縮進和更換。

典型的自鎖式曲線鋸鋸片夾頭結構如下圖，工作狀態鋸片被Adapter sleeve鎖緊，Torsional spring為鏈接螺紋提供放松扭矩;釋放時，通過桿撥旋轉Adapter sleeve旋轉，鋼珠在Ejector圓弧槽推力作用下進入Adapter sleeve的圓弧槽內，同時Ejector在Compression spring推力作用下將鋸片推出;安裝時，插入的鋸片將Ejector復位，Adapter sleeve在Torsional spring扭力作用下旋轉再次將鋸片鎖緊。

鋸片夾頭之關鍵設計點：

Torsional spring扭力

實測知當扭簧扭力小于110N·mm時，夾頭連接螺紋會在鋸割和震動作用下開始松動。由圓柱螺旋鋼絲扭簧扭矩公式T=E*d4*ψ/（3667*N*D）知，扭轉角ψ越大扭矩T越大。但扭轉角大，對應的裝配時反向扭轉量越多，越易出現彈簧裝配塑變。結合實際功能需要，設計鋸條釋放狀態扭轉角ψ2=270°，鋸條鎖緊狀態扭轉角ψ1=180°。同樣，受裝配時反向扭轉的影響，彈簧工作圈數N不易過小，結合實際安裝空間取N=6，中徑D=11.2mm。對彈簧扭力影響交大的線徑由常規0.8mm改為1.0mm。采用性價比較高的EN10270–1DH1.00琴鋼絲，其彈性模量E=206000N/mm2。最終得旋轉扭矩T2=225N·mm、防松扭矩T1=150N·mm。實際生產T1約束最小值，T2約束最大值。

Pipe brzd與Adapter sleeve的連接螺紋

此螺紋設計為4頭螺紋，主要目的是在保持螺距不變的情況下將導程由1.5mm增大為6mm，這樣Adapter sleeve旋轉90°即可獲得1.5mm的縱向位移量，既減少裝配時扭簧的反向扭轉量又方便鋸條更換。根據扭緊力與扭矩關系式F=T/KD，在扭矩T和扭矩系數K相同的情況下，僅僅將螺紋由M15減為M14，即可將鎖緊力F提高為原來的1.1倍。

鋸片釋放狀態Compression spring的壓縮量

壓簧的壓縮量可通過調整Pipe brzd的孔深改變，其難點在壓縮量的確定上。Compression spring的總壓縮量由釋放狀態壓縮量L0和鋸條裝入導致的壓縮量4mm（由鋸條規格決定）兩部分組成，壓縮量直接影響鋸片彈出時的力和速度。壓縮量過小鋸片無法彈出，壓縮量過大鋸片容易飛出傷人。理想的鋸條彈出距離L=500mm，根據能量守恒原理，忽略較小的摩擦阻力，可近似認為彈力做功等于Ejector和鋸條運動消耗的能量。即0.5*K*[（L0+4）2 –L02] =9.8*（M1*4+M2*L），其中，彈簧的剛度系數K=G*d4/（8*N*D3）=206000*0.64/（8*8*53）=4.0N/mm，將相關數據帶入能量守恒公式得釋放狀態壓縮量L0 =3mm。（其中：G彈性模量、d線徑、N有效圈數、D中徑、M1為Ejector重量0.002Kg，M2鋸條重約為量0.015Kg。）

Pipe brzd 的結構

Pipe brzd的導管外徑D和壁厚t對整機重量有重要影響（因動平衡需多倍配重），導管工作中主要承受拉力和彎矩，需根據拉力正應力公式σ=4*P/{π*[D2–（D–2*t）2]}和彎矩正應力公式σ=M/{0.098*[D4–（D–2*t）4]}*D核算導管外徑。（其中P為導管拉力、M為導管彎矩）

Pipe brzd的一V型槽用于鋸片的固定和該零件其它特征的定位參考，采用V型結構的原因為鋸片厚度1.0～2.0mm不等。由于V型結構不方便測量，直接將量棒測量尺寸繪制在其2D圖上，以方便制作功能檢具。

鋼珠孔為Pipe brzd的一個重要特征，由于鋼珠選用的是標準件，鋼珠與Pipe brzd的配合完全通過控制鋼珠孔實現，鋼珠孔過小工作中易被灰塵卡死，鋼珠孔過大影響Pipe brzd結構強度，甚至影響Adapter sleeve旋轉角度而導致鋸片裝不進或彈不出。鋼珠孔相對與V型槽有明確的位置要求，鋼珠孔公差直接影響釋放位置Pipe brzd的V型槽與Adapter sleeve的U型槽之間的相對位置誤差。鋼珠孔最佳尺寸通過一系列實際樣品測試獲得。鋼珠孔不可以貫通，否則裝配中鋼珠易掉入Pipe brzd內部，故而孔底端為冠裝，加工時刀頭根據加工形狀定制。

由于選用直徑2（+0.01/–0）mm長2（+0/–0.18）mm的通用滾針，Pin與孔間為壓配連接。若壓配量過大會造成壓配件變形;壓配量過小，工作中Pin脫落會導致夾頭功能失效。實驗測得該處合適的壓配力范圍為120～1700N。根據壓配力公式：F=Pfmax*π*df*Lf*μ，其中Pfmax=δmax/[df *（Ca/Ea+Ci/Ei）]，Ca=（da2+df2）/（da2–df2）+v，Ci=（df2+di2）/（df2–di2）–v，計算可得孔理論尺寸為φ2.0（–0.003/–0.032）mm，考慮到常規供應商加工φ2.0孔制程公差為0.03和產品裝配中最大壓力值可控，本著可靠性優先的原則，將該孔設計為φ2.0（–0.005/–0.035）mm并注明裝配壓力最大值1700N，裝配線將壓不進的極少數導向銷回收，根據CPK分析，該占比不足0.02%。后期實際生產也證明確是如此。（備注：壓配直徑df=2.0mm，壓配長度Lf=1.5mm，摩擦系數μ=0.11，彈性模量Ea=200000N/mm2、Ei=220000N/mm2，孔外徑da=4mm，軸內徑di=0，泊松系數v=0.3）。

排屑槽是Pipe brzd上一個非常重要但又容易被忽略的特征。由于曲線鋸工作環境惡劣，夾頭內很容易進入木屑粉塵等，粉塵堆積到一定程度會導致夾頭螺紋或鋼珠卡死失效。設計導向槽后，粉塵會在機器震動的作用下沿導向槽排出，有效避免螺紋卡死。

Adapter sleeve 的結構

Adapter sleeve為MIM件，結構設計需注意三點：①Adapter sleeve的螺紋起始位置量規需與Pipe brzd的螺紋量規成組制作。②鋼珠圓弧槽尺寸可通過3D軟件模擬夾頭的運動獲得，其公差需考慮相關零件的極限狀態，測量推薦GOM 3D掃描儀。③彈簧固定槽和鋸條脫出方向不得有銳棱。

小結：曲線鋸鋸片夾頭是曲線鋸的部件，屬于緊湊型鎖緊機構，設計時要理論計算、3D模擬和實際樣品測試相結合，以最經濟的方式實現恰到好處的設計。

參考文獻

聞邦椿.機械設計手冊（第六版）[M].機械工業出版社，2018.

GB/T 22680–2008.曲線鋸設計標準[S].