全自動鋼管專用鋸床設計及結構優化分析

王宇鋼，李旭渤

（遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

0 引言

鋼管鋸切加工作為鋼管加工的起點，在現代制造行業中起著十分重要的作用。圓鋸機床具有加工精度高，加工時間快，在材料利用方面也有著很好的優勢，具有廣闊的發展前景。為適應現代制造業的快速發展，鋸床的自動化需求正不斷提高[1]。

當前在歐美等工業強國，弓鋸床已逐步被淘汰，而圓鋸床和帶鋸床發展迅速。其中，德國在鋸床領域占據領先地位。近年來，我國鋸床水平也得到較大提高，主要表現在精密化和自動化。一是不斷提高機床的加工精度，選用更加先進的檢測儀器和檢測設備。其次，發展基于數控的技術升級，為達到更高的加工精度和效率。

本文設計了一種應用于大批量鋼管切割的專用機床，具有自動上下料、定位、裝卡和切斷的功能，能夠大幅度提高生產效率，降低加工過程中的電力，人力和時間的消耗，減少成本。在設計過程中，對機床的關鍵部件切削頭機架進行了拓撲優化，在滿足負載強度的條件下使其實現輕量化設計，并驗證了優化結構效果。

1 機床總體結構設計

為實現機床全自動化加工，機床主要有自動上下料裝置、切削頭以及床身等結構構成。采用PRO/E三維建模，機床結構如圖1所示[2]。

圖1 機床結構三維圖

上料裝置主要由導軌、移動夾具和拖送機構組成。移動夾具夾緊鋼管，使用上下料氣缸提供向前推動的動力，按照一定的動作順序沿著導軌將鋼管向前拖送指定長度，固定夾具在鋼管移動到指定位置后夾緊鋼管，運動夾具張開并返回復位，等待進入下一工作周期。

切削頭部分選用擺式的布局方式，使用液壓缸從機架尾部頂起，使得切削頭繞固定支點旋轉，前端刀具下壓，完成切削鋼管的動作。上料裝置在下一工作周期，帶動鋼管再次向前拖送上料，并將切斷鋼管從機床前段經下料滾輪移出機床。切削頭和上料裝置一同安裝在機床床身上表面。

2 切削頭設計計算

切削頭的功能是用電機通過減速機帶動高速鋼鋸片，對鋼管進行切斷操作，本文采用擺式布局結構，如圖2所示。

圖2 切削頭結構

切削頭主要包括鋸片、減速機、電機、機架和為進給運動提供動力的液壓缸等。圓鋸片繞底座上一固定支點擺動，同時向下進給。電機和減速器用聯軸器進傳遞動力使兩者之間有足夠的距離，方便安裝刀具，機架設置在側面，以給底部留下足夠的運動空間。進給動力由液壓系統提供，液壓缸通過支架安裝在機床床身上，安裝方式為前端整體式安裝，活塞桿與機架尾部連接。工作時，液壓缸將機架尾部頂起，使前端刀具下壓，完成切削動作。

液壓缸的負載主要來源于切削頭重力和切削力，考慮受力極限情況，選擇切削頭在水平位置時進行分析，此時受力情況如圖3所示。

圖3 切削頭受力圖

由圖3可知，切削頭繞支點所受合力矩為0，故計算公式為：

式中，F1為電機重力；F2為減速器重力；F3為切削反力；F為液壓缸負載。

3 支架拓撲優化設計

切削頭支架作為支撐液壓缸的零件，其在工作過程中受到較強的載荷，為驗證其強度可靠性，利用ANSYS軟件對其進行結構強度有限元分析和拓撲優化設計[3-4]。

由于切削頭支架左右兩部分結構完全對稱，工作過程中強度變化也應一致。為簡小分析計算量，只選取左側支架進行有限元分析。網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

3.1 靜力分析

支架材料為45#，所受載荷主要來自于液壓缸工作所受到的反力，大小采用式（1）中液壓缸負載值，經計算得負載為720 N，承受載荷位置為支架的液壓缸安裝孔的下半表面，側面兩個安裝孔為固定約束。靜力分析支架變形云圖和應力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 支架變形云圖

圖6 支架應力云圖

分析結果顯示零件在工作過程中最大變形為0.04 204 mm，所受最大應力為61.957 MPa，且小于材料許用應力355 MPa，符合使用要求。

3.2 拓撲優化

為節省成本，采用ANSYS的拓撲優化模塊Topology Optimization進行結構優化，優化目標為在滿足使用強度條件下，質量減重50%。拓撲優化分析所得的支架拓撲密度云圖，如圖7所示。

圖7 支架拓撲密度云圖

根據云圖重新設計結構，分別對支架固定背板長度及肋板進行設計，優化后的零件結構對比如圖8所示。

圖8 優化結構對比

3.3 驗證分析

對優化后零件，重新進行靜力分析，支架變形云圖和應力云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 支架變形云圖

圖10 支架應力云圖

結果顯示零件在工作過程中最大變形0.041 928 mm，所受最大應力59.936 MPa。且質量由優化前2.4151 kg，減小到1.1610 kg，實現減重51.9%。

4 結束語

為提高鋸床自動化程度，通過對鋼管鋸床的功能分析，設計了全自動鋸床的總體結構方案。采用PRO/E建立三維實體模型，檢驗結構設計合理性。對切削頭進行受力分析，計算獲取了受力極值。并對關鍵部件切削頭支架進行靜力分析和拓撲優化設計。仿真結果表明，設計支架符合強度要求，并實現結構優化減重51.9%。