一種直線進給鋸切小型自動切管機的設計

祝正兵， 朱呈霞， 王扣成

（常熟理工學院，江蘇 常熟215500）

0 引 言

很多的小型切管機一般采用液壓驅動，使用進口鋸片，普遍存在鋸片鋸齒的崩齒現象。在生產過程中溫度不易控制，造成鋸片在鋸切過程中出現鋸齒的斷裂、崩齒等現象，因此某企業提出改進切管機進給機構的需求。切管機加工時的工作要求為切割管件的尺寸范圍50～80 mm，采用液壓的方式完成進給運動。要求減少人力成本，并要求實現自動送料的動作。考慮以液壓的方式實現自動送料，通過各液壓缸動作的協調與配合，實現自動送料的過程。

1 小型切管機的總體方案設計

1.1 小型切管機切割管件動作要求

現場需要改進的小型切管機如圖1 所示。改進后，要在一次鋸切過程完成的情況下，鋸切的整體部分開始回退，到達合適的位置。位置感應器接受位置信號，發出信號控制液壓系統的動作，豎直放置的液壓缸做回退的動作，松開夾爪將管件放開，水平放置的液壓缸做回退的動作并將整體夾料機構向回拉到設定的位置，此時豎直放置的液壓缸接收到動作完成的信號，做伸出動作將管件夾緊，水平放置的液壓缸做伸出的動作將管件運送到加工的位置。直線電動機接收到夾料機構整個動作的完成，直線電動機開始做旋轉運動，帶動梯形絲桿旋轉推動推桿運動，使鋸切的整體機構部分運動切割管件，這樣的好處是直線電動機運動平穩，使鋸切的過程中切削力穩定，減少對鋸片的傷害，當將管件鋸切完成后，另一端安裝的位置感應器接收到完成信號，進行下一個動作的周期運行，周而復始地不斷切割管件[1-3]。小型自動切管機液壓系統如圖2 所示，動作要求如圖3 所示。

圖1 要求改進的切管機現場照片

圖2 液壓系統圖

1.2 小型自動切管機的設計思路

1）機構提出階段。根據多次到該企業現場調研、綜合其生產過程中出現的問題及對國內外現狀分析，提出零部件及重要機構部分的改進方案[1]。

2）方案設計階段。根據該企業的要求，對切管機需要改進的機構部分進行改進，確定機構方案，對比不同的方案，選擇最合適的方案，對確定的方案進行三維建模，繪出所改進的三維造型圖。

3）具體實施階段。通過進給部件設計、鋸切部件設計和管件夾持與送料部件設計來實現切管機自動運行的動作過程，解決生產過程中運動不平穩的現象，滿足企業的改進要求。

1.3 切管機進給部件設計

切管機采用伺服電動機控制將旋轉運動轉換成直線運動，通過電動機的旋轉運動帶動梯形絲桿及其配合使用的梯形絲桿安裝座，絲桿座安裝在底座上，底座上裝有推桿的整體部分。通過鋸切部分的重力及電動機的控制實現管件的自動切割過程[2]。此種結構較為簡單、節省成本，進給部件方案如圖4 所示。

圖4 進給部件設計模型圖

圖5 鋸切機構V 帶傳動模型圖

1.4 切管機鋸切機構傳動部件設計

因要求傳動的距離范圍比較大，設計選用帶傳動，鋸切機構V 帶傳動如圖5 所示。

1.5 切管機自動送料部件設計

送料部件要求能夠實現管件的自動送料過程，它以3 個液壓缸為主要的動力源，由豎直放置的2 個拉桿式液壓缸及1 個水平放置的拉桿式液壓缸為主要部分，通過液壓系統的控制，以液壓缸的相互協調的動作代替電動機的直線送料方式。通過調整限位螺絲的長度來控制切割管件的長度及精度，用燕尾槽滑軌使整體夾料部分運動平穩，減少在運動過程中能量的損失，加快運動的速度，節省時間，提高生產效率[8]。自動送料部件如圖6所示。

圖6 自動送料部件設計模型圖

小型自動切管機的設計方案如圖7所示。

圖7 小型自動切管機的設計方案圖

2 小型切管機主要部件的設計與計算

2.1 進給機構零件選型及結構設計

由圖4 可知，進給機構由電動機、聯軸器、配合的絲桿螺母座、推桿及各零件的安裝架、安裝底座組成。電動機選擇交流伺服電動機，主要參數如表1 所示。

進給部件的設計要能完成對鋸切部分的進給動作，其主要原理是將電動機的旋轉運動轉化為推桿的直線運動。

表1 MINAS系列交流伺服電動機技術參數表

2.2 鋸切機傳動部件設計

2.2.1 帶傳動的設計計算

1）確定切管機切割管件時的計算功率：Pc=KA·P（P為電動機的傳遞功率，KA為工作情況系數）。由于切管機的工作過程中載荷變動小，查表時根據一般金屬切削機床空載、輕載且每天工作時間小于10 h，選擇KA=1.1。代入公式得Pc=KA·P=1.1×4=4.4 kW。

2）選擇V帶的型號。由文獻[4]，根據Pc=4.4 kW和n1=1440 r/min確定出V帶的型號,即選取A型V帶，V帶的基本參數如下：節寬bp=11.0 mm，頂寬b=13.0 mm，高度h=8 mm，橫截面積A=81 mm2，楔角Φ=40°。可得小帶輪的基準直徑d1=100 mm。

3）傳動比i。選取大帶輪的直徑為d2=500 mm，帶傳動過程中的平均傳動比i=n1/n2=d2/[（1-ε）d1]。因為在帶傳動的過程中存在滑動現象的概率很小，因此可以忽略帶傳動過程中滑動率對帶傳動的影響。即傳動比為i=n1/n2=d2/d1。i=500/100=1440/n2,可得n2=288 r/min。

2.2.2 鋸片軸上的軸承型號的選擇與壽命計算

軸承預期壽命：由文獻[5]推薦的軸承預期計算壽命Lh，因為企業的工作狀況為每天工作8 h。由表查得，受載荷變動不大的切管機預期計算壽命為20 000～30 000 h，取預期壽命為25 000 h。左右端均采用圓錐滾子軸承32912，查得基本額定動載荷C=108400 N。

2）驗算軸承壽命[7]。因為P1＞P2，以軸承1驗算軸承的壽命：Lh=［106/(60n )］(C/P)ε=［106÷(60×288)］(108400÷4426.92)10/3=2.47×106，Lh≥Lh′=25000 h。即所選軸承壽命滿足要求，軸承的尺寸如圖8和圖9所示。

3 切管機總裝配圖

進給機構由伺服電動機、梅花彈性聯軸器、梯形絲桿、滑桿、絲桿安裝座、軸承、擋油環及電動機安裝架組成。鋸切部分由大小帶輪、鋸切軸、轉動軸、軸承、端蓋等組成。自動送料機構由3 個拉桿液壓缸、燕尾槽滑軌、夾爪等組成，通過液壓缸的相互動作完成送料的動作。切管機三維總裝配模型如圖10 所示。

圖8 圓錐滾子軸承模型圖

圖9 圓錐滾子軸承尺寸圖

圖10 三維總裝配模型圖

4 結 論

1）進給機構部分改進。通過伺服電動機輸出端連接聯軸器，聯軸器連接絲桿軸，絲桿配合絲桿安裝座，安裝座上裝有推桿，將電動機的旋轉運動轉化成推桿的直線運動，這種進給的運動方式平穩，可以通過電動機的控制快速實現啟停的動作，同時，能夠在鋸切的時候較慢地進給，在回退的時候快速地回退，節省加工時間[8]。

2）鋸切機構部分改進。鋸切機構部分通過帶傳動來實現鋸切管件的過程，此部分主要是注意鋸切軸的軸向固定、轉軸的軸向固定，防止在鋸切過程中出現軸向竄動，將鋸齒損壞，鋸片的成本是比較高的。另外帶傳動在切割時能夠不斷地改變切入角度，有利于排屑，減少吃刀量大的情況，減輕鋸片的磨損。

3）自動送料部分改進。自動送料部分由滑軌、相互作用的液壓缸及夾爪組成，此設計解決了人工上料問題，減少勞動力，節約成本，自動送料部分還能很好地調整切割管件的寬度，通過螺桿螺母的配合，旋轉一定的長度即可調整管件的切割寬度。