淺探基于SolidWorks軟件橡膠體旋切機的設計

庾潤超

（東莞市裕隆機械制造有限公司，廣東 東莞523052）

當前橡膠體旋切機在再生橡膠加工生產領域得到廣泛應用，如何實現機械設備功率與產能的最優化，成為機械設備研發與制造領域亟待攻克的技術難題。現階段傳統機械式旋切機已逐步替換為自動式旋切機，對于旋切機的零部件造型與結構設計精度提出更高要求，引入三維建模技術成為解決設計問題的重要突破點。

1 橡膠體旋切機結構設計

1.1 切割部分設計

1.1.1 設計方案

橡膠體旋切機的切割部分主要由機架、刀架、進料組件、刀夾組件及磨刀組件組成，針對切割部分現有兩種設計方案：方案一是固定一把刀體，泡體做旋轉運動切割；方案二是由電機直接驅動無齒帶鋸旋轉，泡體做旋轉運動。考慮到固定的刀體需要定時需要專用的磨刀機修磨磨損的刃口，并且拆卸耗時。而帶鋸刀可邊切割邊進行磨刀，使用完后更換方便。并且特點是對于密度較大的在800kg/m3-1200kg/m3的橡膠泡體切割后的光潔度良好和精度準確，對材料有雜質的情況亦可修復。因此應選取方案二進行切割部分設計[1]。（圖1）

圖1 無齒帶鋸示意圖

1.1.2 工作流程

在完成方案設計的基礎上，針對切割部分的運行流程進行分析。主刀架上帶鋸被帶輪拉緊，在主電機驅動下，由帶傳動帶動帶輪，切割帶鋸隨帶輪做高速旋轉運動；帶鋸的一側中心寬度為1680MM 的空間為固定帶鋸的刀夾，其光電傳感器感應帶鋸伸出刀夾的距離為4MM，可自動進行補償帶鋸磨損量。帶鋸另一側為磨刀機構，用于修磨帶鋸刃口形狀，保持鋒利。帶鋸前為進給機構，通過絲桿滑塊機構進退滑座平臺前后移動來再生橡膠泡體控制切割厚度。基于PLC 程序進行電動機與編碼器的控制，使其依照制定順序動作。

1.2 機械傳動部分設計

1.2.1 切割電機選型

結合旋切機的使用要求，綜合考慮電機型號、額定電壓、額定轉速、額定轉矩等設計參數進行合理選型，并兼顧電動機在運行過程中的發熱情況、允許過載數值等指標。例如根據橡膠再生橡膠的生產要求，可選用Y 系列三相異步電動機，型號為Y200-8、額定功率15kW、額定電壓380V、額定轉速750rpm、額定轉矩147N·m、頻率50Hz，采用三角形啟動方式[3]。

1.2.2 結構設計

現對主要結構設計要點進行分析：

刀夾機構設計，刀夾機構作為控制精度穩定性的核心部分，其主要作用為：①夾住帶鋸防止竄動;②保持帶鋸切割的刃口高度。對于功能①應考慮多個實際應用發生的情況，首先刀輪驅動的帶鋸在旋轉過程中會有上下竄動，另外再生橡膠硬度可達到邵氏硬度80，切割厚度在0-30MM，帶鋸切割阻力大，會產生發熱變軟與彎曲的現象。為實現切割精度在±0.2MM 以內，也要求刀架部分使用高強度的錳鋼作為主要材料并使用調質處理、表面滲氮、鍍鐵氟龍等處理。刀夾分2 部分，主體部分為70MM厚210 寬保證強度，刀尖部分需精磨至0.5MM 厚度，輔刀架與主夾刀夾住帶鋸，其2 者之間間隙均勻相互配合，其中并設置散熱槽使厚度在0.8MM 的帶鋸在其中運動。總的效果為刀夾有足夠的強度耐磨性，光潔度，刀尖薄而且強度高。對于功能②主刀夾下部設計有下刀體，其主要原理為利用合金頂刀桿頂緊帶鋸底部，使帶鋸在刀夾上伸進伸出。頂刀桿外套空心螺桿套,螺桿套與下部渦輪相配合，而一條貫穿刀盒的蝸桿與刀盒7 個渦輪相配合，當蝸桿旋轉時帶動全部渦輪旋轉，渦輪中心絲牙與螺桿套配合，帶動螺桿套上升下降，從而頂起合金頂刀桿上下帶鋸高度升降。

1.2.3 磨刀機構設計

磨刀機構主要作用為把帶鋸修整鋒利。在結構設計上，硬包裝砂輪硬度與線速度足夠大，因此選用白剛玉材質直徑200,1.5KW 電機驅動，在結構上則應適應帶鋸在切割過程中帶鋸寬度不斷磨損，修磨的接觸面不斷變化，因此磨刀砂輪應可在帶鋸寬度90MM-50MM 的全過程都可適應。又由于帶鋸切割時為傾角14°的狀態，可把機構動作分為擺角與平移運動，通過旋轉擺角絲桿使其中螺母進出，螺母連接的整個砂輪組件繞軸線旋轉到合適角度，調整組件的平移絲桿使砂輪平移前進或者后退，砂輪緊靠帶鋸進行修磨。在傳動方面，應對砂輪軸進行跳動測試，避免砂輪修磨有跳動，導致刃口凹凸不平，結構上選用皮帶傳動。

1.2.4 進給機構

進給機構為核心部分，控制切割厚度。進給機構包括兩種運動，進給運動與旋轉運動。進給運動由伺服電機帶動，旋轉運動則有減速電機驅動。進給運動與旋轉運動必須保持嚴格的運動聯系，為保持厚度不變，橡膠泡體每轉一轉，其進給量大小等于切割厚度名義大小，改變進給量可獲得不同厚度。

進給運動主要由絲桿螺母機構、定比傳動減速機、主滑塊、聯軸器等組成。伺服電機的動力通過同步帶傳動到減速機的傳動軸，傳動軸帶動兩組減速機輸入端，減速機又帶動絲桿轉動，絲桿螺母在絲杠上其兩側有直線軸承的滑臺，兩側滑臺同步進給，滑臺上部則有安裝轉套、轉軸、驅動鏈輪、減速機等，轉軸設計有卡口位置。在泡體的穿心輥與之相配合，上部有減速機通過鏈傳動帶動轉軸進而帶動泡體做旋轉運動。

1.2.5 輥道與導軌設計

旋切機多個地方采用導軌、刀輪組件、磨刀組件、進給機構，用于維持再生橡膠的連續穩定輸送。在直線導軌設計上，通常導軌的傳動精度將直接影響到再生橡膠切割效果，在電動機作用下使直線導軌驅動切割部位做平移移動，采用固定式軸承座結構，位于中間部滑臺隨絲桿螺母進行前后滑動，保證獲得理想的再生橡膠切割效果。

2 基于SolidWorks 軟件建立旋切機三維模型

2.1 三維建模

2.1.1 設計流程

基于SolidWorks 軟件進行橡膠體旋切機的設計，設計流程為：確定旋切機技術參數→選擇設計方案→零件造型設計→工程分析與設計優化→機構運動仿真→三維建模。

2.1.2 三維建模

采用基于特征的參數化建模方法，利用SolidWorks 軟件進行旋切機零件與整體結構的設計。在設計流程規劃上，首先建立零件環境，選定基準面、建立截面草圖；隨后參考零件的截面特征，執行旋轉、拉伸、掃描等特征命令，以此形成相應零件的主要特征機構；最后進行零件細節的裝飾設計，包括制作螺紋、倒角等，完成零件的三維建模。以旋切機主軸為例，該零件采用拉伸、旋轉工藝制成軸體結構，借助軟件的拉伸切除功能完成整體零件結構的造型，利用異型孔向導工具制成螺紋孔，最后完成螺紋線、倒角的裝飾設計，建立零件三維模型。在利用SolidWorks 軟件建立零件三維模型的過程中，可調用軟件中的Toolbox 標準件庫，輸入具體結構參數即可直接調用螺栓、軸承等標準件，無需再單獨建模，并且保證其余同類零件三維造型過程的一致性。

2.1.3 虛擬裝配設計

待完成零件建模后，利用SolidWorks 軟件還可實現對各零件的虛擬裝配，組成整體樣機。根據橡膠體旋切機的結構特征，采用自底向上的裝配設計方法，鉸接點轉動副的配合使用“同心”約束，移動副采用“重合”、“相切”約束，基于子裝配體方法先將部分零件裝配成為子結構，再在總裝配環節完成整體旋切機虛擬樣機的裝配作業（旋切機整體結構模型如圖2 所示）。

2.2 運動仿真

圖2 橡膠體旋切機三維建模

待完成旋切機建模后，結合工廠生產環節的實際需要采用SolidWorks 軟件中的運動算例進行旋切機執行機構的運動仿真，分別完成工作進給、切割進給的動力源設置，利用軟件自動完成仿真計算，獲得旋切機執行機構工作進給機構、切割進給機構的運動特征數據。

觀察工作產量與時間的變化關系，設定初始泡體直徑為1500MM，標準狀態下切割10MM，t=1min,此時的泡體旋轉了3.5圈，進給機構前進了35MM，泡體直徑為1430MM，工作產量為16.1 米。當t=5min 時，此時的泡體旋轉了17.5 圈，進給機構前進了175MM，體直徑為1150MM，工作產量為72.8 米。后抽取多時間節點，從中可以看出在隨時間變化產量產出的速度會由快變慢特性，因此在切割后期可修改切割速度，提高生產效率加快。

3 結論

總體來看，基于SolidWorks 軟件進行橡膠體旋切機的虛擬設計，利用參數化特征建模技術完成零件造型與整機裝配設計，并結合實際工況環境進行運動仿真分析，相較于傳統機械設計方法能夠有效提升旋切機的設計精度，縮短產品研發周期與成本，實現對橡膠體旋切機的模塊化設計，滿足產品使用需求。