大型帶鋸床的設計

徐進揚

（江蘇省經貿技師學院，江蘇連云港 222061）

1 帶鋸床結構

傳統的帶鋸床，將鋸架設計成矩形結構，隨著工件尺寸的加大，同步增加主動輪、從動輪相關結構尺寸，滿足加工要求[1]。但對于大型鋸床，不僅會使各零件質量大大增加，加工難度也會隨之增加，剛度會隨著長寬輪廓尺寸的增加而減小，切削控制也變得困難。所以從設計理念上加以改進：將帶鋸床鋸架設計成三角形（脊形），上裝主動輪、從動輪、輪排、鋸條扳轉導向機構等組件。鋸架固定安裝在立柱導軌滑塊上，鋸架平面與立柱平行（如圖1）。

圖1 鋸架結構

圖1中虛線為傳統結構的鋸架輪廓和帶輪。通過圖形比較可清晰地看出：通過圓弧輪排抬高帶鋸條松邊高度，擴大了鋸床的工作尺寸。在相同的工作規格前提下，與傳統兩輪結構相比，減小了主動輪和從動輪的尺寸，減小了鋸架尺寸。同理，本結構適用于立式帶鋸床，通過圓弧輪排可增加鋸床的喉深（決定鋸床切削通過的最大工件寬度）。

傳動機構與張緊機構仍然與傳統結構相同：主動輪通過變頻電動機加減速裝置帶動，為帶鋸條運轉切削提供動力。張緊輪在液壓油缸的驅動下，沿著滑座移動，起到張緊帶鋸條的作用，提供帶鋸條與主動輪外圓面的正壓力，從而保證帶鋸條運行的摩擦力，避免切削過程打滑。

進給機構可以用液壓放油的方式實現，或伺服電動機帶動滾珠絲杠實現驅動。滾珠絲杠螺母固定在鋸架上，伺服電動機轉動，帶動滾珠絲杠轉動，從而推動鋸架上下移動，實現進給或抬刀運動。

2 鋸條

鋸條起到直接切削的作用。帶鋸條由雙金屬制成，基體為彈簧鋼帶，鋸齒為高速鋼或硬質合金，通過雙金屬焊接、開齒、分齒、熱處理等工序制成長帶盤圓，然后通過沖裁、對焊、打磨、熱處理等工序將盤圓長帶制成一定規格的環形帶鋸條。帶鋸條尺寸根據工件尺寸來確定（橫截面形狀尺寸）以工件2000 mm直徑為例，帶鋸條尺寸選為80 mm×1.8 mm×12 mm（鋸條寬度×厚度×鋸齒高度）。

2.1 鋸條受力分析

鋸條工作中受到變化的拉應力、交變彎曲應力、交變扭轉應力的綜合作用。即鋸條在張緊輪作用下，提供原始的張力；在主動輪的驅動下切削工件，受到切削反力，形成緊邊的張力；鋸條經過帶輪，以帶輪外圓弧半徑彎曲，繞過帶輪后，又被拉直；從帶輪邊至導向手L1、L2段分別扭轉了90°，使鋸條平面與鋸切面重合，切出工件后，經過另一導向手，將鋸條扭回90°，返回主動輪。對于主動輪至相鄰側導向手段，帶鋸條還承受最大的張力，此處拉、扭應力最大,應為最危險段。另外，帶鋸條切削段L0受側向的進給反力（如圖2）。

2.2 切削動力

切削過程中，變頻電動機帶動變速器，帶動主動輪運轉，主動輪通過摩擦力帶動帶鋸條運行，外加上進給運動，實現連續的工件切削運動。

切削力和主動輪轉矩計算公式分別為：

式中：T1為松邊張力；T2為緊邊張力；R為帶輪半徑。

主動帶輪與鋸條之間需要有足夠的摩擦力，才能保證切削過程中不打滑。保證摩擦力的因素包括包角、摩擦因數、松邊張力。

帶鋸條在主動輪上必須保證一定的包角（大于135°），才能保證充足的摩擦力。從圖中可以看出，輪排保證了鋸削高度，拉長兩輪距離，輪排偏向張緊輪，主動輪與工件距離比張緊輪稍遠，即L2＞L1，作用有：1）增大帶鋸條在主動帶輪上的包角，提供足夠的摩擦力；2）可減小帶鋸條緊邊單位長度的扭轉變形量，提高帶鋸條壽命。

在張緊力和包角一定的情況下，可用增大摩擦因數來增大摩擦力。鋼與鑄鐵摩擦因數為0.17，鋸切過程中切削液的使用，會降低摩擦因數。可以將主動輪外圓表面噴粘橡膠等材料，以提高摩擦因數。

松邊張緊力T1由液壓系統提供，液壓缸驅動活塞桿推動在滑座內滑塊移動，帶動安裝在滑塊孔內張緊輪向外移動。若張緊力太大，則增加鋸條承受負擔，降低鋸條本體壽命（彈簧鋼疲勞斷裂）；若張緊力太小，則主動輪摩擦力減小，不能提供足夠的切削動力。大型工件鋸切工作過程較長，鋸條受拉、扭、彎等交變應力，以及摩擦、溫度等因素影響，極易產生塑性變形而拉長。液壓張緊的優點是可通過壓力表觀測到數據，能通過液壓閥調整并通過油缸恒定補充。

2.3 鋸切過程分析

針對不同的材料，選取對應的切削速度。鋸齒高速鋼加工中碳鋼，切削速度為Vc=20～40 m/min，并有充分的冷卻與潤滑、良好的排屑措施，才能使鋸削順利進行。進給運動由液壓系統或伺服電動機加滾珠絲杠系統控制，若進給速度太慢，則無切削效應，易產生冷作硬化，加劇鋸齒磨損；若進給速度太快，則單個鋸齒受力增加，容易崩齒，另外，鋸條受壓變形而歪斜，嚴重情況下會造成廢品或鋸條斷裂[2]。以連續均勻地排出切屑、切屑無明顯藍色、機床平穩運行。無明顯抖動、無噪聲、鋸路無明顯歪斜等狀況，視為正常切削。可在鋸架上增設激光筆感應裝置，如果鋸條產生歪斜就立即報警，讓操作者實時處理（適當降低進給速度，或微調工件位置加以修正）。

鋸齒疏密選擇對大型工件的鋸切有一定關系：鋸齒太密，齒槽易塞滿，鋸條上拱成弓形，不能正常切削，且增大鋸條背部拉應力；鋸齒太疏，單個切削齒負擔太大，造成卡齒崩齒，在切割開始和將近結束時，切割長度變化大，崩齒卡齒現象發生較多[3]。處理方法：在起鋸和即將結束時，降低進給速度。推薦帶鋸條參數如下：工件直徑為2000 mm,帶鋸條規格（寬×厚）為80 mm×1.6 mm[4]。

2.4 帶鋸條的失效形式

帶鋸條的失效形式包括崩齒、磨損和斷裂。其中崩齒與切削操作有關，下刀過猛或工件裝夾松動造成；磨損分為正常和非正常，正常磨損為帶鋸條達到標準的切削工作量。非正常磨損原因是在于切削參數不當，以及切削液種類、工件材料及熱處理狀況等存在問題[5]。

斷裂多發生在焊縫接口處，裂紋產生后，應力集中明顯而逐漸延長，抗拉強度逐漸降低，最終被拉斷。也分為正常與非正常斷裂，達到正常的切削面積，斷裂為正常，反之則不正常。應分析各方面因素：1）交變載荷作用下疲勞損壞；2）張緊油缸張緊力過大；3）切削液潤滑功能不足，導致導向手硬質合金塊摩擦力增大，導致阻力增大，局部拉應力超出極限；4）下降過程失控，未實現自動放油進給，鋸架下移，拉斷鋸條，應在操作上熟練控制，或在連鎖功能上，帶鋸條在主動輪旋轉情況下才能實現鋸架下移；5）鋸面歪斜，隨著鋸架下降而加重，造成鋸條承受與鋸削面垂直方向的附加作用力而斷裂。

3 輪排

輪排是由3個較小的帶輪按照圓弧軌跡安裝而成，使鋸條在工作中避免較大的彎折變形，且在工作中繞其中間輪軸線自由擺動，使左右兩輪工況均等。中間輪的圓周形狀與主動輪、從動輪相同，即相同的寬度和凸緣（如圖3），幫助運行的鋸條定位，防止跑偏。其余兩輪只起到張緊作用，外圓無凸緣。采用輪排的作用直徑尺寸選擇應考慮：若尺寸太小，則加劇鋸條變形，減低壽命；若尺寸太大，則占用機床空間，影響行程或工件尺寸規格。

輪排安裝在鋸條的松邊，且和鋸條接觸的3個接觸線彼此靠近，共同受力，減輕了鋸條的彎折變形，使其在彈性極限范圍內，不影響鋸條壽命。推薦尺寸：工件直徑為2000 mm，主動輪為1000 mm，從動輪為1000 mm，排輪為200 mm。輪排可以改為同樣圓弧輪廓布置的彼此接近的多個軸承結構，軸承外圈直接與鋸條接觸，軸承具有比上述排輪更小的尺寸，可減少排輪的空間占用，也可以排得更密，更多的軸承與鋸條同時接觸，帶鋸條受力變形更小。軸承為標準件，成本更低，使用和維護更方便。

4 帶鋸床的雙向切割

大型工件加工，采用縱橫兩個方向的鋸削，取代銑削等加工，可大大提高工作效率，余料還能正常再利用。工作原理為：需要橫向鋸削時，帶鋸條呈正常安裝的水平方向，鋸齒朝向工件，導向手夾持，啟動張緊機構，開動主動輪電動機，實現主運動。另外，通過工作臺水平方向移動，帶動工件實現進給運動，即可實現水平方向的切削；需要改變為垂直方向鋸切時，松開張緊裝置，將導向手夾板松開，啟動扳轉油缸進油閥，活塞桿向外伸出，活塞桿齒條推動導向手扳轉90°，然后夾緊導向手夾板，開啟張緊油缸，即可實現垂直方向的切割（如圖4）。鋸條扳轉機構也可設計為蝸輪蝸桿機構代替，將油缸驅動改為手搖蝸桿驅動。小型機床可用手柄扳轉螺栓鎖緊結構替代。

圖4中導向手為帶有臺階的圓柱結構，一側開槽，方便鋸條進入其中，上裝扳轉軸承和硬質合金夾塊。導向手最大直徑處為局部齒輪，與扳轉油缸的活塞桿一側的齒條相互嚙合。裝配時，配做角度精確定位裝置，便于工作時油缸自動伸縮，帶動導向手實現90°角度的精確變換。

圖4 鋸條扳轉與導向機構

縱橫兩個方向切割和單獨的切斷不同，前者需要有兩個方向的尺寸控制才能達到鋸切目的。采用伺服電動機加滾珠絲杠控制進給運動，一方向切割時，另一方向具備剎車或限位功能。雙向鋸削的正確順序，應先水平方向，后垂直方向。可避免切削工作結束時余料下移夾住鋸條造成堵轉、拉齒等現象。

5 切屑處理

工件尺寸越大、鋸縫越長，排屑越不流暢。加工中產生大量的切屑，從鋸齒間的齒槽帶出工件，齒槽要有足夠的空間容納切屑，大工件加工選配大齒距鋸條。帶出工件的切屑也應該及時從帶鋸條中清除，不僅要避免二次進入切削區域，也要盡可能減少進入導向手和帶輪等區域，減少零部件的磨損。傳統的做法是在驅動帶輪前增設橫向旋轉鋼絲刷去除鋸齒上的切屑。此法易造成鋸齒的附加磨損，降低帶鋸條壽命。建議用高壓切削液和清掃輪縱向超越法刷除。前者處理粘合力不大、吸附在鋸條上的切屑，后者處理粘合力較大的切屑，刷輪線速度超越鋸條切削速度，沿著鋸齒切削刃的后面向前刷除，減輕鋸齒在除屑過程中的磨損。另外在機箱中設絞龍排屑器，確保切屑得到合理的處理和收集。

6 配重結構

大型帶鋸床鋸架部件質量較大，且工作中需要上下移動，為了保持相對平衡、確保安全可靠，且減輕進給系統的負擔，減小進給系統的功率，需要增設配重結構，有氣缸平衡或配重平衡兩種形式。兩種形式都是將平衡鏈條的兩端繞過固定在立柱頂端的定滑輪，分別固定在鋸架和平衡重錘或平衡氣缸上。另外，主副輪兩側關于提升進給絲杠的平衡如下：驅動電動機、變速機構等比張緊輪一側重一些，進給絲杠和提升機構固定點偏向主動輪一側立柱附近。

7 結語

工作實踐中，筆者應某公司需求，參與設計制作可以進行橫縱雙向切割的金屬帶鋸床，加工批量工件尺寸為600 mm×800 mm×1500 mm，水平鋸切尺寸為500 mm，垂直為260 mm，雙面對稱。現已如期交付用戶，使用驗收效果良好，深受用戶好評。另采取輪排結構，參考相關文獻資料，設計本大型帶鋸床，比傳統結構鋸架組件減輕質量30%～35%，同時減輕進給機構負擔，具有更好的剛度、更理想的工作質量和效率。加工精度可達0.1/100，加工效率可達90 cm2/min，該技術可推廣到木材、石材等加工設備。