一種便于手工操作的棒料省力省電切割裝置設計

唐偉，賴頌文，林梓燦，郭朝浩，林永浩，張楷鐸，顧立志

（1.韶關學院智能工程學院，廣東韶關 512000；2.泉州信息工程學院機械與電氣工程學院，福建泉州 362000）

0 引言

在建筑工地中，切割建筑棒料往往需要使用砂輪切割機接電進行切割，當接電線長度不夠或者切割地方缺少接電插座的時候就需要攜帶發電機，這時候就會顯得非常麻煩，在一些環境比較極端的建筑工地中，比如工地環境在極其濕滑的情況下使用電源非常困難且危險，更是沒法攜帶笨重的發電機，而其運行成本高昂且攜帶困難的特點也成為工地人員所面臨的一大問題，使用傳統鋸切效率低下、費時費力還不易操作，因此設計出一種便于手工操作和攜帶的棒料省力切割裝置就能非常有效地解決此類問題。對于很多小工作量的工作使用手工操作切割棒料往往比使用電動機切割來得更快更方便，因此，便于手工操作的棒料省力切割裝置既能彌補傳統鋸切的費時費力、效率低下，又能解決現代電力切割棒料的不方便與環境限制，能很好地迎合目前許多建筑工地的極端條件。

目前，傳統式的手動機械式棒料切割機，由于生產效率低，所提供的力矩不大，攜帶困難，而且操作復雜，耗費大量的體力。因此，自動化棒料切割機應運而生。朱廣滕等[1]設計出液壓沖擊式棒料快速切割機的整機模型，并分析切割機的性能、生產效率，對其棒料切割機械進行合理設計。李有堂等[2]利用消振液壓模鍛錘原理，提出了液氣式高速棒料剪切機的設計思想。其所提出的液壓裝置可提供的力矩大，但是該設備體積大，對于加工尺寸不大的棒料來說經濟效益低。崔鐵慶[3]設計的節能環保型切割機采用砂輪切割的方法，噴霧除塵裝置兼有冷卻功能，本切割機采用半封閉的切割方式，增強了系統的環保特性和操作安全性。該切割機降低了生產過程中造成的環境污染，但是對于工作環境要求高，不利于在環境惡劣的地方操作。豆高雅[4]提出了橡膠棒料切割機的結構組成、工作原理，以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了橡膠棒料切割機總的指導思想。范彥汝等[5]選用非線性分析軟件ABAQUS，以Johnson—Cook作為材料的本構模型和斷裂準則，得出了剪切過程中應力應變分布及發展趨勢，裂紋的生成、擴展，棒料的斷裂過程和剪切力的大小、變化規律曲線。李彬彬等[6]運用DEFPORM-3D軟件在一定條件下對液壓剪剪切金屬棒料過程進行模擬仿真，為金屬棒料實際剪切提供理論依據。其所提出的理論支撐給棒料切割機的設計提供了更強的依據，但是仍需要大量的實驗證明其可靠性。崔鐵慶等[7]介紹了一種切取棒料剖片的農機金相試樣切割機，通過軸向移動的工作臺和縱向移動的砂輪片，完成對棒料的兩次切割。唐勇等[8]提出了一種能獲得高質量斷面的金屬棒料下料新工藝——旋轉鍛打疲勞下料技術，探討了旋轉鍛打疲勞下料技術的機理，還根據下料斷面特點提出一種新的斷面質量評價方法。蒲娟等[9]針對某金具生產企業上料過程中加工效率低、設備占用率高等問題，選擇頂桿式上料機構，并對其關鍵的料架、頂桿機構、輥道等結構進行詳細設計。武剛等[10]設計的棒料切割專用鋸床，用于鋸切鋁合金棒料，針對上下料過程中存在的夾緊、定位等問題進行了攻關。以上設計均對棒料的切割方式和下料機構作出了創新，但是仍然需要以電力作為能源，無法在缺電的場合操作，具有一定的局限性。張春紅[11]在對一種氣閥棒料切割加工要求的分析基礎上，采用PLC對棒料的加工過程進行自動控制，完成了系統的硬件和軟件設計。根據工件的加工要求特點，采用步進順序程序及IST指令程序控制。薛雪等[12]結合軸承套圈加工的投料特點和生產實際工況，對數控棒料機的功能進行優化，實現了對棒料的套切加工。劉志輝等[13]設計了一種通過更換夾具實現不同尺寸和不同材質工件的切斷，從而實現功能多樣化的棒料自動切斷機。設備設計采用分散控制方式，借助PLC等控制器件對氣動元件以及電動機等動力元件進行控制。以上設計應用了自動化控制對棒料切割機進行了優化，但是只適用于設備齊全的大規模生產工廠中，在工作量不大的時候發揮作用不大。劉子建等[14]運用曲柄滑塊機構設計了新型可調式支撐裝置和新型可調式刃磨裝置，提出了一種四刀雙切切割模式的新型高速動態跟隨切割裝置設計方案。萬晶晶等[15]提出了適用于高速動態跟隨切割要求的PRLSD支撐原理的樞軸旋轉式喇叭嘴支撐裝置，對喇叭嘴槽寬進行了多目標優化，減小了柔性棒料所受剪力矩，提出了裝置支撐布置的方案。以上文獻中研究的裝置雖然有較好的應用價值，但多以電力傳動為主，作業前準備工作多、作業后維護工作多、維修成本較高，對于某些缺少電力或無法使用電力對棒料進行切割的場合下，難以實現使用電力傳動切割操作，且在某些該場合下重新搭建一個供電系統會增加較高的成本。李香鳳[16]設計了一種縮短了夾緊時間，提高生產效率又省力，適合對不同直徑的棒料和不同規格形狀工件的夾緊的新型砂輪切割機夾具，巧妙地利用螺紋傳動實現對工件的行程和定位夾緊。羅文翠等[17]設計了一個利用平行四邊形機構的機械式浮動料架，通過上下移動剪切實現棒料剪切，為手動棒料切割機的切割方式提供了不同的方法，但是在剪切過程中易造成棒料彎曲。石小利[18]就手動棒料切割機對操作者的人身安全存在著潛在隱患的原因，從機械、電氣等合理性方面提出—種解決方案，為棒料切割機的研究提供了一定參考。黃松偉[19]提出的利用液壓-氣動傳動來實現工件的進給，通過調整砂輪與工作臺的角度可準確切割不同角度的工件，通過液壓配合氣動驅動的切割機，實現了高效切割，但其并不適用于缺電場合。王建國[20]對行星式塑料管材切割機結構及其設計應用了機械加工中的仿形加工技術，做出了論述。證明了此類切割在管材切割中有良好的應用，但對于材料硬度大的棒料切割而言，需要提供更大的轉速，無法進行手動操作。

因此，為解決缺電的工地和環境偏僻的建筑區域現場棒料切割問題，本文提出了一種便于手工操作的棒料省力切割裝置，內部設計旋轉收縮切割，可以切割不同尺寸的棒料。該裝置可以更好地解決電力條件嚴苛的現場棒料切割加工問題，相比于傳統的手工切割能夠更好地提高效率和節省時間。

1 工藝需求及解決思路

1）節約能源、手動切割省力問題。設計一種不需要消耗電力的裝置，達到節能環保的目的。通過齒輪的力矩放大，手動操作會更加輕松，減輕人的工作負擔。

2）防止棒料變形問題。通常棒料加工會伴隨剛度不足的問題，對多把刀具設計虹膜收縮機制，可對棒料進行一個全方位360°旋轉收縮切割，防止棒料向一個方向變形。

3）普適環境問題。應用齒輪減速器作為增力機構，在比較惡劣的環境中也能工作，其工作狀態對工作環境的變化不敏感；仿虹膜結構的切割裝置也能適應不同直徑的棒料，對多種多樣的棒料進行切割，增強了其應用范圍。

2 切割裝置結構設計

根據機械裝置的工藝需求及解決思路，詳細設計包括力矩放大與傳遞（省力）裝置設計、棒料切割裝置、切割裝置箱、棒料夾緊裝置。

1）力矩放大與傳遞（省力）裝置設計。在機械領域中，通過齒數不同的齒輪嚙合傳動可改變輸出力矩，利用齒輪傳動可放大輸出力矩和傳遞力矩，因此只要計算好齒輪傳動比、設計好齒輪參數和齒數，便能很好地達到省力的目的。本文采用二級齒輪減速器進行力矩放大與傳遞，原因是采用二級齒輪減速器而不采用一級齒輪減速器。首先二級齒輪減速器力矩放大效果更好，更容易進行手工切割操作；其次本文創新性使用仿機械虹膜切割系統，要使虹膜收縮與虹膜切割實現一體化，就需要2個輸出端，所以二級齒輪減速器能實現有1個輸入端（高速軸）與2個輸出端（中速軸與低速軸）相結合。通過輸入端高速軸上的2個小齒輪帶動中速軸上的2個大齒輪轉動，中速軸中間的1個小齒輪帶動主輸出端低速軸上的1個大齒輪旋轉，可設計為分流式二級圓柱齒輪減速器。

結合數據，設計滾動軸承、聯軸器、油面指示器、通氣器、放油塞、定位銷、滾動軸承蓋板、滾動軸承蓋子、起蓋螺釘、減速箱體等零件。具有力矩功能的二級圓柱齒輪減速器如圖1所示。

圖1 二級圓柱齒輪減速器內部構造三維圖

2）棒料切割方式設計。傳統棒料切割方式會使用鋸切，效率低、耗能大、噪聲大，費時又費力，現代接電源切割機大多采用砂輪鋸，砂輪鋸噪聲大，需接電切割棒料，作業前檢查工作多，環境要求高。而在車間對棒料毛坯進行加工操作時會用到車刀，結合兩者，即可設計出一種既帶刀具又能旋轉的裝置。仿機械虹膜切割方式是一種既帶刀具又能旋轉且能徑向收縮的裝置。因此，本文根據機械虹膜系統進行創新，設計一個仿虹膜切割裝置，把虹膜葉片改成切割刀片，利用其虹膜收縮機制，并給予整個機械虹膜系統徑向和周向的力，可對棒料進行一個全方位360°旋轉收縮切割。仿機械虹膜切削裝置（如圖2）由多個相互重疊的弧形金屬葉片組成，通過葉片的離合改變中心圓形孔徑的大小，弧形金屬葉片可以從5片到18片不等，弧形葉片越多，孔徑越接近圓形。因為是切割用途，所以將機械虹膜系統當中的弧形葉片替換成小刀具。

圖2 仿機械虹膜切割裝置三維圖

3）切割箱結構設計。切割箱是切割裝置與省力裝置進行結合關聯的一個裝置箱，如圖3所示。切割箱體里面需要配備2對90°換向直齒輪，方向相反，可與二級齒輪減速器的兩個輸出端相關聯配對。換向齒輪接空心軸，2對換向齒輪中間連接仿機械虹膜切割裝置，用銷釘進行固定。低速軸輸出端換向齒輪使用5個銷釘連接整個仿機械虹膜切割裝置，中速軸輸出端換向齒輪使用5個銷釘連接仿機械虹膜切割裝置的5個虹膜切片，這樣設計可實現手工操作時整體切割與虹膜收縮一體化；空心軸因其需要旋轉，故需立壁使用滑動軸承相位保證其正常旋轉不偏移。

圖3 切割裝置箱三維圖

根據上述已知條件，設計出立壁、滾動軸承、滾動軸承蓋板、滾動軸承蓋子、起蓋螺釘、切割裝置箱體等。

4）棒料夾緊裝置設計。若需完善整個裝置設計，還需要對工件進行夾緊固定。固定工件（棒料）可使用臺虎鉗，如圖4所示。為了保證進行切割工作時棒料不發生偏移現象，并且能保障棒料不晃動使切割順利進行，需要在臺虎鉗夾緊板開一個槽口，夾緊棒料效果會更明顯，并且棒料切割端前后各安置一個臺虎鉗進行夾緊，此時棒料便會完全固定住，切割工作才會有保障，切面也會更加平整。

圖4 帶V形口的臺虎鉗

5）各關鍵部分整體布局。考慮到操作的方便性和空間緊湊性，力矩放大與傳遞（省力）裝置設計、棒料切割裝置、切割裝置箱和棒料夾緊裝置的空間布局如圖5所示。力矩放大與傳遞裝置放在底座一邊，棒料切割裝置和夾緊裝置放在另外一邊，平行布局。

圖5 整體裝置

3 結語

便于手工操作的棒料省力切割裝置能彌補接電手持式砂輪切割和傳統鋸切兩者之間的不足，結合兩者切割效率高、省電的優點，解決了環境限制，以及手工費時費力的問題，利用機械原理對其進行創新設計與制作，具有省力、省電、切割效果好的優點。由于本裝置還在系統調試階段，未進行試切割，故實際切割效果將在后續研究進行分析。在通過該裝置分析后，可以進行大規模生產與應用，實現其商業化價值。