MIR-01 型雪茄卷制機(jī)離線式茄衣茄套切刀磨刀機(jī)的研制

張 閣，孫東亮，常月勇，戴由宗

山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006 號(hào) 250000

機(jī)制雪茄是指茄衣卷制、茄胚成型過程均由雪茄專用機(jī)械設(shè)備完成的雪茄，也稱為全機(jī)械制作（或卷制）雪茄［1-3］。其中，茄胚成型過程包括茄套切割準(zhǔn)備、茄芯準(zhǔn)備和茄套包裹茄芯3個(gè)環(huán)節(jié)；雪茄成型過程包括茄衣切割準(zhǔn)備、茄衣包裹茄胚2個(gè)環(huán)節(jié)［4-5］。茄衣茄套的切割準(zhǔn)備工作由各自對(duì)應(yīng)的切刀完成，是茄胚成型和雪茄成型的核心過程。荷蘭SCM 公司生產(chǎn)的MIR-01 型雪茄卷制機(jī)是國(guó)內(nèi)雪茄煙生產(chǎn)企業(yè)的主流設(shè)備，其茄衣茄套切刀刀刃為特定形狀的閉環(huán)刀刃，由于該設(shè)備未配置在線磨刀裝置，當(dāng)切刀刀刃產(chǎn)生磨損時(shí)，容易出現(xiàn)切刀無法切斷茄衣茄套煙葉或煙葉切斷后有粘連等問題，導(dǎo)致雪茄煙產(chǎn)品質(zhì)量不合格，影響設(shè)備運(yùn)行效率［6］。近年來針對(duì)MIR-01 型雪茄卷制機(jī)主要在工藝參數(shù)快速調(diào)整方面開展研究［7］，對(duì)于切刀磨刀裝置的研制則鮮見報(bào)道。為此，借鑒柏益林［8］設(shè)計(jì)車刀刃磨裝置、李文治等［9］設(shè)計(jì)新型扁鉆刃磨機(jī)的原理及方法，研制了一種MIR-01 型雪茄卷制機(jī)離線式茄衣茄套切刀磨刀機(jī)，以期提高雪茄煙產(chǎn)品品質(zhì)，延長(zhǎng)切刀使用時(shí)間，降低煙葉生產(chǎn)消耗。

1 問題分析

1.1 工作原理

茄衣茄套切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同，其切割機(jī)構(gòu)主要由壓輥、切刀等部件組成，見圖1。以茄套切刀為例，擺臂（1）帶動(dòng)壓輥（2）（3）沿X方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擺臂沿X正方向運(yùn)動(dòng)至最右端時(shí)，壓輥遠(yuǎn)離安裝于固定座（5）上的切刀（4）；此時(shí)操作人員將茄套平鋪在刀盒（6）上，在來自風(fēng)道底座（7）內(nèi)腔的負(fù)壓吸風(fēng)作用下，茄套被吸附于刀盒上。當(dāng)擺臂沿X反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在調(diào)節(jié)彈簧（8）的拉力作用下，壓輥輥壓經(jīng)過刀盒，吸附于刀盒上的茄套被切刀的刀刃（9）軋斷，茄套與刀刃形狀一致，通過包裹茄芯制成茄胚。除尺寸不一樣外，茄衣茄套切刀的型制及結(jié)構(gòu)相同，裁切為特定形狀的茄衣被包裹在茄胚外面，從而完成雪茄煙支的成型過程。

圖1 茄套（或茄衣）切割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of binder/wrapper cutting mechanism

1.2 存在問題

茄衣茄套的切割主要依靠切刀刀刃與壓輥之間的軋壓作用完成。在設(shè)備運(yùn)行過程中，隨著切刀刀刃磨損，會(huì)出現(xiàn)煙葉未切斷或切斷后煙葉有粘連等情況，此時(shí)可通過調(diào)整彈簧增大拉力改善切割狀況。當(dāng)彈簧拉伸至一定長(zhǎng)度后仍無法切斷煙葉時(shí)，判定切刀刀刃失效，需要更換切刀。由圖2 可見，切刀刀刃磨損并非環(huán)形刀刃整體失效，刀刃磨損最早出現(xiàn)在壓輥切入端的ab、ah、hg 段，這與切入端斜口和壓輥接觸瞬間的沖擊作用力較大有關(guān)；隨著彈簧拉力增大，失效位置沿bc、gf 方向延伸；當(dāng)bc、gf 段的刀刃大部分失效時(shí)需要更換切刀，但此時(shí)切出端的cd、de、fe 段因刀刃磨損程度輕而較少出現(xiàn)未切斷煙葉現(xiàn)象。更換下來的切刀在整個(gè)閉環(huán)刀刃上只有某一段或幾段刀刃磨損，經(jīng)過修復(fù)可繼續(xù)使用。但因切刀刀刃形狀復(fù)雜，在現(xiàn)有的MIR-01 型雪茄卷制機(jī)切割機(jī)構(gòu)上無法增加在線磨刀裝置，而采用人工磨削方法修復(fù)切刀，則勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作時(shí)間長(zhǎng)且存在人為差異。為此，研制了一種專用離線式切刀磨刀機(jī)，以提高切刀磨削質(zhì)量和工作效率。

圖2 切刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of knife

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 磨刀機(jī)結(jié)構(gòu)

磨刀機(jī)由砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、磨刀平臺(tái)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、砂輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成，見圖3。磨刀時(shí)，將切刀（1）需要磨削的刀刃正對(duì)砂輪（2）放于磨刀平臺(tái)（3）上，通過砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（4）調(diào)整砂輪高度，使砂輪的4點(diǎn)方向觸碰刀刃；調(diào)整磨刀平臺(tái)的角度，使切刀與砂輪接觸的角度保持一致，此時(shí)切刀與砂輪的接觸點(diǎn)高度會(huì)有變化，通過微調(diào)砂輪高度使砂輪的4 點(diǎn)方向觸碰刀刃；砂輪和磨刀平臺(tái)調(diào)節(jié)完成后，啟動(dòng)砂輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（5），沿磨刀平臺(tái)的長(zhǎng)度方向（與砂輪垂直）輕推切刀，完成刀刃的磨削過程；使用JB-360 角度儀（上海精帛儀器設(shè)備有限公司）測(cè)量磨削角度，使用605A 游標(biāo)卡尺（哈爾濱量具集團(tuán)有限責(zé)任公司）測(cè)量刀刃寬度，直至切刀刀刃符合要求。

圖3 磨刀機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of knife grinding machine

2.2 切刀可磨削量的模擬

圖4是切刀刀刃部分橫截面示意圖?？梢?，切刀性能與刃角α相關(guān)。刃角α越小，刀刃越鋒利，滾切效果較好，但切刀能夠承受的最大切削力變小，強(qiáng)度降低，使用時(shí)間縮短；刃角α越大，刀刃變鈍，滾切效果較差，但切刀能夠承受的最大切削力變大，強(qiáng)度增加，使用時(shí)間延長(zhǎng)。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，MIR-01型雪茄卷制機(jī)茄套切刀刀刃寬度L1為0.15 mm，刃角α為43°，前刀面有效寬度L2為1.75 mm。計(jì)算可得后刀面寬度L3=L2cosα=1.28 mm，切刀基體寬度L4=L2sinα+L1=1.34 mm。

圖4 刀刃橫截面示意圖Fig.4 Schematic diagram of blade cross section

為研究刀刃的磨削次數(shù)，取一把全新的茄套切刀進(jìn)行磨削試驗(yàn)。磨削過程中，在刀刃寬度L1不變，每次磨削0.1 mm條件下，按不同刃角分別磨削切刀刀刃和前刀面，然后安裝到MIR-01型雪茄卷制機(jī)驗(yàn)證茄套切割情況。各磨削層的刃角角度見表1。當(dāng)磨削至第3層時(shí)，刃角α3超過50°，刀刃變鈍。觀察發(fā)現(xiàn)，此時(shí)切刀滾切效果較差。因此，將切刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為第3層失效，即每把切刀可經(jīng)過兩次修復(fù)。

表1 各磨削層的刃角角度Tab.1 Blade angles of grinding layers

2.3 砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由方形水平底座、豎向安裝板、安裝板上2個(gè)截面形導(dǎo)槽、把手架、調(diào)節(jié)把手、把手軸、調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母、截面形滑塊和砂輪支架組成，見圖5。其中，安裝板（2）和安裝于其上的2 個(gè)形導(dǎo)槽（3）共同圍成一個(gè)上開口的形垂直通道，形滑塊（9）剛好可以卡在形垂直通道內(nèi)。安裝于把手架（4）上的調(diào)節(jié)把手（5）通過把手軸（6）、調(diào)節(jié)螺桿（7）、調(diào)節(jié)螺母（8）與形滑塊（9）連接，隨著調(diào)節(jié)把手轉(zhuǎn)動(dòng)，由調(diào)節(jié)螺桿和調(diào)節(jié)螺母組成的螺旋副可以在垂直方向上改變滑塊高度，而緊固在滑塊上的砂輪支架（10）也會(huì)隨之上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)磨刀砂輪高度可調(diào)。

圖5 砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of grind wheel height adjustment system

砂輪高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要用于控制砂輪高度的調(diào)節(jié)范圍，因此調(diào)節(jié)螺桿的長(zhǎng)度及螺距是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。經(jīng)分析，選用了螺紋直徑6 mm、螺距0.75 mm 單線細(xì)牙右旋螺紋［10］。由表2 可見，不同型號(hào)茄衣茄套切刀的長(zhǎng)度和寬度相差較大，但高度基本相同。圖5中調(diào)節(jié)螺母（共同組成螺旋副）的深度為27 mm，因此選擇螺紋的有效旋合長(zhǎng)度為30 mm。

表2 不同型號(hào)切刀尺寸Tab.2 Sizes of different type knives （mm）

2.4 磨刀平臺(tái)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

磨刀平臺(tái)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由磨刀平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)軸、螺釘、底座、上調(diào)節(jié)螺母和下調(diào)節(jié)螺母組成，見圖6。磨刀平臺(tái)（1）通過旋轉(zhuǎn)軸（2）和螺釘（3）固定在底座（4）上；旋轉(zhuǎn)軸高度不可調(diào)節(jié)，磨刀平臺(tái)可繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；螺釘穿過磨刀平臺(tái)的孔與底座焊接在一起，螺釘不可旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。因旋轉(zhuǎn)軸端的高度不可調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)螺母（5）（6）的高度可調(diào)整磨刀平臺(tái)的高度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨刀平臺(tái)角度可調(diào)。

圖6 磨刀平臺(tái)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of angle adjustment system for knife grinding work table

為提高調(diào)節(jié)精度，螺釘設(shè)計(jì)為螺紋直徑6 mm、螺距0.75 mm 的單線細(xì)牙右旋螺紋，調(diào)節(jié)螺母（5）（6）的厚度為5.2 mm。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，切刀刃角最大可磨削至50.6°，磨刀平臺(tái)的最大寬度L7=205 mm。因此，螺釘端磨刀平臺(tái)的高度改變值ΔL=L7tanΔα=205×tan（50.6°-43.0°）=36.2 mm，計(jì)算可得螺釘?shù)挠行祥L(zhǎng)度為36.2+5.2×2=46.6 mm，故將螺釘?shù)挠行祥L(zhǎng)度［10］確定為50 mm。

2.5 砂輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

砂輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由總成支架、大帶輪、電機(jī)軸、V型帶、小帶輪、錐形軸、砂輪、螺釘?shù)炔糠纸M成，見圖7。L 形總成支架（1）的懸臂內(nèi)側(cè)安裝有大帶輪（2）［設(shè)有電機(jī)軸（3）］和小帶輪（4），大小帶輪間利用V型帶（5）實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)；小帶輪在懸臂外側(cè)連接有錐形軸（6），錐形軸上的砂輪左端蓋（7）和砂輪右端蓋（9）共同夾持砂輪（8），并由螺釘（10）壓緊，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 砂輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure of grind wheel transmission system

砂輪左端蓋的右側(cè)軸設(shè)計(jì)為右旋外螺紋M22、螺距2.5 mm，右端蓋的左側(cè)軸為右旋內(nèi)螺紋M22、螺距2.5 mm。已知，錐形軸右端與砂輪左端蓋的錐面錐度為1 ∶5；大帶輪直徑d1=120 mm，小帶輪直徑d2=25 mm，砂輪直徑d3=100 mm；配置的動(dòng)力電機(jī)為Y80M2-2 三相異步電動(dòng)機(jī)（德國(guó)LENZE 公司），功率P=1.1 kW，額定轉(zhuǎn)速n1=2 830 r/min，效率η1=77%，功率因數(shù)cosφ=0.86。經(jīng)計(jì)算，砂輪轉(zhuǎn)速n2=n1d1/d2=13 584 r/min，線速度Vc=πd3n2/60 000=71.09 m/s。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（紅3G）”機(jī)制雪茄煙原料（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠）。

設(shè)備：MIR-01型雪茄卷制機(jī)以及茄衣茄套切刀（荷蘭SCM公司）；茄衣茄套切刀磨刀機(jī)（自制）。

方法：取磨損嚴(yán)重、準(zhǔn)備更換的茄衣切刀D1、D2 和茄套切刀D3、D4，通過磨刀機(jī)進(jìn)行磨削處理后，在同一臺(tái)MIR-01 型雪茄卷制機(jī)上進(jìn)行使用。按照表1的方法兩次磨削切刀（第3次磨削的使用時(shí)間不計(jì)入總時(shí)間），統(tǒng)計(jì)切刀使用時(shí)間。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3 可見，與新刀相比，隨著磨削次數(shù)增加，磨削后切刀使用時(shí)間呈降低趨勢(shì)，且明顯低于新刀的使用時(shí)間；經(jīng)過兩次磨削后4 把切刀均失去正常使用功能。4 把切刀增加兩次磨削處理后，茄衣切刀的使用時(shí)間平均增加1 734 h/把，增幅43.35%；茄套切刀的使用時(shí)間平均增加2 019.5 h/把，增幅

表3 磨削處理后切刀使用時(shí)間①Tab.3 Working life of the sharpened knives

40.39%。

4 結(jié)論

基于MIR-01 型雪茄卷制機(jī)研制了一種茄衣茄套切刀磨刀機(jī)，通過模擬計(jì)算和運(yùn)動(dòng)分析，保證了砂輪高度和磨刀平臺(tái)角度的精準(zhǔn)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了分層定量磨削切刀的功能。取4把磨損嚴(yán)重的茄衣茄套切刀通過磨刀機(jī)進(jìn)行磨削處理，結(jié)果表明：與新刀相比，通過兩次磨削后茄衣茄套切刀的使用時(shí)間分別增加43.35%和40.39%，有效提高了切刀磨削質(zhì)量和工作效率。該磨刀機(jī)還可應(yīng)用于MIL 上茄衣機(jī)、RCM紗布茄衣機(jī)等設(shè)備切刀的精準(zhǔn)磨削，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。