基于Pro／E的可移动式金属切割机床的结构设计

蔡长亮，唐术锋，安志亮，孙景福，仇洪然

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特010051）

0 引言

在基础制造业中，金属切削是加工制造的准备工序，切削质量的好坏将直接影响到后续工作的进行。目前，国内传统的金属切割设备是手动式砂轮切割机，它是利用高速旋转的砂轮来对钢材、铁材、非金属材料及部分有色金属进行切断加工的设备，在机械、冶金、汽车制造、建筑、矿山等行业有着广泛应用［1］。手动砂轮切割机与其他切削设备相比较，具有以下优点：①可以比较容易地切断较高硬度的材料；②切断过程中所耗时间较短，效率较高；③切断面美观，精度较高；④使用方便，成本低，可移动强。但是，手动式砂轮切割机仍然存在很多缺点，比如使用时稳定性较差、机械振动较大，对切削材料形状有所限制，安全防护性能较差，切屑不易收集清扫等［2］。本文在传统切割设备的基础上，借鉴数控机床的结构，设计了一种可移动式金属切割机床。

1 可移动式金属切割机床总体结构设计

为了保证预设特性的实现，该金属切割机床的设计原则是：主体结构必须紧凑而合理，各工作部件具有较高的独立性，并且经济实惠［3］。金属切割设备采用可移动台式结构，切割台配有切屑收集装置，切割方式主要采用电机与砂轮片固定不动的方式，可根据材料式样的不同采取不同的切割模式进行切割作业。可移动式金属切割机床整机模型是在Pro／E中进行绘制并装配完成的，装配模型如图1所示。

2 可移动式金属切割机床主要部件设计

结合切割材料形状，最终确定该切割机床主要部件的结构［4］。该切割机床在进行切割时，根据被切割材料的形状，选取不同的夹具装置。切割机主要工作部分结构示意图见图2。

2.1 切割装置

2.1.1 砂轮的选择

砂轮切割机种类很多，以其切断形式可以分为直线式切断机、悬挂式切断机、横向进给式切断机、工件旋转式切断机和摆动式切断机等［4-5］。本文中切割机床的切断形式属于直线式中的工件进给方式，如图3所示，该切割方式应用很广泛。

图1 可移动式金属切割机床装配模型

图2 切割机主要工作部分结构示意图

根据加工工件的尺寸要求，选用Φ400mm树脂砂轮切割片，该砂轮片硬度高，自锐性较好，转速可达3 500r／min以上［6］。参考市场多种品牌切割片，选用上海市蓝鸟牌树脂切割片，该型号切割片可切割圆形钢材直径达Φ90mm。

2.1.2 电机的选择

通过对磨削力以及传动带和砂轮切割时的受力分析，并结合砂轮转速等方面的要求，参考常用砂轮切割设备的电机配置，选用Y系列三相异步电动机，该系列电机具有启动性能好、效率高、噪声低、振动小、可靠性高、使用寿命长、维修方便等特点。经计算，电动机功率为2.5kW即可满足使用要求，选用Y100L-2型三相异步电动机，该电机功率为3kW，额定转速为2 870r／min，质量为25kg。

图3 工件进给式切断

2.2 夹紧装置

机床夹紧装置一直以来都是工艺装备设计的重要组成部分，又称机床夹具。机床夹具应能保证加工精度，提高生产效率，减轻劳动强度，且排屑方便。该切割机床采用圆形金属夹具与方形板材夹具的组合形式，这样使切割分工更明确，大大提高了切割效率。夹紧装置结构如图4所示。

2.3 进给系统

考虑到该切削机床的切削形式为工件进给式，在切削过程中需要对工件的进给速度进行人为控制，因此该机构在设计过程中，利用滚珠丝杠与直线光轴滑块导轨的配合移动达到工件进给的目的。进给系统如图5所示。

图4 夹紧装置结构

图5 进给系统

滚珠丝杠总长度Lu由下式计算：

其中：Lx为滚珠丝杠机械最大行程，Lx=1 770mm；La为余量，La=10mm；Ln为螺母长度，Ln=（1～2）Ph，Ph为丝杠导程，Ph=6mm。经计算，滚珠丝杠总长度为1 800mm。

通过计算，选用SFU20×1800型号滚珠丝杠，滚珠丝杠主轴上配有螺母与螺母座，滚珠丝杠两端装有两个支撑座，支撑座与背板中央固定连接，背板两边各安装一个光轴滑块导轨，光轴导轨底座固定在机架上。在进行切割作业时，通过旋转手轮控制丝杠运动，进而使背板在滑块上直线运动，达到工件进给的目的。

2.4 切割台的设计

切割台主体尺寸为1 800mm×1 200mm×600 mm，切割台机架主要由45×45铝型材组合而成。铝型材具有质量轻、可塑性好、不需要焊接、安装拆卸方便等特点，该机架能很好地满足机床的设计要求。切割台主体结构如图6所示。

图6 切割台主体结构

3 结束语

可移动式金属切割机床是在对传统的金属切割机进行改造与创新的基础上开发的，经改造后的机床有以下优点：①水平丝杠进给机构的设计，配合手轮的使用，能对进给速度进行更好的人为控制，进而减小砂轮因切割速度过快产生过热造成的损坏；②独特的切削夹具设计，大大扩大了可加工工件的直径与厚度范围，并且能够减少工件固定、定位的时间，提高了切削效率；③增加了防尘保护罩，解决了传统上人为操纵切割机进行切割作业时，产生的飞溅切屑对人造成的划伤与烫伤；④切屑收集装置的设计，一方面很好地利用了机床的空余空间，另一方面能够对切屑进行集中的、定期的收集处理，避免了每次切割作业后对切屑进行清扫的麻烦；⑤地脚与脚轮的配合使用，使机床移动更加便捷，且降低了工人的劳动强度，为今后切割机床自动化提供了可能。

［1］ 田建平，李栋全.一种新型砂轮切割机的研制［J］.装备制造技术，2008（4）：20-21.

［2］ 李洪.实用机床设计手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.

［3］ 石从继，赵燕，吴斌方.一种新型可调式切割机的研究设计［J］.机电技术，2011（2）：64-71.

［4］ 任意，石小英，曾胜.全自动型材切割机设计与实现［J］.电机与控制应用，2009（9）：30-33.

［5］ 李华雷，李福靖，乌日图.一种锚板开槽的专用锯床设计［J］.机床与液压，2014（1）：124-126.

［6］ 余光国，马俊，张兴发.机床夹具设计［M］.重庆：重庆大学出版社，1995.