双轴切割机床龙门机架的设计与研究

余敏文，王淑花，秦宝荣，蔡 欢，刘 江

(浙江工业大学 浙江省特种装备制造与先进加工技术重点实验室，浙江 杭州 310014)

双轴切割机床龙门机架的设计与研究

余敏文，王淑花，秦宝荣，蔡 欢，刘 江

(浙江工业大学 浙江省特种装备制造与先进加工技术重点实验室，浙江 杭州 310014)

设计了陶粒混凝土砌块切割机床，在切割不同规格砌块时，机床不需拆装。利用ANSYS Workbench 工具建立机床的有限元模型，通过分析得到龙门机架的最大应力、变形及其分布情况；对其进行模态分析，确定结构的振动特性，以验证龙门机架的使用性能和砌块切割的稳定性，为双轴切割机床的龙门机架设计提供进一步的理论依据。

双轴切割机床；龙门机架；有限元模型；ANSYS Workbench

陶粒砌块由陶粒、胶凝材料、水及一定的外加剂组成，与传统砌块相比，陶粒砌块具有质轻、保温、隔音及耐热等特点[1]。砌块成型采用模具制型再经锯片切割，与传统砌块成型相比，其适宜成批大规模生产。双轴切割机可以加工两种规格砌块，与传统的单轴切割机相比，具有方便切割的优点。切割过程中锯切阻力对横梁、立柱组成的龙门机架有较大影响，而龙门机架发生显著变形时，对机器的几何精度、定位精度和产品质量有很大影响[2]。因此，需对龙门机架进行结构分析和改进，以提高最终的砌块质量。

1 双轴切割机床的设计与建模

1.1双轴切割机床的设计

在生产过程中，要切割两种不同规格砌块，传统的方式主要是运用多条生产线分别生产或采用单条生产线交替生产。多条生产线可以生产不同规格的砌块，但投入成本较高；而单条生产线在生产另一种规格的砌块时，需要对切割锯轴的组件进行更换，操作繁琐，费时费力。

针对单条生产线，本文设计出一种新的龙门机架结构，将两套不同规格锯切系统安装在龙门机架两侧，当加工其中一种规格的砌块时，只需让该规格的锯切机进入工作状态，实现砌块的切割；当需要加工另一种规格的砌块时，让另一组锯切系统进入工作状态，实现砌块的切割。与多条生产线方案相比，单条生产线就能实现两种规格砌块的生产，具有低成本的优点；与传统单条生产线相比较，则具有高效省力的优点，生产时不需要进行切割机部件的拆装、更换。

1.2双轴切割机床的总体模型建立

在设计方案的基础上，对双轴切割机床进行总体建模。

图1为双轴切割机床总体三维模型，由龙门机架1和2组锯切系统2,3组成。将锯切系统分别安装在龙门机架的前后两端，可沿龙门立柱上下移动，实现锯切机进入或脱离工作状态。

龙门机架1由左右立柱和横梁组成，锯轴系统2,3由切割轴系统和驱动电机组成。

左右立柱的前后两端面设计成可供锯切系统上下滑动的导轨，由丝杠螺母机构实现锯切系统的升降，横梁上安装有驱动锯切系统升降的电机。根据要求，需将规格为1 300mm×200mm×600mm的毛坯，加工成为200mm×200mm×600mm(规格1)和240mm×200mm×600mm(规格2) 2种规格的砌块。锯切系统3由11个锯片、锯轴、支承座和驱动电机组成，安装在龙门机架前面导轨上，用于加工规格1砌块；锯切系统2由6个锯片、锯轴、支承座和驱动电机组成，安装在龙门机架后面的导轨上，用于加工规格2砌块。

2 龙门机架的受力情况

2.1锯切力分析

龙门机架的受力主要来自身重力和锯切系统工作时的反作用力。锯切系统在切割过程中所受到的锯切总力，是指在切割过程中产生的作用在混凝土砌块和锯片上的大小相等、方向相反的切削力，而作用在锯片上的作用力可分解为切向力和法向力，如图2所示。

金刚石圆锯片切割石材过程中受力公式[3]如下：

法向力

(1)

切向力

Fti=P/vs

(2)

式中:μ1/μ为工件样品的硬度均值相对于整体的硬度均值的变化，理论上硬度均匀，因此取μ1/μ的比值为1；ε为工件的参数，根据Mamalis[4]的大量数据分析，其取值为0.6；k为比例系数，k[C1]γ=61N/mm2；i为第i个锯片；根据模型建立过程中参数的设定，锯片宽度b=9mm，锯片切割深度a=200mm，圆锯片的直径ds=800mm;根据生产需要，选择功率P=45kW，转速n1=479r/min的电机，从而切割速度vs=πdsn=20m/s；根据生产厂商的要求进给速度vf=10mm/s。带入式(1)、(2)得到：Fni=6 967.37N，Fti=2 250N。

对于单个锯片，其法向力与切向力可分解为y方向和z方向的力，分解得到Fy=1 535.13N，Fz=7 158.92N。

锯切系统3由11个锯片等组成，工作过程中龙门机架受力较大，所以本文对锯切系统3工作时的受力情况进行分析。

当锯切系统3的11个锯片组成的锯片组工作时，根据单锯片受力情况，得到锯片在y和z方向的合力:

(3)

2.2重力与锯切力耦合

龙门机架各部件的自身重力如下:装有11个锯片的锯片组的重力G1=13 500N；装有6个锯片的锯片组的重力G2=11 000N；锯罩与横梁部分的重力G3=20 457N；电机重力G4=4 050N。

由于龙门机架各部件质量较大，在分析受力时，需考虑重力对结构的影响，将重力与锯切力进行耦合，得到龙门机架各部分的受力情况，如图3所示。

左右立柱上，前支承垫板y方向的受力F=Fy1/2=8 443.22N，支承座与支承垫板的接触面积S0=119 600mm2，电机重心与支承垫板之间的距离d=0.27m，电机工作产生的扭矩T=9 550×P/n=897.2N·m。

左立柱受力情况：如图3所示，前支承垫板受到锯切力与重力作用，其耦合得到的合力对支承垫板产生压力P1和向下力F1。

(4)

后支承垫板仅受到锯片组重力作用

F11=G2/2=5 500N

(5)

右立柱受力情况：如图3所示，前支承垫板受到锯切力与重力作用，其耦合得到的合力对支承垫板产生压力P2和向下力F2，电机对支承垫板产生的作用力F3和弯矩M3，其中M3为重力产生弯矩G4d与电机转动产生的扭矩T的合矩。

(6)

后支承垫板受到锯片组的重力产生作用力F22，电机重力产生作用力F4和弯矩M4。

(7)

横梁受力情况，如图3所示，只受到锯罩与横梁自身重力所产生的作用力F5:

F5=G3=20 457(N)

(8)

3 龙门机架的结构分析

3.1有限元模型建立

将SolidWorks软件建立的模型导入到ANSYS Workbench环境中，其中左右立柱和横梁等部件的材料为HT300，轴类零件的材料为45钢，材料属性见表1。

对立柱部分，包括支承垫板、升降装置和立柱等，需要根据不同的结构选择不同的Sizing和Method，进而进行网格的划分。龙门机架的网格节点数量为265 168，单元数量为143 876，其有限元模型如图4所示。

3.2静态分析

对龙门机架施加载荷和约束，仿真求解后得到相应的变形云图和应力云图，如图5，6所示。

由图5可知，锯切过程中龙门机架在锯切作用力和各部分自身重力的综合作用下，变形最大区域出现在支承垫板靠近锯片部分的边缘处和横梁中心部分处，并且最大变形为0.046mm，此变形在铸造加工精度允许范围内。

由图6可知，应力最大部分在支承垫板与立柱接触部分的下边缘处，其最大应力值为5.8MPa，立柱和支承垫板的材料为HT300。材料HT300的最小抗拉强度为σb=300MPa，机械设计中零件的强度安全系数η取1.5，则可得到材料HT300许用应力[σ]=σb/η=200MPa，显然龙门机架的强度满足要求。

3.3动态特性分析

动态特性分析是指动力学的模态分析，一般包括结构的振型、自振频率等，采用特征值分析方法，从而得到结构的固有频率及相应的振型等，并对结构的响应情况进行控制[5]。在加工过程中，龙门机架振动引起锯片轴的振动，加剧锯片的磨损，从而影响产品的加工质量。通过对龙门机架的动态特性分析，找出加工过程机架振动的原因，采取相应的措施，从而提高整个机床加工精度和使用寿命。

为了减少龙门机架的振动，需避免龙门机架的固有频率与外激振力的频率相同或相近。结构的每阶固有频率对应一个固有振型，一般外激频率不高[6]，因而提取模态分析中前六阶固有频率与振型，在ANSYSWorkbench环境中对龙门机架进行模态分析。

对有限元模型添加约束和求解项设置后进行求解，得到立柱的前六阶固有频率与振型，见表2。

切割机床中减速电机的功率为45kW，频率为9Hz左右。对比表2中的龙门机架各阶频率，电机工作频率小于龙门机架各低阶频率，故整个龙门机架不会发生共振现象。

4 结束语

本文对设计的双轴切割机床的龙门机架结构建立了有限元模型，通过ANSYS有限元分析法对龙门机架进行静态分析，分析结果显示，满足企业的要求；对龙门机架进行动态分析，得到其各阶频率远高于电机的工作频率，龙门机架工作不会发生共振现象，验证了设计的合理性。本文的研究，为龙门机架的设计提供了一套完整的、系统的方法，分析得到的数据为设计优化提供了详尽的参考依据，可有效缩短龙门机架的开发周期。为了取得更好的实用效果，需将本文中的分析结果与实际样机的工作情况进行对比，调整相关参数，减少与实际工作的误差。

[1] 吴敬文，季韬，罗蜀榕，等. 陶粒混凝土砌块孔型优化研究[J]. 墙材革新与建筑节能,2009(4): 32-35.

[2] 任利利.大型龙门机床关键部件及整机静动态特性分析[D].长春:长春工业大学,2012.

[3] 周灿丰，张宝生，曹建树，等. 锯切力仿真与锯切参数选择[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2002(5): 45-47.

[4]MamalisAG,SchulzeR,TonshofHK.Theslottingofblocksofhardrockwithadiamondsegmentedcircularsawblade[J].IndustrialDiamondReview, 1979(45): 254-258.

[5] 赵扬.基于有限元技术的龙门机床结构动静态特性分析与优化设计[D].长春：长春工业大学,2012.

[6] 温焕翎，张虎.门式启闭机的有限元模态分析[J].科技信息,2010(28): 105-106.

Design and research of the portal frame of dual-axis cutting machine

YU Minwen, WANG Shuhua, QIN Baorong, CAI Huan, LIU Jiang

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

It designs the cutting machine of ceramic concrete block, which can cut the different specifications of block machine without disassembly. It establishes the finite element model in Ansys Workbench tool, obtains the maximum stress, deformation and distribution of the portal frame. Based on above analysis results, it obtains vibrational feature of structure, verifies the stability of the portal frame. This provides further theoretical basis for the portal frame design of dual-axis cutting machine.

dual-axis cutting machine tool; portal frame; finite element model; Ansys Workbench

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.01.008

2014-11-20

余敏文(1988—)，男，湖北广水人，浙江工业大学硕士研究生，主要研究方向为机械设计及理论。

TH122

A

2095-509X(2015)01-0033-04