晶体外圆多刀切割机的设计*

陈东晴 , 单淑萍

(龙岩学院　机电工程学院, 福建　龙岩　364012)



晶体外圆多刀切割机的设计*

陈东晴 , 单淑萍

(龙岩学院机电工程学院, 福建龙岩364012)

用外圆单刀切割机切割质地坚硬的晶体材料比较耗时，因此，在外圆单刀切割机的基础上设计一款多刀切割机，主要由底部支架、电机、皮带传动机构、切割刀片、位置调节器、卡槽和冷却装置等组成。用此设备可以一次将大块晶体材料切割成多块不同尺寸的晶体材料，不仅大大减少了切割时间，而且还可以通过调节刀片之间的距离来控制切割尺寸。

外圆多刀切割机；晶体材料；切割时间

在光通讯领域所用到的光学元件是由晶体材料经过多道加工工序完成的,制作透镜的首道工序是对晶体原材料进行切割。对于体积较大的晶体材料是用外圆切割机将其切割成小块，再将小体积晶体材料放入内圆切割机精确切割成所需要的尺寸。已有多人设计了各种型号用来切割晶体的外圆切割机，如：廉军[1]29-32设计了WQ-603型自动外圆切割机，并介绍了大行程外圆切割设备的设计方案及结构特点和工业控制在该设备上的应用。黄克飞[2]16-19等设计了WQ-502型自动外圆切割机，该机可广泛用于光学玻璃、石英、陶瓷、冰洲等脆硬晶体材料的全自动大件切片。为了提高生产效率和改善产品质量也有人对其原有切割设备进行了改造，韦玉平[3]41运用PLC和变频器对JB-35-5型石英晶体多刀切割机的电气控制系统进行了改造。张恕[4]16-18在切割机的移动装置上增加了弹性装置，有效消除了移动系统和导轨的间隙，提高了产品质量。目前，龙岩学院机电工程学院实验室切割晶体使用的是自制的单刀外圆切割机，一次只能切割一片，且切割机的刀片较厚，晶体材料质地比较坚硬，所以用此设备将大体积的晶体材料切割成内圆切割机所需要的尺寸耗时较长。针对目前单刀切割机切割效率低的问题，在外圆单刀切割机的基础上设计一款多刀切割机，在装有切割片的主轴上设计不同厚度的卡槽将多个切割片组装在一起，这样就可以在相同的时间内将晶体材料切割成多片。

一、晶体外圆多刀切割机结构原理

本文设计的晶体外圆多刀切割机由机架1、水槽2、工作台3、冷却装置4、切割装置5、驱动装置6、位置调节装置7等组成，具体结构原理如图1所示。下面对本机的主要结构部分进行分析说明。

图1　晶体外圆多刀切割机结构原理图

(一)机架

如图1所示，垂直方向由四根长1.0 m的角钢构成；水平方向由四根长0.75 m的角钢构成；平行纸面方向由四根长0.65 m的角钢构成。将各部分角铁按图1所示焊接在一起，在角钢的上方再焊接一个面积为0.85 m×0.75 m的钢板，构成一个桌面。在桌面的前端焊接一个1.1 m×0.2 m×0.05 m的水槽，在水槽的底部开一个排水孔。在桌面边缘沿着平行纸面方向焊接一个0.85 m×0.40 m×0.08 m的半槽，槽左右两个挡板可以折叠，其中一边靠近水槽，并在半槽的左端固定一块钢板，构成一个载物操作台。在图中距地面0.3 m的位置垂直纸面方向焊接两根钢管与平行纸面方向的两根钢管构成一个平面，此处用于安装电机。

(二)驱动装置

驱动装置由电机和带传动机构等组成。电机采用三相异步电动机，根据晶体的硬度选用功率180 W、电压380 V、转速1 400 r/min的电机。带传动机构由两个距离为0.3 m的皮带轮、两个滚动轴承、两个配套减震轴承座构成，轴承用螺钉固定在皮带轮与切割片之间。轴承座固定在工作台上。当电机转动时，电机使驱动装置带动切割刀片运转，将动力传递给切割刀片。

(三)切割装置

切割装置由多刀切割头、位置调节机构和工作台三部分组成。

1.多刀切割头切割刀片根据材质主要分为纤维树脂切割刀片和金刚石切割刀片两种。本机使用的是金刚石切割刀片，如图2中的a图所示，用它可以切割各种高硬度材料。在装有切割刀片的主轴上设计不同厚度的卡槽将多个切割刀片组装在一起，本部分采用厚度为1 mm的金刚石切割刀片，将切割刀片连同卡槽固定在减震轴承上。

2.位置调节机构本部分由两根圆钢、一个水平的丝杠、套筒、螺母及一个与丝杠相连的手轮构成，如图2中的b图所示。两根圆钢用来支撑上面的操作台，丝杠位于两根圆钢中间位置，将套筒焊接在操作台与桌子之间，通过旋转手轮可以对操作台的位置进行调节，使晶体材料处于一个合适的切割位置。

3.工作台工作台是由两块钢板构成，较小的钢板是用来固定晶体材料的，在钢板上钻出四个孔与下面钢板相连，下面钢板再与位置调节装置相连，通过调节位置调节机构使工作台自由移动，可以控制切割速度。在切割过程中为了避免跑偏而浪费材料，在切割前先要把晶体材料用胶水粘在工作台上。

a)多刀切割头　　　　　　b)位置调节装置　　　　　　c)工作台

(四)冷却装置

在切割过程中，切割刀片与晶体材料摩擦产生大量的热量，刀片受热急剧膨胀，在外力作用下容易导致晶体破损。为了避免出现这种情况，需要在切割机上增加一个冷却装置，冷却装置是一个循环装置，由储水桶、水泵、进水管、喷水口、水槽、回水管等组成，如图1所示。在每个切割刀片附近安装一个可调节水喷头，在切割过程中不停的将水喷在切割刀片的边缘，以达到降温的目的。同时，在切割过程中也会产生大量的玻璃粉尘，玻璃粉尘如果不及时处理会进入空气造成污染。冷却水连带玻璃粉尘一起进入到水槽中，在水槽的底部安装一个排水管，污水沿着排水管进入到储水桶中进行沉淀，沉淀物定期清理，在储水桶中再安装一个水泵，水泵将储水桶中的水抽入进水管，进水管的水再进入到各个水喷头中，安装水泵的目的是使水能够循环利用。

二、使用晶体外圆多刀切割机的操作步骤及注意事项

(一)晶体外圆多刀切割机的操作步骤

1)将晶体粘在操作台上，前后调节位置调节装置，使晶体处于合适位置。

2)开启电源，使电机带动切割刀转动。

3)打开冷却装置，使水喷在切割刀片与晶体接触的位置或上方。

4)转动手轮，使晶体缓慢匀速前进，直到切割结束。

(二)操作注意事项

1)为了节省时间，操作工人往往使用多个切割刀片进行切割。由于受到电机动力的限制，在切割过程中，切割刀片的数量最好不要超过3个，这样才能保证切割过程中电机正常工作。

2)在操作过程中，转动手轮的速度不宜太快。转动手轮的速度过快容易损坏切割刀片或者使晶体材料受损。

3)在切割过程中，若出现故障，应立即关闭电源，并反向转动手轮，使晶体材料沿水平方向后退并与切割刀片脱离。

三、结　语

使用单刀切割机切割晶体材料存在耗时长、效率低等问题，针对目前单刀切割机切割效率低的问题，在外圆单刀切割机的基础上设计一款多刀切割机，在装有切割片的主轴上设计不同厚度的卡槽将多个切割片组装在一起，这样就可以在相同的时间内将晶体材料切割成多片。设计的晶体多刀切割机不仅大大节省了切割时间，解决了切割效率低的问题，而且还可以通过调节刀片之间的距离来控制切割尺寸，即用此切割机可以同时切割出不同尺寸的晶体材料。

[1] 廉军.WQ-603型自动外圆切割机设计[J].电子工业专用设备,1996(25).

[2] 黄克飞,王明权.WQ-502型自动外圆切割机[J].电子工业专用设备,1994(23).

[3] 韦玉平.JB-35-5石英晶体多刀切割机的PLC、变频器控制系统改造[J].科学咨询,2010(19).

[4] 张恕.电动石材切割机切割移动装置[J].电动工具,2015(4).

The Design of Crystal External Circular Multiple Cutting Machine

CHEN Dong-qing , SHAN Shu-ping

(College of Electromechanics, Longyan University, Longyan 364012, China)

Using the external circular single-pole cutting machine only can cut a piece of crystal material at a time, single-pole outer circle cutting machine, therefore, on the basis of design a knife cutting machine, mainly from the bottom of the bracket, motor, belt transport device, cutting blade, positioners, card slot and cooling device, etc. So cutting a large volume crystal material with the equipment will take a longer time. Based on the external circular single-pole cutting machine，we will design an external circular multiple cutting machine which can cut the crystal material into many pieces with the same time. We cut crystal materials with the external circular multiple cutting machines not only the cutting time will be greatly reduced, but also the cutting size can be controlled by adjusting the distance of the blades.

external circular multiple cutting machine; crystal materials; cutting the time

2016-06-02

本文系2015年度国家大学生创业实践项目“晶体外圆多刀切割机的设计(201511312009)”的研究成果之一。

陈东晴(1992-)，女，福建宁德人，2012级物理学专业本科学生，主要从事物理学研究；单淑萍(1976-)，女，内蒙赤峰人，讲师，物理学硕士，主要从事凝聚态理论研究。

TG669

A

1672-2388(2016)03-0069-03