一种便于手工操作的棒料省力省电切割装置设计

唐伟，赖颂文，林梓灿，郭朝浩，林永浩，张楷铎，顾立志

（1.韶关学院智能工程学院，广东韶关 512000；2.泉州信息工程学院机械与电气工程学院，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轮切割机接电进行切割，当接电线长度不够或者切割地方缺少接电插座的时候就需要携带发电机，这时候就会显得非常麻烦，在一些环境比较极端的建筑工地中，比如工地环境在极其湿滑的情况下使用电源非常困难且危险，更是没法携带笨重的发电机，而其运行成本高昂且携带困难的特点也成为工地人员所面临的一大问题，使用传统锯切效率低下、费时费力还不易操作，因此设计出一种便于手工操作和携带的棒料省力切割装置就能非常有效地解决此类问题。对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电动机切割来得更快更方便，因此，便于手工操作的棒料省力切割装置既能弥补传统锯切的费时费力、效率低下，又能解决现代电力切割棒料的不方便与环境限制，能很好地迎合目前许多建筑工地的极端条件。

目前，传统式的手动机械式棒料切割机，由于生产效率低，所提供的力矩不大，携带困难，而且操作复杂，耗费大量的体力。因此，自动化棒料切割机应运而生。朱广滕等[1]设计出液压冲击式棒料快速切割机的整机模型，并分析切割机的性能、生产效率，对其棒料切割机械进行合理设计。李有堂等[2]利用消振液压模锻锤原理，提出了液气式高速棒料剪切机的设计思想。其所提出的液压装置可提供的力矩大，但是该设备体积大，对于加工尺寸不大的棒料来说经济效益低。崔铁庆[3]设计的节能环保型切割机采用砂轮切割的方法，喷雾除尘装置兼有冷却功能，本切割机采用半封闭的切割方式，增强了系统的环保特性和操作安全性。该切割机降低了生产过程中造成的环境污染，但是对于工作环境要求高，不利于在环境恶劣的地方操作。豆高雅[4]提出了橡胶棒料切割机的结构组成、工作原理，以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了橡胶棒料切割机总的指导思想。范彦汝等[5]选用非线性分析软件ABAQUS，以Johnson—Cook作为材料的本构模型和断裂准则，得出了剪切过程中应力应变分布及发展趋势，裂纹的生成、扩展，棒料的断裂过程和剪切力的大小、变化规律曲线。李彬彬等[6]运用DEFPORM-3D软件在一定条件下对液压剪剪切金属棒料过程进行模拟仿真，为金属棒料实际剪切提供理论依据。其所提出的理论支撑给棒料切割机的设计提供了更强的依据，但是仍需要大量的实验证明其可靠性。崔铁庆等[7]介绍了一种切取棒料剖片的农机金相试样切割机，通过轴向移动的工作台和纵向移动的砂轮片，完成对棒料的两次切割。唐勇等[8]提出了一种能获得高质量断面的金属棒料下料新工艺——旋转锻打疲劳下料技术，探讨了旋转锻打疲劳下料技术的机理，还根据下料断面特点提出一种新的断面质量评价方法。蒲娟等[9]针对某金具生产企业上料过程中加工效率低、设备占用率高等问题，选择顶杆式上料机构，并对其关键的料架、顶杆机构、辊道等结构进行详细设计。武刚等[10]设计的棒料切割专用锯床，用于锯切铝合金棒料，针对上下料过程中存在的夹紧、定位等问题进行了攻关。以上设计均对棒料的切割方式和下料机构作出了创新，但是仍然需要以电力作为能源，无法在缺电的场合操作，具有一定的局限性。张春红[11]在对一种气阀棒料切割加工要求的分析基础上，采用PLC对棒料的加工过程进行自动控制，完成了系统的硬件和软件设计。根据工件的加工要求特点，采用步进顺序程序及IST指令程序控制。薛雪等[12]结合轴承套圈加工的投料特点和生产实际工况，对数控棒料机的功能进行优化，实现了对棒料的套切加工。刘志辉等[13]设计了一种通过更换夹具实现不同尺寸和不同材质工件的切断，从而实现功能多样化的棒料自动切断机。设备设计采用分散控制方式，借助PLC等控制器件对气动元件以及电动机等动力元件进行控制。以上设计应用了自动化控制对棒料切割机进行了优化，但是只适用于设备齐全的大规模生产工厂中，在工作量不大的时候发挥作用不大。刘子建等[14]运用曲柄滑块机构设计了新型可调式支撑装置和新型可调式刃磨装置，提出了一种四刀双切切割模式的新型高速动态跟随切割装置设计方案。万晶晶等[15]提出了适用于高速动态跟随切割要求的PRLSD支撑原理的枢轴旋转式喇叭嘴支撑装置，对喇叭嘴槽宽进行了多目标优化，减小了柔性棒料所受剪力矩，提出了装置支撑布置的方案。以上文献中研究的装置虽然有较好的应用价值，但多以电力传动为主，作业前准备工作多、作业后维护工作多、维修成本较高，对于某些缺少电力或无法使用电力对棒料进行切割的场合下，难以实现使用电力传动切割操作，且在某些该场合下重新搭建一个供电系统会增加较高的成本。李香凤[16]设计了一种缩短了夹紧时间，提高生产效率又省力，适合对不同直径的棒料和不同规格形状工件的夹紧的新型砂轮切割机夹具，巧妙地利用螺纹传动实现对工件的行程和定位夹紧。罗文翠等[17]设计了一个利用平行四边形机构的机械式浮动料架，通过上下移动剪切实现棒料剪切，为手动棒料切割机的切割方式提供了不同的方法，但是在剪切过程中易造成棒料弯曲。石小利[18]就手动棒料切割机对操作者的人身安全存在着潜在隐患的原因，从机械、电气等合理性方面提出—种解决方案，为棒料切割机的研究提供了一定参考。黄松伟[19]提出的利用液压-气动传动来实现工件的进给，通过调整砂轮与工作台的角度可准确切割不同角度的工件，通过液压配合气动驱动的切割机，实现了高效切割，但其并不适用于缺电场合。王建国[20]对行星式塑料管材切割机结构及其设计应用了机械加工中的仿形加工技术，做出了论述。证明了此类切割在管材切割中有良好的应用，但对于材料硬度大的棒料切割而言，需要提供更大的转速，无法进行手动操作。

因此，为解决缺电的工地和环境偏僻的建筑区域现场棒料切割问题，本文提出了一种便于手工操作的棒料省力切割装置，内部设计旋转收缩切割，可以切割不同尺寸的棒料。该装置可以更好地解决电力条件严苛的现场棒料切割加工问题，相比于传统的手工切割能够更好地提高效率和节省时间。

1 工艺需求及解决思路

1）节约能源、手动切割省力问题。设计一种不需要消耗电力的装置，达到节能环保的目的。通过齿轮的力矩放大，手动操作会更加轻松，减轻人的工作负担。

2）防止棒料变形问题。通常棒料加工会伴随刚度不足的问题，对多把刀具设计虹膜收缩机制，可对棒料进行一个全方位360°旋转收缩切割，防止棒料向一个方向变形。

3）普适环境问题。应用齿轮减速器作为增力机构，在比较恶劣的环境中也能工作，其工作状态对工作环境的变化不敏感；仿虹膜结构的切割装置也能适应不同直径的棒料，对多种多样的棒料进行切割，增强了其应用范围。

2 切割装置结构设计

根据机械装置的工艺需求及解决思路，详细设计包括力矩放大与传递（省力）装置设计、棒料切割装置、切割装置箱、棒料夹紧装置。

1）力矩放大与传递（省力）装置设计。在机械领域中，通过齿数不同的齿轮啮合传动可改变输出力矩，利用齿轮传动可放大输出力矩和传递力矩，因此只要计算好齿轮传动比、设计好齿轮参数和齿数，便能很好地达到省力的目的。本文采用二级齿轮减速器进行力矩放大与传递，原因是采用二级齿轮减速器而不采用一级齿轮减速器。首先二级齿轮减速器力矩放大效果更好，更容易进行手工切割操作；其次本文创新性使用仿机械虹膜切割系统，要使虹膜收缩与虹膜切割实现一体化，就需要2个输出端，所以二级齿轮减速器能实现有1个输入端（高速轴）与2个输出端（中速轴与低速轴）相结合。通过输入端高速轴上的2个小齿轮带动中速轴上的2个大齿轮转动，中速轴中间的1个小齿轮带动主输出端低速轴上的1个大齿轮旋转，可设计为分流式二级圆柱齿轮减速器。

结合数据，设计滚动轴承、联轴器、油面指示器、通气器、放油塞、定位销、滚动轴承盖板、滚动轴承盖子、起盖螺钉、减速箱体等零件。具有力矩功能的二级圆柱齿轮减速器如图1所示。

图1 二级圆柱齿轮减速器内部构造三维图

2）棒料切割方式设计。传统棒料切割方式会使用锯切，效率低、耗能大、噪声大，费时又费力，现代接电源切割机大多采用砂轮锯，砂轮锯噪声大，需接电切割棒料，作业前检查工作多，环境要求高。而在车间对棒料毛坯进行加工操作时会用到车刀，结合两者，即可设计出一种既带刀具又能旋转的装置。仿机械虹膜切割方式是一种既带刀具又能旋转且能径向收缩的装置。因此，本文根据机械虹膜系统进行创新，设计一个仿虹膜切割装置，把虹膜叶片改成切割刀片，利用其虹膜收缩机制，并给予整个机械虹膜系统径向和周向的力，可对棒料进行一个全方位360°旋转收缩切割。仿机械虹膜切削装置（如图2）由多个相互重叠的弧形金属叶片组成，通过叶片的离合改变中心圆形孔径的大小，弧形金属叶片可以从5片到18片不等，弧形叶片越多，孔径越接近圆形。因为是切割用途，所以将机械虹膜系统当中的弧形叶片替换成小刀具。

图2 仿机械虹膜切割装置三维图

3）切割箱结构设计。切割箱是切割装置与省力装置进行结合关联的一个装置箱，如图3所示。切割箱体里面需要配备2对90°换向直齿轮，方向相反，可与二级齿轮减速器的两个输出端相关联配对。换向齿轮接空心轴，2对换向齿轮中间连接仿机械虹膜切割装置，用销钉进行固定。低速轴输出端换向齿轮使用5个销钉连接整个仿机械虹膜切割装置，中速轴输出端换向齿轮使用5个销钉连接仿机械虹膜切割装置的5个虹膜切片，这样设计可实现手工操作时整体切割与虹膜收缩一体化；空心轴因其需要旋转，故需立壁使用滑动轴承相位保证其正常旋转不偏移。

图3 切割装置箱三维图

根据上述已知条件，设计出立壁、滚动轴承、滚动轴承盖板、滚动轴承盖子、起盖螺钉、切割装置箱体等。

4）棒料夹紧装置设计。若需完善整个装置设计，还需要对工件进行夹紧固定。固定工件（棒料）可使用台虎钳，如图4所示。为了保证进行切割工作时棒料不发生偏移现象，并且能保障棒料不晃动使切割顺利进行，需要在台虎钳夹紧板开一个槽口，夹紧棒料效果会更明显，并且棒料切割端前后各安置一个台虎钳进行夹紧，此时棒料便会完全固定住，切割工作才会有保障，切面也会更加平整。

图4 带V形口的台虎钳

5）各关键部分整体布局。考虑到操作的方便性和空间紧凑性，力矩放大与传递（省力）装置设计、棒料切割装置、切割装置箱和棒料夹紧装置的空间布局如图5所示。力矩放大与传递装置放在底座一边，棒料切割装置和夹紧装置放在另外一边，平行布局。

图5 整体装置

3 结语

便于手工操作的棒料省力切割装置能弥补接电手持式砂轮切割和传统锯切两者之间的不足，结合两者切割效率高、省电的优点，解决了环境限制，以及手工费时费力的问题，利用机械原理对其进行创新设计与制作，具有省力、省电、切割效果好的优点。由于本装置还在系统调试阶段，未进行试切割，故实际切割效果将在后续研究进行分析。在通过该装置分析后，可以进行大规模生产与应用，实现其商业化价值。