新型圓坯料復合夾緊裝置的研制

郝 瑾，郝 樂，石冠斌，馬 波，汪 洋

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.新興鑄管股份有限公司，河北 武安 056300；3.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710016)

新型圓坯料復合夾緊裝置的研制

郝 瑾1，郝 樂1，石冠斌2，馬 波3，汪 洋1

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032； 2.新興鑄管股份有限公司，河北 武安 056300；3.西部新鋯核材料科技有限公司，陜西 西安 710016)

分析了傳統的圓坯料圓盤鋸切機因夾緊裝置引起的鋸切質量、鋸切效率以及鋸切的安全性問題，在傳統夾緊裝置結構的基礎上，研發了新型的圓坯料復合夾緊裝置。該夾緊裝置通過讓刀機構將固定夾緊裝置和浮動夾緊裝置鎖定在一起，形成一個整體，解決了夾緊過程中坯料中心線與鋸片中心線的偏差問題，鋸切完成后兩側鋸切斷面與鋸片分離，不會劃傷斷面。該裝置已成功應用于國內多家大型管棒材生產企業，實際使用效果良好。

圓坯料；圓盤鋸機；夾緊裝置

0 前言

圓坯料圓盤鋸機是各種圓形、矩形或者異型截面坯料精整生產線中的關鍵設備，其工作效率和品質直接影響生產線的生產節奏和成材率，其核心部件之一的夾緊裝置是圓盤鋸機實現斷面切斜度、斷面粗糙度以及安全穩定鋸切控制的重要功能部件之一。隨著圓坯料精整生產工藝水平的發展以及用戶交貨要求的不斷提高，如何保證圓坯料在鋸切過程中夾持穩定可靠，連續進出料，從而提高鋸切斷面質量、成材率以及生產效率等成為坯料圓盤鋸機設計的重要課題。

1 傳統夾緊裝置中所出現的問題

圓坯料圓盤鋸片一般采用合金鑲齒鋸片，由于圓坯料經過熱軋后，一般采用輥道輸送過程中在線定尺切割，傳統的夾緊裝置只考慮了在理想狀態下對圓坯料的夾持作用，沒有充分考慮鑲齒鋸片對于夾緊裝置有更高的要求，因此在實際生產過程中容易產生以下幾種缺陷。

單水平夾緊結構如圖1所示。由于坯料在線切割來料一般長度約為幾十米，坯料直徑在變化，夾緊過程中為了保證鋸切位置的坯料中心線與生產線中心線位置偏離較小，需要使用墊塊，不同坯料直徑對應不同厚度墊塊。首先直接影響了斷面的切斜度，坯料直徑越大斷面斜度越大，需要在后續工序中對斷面進行修整；其次由于墊塊是把合在夾緊裝置上，存在安全隱患。

圖1 單水平夾緊結構示意圖Fig.1 Sketch of horizontal single clamping structure

雙水平夾緊結構如圖2所示。兩側夾瓦采用液壓同步，由于現場惡劣的生產環境，頻繁的夾緊、打開過程中，夾瓦滑道摩擦力會產生變化。這樣既非常容易造成兩側夾瓦運動不同步，夾緊后使得鋸切力不穩定，影響了斷面質量的穩定性，縮短了鋸片壽命，降低了生產效率，增加了生產成本。

圖2 雙水平夾緊結構示意圖Fig.2 Sketch of horizontal double clamping structure

在切削加工過程中，由于坯料重量大、鋸切截面大，為了夾持穩定，一般沿坯料軸線方向采用兩點夾緊，即在鋸片兩側布置夾緊裝置分別固定在設備底座上。由于鑲齒圓盤鋸片鑲嵌的是合金刃齒，鋸片基體采用工具鋼，刃齒寬度略寬于基體厚度。鋸片在切削完成抬起過程中，刃齒經常劃傷鋸切斷面，影響管端質量。

水平夾緊原理圖如圖3所示。為了表示鋸片形狀，故將鋸片放在水平位置。實際工作中，鋸片應從垂直方向向下鋸切。

圖3 水平夾緊原理圖Fig.3 Schematic diagram of horizontal clamping

針對以上問題，結合多年來生產實踐經驗，在傳統夾緊裝置結構的基礎上，成功研發了一種圓坯料復合夾緊裝置。不僅解決了夾緊過程中坯料中心線與鋸片中心線的偏差，還可在鋸切完成后使兩側鋸切斷面與鋸片分離，鋸片在抬起過程中不會劃傷斷面，并且在下一次鋸切前自動復位，滿足了鋸機的全自動工藝要求。

2 夾緊裝置的組成及工作過程

夾緊裝置包括固定夾緊機構、讓刀機構、浮動夾緊機構。固定夾緊機構代替傳統的后夾緊機構，直接與鋸機的底座定位把合。所有鋸切動作的位置都以該部件中某一個位置作為安裝測量基準。讓刀機構已獲得國家授權實用新型專利，采用類似柱塞油缸的原理，將缸體與固定夾緊把合，將柱塞與浮動夾緊把合。浮動夾緊機構代替傳統的前夾緊機構，通過讓刀機構與固定夾緊機構相連接。在鋸切前后，該機構與固定夾緊之間，沿鋼管軸線方向有相對位置的變化。

夾緊裝置的一個切削循環過程包括初始狀態、鋸片空進行程、夾緊及鎖緊狀態、鋸片工進行程、鋸片回退行程等。

初始狀態。固定與浮動機構的水平、20°夾緊裝置均處于打開狀態，讓刀機構8處于伸出狀態。圓坯料沿軸線方向通過輥道輸送到鋸切位置并停止。

鋸片空進行程。當圓坯料輸送到鋸切位置停止后，垂直夾緊油缸11通過導桿10推動V形夾瓦9將坯料托起略高于輥道表面(保證夾緊時輥道表面不受力，保護輥道)，垂直夾緊油缸始終施加夾緊力。然后220°夾緊油缸裝有位移傳感器通過導桿3推動夾瓦4，使之與坯料接觸，通過液壓回路使220°夾緊油缸鎖緊。

夾緊及鎖緊狀態。最后水平夾緊油缸7通過導桿6推動夾瓦5將坯料夾緊。其中V形夾瓦9的角度與輥道角度為140°，夾瓦4與V形夾瓦9的一個面垂直。在夾緊過程中，水平夾緊油缸7始終給坯料施加夾緊力。浮動夾緊裝置與固定夾緊裝置采用同樣的機械結構，浮動夾緊裝置通過讓刀機構8安裝在固定夾緊裝置上，由讓刀機構8帶動實現夾緊讓刀。此時整個夾緊裝置形成一個整體將圓坯料夾持牢固。

鋸片工進行程。鋸片工進切斷坯料。鋸切結束后，讓刀機構8伸出，通過浮動夾緊將切斷的前段坯料拖出一段距離(約5 mm)，使浮動夾緊側斷面與鋸片分離開，然后鋸片通過其他裝置(該裝置安裝在傳動箱體內的主軸上，在此不再介紹)帶動向浮動夾緊方向伸出一段距離(約3 mm)，使鋸片與固定夾緊側斷面分離開。

鋸片回退行程。鋸片抬起，水平夾緊油缸7打開，220°夾緊油缸打開，垂直夾緊油缸11打開，輥道開始將前段坯料輸送，后段坯料繼續前行至下一次鋸切位置，準備下一次鋸切。

整個鋸切過程采用PLC全自動控制，重復進行鋸切。如圖4所示，整個夾緊裝置與鋸機的底座在A、B面定位把合。

1.位移傳感器 2. 20°夾緊油缸 3.導桿 4.夾瓦 5.夾瓦 6.導桿 7.水平夾緊油缸 8.讓刀機構 9. V形夾瓦 10.導桿 11.垂直夾緊油缸圖4 夾緊裝置結構圖Fig.4 Structure diagram of clamping device

3 夾緊裝置的設計及特點

3.1 設計的關鍵點

(1)與生產線中心線相匹配。圓坯料一般采用V形輥道輸送，坯料直徑不同中心線會有變化，設計過程中滿足在線生產要求。

(2)為了保證鋸切質量和安全，V形夾瓦的開口度必須與V形輥道開口度一致。必須有一個夾緊面位置基準固定不動，夾緊裝置所有部件的裝配和安裝尺寸以及夾緊動作的相對位置的測量尺寸都以該夾緊面為準。

(3)夾緊效果。坯料的鋸切，其顯著特點是鋸切負載大，坯料重量大，對于夾緊和鋸切的力能、結構要求滿足重載、穩定。為此在結構設計上要簡潔、牢固，便于維護。

(4)在線布置的鋸機一般采用鑲齒圓盤鋸片(鋸齒寬度略寬于鋸片基體)。在鋸切過程中，鋸片的下半部在夾緊裝置里面，坯料直徑越大，所需要的鋸片直徑越大。為了保證鋸切質量，夾緊裝置必須帶有鋸片保持機構(鋸片保持機構本文不再贅述)。

(5)由于鋸片是鑲齒圓盤鋸片，鋸片在兩個夾緊裝置之間進行鋸切，因此夾緊裝置必須具備讓刀功能。鋸片在回退時，必須將鋸切后的端面與鋸片分開一段距離，這樣鋸片在回退過程中才不會將鋸切的端面劃傷。

3.2 裝置的特點

由于在線布置的需要，整個夾緊裝置的控制必須具備全自動控制的功能。

整個夾緊裝置采用厚板坯直接加工，保證夾緊裝置的剛性。同時采用雙夾緊，即固定夾緊和浮動夾緊。固定夾緊與鋸切主機固定在一起，作為整個夾緊的基準。浮動夾緊通過讓刀機構與固定夾緊裝配在一起。當鋸切時，讓刀機構將浮動夾緊與固定夾鎖緊，形成一個整體。

采用20°方向、水平方向以及垂直方向V形的夾緊力分布，可使夾緊力接近平均分布，保證了夾緊的穩定性。20°方向夾緊油缸的控制采用二級壓力，根據不同的圓坯直徑，通過幾何關系的計算，通過位移傳感器和比例閥來實現閉環控制。通過現場使用檢驗，定位精度準確。垂直及水平夾緊在鋸切時始終施加夾緊力，避免了液體壓縮帶來的夾緊力波動。

為了保證固定夾緊裝置和浮動夾緊裝置在鋸切時能夠成為一個整體，該夾緊裝置通過讓刀機構將固定夾緊裝置和浮動夾緊裝置鎖定在一起，形成一個整體。同時在鋸切結束后，讓刀機構可以將浮動夾緊裝置和固定夾緊裝置分開一定距離，即將鋸切的鋼管端面分開一定距離，配合鋸片的讓刀，使鋸片在抬起過程中不會將鋸切的端面劃傷。

4 結論

本裝置已成功應用于碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金等各種圓坯料的鋸切，通過對夾緊裝置局部的優化可實現對其他異形截面坯料的鋸切。本裝置的相關設計要點和突出性能已獲得國家發明專利。其生產效率和斷面鋸切質量等指標可與國外先進設備媲美，可以作為坯料精整生產線新上或者改造項目的參考。

[1] 姚赟，李俊輝，解吉輝，等.新型排管復合夾緊裝置的研制[J].重型機械，2016(01).

[2] 解吉輝，孫麗麗，劉錄鋒，等.φ325 mm鋼管排鋸機的新技術[J].重型機械，2012(01).

[3] 王旭.1800鋸切機設計計算[J].機械工程師，2007(02).

[4] 解吉輝，孫麗麗，劉錄鋒，等.鋼管排鋸機用新型鋸片減震裝置[J].重型機械，2013(01).

[5] 熊杰.鋼管鋸切夾緊力的力學分析[J].寶鋼技術，2003(05)：20-28.

[6] 董輝躍，柯映林.銑削加工中薄壁件裝夾方案優選的有限元模擬[J].浙江大學學報(工學版)，2004，38(01)： 18-20.

[7] 鄭聯語，汪叔淳.薄壁零件數控加工質量改進方法[J]. 航空學報，2001(22)：400-450.

[8] 秦國華，張衛紅，吳竹溪，等.多重夾緊力及其作用順序對工件變形的影響分析與優化技術[J].工程力學，2006(23)：222-234.

[9] 周孝倫，張衛紅，秦國華，等.基于遺傳算法的夾緊布局和夾緊力同步優化[J].機械科學與技術，2005，24(3)：340-342.

[10]劉培鍔.圓盤式高速金屬冷鋸機鋸切功率計算[J].重型機械，1966(02).

[11]左鵬.無縫鋼管加工過程中的動力學分析[J].機械工程與自動化，2005(12)：176-180.

[12]方鋼，曾攀.金屬正交切削工藝的有限元模擬[J].機械科學與技術，2003(04)：642-645.

[13]藏勇，李同進，陶登奎，等.圓鋸片的模態分析[J].冶金設備，2003，137(01)：32-33.

[14]鄒家祥.軋鋼機械[M].北京：冶金工業出版社，2000.

[15]弗里得曼.金屬機械性能[M].北京：機械工業出版社，1982.

Development of new type round-billet composite clamping device

HAO Jin1, HAO Le1, SHI Guan-bin2, MA Bo3, WANG Yang1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710032,China; 2.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.,Ltd., Wu’an 056300, China; 3.Western Energy Marerial Technologies Co.,Ltd., Xi’an 710016, China)

After analyzing the cutting quality, efficiency and safety problems on traditional round billet disc sawing machines caused by the clamping devices, the new-type round billet combined clamping device was developed based on the structure of traditional clamping devices. Locking the fixed and floated clamping devices together to form a whole by cutter-relieving mechanism, the clamping device solved the centerline deviation problem between billet and saw blade. Sections at both sides are detached from saw blades after sawing, thus will not be scratched. The device has been successfully applied to multiple large domestic tube/bar producers with a good effect.

round billet; disc saw; clamping device

2016-05-07；

2016-07-23

郝瑾(1983-)，女，中國重型機械研究院股份公司工程師。

TG757

A

1001-196X(2016)06-0013-04