全自動(dòng)鋼管專用鋸床設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王宇鋼，李旭渤

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

0 引言

鋼管鋸切加工作為鋼管加工的起點(diǎn)，在現(xiàn)代制造行業(yè)中起著十分重要的作用。圓鋸機(jī)床具有加工精度高，加工時(shí)間快，在材料利用方面也有著很好的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，鋸床的自動(dòng)化需求正不斷提高[1]。

當(dāng)前在歐美等工業(yè)強(qiáng)國，弓鋸床已逐步被淘汰，而圓鋸床和帶鋸床發(fā)展迅速。其中，德國在鋸床領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。近年來，我國鋸床水平也得到較大提高，主要表現(xiàn)在精密化和自動(dòng)化。一是不斷提高機(jī)床的加工精度，選用更加先進(jìn)的檢測(cè)儀器和檢測(cè)設(shè)備。其次，發(fā)展基于數(shù)控的技術(shù)升級(jí)，為達(dá)到更高的加工精度和效率。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于大批量鋼管切割的專用機(jī)床，具有自動(dòng)上下料、定位、裝卡和切斷的功能，能夠大幅度提高生產(chǎn)效率，降低加工過程中的電力，人力和時(shí)間的消耗，減少成本。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部件切削頭機(jī)架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在滿足負(fù)載強(qiáng)度的條件下使其實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)效果。

1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)床全自動(dòng)化加工，機(jī)床主要有自動(dòng)上下料裝置、切削頭以及床身等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。采用PRO/E三維建模，機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)三維圖

上料裝置主要由導(dǎo)軌、移動(dòng)夾具和拖送機(jī)構(gòu)組成。移動(dòng)夾具夾緊鋼管，使用上下料氣缸提供向前推動(dòng)的動(dòng)力，按照一定的動(dòng)作順序沿著導(dǎo)軌將鋼管向前拖送指定長(zhǎng)度，固定夾具在鋼管移動(dòng)到指定位置后夾緊鋼管，運(yùn)動(dòng)夾具張開并返回復(fù)位，等待進(jìn)入下一工作周期。

切削頭部分選用擺式的布局方式，使用液壓缸從機(jī)架尾部頂起，使得切削頭繞固定支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，前端刀具下壓，完成切削鋼管的動(dòng)作。上料裝置在下一工作周期，帶動(dòng)鋼管再次向前拖送上料，并將切斷鋼管從機(jī)床前段經(jīng)下料滾輪移出機(jī)床。切削頭和上料裝置一同安裝在機(jī)床床身上表面。

2 切削頭設(shè)計(jì)計(jì)算

切削頭的功能是用電機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)高速鋼鋸片，對(duì)鋼管進(jìn)行切斷操作，本文采用擺式布局結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 切削頭結(jié)構(gòu)

切削頭主要包括鋸片、減速機(jī)、電機(jī)、機(jī)架和為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的液壓缸等。圓鋸片繞底座上一固定支點(diǎn)擺動(dòng)，同時(shí)向下進(jìn)給。電機(jī)和減速器用聯(lián)軸器進(jìn)傳遞動(dòng)力使兩者之間有足夠的距離，方便安裝刀具，機(jī)架設(shè)置在側(cè)面，以給底部留下足夠的運(yùn)動(dòng)空間。進(jìn)給動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供，液壓缸通過支架安裝在機(jī)床床身上，安裝方式為前端整體式安裝，活塞桿與機(jī)架尾部連接。工作時(shí)，液壓缸將機(jī)架尾部頂起，使前端刀具下壓，完成切削動(dòng)作。

液壓缸的負(fù)載主要來源于切削頭重力和切削力，考慮受力極限情況，選擇切削頭在水平位置時(shí)進(jìn)行分析，此時(shí)受力情況如圖3所示。

圖3 切削頭受力圖

由圖3可知，切削頭繞支點(diǎn)所受合力矩為0，故計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)1為電機(jī)重力；F2為減速器重力；F3為切削反力；F為液壓缸負(fù)載。

3 支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

切削頭支架作為支撐液壓缸的零件，其在工作過程中受到較強(qiáng)的載荷，為驗(yàn)證其強(qiáng)度可靠性，利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]。

由于切削頭支架左右兩部分結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，工作過程中強(qiáng)度變化也應(yīng)一致。為簡(jiǎn)小分析計(jì)算量，只選取左側(cè)支架進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.1 靜力分析

支架材料為45#，所受載荷主要來自于液壓缸工作所受到的反力，大小采用式（1）中液壓缸負(fù)載值，經(jīng)計(jì)算得負(fù)載為720 N，承受載荷位置為支架的液壓缸安裝孔的下半表面，側(cè)面兩個(gè)安裝孔為固定約束。靜力分析支架變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 支架變形云圖

圖6 支架應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示零件在工作過程中最大變形為0.04 204 mm，所受最大應(yīng)力為61.957 MPa，且小于材料許用應(yīng)力355 MPa，符合使用要求。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化

為節(jié)省成本，采用ANSYS的拓?fù)鋬?yōu)化模塊Topology Optimization進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為在滿足使用強(qiáng)度條件下，質(zhì)量減重50%。拓?fù)鋬?yōu)化分析所得的支架拓?fù)涿芏仍茍D，如圖7所示。

圖7 支架拓?fù)涿芏仍茍D

根據(jù)云圖重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)支架固定背板長(zhǎng)度及肋板進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的零件結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖8所示。

圖8 優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.3 驗(yàn)證分析

對(duì)優(yōu)化后零件，重新進(jìn)行靜力分析，支架變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 支架變形云圖

圖10 支架應(yīng)力云圖

結(jié)果顯示零件在工作過程中最大變形0.041 928 mm，所受最大應(yīng)力59.936 MPa。且質(zhì)量由優(yōu)化前2.4151 kg，減小到1.1610 kg，實(shí)現(xiàn)減重51.9%。

4 結(jié)束語

為提高鋸床自動(dòng)化程度，通過對(duì)鋼管鋸床的功能分析，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)鋸床的總體結(jié)構(gòu)方案。采用PRO/E建立三維實(shí)體模型，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。對(duì)切削頭進(jìn)行受力分析，計(jì)算獲取了受力極值。并對(duì)關(guān)鍵部件切削頭支架進(jìn)行靜力分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)支架符合強(qiáng)度要求，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重51.9%。