基于搖桿滑塊機構自動砂輪切割機的設計與研究*

宋 鈺 孟廣耀 沈毅松 高志陽

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266520)

熔模精密鑄造技術因其具有較高的尺寸精度和表面光潔度，已廣泛應用于航空、汽車等工業領域。在我國，汽車行業的迅速發展使得精鑄件的市場需求量快速增長，給國內生產不銹鋼及各種碳鋼鑄件的企業帶來新的發展機遇[1]。熔模精密鑄造的后處理包括切割澆口、打磨等工序，目前國內大多數鑄造企業采用人工方式進行澆口的切割工序，生產效率較低，有礙于精密鑄造的發展，因此研制開發自動化程度高的砂輪切割機十分必要。

1 自動砂輪切割機的整體設計

1.1 自動砂輪切割機的設計要求

國內從事生產汽車行業熔模精密鑄造配件的企業，所用的鑄件模組較小。國外已經研制出的自動化程度高的澆口自動切割機，不適合小型鑄件組的切割，因此目前國內大部分企業仍使用手動砂輪切割機，如圖1所示。

手動砂輪切割機需要工人身穿防護設備，一手推動滑道上的工件，一手握緊操作桿進行澆口的切割，工作環境惡劣，效率較低[2]。手動砂輪切割機采用普通電動機通過帶傳動驅動砂輪，砂輪根據傳動比只能以某種特定的轉速進行切割工作，適用范圍小。根據企業經驗，當砂輪片與工件表面成一定角度切入澆口時，將減輕砂輪片的磨損，延長使用壽命，縮短更換砂輪片的輔助時間。目前企業通過實踐得出的這種節省成本、提高效率的加工方式，因手動切割主要靠工人經驗把握切割時的切入角，工作狀態不穩定，不能很好地發揮作用。

受現用切割機工作限制和生產經驗啟發，自動砂輪切割機需要滿足以下要求：

(1)良好的防護裝置。在不影響正常切割作業的前提下，需要進行防護設計，避免切屑、火花和砂輪破損后傷人。

(2)較寬的調速范圍。當精鑄件的尺寸、材料不同時，需要配備相適應的砂輪轉速和進給速度，擴大應用范圍。

(3)相應的切入角度。砂輪片能夠在一定范圍內轉動并與水平面保持一定的角度，以實現通過實踐提出的新型加工方式。

(4)可靠的專用夾具。因精鑄件外形特殊，需要設計專用夾具進行裝夾。

(5)適當的冷卻裝置。由于切割過程產生高溫，可設置冷卻裝置，滿足不同需求。

1.2 整體結構設計

根據精鑄件的基本外形特征，自動砂輪切割機采用臥式切割機構，保證足夠的作業空間，切割機的整體外觀如圖2所示。工作空間使用推拉門結構，方便更換砂輪片和裝夾工件。推拉門上安裝有機玻璃，利于觀察切割作業狀態。底座內部放置水箱和收集箱，用于循環冷卻和收集切割下的工件。

自動砂輪切割機由機械部分和控制部分所組成，機械部分主要包括切割機構、X-Y向進給系統、夾具結構等。圖3為自動砂輪切割機機械部分示意圖，切割機采用砂輪片固定不動，工件向前進給的方式進行切割。切割機構根據搖桿滑塊機構原理實現砂輪片的抬落運動，由1臺步進電機驅動機構滑塊完成直線運動。主電機選擇三相異步電動機通過帶傳動驅動砂輪片高速旋轉實現對工件的切割工作。設置手輪完成工件在X軸方向的位置調整，2臺步進電機驅動工件在X-Y向的進給運動。

2 自動砂輪切割機主要部分設計

2.1 切割機構設計

為了實現砂輪片旋轉切割速度的可調，采用變頻調速技術。利用變頻器可以改變電源頻率的性能，調節三相異步電動機轉速，從而達到獲得砂輪片不同轉速的目的。與傳統的直流調速系統驅動直流電機相比，變頻調速技術的調速范圍廣，調速的平滑性更好，控制精度更高，可以實現平滑無級變速，且對變頻電機的保護更有效[3]。三相異步電動機與砂輪片主軸之間選用帶傳動。作為撓性傳動的帶傳動，具有緩沖吸震的功能，使傳動過程更加平穩，降低噪聲，且結構相對簡單，維修方便。此外過載時，皮帶會因摩擦力不足而打滑，對切割機能夠起到一定的保護作用[4]。

根據生產經驗提出的砂輪片以特定角度切入的方式，設計一種基于搖桿滑塊機構的切割裝置，可以方便地實現砂輪圓周切入點處的切線與水平面成一定角度并在切割過程中保持。由鉸鏈四連桿機構演化而來的滑塊機構，按照連架桿的固定鉸鏈中心與滑塊所在導軌水平中心線的距離是否為0，分為對心滑塊機構和偏置滑塊機構；按照連架桿是否做整圓周回轉，分為曲柄滑塊機構和搖桿滑塊機構[5]。

如圖4所示為對心搖桿滑塊機構。滑塊C為主動件，連架桿AB為從動件。步進電機通過滾珠絲杠副驅動滑塊C做直線運動，經過連桿BC帶動連架桿AB做部分圓周運動。步進電機每接收到一個脈沖信號則電機的轉軸轉動一個步距角增量，通過控制脈沖的個數可以控制步進的角位移量，從而控制滑塊的位移距離[6]，進而控制連架桿AB與水平面間的角度。

結合圖4所示的結構簡圖，建立對心搖桿滑塊機構的數學模型，滑塊C移動后的數量關系為：

S=AC-AC1

(1)

根據幾何關系和余弦定理有：

(2)

為研究模型的可靠性，根據設計構建簡化的自動砂輪切割機切割機構的模型。模型由直線導軌、滑塊、連桿、連架桿構成，利用SolidWorks進行三維建模并進行裝配，效果如圖5所示。

當切割需要連架桿AB與水平面在25°～70°夾角轉動時，根據建立的數學模型計算出滑塊C的直線移動位移量為90 mm。利用Motion模塊進行運動學仿真，將滑塊移動的時間設定為5 s，得到連架桿AB的角位移-時間圖，如圖6所示。結果算例中得到的為連架桿與垂直方向間的夾角，即與水平面間的夾角為24°～71°，同預期結果相比誤差為±1°，證明模型可靠。

2.2 X-Y向進給系統設計

自動砂輪切割機的工件進給系統通過滾珠絲杠副將步進電機的旋轉運動轉換為工作臺的X向和Y向直線運動。滾珠絲杠螺母副具有摩擦小、精度高、效率高的結構特點。因滾珠絲杠副的動靜摩擦系數基本相等，加以滾動導軌的配合，低速時不會出現爬行現象[7]。與液壓傳動相比，滾珠絲杠副的反向定位精度較高，有較高的軸向剛度，且成本低于電機傳動，控制更為方便成熟。選擇剛性較好、裝配比較方便的“固定-簡支”支撐方式，靠近電動機的固定端使用成對的角接觸球軸承組合支撐；浮動端使用深溝球軸承支撐，用來約束絲杠的徑向自由度，減輕因重力造成滾珠絲杠的彎曲程度[8]。通過控制步進電機的脈沖頻率，達到控制工作臺進給速度的目的。步進電機的轉速只取決于脈沖信號的頻率，不受負載變化的影響，因此可以保證切割過程中工件進給的速度恒定，不因切割力產生變動。聯軸器作為步進電機和絲杠間的聯接件，不僅將驅動力矩傳遞給滾珠絲杠，還起到過載保護的作用。

X-Y向進給系統主要由工作臺、四根直線導軌、兩套滾珠絲杠及其附件、兩個步進電機、軸承、聯軸器和支座等組成。角接觸球軸承作為進給系統中不可缺少的零件，在設計分析過程中，需要考慮在載荷作用下軸承內部的應力分布，作為軸承壽命分析的基礎。

使用SolidWorks建立7003C型號角接觸球軸承的三維模型，利用Simulation進行有限元分析。由于角接觸球軸承的圓角、游隙和保持架等對其內部的應力和變形影響甚微，為了簡化模型，方便網格劃分[9]，對軸承內圈進行有限元分析。按照實際為系統的各個零部件選擇材料，根據質量屬性評估為100 kg。角接觸球軸承通常選用具有較高接觸疲勞性能和良好耐磨性的GCr15材料，泊松比μ=0.3，彈性模量E=207 GPa，密度ρ=7 830 kg/m3[10]。

進行實體網格劃分和添加載荷后進行仿真分析，軸承在工作時的應力、應變和位移變化情況如圖7所示。由應力云圖可以看出應力最大值為4.3 MPa，出現在軸承內圈內表面中心和邊緣位置，即疲勞破壞的危險位置在內圈與絲杠接觸面。根據應變云圖得出最大應變值是1.6×10-5，內圈產生微小的擠壓。最大位移量為9.8×10-5mm，說明角接觸球軸承因外載荷作用產生的彈性變形不顯著。

2.3 夾具結構設計

切割機床的夾具需要滿足夾緊可靠、操作方便的設計要求[11]。本著提高切割機自動化、減少輔助時間的目的，采用自動夾緊方式。由于氣動夾緊機構的體積比較大，需要額外設計增力機構，電動夾緊結構成本較高，所以切割機采用液壓夾緊較為合適。液壓夾緊結構不僅質量小，結構更加緊湊，而且承載能力大，便于實現自動化。精鑄件的工件澆口軸線方向與模組冒口的軸線方向為垂直布置，工件按行對稱分布在模組體的左右兩側，根據模組外形特點考慮采用臥式夾具裝夾。臥式夾具的整體結構如圖8所示。

由精鑄件模組的結構分布特點分析，確定模組的裝夾部位是模頭冒口部位，這部分有圓周冒口便于定心，較大的凸臺面方便裝夾。按普通臺鉗的裝夾方式，利用雙向鉗口夾緊冒口部位，從而將鑄件模組夾緊。由于鑄件冒口上下表面間為有較小傾斜角度的凸臺，因此需要根據冒口角度設計專用鉗口，以此貼合冒口表面，保證夾緊。為了節省空間和緊湊結構，將液壓缸安裝在定鉗口的背側內部，通過液壓缸產生的推力驅動動鉗口的縱向移動，實現鑄件的夾緊。在定鉗口的背向支撐焊板內兩側設置導向鍵，動鉗口兩側面安裝帶有導向槽的導向塊，通過導向槽與導向鍵的配合，實現動鉗口的導向。

2.4 冷卻裝置設計

為了滿足切割精鑄件的不同需求，自動砂輪切割機設計冷卻裝置。冷卻裝置包括噴頭、冷卻導管、閥門、集水槽、水泵等。使用開關元件控制水泵的開啟和關閉，通過閥門旋鈕可以控制冷卻液的流速[12]。利用集水槽收集冷卻工件后的冷卻液，經過過濾裝置流回水箱，實現循環利用。

3 結語

(1)根據實際生產需要，設計一款自動砂輪切割機。采用變頻調速技術，砂輪片主軸轉速可在較大范圍內實現無級調速，解決目前企業所用的手動切割機只能以一種速度切割的問題，有效擴大切割機的使用范圍。

(2)基于搖桿滑塊機構原理，通過步進電機的驅動作用，使切割機構可以在需要的圓周范圍內運動，實現砂輪片與工件表面成特定角度后進行切割作業，利用Motion驗證模型可靠。

(3)采用Simulation對進給系統的關鍵部件進行有限元分析，為零件的選擇和壽命分析提供了理論基礎。根據精鑄件模組的外形特征設計專用夾具。循環冷卻裝置對于節約環保有重要意義。