石材粗加工鋸切機的設計與分析*

李麗萍 王君超 蘇治欽

(廈門工學院機械與制造工程學院，福建 廈門 361021)

隨著我國石材加工產業的高速發展，福建省石材產業迅速騰飛，現已成為我國石材加工市場不可或缺的主要力量。福建省石材出口量長期居全國首位，出口總額占全國一半左右。泉州市是福建省石材工業中心，而泉州市下屬的惠安縣又是最具影響力的石材產業集群。惠安縣目前有2 000多家石材加工廠，大部分以生產石雕為主，石雕制品市場需求旺盛，年增長率超過10%。但從調研惠安共榮石材廠、鼎立石材廠等多家石雕加工企業的現有情況來看，石雕加工企業正面臨以下難題：石雕粗加工以手工制作和單機單工序為主，加工效率低，自動化程度低；現有加工方式產生大量粉塵等污染物，嚴重污染環境及影響操作人員健康狀況，工作環境差，很難吸引人才加入，存在嚴重的人力不足現象；缺乏石雕粗加工數控設備，粗加工階段占據了很大的時間成本。上述問題導致石雕產品價格居高不下，高價石雕市場低迷，嚴重影響石雕行業發展。

結合近年來國內外數控技術和數控設備在石材加工中的應用[1]，本文設計一款鋸切動力頭和擠壓榔頭動力頭組成雙動力頭的全自動化數控加工中心，用于解決石雕加工企業急需粗加工數控設備和高效鋸切技術的現狀。

1 石材粗加工鋸切機設計方案

1.1 結構布局

石材平面浮雕制品越來越受建筑裝飾行業喜愛，主要用于各類裝修、裝飾場合。參考當今石材平面浮雕產品的市場需求來看，主要尺寸結構如表1所示。

表1 石材平面浮雕制品市場主要需求尺寸表

參考表1所示的尺寸需求表，綜合石材平面浮雕制品的加工特點，石材粗加工鋸切機(直線軸X、Y、Z三軸和轉動軸B、C兩軸)采用龍門式的結構布局[2-3]，方便石材的輸料與加工。因石材平面浮雕制品具有長寬尺寸大、厚度小的結構特征，若在切削加工中由工作臺完成進給運動，則在工件自重、主軸部件重力及切削力等作用下，石材極易因脆性高而產生振動和裂紋，嚴重影響加工質量。為了提高石材平面浮雕制品的可加工性能，石材粗加工鋸切機采用工件固定不動的切削模式，形成切削運動的主運動和進給運動均由金剛石圓鋸片完成[4]，其整體結構布局如圖1所示。

石材粗加工鋸切機工作臺固定不動，石材直接放置在工作臺上，靠自身重力實現固定。整體布局結構合理，固定式的工作臺能承受較大的重量，能加工尺寸較大的板材，符合平面浮雕粗加工要求。

1.2 運動方式

石材粗加工鋸切機的功能需求除了邊線成型加工外，通常還要完成凸起、凹坑及曲面成型等工序[5]，且需要適應多種石材(花崗巖、大理石及板石)的加工。結合整體布局圖1，該設備的基本運動形式有：

(1)雙動力頭在橫梁2上的直線運動采用齒輪齒條的傳動方式，形成X軸；橫梁2在床身1立柱上的直線運動采用齒輪齒條的傳動方式，形成Y軸；鋸切動力頭的上下直線運動采用絲杠傳動方式，行成Z軸。

(2)鋸切動力頭下方的金剛石圓鋸片5由電機帶動實現45°以內的偏擺運動，形成轉動軸B軸；圓鋸片5繞Z軸轉動，形成轉動軸C軸；其機構運動簡圖如圖2a所示。轉動軸B軸的擺動能實現圓鋸片的斜向進刀鋸切，較好地解決浮雕深度較小及浮雕邊緣斜面等常見的加工難題。數控系統根據浮雕特點對鋸切加工進行控制，并將各處加工余量鋸切為面積大體一致的小石塊。

(3)擠壓榔頭動力頭采用凸輪傳動，其機構運動簡圖如圖2b所示。對已完成鋸切加工的小石塊進行側向擠壓作用，利用脆性材料的懸臂梁根部斷裂原理去除加工余量，從而達到平面浮雕全自動化粗加工的目的。

1.3 整機主要參數

結合石材平面浮雕市場需求尺寸(表1)，選擇市場需求量較大的浮雕尺寸1 200 mm×1 000 mm×(100～200 mm)作為設計出發點，綜合整體結構布局圖1，確定石材粗加工鋸切機的主要參數如表2所示。

表2 石材粗加工鋸切機主要參數

1.4 整機模態分析

石材粗加工鋸切機屬于裝配體，各部件間存在相互約束作用。雙動力頭與橫梁、橫梁與立柱間因存在滑移，故其接觸關系以定義摩擦系數的方式設置，其余部件關系設置為粘結。影響整機動態性能的關鍵原因應從低階模態信息入手，故提取鋸切機前四階固有頻率，并對其振型進行描述，如表3所示。

表3 整機低階模態頻率及對應振型特征

整機前四階振型特征均與橫梁、立柱有關，隨著頻率的升高，橫梁、立柱產生的彎曲變形越明顯，并伴隨著工作臺的扭轉變形。石材粗加工鋸切機一階模態頻率為89.67 Hz，說明整機動態剛度較好[6]。

2 橫梁部件結構設計及優化

2.1 橫梁部件結構設計

橫梁部件是石材粗加工鋸切機的關鍵部件之一，也是本次設計的核心部件。橫梁的設計應保證梁上部件(雙動力頭)在移動過程中有足夠的空間，滿足互不干涉的要求。因左側動力頭的鋸切加工和右側動力頭的榔頭擠壓加工設計為可同時操作的加工模式，結合較大的橫梁跨度要求，確定其為高架橋式結構，如圖3所示。

橫梁主體尺寸定為2 000 mm×350 mm×250 mm，前方開有50 mm×150 mm的槽。在橫梁前方上下、橫梁頂部均安裝長1 600 mm的導軌用于分散載荷；在橫梁底部兩側留有與Y軸滑座相固定的平面。

2.2 橫梁部件受力分析

橫梁在工作狀態下，除了自身重力和主軸部件的重力外，還要考慮切削開始時及斷續加工中切削反力和沖擊載荷的作用[7]。

橫梁的受力情況簡化為兩點式簡支梁，如圖4所示，橫梁受到的力包括：除了自身重力均勻載荷q外，還受到兩個滑鞍、滑枕、蝸桿箱及其他部件自身的重力mg1和mg2、滑鞍對橫梁的扭矩T1、T2。

橫梁采用鑄造方法成型，材料選擇灰鑄鐵HT300，其力學性能如表4所示。

表4 HT300力學性能

將橫梁按表4數據指派材料，并使用3D四面體網格功能，并將網格大小設置成50 mm對橫梁進行網格自動劃分，劃分后單元總數為4 901個，網格單元為四棱錐結構，劃分網格后的橫梁結構模型如圖5所示。

劃分網格后，根據橫梁部件的裝配結構，對其進行相應的約束設置[8-9]。先將橫梁下端左右側與Y軸滑座相接觸的平面進行固定約束設置；再設置重力方向為圖5所示的YC方向。

2.3 橫梁部件最不利工況分析

由圖4的受力簡圖可以得出，橫梁的受力結構為左右兩端支承的簡支梁結構，橫梁產生變形的主要原因是受到滑鞍、滑枕、蝸桿箱部件的重力、切削力及自身重力的影響。根據石材粗加工鋸切機的整體結構及石材的脆硬物理特征，當左右兩個動力頭同時趨近于橫梁中點時，將出現最不利的加工工況。

(1)載荷分析

橫梁上的集中載荷主要為：除了自身重力外，還受到滑鞍、滑枕、蝸桿箱及主軸部件的重力作用。滑鞍、滑枕材料為45#鋼，蝸桿箱材料為HT150。上述材料的主要力學性能是：45#鋼密度為7 850 kg/m3，HT150密度為7 100 kg/m3。據實體分析可得滑鞍、滑枕、蝸桿箱體積如圖6所示，滑鞍、滑枕部件的體積約為0.010 45 m3，故其質量為82.03 kg；蝸桿箱體積約為0.003 849 m3，可得出滑鞍滑枕部件的質量為27.33 kg。故雙動力頭的滑鞍、滑枕、蝸桿箱質量為218.72 kg。

再根據電主軸的尺寸可得電主軸質量為4 kg，加上橫梁自身重量651.16 kg及滑塊、蝸輪蝸桿、電機等其余部件的重量后，考慮安全因子，可設橫梁上集中載荷大小為10 000 N。

石材鋸切加工時的受力分析如圖7所示，以切削花崗石為例[10-12]，當切削深度5 mm，進給速度40 mm/s，主軸轉速2 400 r/min時，測得最大的水平分力30 N，最大的豎直分力230 N。考慮雙動力頭同時操作加工模式，最不利工況下的切削力總和設定為500 N。

綜上可得，在石材平面浮雕加工遭遇最不利工況時，橫梁上各個部件的質量與切削力產生載荷一共是10 500 N。

(2)有限元分析

在橫梁上加載重力，并在中間400 mm處的正前方加載載荷10 500 N，方向均為YC，使用固定約束固定橫梁底部兩側凸臺，加載后如圖8所示。

加載載荷后進行有限元分析求解，得到位移及應力云圖如圖9所示。

由圖9a可知，Y向最大變形量0.034 3 mm發生在橫梁中央的前方位置，橫梁呈前凸后凹式變形；由圖9b可知，Z向最大變形量0.008 0 mm發生在橫梁上方位置，橫梁呈中間凹兩端翹式變形。由圖9c可知，橫梁中央的前方位置變形量最大，其值為0.036 4 mm。由圖9d可知，在最不利工況的加工中，橫梁受到的最大應力值出現在左右兩側的下方位置(橫梁兩側溜板的彎曲處)，其值為3.577 MPa。橫梁材料HT300的最大抗拉強度300 MPa，遠高于橫梁分析所得出的最大應力值3.577 MPa，假設安全因子a為10，[σb]=Rm/a=30 MPa?3.577 MPa，可得許用強度為[σb]為30 MPa，遠遠高于橫梁承受的最大應力值3.577 MPa，故橫梁的結構設計符合要求。

2.4 橫梁部件結構優化

橫梁部件是石材粗加工鋸切機的關鍵部件，其性能的優劣直接影響整機的加工性能。由于橫梁跨度較大，在保證彎曲變形不增大的前提下，采用輕量化優化方法[13-14]，以減輕橫梁重量，優化整機綜合性能，降低生產成本。

把降低重量、減小變形定義為優化目標函數，將截面改為中空梯形結構[15-16]，并添加斜支撐結構提升整體的穩定性，優化前后的截面結構對比如圖10所示。

結構優化后的橫梁體積約為0.0846 m3，重量約617.58 kg，與優化前的651.16 kg相比，減小了33.58 kg，降低了5.2%。

結構優化后的橫梁在相同的最不利加工工況下進行有限元分析，其位移、應力云圖如圖11所示。

通過對比橫梁設計優化前后有限元分析的位移云圖及應力云圖，可以得出表5的結果。

表5 優化前后對比

通過對比優化前后的位移及應力數據，得到：優化后Y方向最大變形量比優化前減小了14.3%；優化后Z方向最大變形量比優化前減小了21.3%；優化后綜合最大變形量比優化前減小了16.5%；單元最大應力值由優化前的3.577 MPa降為3.320 MPa，減少了0.257 MPa，減小了7.2%。上述數據表明：優化后，橫梁的抗彎強度有了較大幅度的提高，橫梁的整體性能得到了較好的改善。

3 結語

該設計方案達到了高效全自動化粗加工目的。

(1)圓鋸片除了垂直切入外，鋸切動力頭在主軸電機帶動下能實現左右45°的偏擺運動，用于45°范圍內的斜向進刀鋸切，解決石材平面浮雕深度較小、曲面特征較復雜、邊緣傾斜面及短梁部分等常見的加工難題。

(2)擠壓榔頭動力頭對已完成鋸切的小石塊進行側向擠壓加工，利用石材脆性較大的物理特征實現小石塊的根部斷裂，達到余量去除目的，從而實現石材平面浮雕高效全自動化粗加工的效果。

(3)石材粗加工鋸切機整機模態分析表明：整機動態特性良好。對整機關鍵部件——橫梁進行了結構分析，利用有限元分析法驗證了其整體性能，并應用輕量化方法進行優化設計，優化后的橫梁部件重量減小了5.2%，最大變形量減小了16.5%，最大應力值減小了7.2%。結果表明，優化后的橫梁部件在最不利加工工況下具有更好的綜合力學性能。