余敏文，王淑花，秦寶榮，蔡 歡，劉 江

(浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省特種裝備制造與先進加工技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310014)

雙軸切割機床龍門機架的設(shè)計與研究

余敏文，王淑花，秦寶榮，蔡 歡，劉 江

(浙江工業(yè)大學(xué) 浙江省特種裝備制造與先進加工技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310014)

設(shè)計了陶粒混凝土砌塊切割機床，在切割不同規(guī)格砌塊時，機床不需拆裝。利用ANSYS Workbench 工具建立機床的有限元模型，通過分析得到龍門機架的最大應(yīng)力、變形及其分布情況；對其進行模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的振動特性，以驗證龍門機架的使用性能和砌塊切割的穩(wěn)定性，為雙軸切割機床的龍門機架設(shè)計提供進一步的理論依據(jù)。

雙軸切割機床；龍門機架；有限元模型；ANSYS Workbench

陶粒砌塊由陶粒、膠凝材料、水及一定的外加劑組成，與傳統(tǒng)砌塊相比，陶粒砌塊具有質(zhì)輕、保溫、隔音及耐熱等特點[1]。砌塊成型采用模具制型再經(jīng)鋸片切割，與傳統(tǒng)砌塊成型相比，其適宜成批大規(guī)模生產(chǎn)。雙軸切割機可以加工兩種規(guī)格砌塊，與傳統(tǒng)的單軸切割機相比，具有方便切割的優(yōu)點。切割過程中鋸切阻力對橫梁、立柱組成的龍門機架有較大影響，而龍門機架發(fā)生顯著變形時，對機器的幾何精度、定位精度和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響[2]。因此，需對龍門機架進行結(jié)構(gòu)分析和改進，以提高最終的砌塊質(zhì)量。

1 雙軸切割機床的設(shè)計與建模

1.1雙軸切割機床的設(shè)計

在生產(chǎn)過程中，要切割兩種不同規(guī)格砌塊，傳統(tǒng)的方式主要是運用多條生產(chǎn)線分別生產(chǎn)或采用單條生產(chǎn)線交替生產(chǎn)。多條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)不同規(guī)格的砌塊，但投入成本較高；而單條生產(chǎn)線在生產(chǎn)另一種規(guī)格的砌塊時，需要對切割鋸軸的組件進行更換，操作繁瑣，費時費力。

針對單條生產(chǎn)線，本文設(shè)計出一種新的龍門機架結(jié)構(gòu)，將兩套不同規(guī)格鋸切系統(tǒng)安裝在龍門機架兩側(cè)，當(dāng)加工其中一種規(guī)格的砌塊時，只需讓該規(guī)格的鋸切機進入工作狀態(tài)，實現(xiàn)砌塊的切割；當(dāng)需要加工另一種規(guī)格的砌塊時，讓另一組鋸切系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，實現(xiàn)砌塊的切割。與多條生產(chǎn)線方案相比，單條生產(chǎn)線就能實現(xiàn)兩種規(guī)格砌塊的生產(chǎn)，具有低成本的優(yōu)點；與傳統(tǒng)單條生產(chǎn)線相比較，則具有高效省力的優(yōu)點，生產(chǎn)時不需要進行切割機部件的拆裝、更換。

1.2雙軸切割機床的總體模型建立

在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，對雙軸切割機床進行總體建模。

圖1為雙軸切割機床總體三維模型，由龍門機架1和2組鋸切系統(tǒng)2,3組成。將鋸切系統(tǒng)分別安裝在龍門機架的前后兩端，可沿龍門立柱上下移動，實現(xiàn)鋸切機進入或脫離工作狀態(tài)。

龍門機架1由左右立柱和橫梁組成，鋸軸系統(tǒng)2,3由切割軸系統(tǒng)和驅(qū)動電機組成。

左右立柱的前后兩端面設(shè)計成可供鋸切系統(tǒng)上下滑動的導(dǎo)軌，由絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)鋸切系統(tǒng)的升降，橫梁上安裝有驅(qū)動鋸切系統(tǒng)升降的電機。根據(jù)要求，需將規(guī)格為1 300mm×200mm×600mm的毛坯，加工成為200mm×200mm×600mm(規(guī)格1)和240mm×200mm×600mm(規(guī)格2) 2種規(guī)格的砌塊。鋸切系統(tǒng)3由11個鋸片、鋸軸、支承座和驅(qū)動電機組成，安裝在龍門機架前面導(dǎo)軌上，用于加工規(guī)格1砌塊；鋸切系統(tǒng)2由6個鋸片、鋸軸、支承座和驅(qū)動電機組成，安裝在龍門機架后面的導(dǎo)軌上，用于加工規(guī)格2砌塊。

2 龍門機架的受力情況

2.1鋸切力分析

龍門機架的受力主要來自身重力和鋸切系統(tǒng)工作時的反作用力。鋸切系統(tǒng)在切割過程中所受到的鋸切總力，是指在切割過程中產(chǎn)生的作用在混凝土砌塊和鋸片上的大小相等、方向相反的切削力，而作用在鋸片上的作用力可分解為切向力和法向力，如圖2所示。

金剛石圓鋸片切割石材過程中受力公式[3]如下：

法向力

(1)

切向力

Fti=P/vs

(2)

式中:μ1/μ為工件樣品的硬度均值相對于整體的硬度均值的變化，理論上硬度均勻，因此取μ1/μ的比值為1；ε為工件的參數(shù)，根據(jù)Mamalis[4]的大量數(shù)據(jù)分析，其取值為0.6；k為比例系數(shù)，k[C1]γ=61N/mm2；i為第i個鋸片；根據(jù)模型建立過程中參數(shù)的設(shè)定，鋸片寬度b=9mm，鋸片切割深度a=200mm，圓鋸片的直徑ds=800mm;根據(jù)生產(chǎn)需要，選擇功率P=45kW，轉(zhuǎn)速n1=479r/min的電機，從而切割速度vs=πdsn=20m/s；根據(jù)生產(chǎn)廠商的要求進給速度vf=10mm/s。帶入式(1)、(2)得到：Fni=6 967.37N，F(xiàn)ti=2 250N。

對于單個鋸片，其法向力與切向力可分解為y方向和z方向的力，分解得到Fy=1 535.13N，F(xiàn)z=7 158.92N。

鋸切系統(tǒng)3由11個鋸片等組成，工作過程中龍門機架受力較大，所以本文對鋸切系統(tǒng)3工作時的受力情況進行分析。

當(dāng)鋸切系統(tǒng)3的11個鋸片組成的鋸片組工作時，根據(jù)單鋸片受力情況，得到鋸片在y和z方向的合力:

(3)

2.2重力與鋸切力耦合

龍門機架各部件的自身重力如下:裝有11個鋸片的鋸片組的重力G1=13 500N；裝有6個鋸片的鋸片組的重力G2=11 000N；鋸罩與橫梁部分的重力G3=20 457N；電機重力G4=4 050N。

由于龍門機架各部件質(zhì)量較大，在分析受力時，需考慮重力對結(jié)構(gòu)的影響，將重力與鋸切力進行耦合，得到龍門機架各部分的受力情況，如圖3所示。

左右立柱上，前支承墊板y方向的受力F=Fy1/2=8 443.22N，支承座與支承墊板的接觸面積S0=119 600mm2，電機重心與支承墊板之間的距離d=0.27m，電機工作產(chǎn)生的扭矩T=9 550×P/n=897.2N·m。

左立柱受力情況：如圖3所示，前支承墊板受到鋸切力與重力作用，其耦合得到的合力對支承墊板產(chǎn)生壓力P1和向下力F1。

(4)

后支承墊板僅受到鋸片組重力作用

F11=G2/2=5 500N

(5)

右立柱受力情況：如圖3所示，前支承墊板受到鋸切力與重力作用，其耦合得到的合力對支承墊板產(chǎn)生壓力P2和向下力F2，電機對支承墊板產(chǎn)生的作用力F3和彎矩M3，其中M3為重力產(chǎn)生彎矩G4d與電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的扭矩T的合矩。

(6)

后支承墊板受到鋸片組的重力產(chǎn)生作用力F22，電機重力產(chǎn)生作用力F4和彎矩M4。

(7)

橫梁受力情況，如圖3所示，只受到鋸罩與橫梁自身重力所產(chǎn)生的作用力F5:

F5=G3=20 457(N)

(8)

3 龍門機架的結(jié)構(gòu)分析

3.1有限元模型建立

將SolidWorks軟件建立的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境中，其中左右立柱和橫梁等部件的材料為HT300，軸類零件的材料為45鋼，材料屬性見表1。

對立柱部分，包括支承墊板、升降裝置和立柱等，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)選擇不同的Sizing和Method，進而進行網(wǎng)格的劃分。龍門機架的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為265 168，單元數(shù)量為143 876，其有限元模型如圖4所示。

3.2靜態(tài)分析

對龍門機架施加載荷和約束，仿真求解后得到相應(yīng)的變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖5，6所示。

由圖5可知，鋸切過程中龍門機架在鋸切作用力和各部分自身重力的綜合作用下，變形最大區(qū)域出現(xiàn)在支承墊板靠近鋸片部分的邊緣處和橫梁中心部分處，并且最大變形為0.046mm，此變形在鑄造加工精度允許范圍內(nèi)。

由圖6可知，應(yīng)力最大部分在支承墊板與立柱接觸部分的下邊緣處，其最大應(yīng)力值為5.8MPa，立柱和支承墊板的材料為HT300。材料HT300的最小抗拉強度為σb=300MPa，機械設(shè)計中零件的強度安全系數(shù)η取1.5，則可得到材料HT300許用應(yīng)力[σ]=σb/η=200MPa，顯然龍門機架的強度滿足要求。

3.3動態(tài)特性分析

動態(tài)特性分析是指動力學(xué)的模態(tài)分析，一般包括結(jié)構(gòu)的振型、自振頻率等，采用特征值分析方法，從而得到結(jié)構(gòu)的固有頻率及相應(yīng)的振型等，并對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況進行控制[5]。在加工過程中，龍門機架振動引起鋸片軸的振動，加劇鋸片的磨損，從而影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。通過對龍門機架的動態(tài)特性分析，找出加工過程機架振動的原因，采取相應(yīng)的措施，從而提高整個機床加工精度和使用壽命。

為了減少龍門機架的振動，需避免龍門機架的固有頻率與外激振力的頻率相同或相近。結(jié)構(gòu)的每階固有頻率對應(yīng)一個固有振型，一般外激頻率不高[6]，因而提取模態(tài)分析中前六階固有頻率與振型，在ANSYSWorkbench環(huán)境中對龍門機架進行模態(tài)分析。

對有限元模型添加約束和求解項設(shè)置后進行求解，得到立柱的前六階固有頻率與振型，見表2。

切割機床中減速電機的功率為45kW，頻率為9Hz左右。對比表2中的龍門機架各階頻率，電機工作頻率小于龍門機架各低階頻率，故整個龍門機架不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文對設(shè)計的雙軸切割機床的龍門機架結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，通過ANSYS有限元分析法對龍門機架進行靜態(tài)分析，分析結(jié)果顯示，滿足企業(yè)的要求；對龍門機架進行動態(tài)分析，得到其各階頻率遠(yuǎn)高于電機的工作頻率，龍門機架工作不會發(fā)生共振現(xiàn)象，驗證了設(shè)計的合理性。本文的研究，為龍門機架的設(shè)計提供了一套完整的、系統(tǒng)的方法，分析得到的數(shù)據(jù)為設(shè)計優(yōu)化提供了詳盡的參考依據(jù)，可有效縮短龍門機架的開發(fā)周期。為了取得更好的實用效果，需將本文中的分析結(jié)果與實際樣機的工作情況進行對比，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，減少與實際工作的誤差。

[1] 吳敬文，季韜，羅蜀榕，等. 陶粒混凝土砌塊孔型優(yōu)化研究[J]. 墻材革新與建筑節(jié)能,2009(4): 32-35.

[2] 任利利.大型龍門機床關(guān)鍵部件及整機靜動態(tài)特性分析[D].長春:長春工業(yè)大學(xué),2012.

[3] 周燦豐，張寶生，曹建樹，等. 鋸切力仿真與鋸切參數(shù)選擇[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2002(5): 45-47.

[4]MamalisAG,SchulzeR,TonshofHK.Theslottingofblocksofhardrockwithadiamondsegmentedcircularsawblade[J].IndustrialDiamondReview, 1979(45): 254-258.

[5] 趙揚.基于有限元技術(shù)的龍門機床結(jié)構(gòu)動靜態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計[D].長春：長春工業(yè)大學(xué),2012.

[6] 溫?zé)?，張?門式啟閉機的有限元模態(tài)分析[J].科技信息,2010(28): 105-106.

Design and research of the portal frame of dual-axis cutting machine

YU Minwen, WANG Shuhua, QIN Baorong, CAI Huan, LIU Jiang

(Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou, 310014, China)

It designs the cutting machine of ceramic concrete block, which can cut the different specifications of block machine without disassembly. It establishes the finite element model in Ansys Workbench tool, obtains the maximum stress, deformation and distribution of the portal frame. Based on above analysis results, it obtains vibrational feature of structure, verifies the stability of the portal frame. This provides further theoretical basis for the portal frame design of dual-axis cutting machine.

dual-axis cutting machine tool; portal frame; finite element model; Ansys Workbench

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.01.008

2014-11-20

余敏文(1988—)，男，湖北廣水人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計及理論。

TH122

A

2095-509X(2015)01-0033-04