王征,宋月鵬*,柳洪潔,高東升,樊桂菊,陳修德,徐保巖

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安271018

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山東泰安271018

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018

臺(tái)式小板件倒角機(jī)的研制與試驗(yàn)

王征1,宋月鵬1*,柳洪潔2,高東升3*,樊桂菊1,陳修德3,徐保巖1

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東泰安271018

2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山東泰安271018

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018

對(duì)用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品制造的鉚、焊小板件的邊棱倒角加工，傳統(tǒng)方式是采用砂輪打磨，費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大且倒角不規(guī)整。為提高鉚、焊小板件的倒角加工質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種臺(tái)式小板件倒角機(jī)。采用電機(jī)帶動(dòng)主軸，主軸上安裝銑刀，通過調(diào)節(jié)靠板、墊板及墊塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)銑削量的調(diào)節(jié)；還可以根據(jù)用戶倒角規(guī)格及種類要求更換銑刀。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，且工作穩(wěn)定，滿足鉚焊小板件倒角加工的需要，提高了加工效率和質(zhì)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

小板件;臺(tái)式倒角機(jī);研制

鋼件腐蝕是一種極為嚴(yán)重和常見的失效形式，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界每年因腐蝕而損壞的金屬制件約占其產(chǎn)量的10%，因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約為當(dāng)年GDP的3%～4%。若采用有效的防腐蝕措施，全國每年至少可以挽回約4千億元的腐蝕損失[1,2]。農(nóng)業(yè)機(jī)械工作條件比較惡劣，腐蝕失效情況更為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)由于銹蝕損壞導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械更新所花費(fèi)的費(fèi)用約占更新費(fèi)用的40%[3]，其中板類小件如加強(qiáng)板、連接板及各種支板和方、圓法蘭等極易發(fā)生腐蝕失效，成為影響農(nóng)業(yè)機(jī)械壽命的主要問題。分析原因主要在于兩方面，一是板件邊棱尖角處涂裝效果差[4]，二是板件邊棱尖角處易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致板件斷裂[5]。由此可見，對(duì)板類小件進(jìn)行邊棱倒角，以提高其涂裝效果，進(jìn)而提高其耐腐蝕性，顯得極為重要。

板類小件倒角的傳統(tǒng)工藝，一般是用手提角向磨光機(jī)對(duì)邊棱打磨，由于工件小不易固定，倒角質(zhì)量差，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作不安全[6,7]。除此之外，如用刨邊機(jī)、銑邊機(jī)及智能自動(dòng)倒角機(jī)等進(jìn)行加工，成本高，質(zhì)量也難以保證[8,9]。因此，研發(fā)一種簡(jiǎn)易、專用的臺(tái)式小板件倒角機(jī)，提高小板件（＜300×300×30 mm）倒角的加工質(zhì)量，對(duì)于提升農(nóng)業(yè)裝備的制造質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

1 倒角機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

倒角機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、銑刀、刀罩、可換墊塊、調(diào)整墊板、托板和靠板等。電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)架下方，其輸出軸通過套筒和鍵與銑刀7、10連接。托板2和靠板3分別通過沉頭螺栓和調(diào)整螺栓固定于機(jī)架臺(tái)面上，靠板位于托板內(nèi)側(cè)、主軸的前面。靠板前后可調(diào)，以控制銑刀的一次銑削量?？堪搴屯邪灞砻嬖O(shè)有溝槽，以提高其剛度[10]。

圖1 臺(tái)式小板件倒角機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of small desktop chamfering machine for small pieces

工作時(shí)，被加工的小板件18置于托板之上，沿著靠板與托板橫向滑移，經(jīng)銑刀銑削，板件邊棱即形成規(guī)則的倒角。通過更換墊塊8或墊板11，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚度板件和不同角度倒角的加工。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

2.1 電機(jī)選型

按板件上、下棱同時(shí)銑削成4×4 mm倒角時(shí)計(jì)算所消耗的功率，設(shè)工件進(jìn)給速度Vf=600 mm/min，刀具直徑Dc=φ63 mm，切深ap=2.828 mm，切寬ac=5.656 mm，每刃進(jìn)給fz=0.05 mm。銑削材質(zhì)為非淬火的低合金鋼，銑刀厚度6 mm，工作過程中參與切削的刀刃約占67%（倒角的切口長/刀具每刃的長度）[11]。經(jīng)過計(jì)算，臺(tái)式小板件倒角機(jī)銑削過程中消耗的功率約為1.25 kW，圓周切削力為125 N，逆銑走刀抗力150 N，總切削力為275 N，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8.66 N·m，所需功率最低為1.27 kW。

由此，查閱相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，擬匹配YLJ112-10-4型電動(dòng)機(jī)，其輸出扭矩為10 N.m，轉(zhuǎn)速為1400 r/min，功率1.5 kW。

2.2 主軸設(shè)計(jì)

為使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，電動(dòng)機(jī)輸出軸與主軸采用鍵連接，即主軸一端車螺紋，用以緊固銑刀；另一端為軸套（開鍵槽）和鍵與電動(dòng)機(jī)輸出軸連接，并用螺栓將軸套與電動(dòng)機(jī)輸出軸緊固，為避免輸出軸從軸套中滑脫。

銑削過程中，主軸上產(chǎn)生扭矩載荷（圖2），經(jīng)估算，主軸的額定扭矩T1為10.23 N.m，工作扭矩T2為8.66 N.m，主軸材質(zhì)選擇45鋼調(diào)質(zhì)，材料的剪切許用應(yīng)力[τ]=60 MPa，G=80 GPa，許用扭轉(zhuǎn)角[j]=1°/m。利用機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理，對(duì)主軸AB段進(jìn)行設(shè)計(jì)，其直徑φ為10.25 mm。主軸AB段與銑刀內(nèi)孔通過鍵連接配合，選用的標(biāo)準(zhǔn)銑刀內(nèi)徑φ為21.5 mm，大于主軸AB段的設(shè)計(jì)直徑φ10.25 mm，因此主軸尺寸結(jié)構(gòu)完全滿足使用要求。

圖2 主軸結(jié)構(gòu)及其扭轉(zhuǎn)受力分析Fig.2 Structure and torsional stress analysis for spindle

采用ANSYS軟件對(duì)主軸工作過程進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬仿真，邊界條件為：主軸工作扭矩為8.66 N.m，材質(zhì)為45鋼調(diào)質(zhì)，剪切許用應(yīng)力[τ]=60 MPa，G=80 GPa，結(jié)果如圖3所示。

圖3 主軸工作過程中扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布模擬Fig.3 Simulation of torsional stress and strain distribution for main shaft in working

模擬結(jié)果，主軸上A部位肩根部所受扭矩最大，為7.7427 N.m，此處的剪切應(yīng)力為2.47 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用剪切應(yīng)力[τ]=60 MPa，由此可以認(rèn)為，主軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及材料選擇是合理的。

3 調(diào)試與試驗(yàn)

3.1 銑刀安裝與調(diào)整

主軸上安裝有兩片銑刀，通過緊固螺母和彈簧墊圈緊固連接，可對(duì)板件的上、下兩個(gè)邊棱同時(shí)進(jìn)行銑削；在上、下兩片銑刀之間更換不同厚度的墊塊，即改變兩片銑刀間的距離，以滿足工件厚度或銑削深度變化的需要。主軸上也可以只安裝一片銑刀，只對(duì)板件的一個(gè)邊棱做倒角處理。

銑刀可選用直角銑刀也可選用圓角銑刀[13]，在下銑刀的下面裝有墊片，更換不同厚度的墊板，可改變銑刀與工作臺(tái)面的相對(duì)高度。因此，通過更換銑刀的種類、規(guī)格，以及不同厚度的墊片，即可改變板件邊棱的加工類型（直角或圓角）或加工參數(shù)，如圖4所示。

圖4 銑刀倒角原理圖Fig.4 Schematic principle of milling cutter chamfering

3.2 銑削量調(diào)整

一次銑削量的大小，可通過調(diào)整靠板的位置來確定?？堪辶逦挥谥鬏S的前方，靠近托板的內(nèi)邊沿，并與托板垂直。通過調(diào)整靠板的前后位置，可以改變銑刀外露尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)銑刀一次銑削量大小的調(diào)節(jié)，如圖5所示。

圖5 靠板位置調(diào)整Fig.5 Position adjustment for backup board

3.3 試驗(yàn)及驗(yàn)證

在倒角加工過程中不需要夾具，工件只需用手在適當(dāng)位置按住并沿靠板立板向前推移即可。但用力的方向?qū)Φ菇羌庸さ馁|(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定影響，譬如力用矢量F表示、分別向托板和垂直于托板與靠板立板的平面投影，得到F在水平面內(nèi)與靠板立板的夾角為θ、在垂直平面內(nèi)與托板的夾角為β，如圖6所示。

圖6 板件受力方向Fig.6 The force direction of the plate

用規(guī)格為150×150×20 mm的Q235板件做實(shí)驗(yàn)，在施加的外力F不變的情況下，改變?chǔ)屡cθ（圖6），倒角質(zhì)量如表1所示。

表1 β、θ對(duì)倒角質(zhì)量的影響Table 1 The effect of β and θ on the chamfering quality

分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)β≈30°、θ≈45°時(shí)，可以獲得較高的倒角質(zhì)量與倒角效率，倒角表面粗糙度度可達(dá)Ra6.3。

圖7 倒角機(jī)及倒角實(shí)樣Fig.7 Chamfering machine and chamfering samples

4 結(jié)論

（1）該機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率小、易操作且制作成本低廉。

（2）通過倒角限位板的簡(jiǎn)單調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)小板件邊棱不同尺寸、不同角度的圓角、直角的倒角。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，倒角質(zhì)量能夠滿足一般鉚焊板件的倒角要求。

[1]中國工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會(huì).第六次全國會(huì)員代表大會(huì)暨六界一次理事擴(kuò)大會(huì)紀(jì)[EB/OL].[2010-05-30].http://www. ciata.org.cn/hzxx/hydh/6th/dhiy.html

[2]杜元龍.金屬的腐蝕與防護(hù)技術(shù)[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1997,18(2):1-2

[3]王廣揚(yáng).農(nóng)業(yè)機(jī)械的腐蝕與防護(hù)[J].糧油加工與食品機(jī)械,1979,10(8):56-57

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Development and Experiment of Desktop Chamfering Machine for Small Pieces

WANG Zheng1,SONG Yue-peng1*,LIU Hong-jie2,GAO Dong-sheng3*,FAN Gui-jü1,CHEN Xiu-de3,XU Bao-yan1
1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering;ShandongKeyLaboratoryof GardenMachineryandEquipment/Shandong AgriculturalUniversity,Tai’an271018,China
2.College of Animal Science and Technology/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China
3.College of Horticulture Science and Engineering/Shangdong Agricultural University,Tai’an 271018,China

According to the edge production for rivet or weld plates of agricultural products,the manual grinding has been always used.The traditional way will produce some defects such as time-energy-consuming,labor-intensive and inferior quality.A small piece of desktop chamfering machine was designed and developed to solve the problems.The working characteristics of device was listed as follows:main spindle with milling cutter rotated with electromotor driving;mill amount was adapted by adjusting the position of backup plate,subplate or subblock;specification and types of edge chamfering from user requirements would meet by changing milling cutter.Furthermore,the equipment has other features: simple construction,easy operation,stable working,high quality and efficiency,low labour intensity and so on.

Small pieces;desktop chamfering machine;development

TG68

A

1000-2324(2016)06-0885-04

2016–04–01

2016–05–19

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GGX102012);山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系—果品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(SDAIT-06-12);山東農(nóng)業(yè)大學(xué)2015年智能化農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)項(xiàng)目

王征(1975-),男,在讀碩士,從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究.E-mail:intswangzheng@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.Email:uptonsong@163.com;dsgao@sdau.edu.cn