何瑋，李萬祥(蘭州交通大學.藝術設計學院;.機電工程學院，蘭州730070)

立方體工件六個表面全自動切削機床的設計*

何瑋a，李萬祥b
(蘭州交通大學a.藝術設計學院;b.機電工程學院，蘭州730070)

現(xiàn)有立方體保溫絕熱材料應用廣泛，而對其切削處理需分別采用三臺機床獨立加工，分三道工序對上下、左右和前后六個表面進行，過程繁瑣、效率低下、人工參與較多且安全得不到保證。針對上述問題，進行綜合設計和改進，經過優(yōu)化設計的全自動切削機床，采用流水線工序全面實現(xiàn)工件的夾持、運送和翻轉的全自動控制。重點設計了翻轉裝置和夾持裝置，同時用ANSYS Workbench對關鍵零部件夾持板和軸進行有限元分析，結果表明其強度和應變均滿足設計要求。該組合切削機床用于立方體工件六個表面全自動加工，工作范圍大、生產效率高、環(huán)境污染小、有效確保整個加工過程的安全性。

立方體工件;切削加工;全自動機床;翻轉機構

0 引言

對于像無機保溫絕熱材料等多孔、較脆的立方體工件六個表面(上下、左右和前后)的切削加工，現(xiàn)有的加工工序一般將工件放在手推小車上，向前推動小車，高速轉動的鋸片銑刀就會切去工件兩側多余的材料，手動轉動工件90°后，切削其余兩側面，加工完四個側面后，將工件平放，推動小車前進，分別加工上下兩個表面。為了確保所需面足夠平整，最后還要用滾刀銑削加工表面，每道工序只能加工一個或者兩個表面，各工序間都需要人工手動參與操作，危險系數(shù)大、勞動強度高、效率低下，工件精度很難保證，并且防塵效果差、環(huán)境污染嚴重、噪聲危害很大［1-4］。

為此，設計采用專業(yè)流水線工序，工件的夾持、運送和翻轉均實現(xiàn)了全自動控制，使用工作范圍增大，生產效率顯著提高，整個加工過程更加安全、可靠［5-6］。

1 設計方案

1.1 整體方案設計

立方體工件六個表面全自動切削機床的整體結構主要由傳送機構、切削機構、翻轉機構和夾持機構等構成(如圖1所示)。

圖1 立方體工件六面全自動切削機床結構示意圖

按照流水線前后順序，依次裝備上游切削裝置、翻轉裝置和下游切削裝置。上游切削裝置及下游切削裝置分別包括用于夾緊立方體工件的切削夾持機構、用于切削立方體工件上表面及兩個側面的切削機構;工件經過上游切削裝置切削上表面及兩個側面后，經翻轉裝置翻轉180°，輸送至下游切削裝置，切削下表面及兩剩余側面。

上游切削裝置與下游切削裝置呈垂直分布，其切削機構包括用于銑削工件上表面的銑削裝置以及鋸削工件兩側面的鋸削裝置。上游切削裝置及下游切削裝置的機架底部兩側設有排料裝置，可以及時方便地運送切削廢料，避免堆積形成二次污染。

翻轉夾持機構包括用于夾持工件的左夾持板及右夾持板，分別固定連接于移動軸和主動轉軸之一上，其板面平行設置［7-8］。移動軸與主動轉軸采用同軸設置，移動軸相對主動轉軸可軸向移動而不相互轉動的導向鍵槽連接;工件夾緊機構，包括主動絲杠、主動絲杠與移動軸和主動轉軸平行設置;連接板與主動絲杠配合的螺母固定連接，與移動軸軸承連接;主動絲杠轉動帶動固定連接于螺母上的連接板移動，帶動移動軸軸向移動，固定連接于移動軸上的左夾持板、右夾持板隨之移動，兩夾持板之間的距離變化實現(xiàn)工件的放松或夾緊。

翻轉機構包括主動轉軸和移動軸，主動轉軸連接電機帶動移動軸轉動，帶動連接于主動轉軸以及移動軸上的左夾持板與右夾持板隨之轉動，實現(xiàn)翻轉。

1.2 工作流程設計

立方體工件六個表面全自動切削機床的工作流程(如圖2所示)。

圖2 切削機床的工作流程圖

工件隨傳送機構前進，通過檢測裝置檢測到工件，電動機通過鏈傳動帶動小車前行，進入夾持裝置，沿軌道方向自動夾緊，這樣不影響兩側面的加工。通過帶傳動帶動盤銑刀粗銑工件的上表面，小車繼續(xù)前進，機架兩側的鋸片加工兩個側面，之后，再用滾刀精銑上表面，在此過程中小車保持勻速直線運動，此時，立方體工件3個表面已經加工完成。運動到一定位置時，通過檢測，小車停止，在接下來的位置安裝了翻轉機構，將工件夾緊并翻轉180°，此時小車沿與原路線成90°的方向繼續(xù)運動，加工下底面及左右兩側面，加工方法與前面加工過程相似。為了確保安全，整個機床用龍門架罩住，安裝鋼化玻璃便于觀察加工進程，同時在機架的底部兩側設計了排料裝置，將廢料自動收集并排出，省去了工人用鐵锨將廢料鏟到推車上再運走的麻煩，減少了人力和物力，提高了生產效率，同時避免了環(huán)境二次污染。

1.3 翻轉裝置設計

自動翻轉裝置包括基座、夾持機構及翻轉機構(如圖3所示)?；魏凸潭ǚD體、夾持體。夾持機構包括左夾持板和右夾持板，左夾持板與移動軸連接，右夾持板與主動轉軸連接，兩軸同軸設置。主動轉軸和移動軸的連接端的側面上加工有導向鍵槽，實現(xiàn)移動軸相對主動轉軸可軸向移動但不相對轉動，保證在翻轉過程中準確、可靠、穩(wěn)定的技術要求［9］。翻轉機構通過控制系統(tǒng)檢測工件是否按照預期被放入到小車固定位置。達到指定位置時，翻轉動力停止;夾持動力觸發(fā)啟動，松開夾持板到固定位置，再次由翻轉動力帶動翻轉體回到初始位置，等待執(zhí)行下一次重復運動，實現(xiàn)工件的精確翻轉，如此往復。

圖3 翻轉裝置結構示意圖

1.4 夾持裝置設計

移動工件夾持裝置包括用于放置工件并可移動的小車。小車的一端設有用于工件定位的構件，另一端通過彈簧連接主動連桿的一端;彎曲導軌沿小車行進方向設置，在兩端部向上的限位折彎，主動連桿一端設置滾輪，滾輪置于折彎導軌底部;轉動夾持機構，主動軸固定連接有主動齒輪和主動連桿的一端;從動軸固定連接從動齒輪和一個擺桿;擺桿偏離小車側面的角度小于折彎導軌的限位折彎的折彎角度。折彎導軌為一體成型的角鋼，限位折彎的折彎角為30o，，擺桿偏離小車側面的角度為20°。從動軸上固定連接有兩個擺桿，兩擺桿以小車沿輸送流水線方向的中心對稱設置［10］。通過鏈輪的傳動，小車在行進過程中，實現(xiàn)對工件材料的夾緊(如圖4所示)。

圖4 夾持裝置結構示意圖

該自動翻轉機構原理簡單、結構緊湊、控制精度高，符合設計的各項要求。該立方體工件六面全自動切削機床創(chuàng)新性采用齒輪配合傳動和角鋼軌道限制實現(xiàn)對工件材料切削加工過程中的自動夾持;采用針輪擺線式減速機和新型的結構設計實現(xiàn)對工件材料切削加工的自動翻轉;采用機電與控制裝置實現(xiàn)對工件材料六面粗精切削加工的自動化、流水線化。將六個表面的粗、精加工在同一道工序中完成，通過檢測裝置檢測，工件在前行適當位置被夾緊，先粗銑工件的上表面和前后兩個側面，再精銑上表面，然后通過檢測裝置檢測小車到位后停止，翻轉裝置將工件夾緊并翻轉180°，繼續(xù)加工工件的下底面及左右兩側面。整個過程不用手工參與操作，生產效率相對現(xiàn)有手工加工方式大幅度提高，同時大大減輕了工人的勞動強度。

2 主要零部件設計與分析

2.1 夾持板設計

夾持板是翻轉裝置中的核心零件，這里夾持板材料選用Q235-A，質量為2.65kg，其彈性模量為2.1× 1011N/m2，泊松比為0.28，密度為7800kg/m3，屈服強度為2.2059×108N/m2。根據(jù)參數(shù)計算處理，其應變分析結果中可知最大應變值為0.734mm(如圖5所示)。

圖5 應變分析

應變最值及發(fā)生位置分析結果如表1所示。

根據(jù)參數(shù)和計算處理，所檢測到最低安全系數(shù)為1.1256，表明該零件在使用過程中符合工作要求，為合格零件。

表1 位移分析結果

2.2 軸的設計與分析

翻轉裝置中的轉動軸根據(jù)軸向定位和周向定位要求，進行設計和優(yōu)化分析，得到階梯軸(如圖6所示)。

圖6 軸的結構

轉動軸材料選用45號鋼，質量為3.72kg，彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.28，密度為8100 kg/m3，屈服強度為3.55×108N/m2。根據(jù)上述參數(shù)計算處理，其應變分析結果中可知最大應力值為1.209 ×108N/m2(如圖7所示)。

圖7 應力圖解

其應力最值及發(fā)生位置分析結果如表2所示。

表2 應力分析結果

轉動軸位移分析結果中可知最大應變值為1.983 mm(如圖8所示)。

圖8 應變圖解

應變最值及發(fā)生位置分析結果如表3所示。

表3 位移分析結果

根據(jù)上述參數(shù)和計算結果，所檢測到的最低安全系數(shù)為2.1236，說明該零件在使用過程中符合工作要求，為合格零件。

3 零部件的選型及設計計算

已知大帶輪的直徑D=150mm，帶傳動效率η1= 0.95，輸出有效力約為F=100N，翻轉軸的轉速為n= 7.5r/min，在室內常溫下長期連續(xù)工作，環(huán)境有灰塵，電源為三相交流，電壓380V。

按照工作條件和基本要求，選用三相籠型異步電動機，封閉式結構，電壓380V，Y型。Y系列電動機具有高效、節(jié)能、起動轉矩高、噪音低、振動小、運行可靠、壽命長等優(yōu)點。電動機容量和安裝尺寸符合IEC標準的要求。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為IC0141，工作方式為SI。

根據(jù)電動機工作功率選擇電動機容量

則小帶輪的速度v1=0.12m/s

因此

故可選用擺線針輪減速三相異步電動機。根據(jù)容量和轉速，綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、價格，可選定電動機型號為Y100L1-4，其主要性能中額定功率2.2kW，滿載轉速為1420r/min，額定轉矩2.2N·m。

4 結束語

研究結果表明，該立方體工件六個表面全自動切削機床設計顯著縮短保溫材料的切削加工時間，提高切削效率，降低保溫隔熱材料的加工制作成本，減少粉塵污染。對社會可持續(xù)發(fā)展，倡導低碳生活和提升我國在相關產業(yè)的核心競爭力具有積極的促進作用。該切削機床的核心機構—自動翻轉機構的工作原理，可推廣用于類似機床的設計。

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(編輯李秀敏)

Design for Automatic Cutting Machine Tools on Six Sides of Cubic Work Pieces

HE Weia，LI Wan-xiangb
(a.School of Art and Design;b.School of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

The existing cube thermal insulation material is w idely used.The cutting treatment of these materialneed independentprocessing by using three machine tools.Three processing procedures are performed on six cube surfaces involving up and dow n，left and right，as well as front and rear.The present cutting process is complicated，inefficient，much labor force participation and no security guaranteed.Therefore，comprehensive design and improvement w as proposed aiming at these problems in this paper.The optimized design of automatic cutting machine applied pipe lining procedure to achieve full-automatic control of w ork piece clamping，conveying and rolling-over.This design focused on the turnover units and holding devices.The finite-element analysis for key components，clamping plates and shafts w as studied by using ANSYS Workbench，w hich proved the strength and strain of them met our design requirements.The combined cutting machine can be used in fully automatic machining on six surfaces of the cube work piece.Its large w ork range，high productivity and little environmentalpollution effectively ensured the safety of the whole processes.

cubic work pieces;cutting process;automatic machine tools;turn-over mechanics

TH122;TG75

A

1001－2265(2017)04－0133－04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.04.034

2017－01－10;

2017－02－13

國家自然科學基金項目資助項目(61262044);甘肅省科技支撐計劃資助項目(2011GS04081)

何瑋(1972—)，女，蘭州人，蘭州交通大學講師，碩士，研究方向為數(shù)字化設計與制造、車輛工程，(E－mail)hewei@mail.lzjtu.cn。