树脂薄片切割砂轮(后文简称锯片)是磨具产品中常见的产品。目前国内的产品主要集中在低转速(不高于70~80m/s)、高磨耗行列,主要用于小尺寸结构件的快速切割。这类产品价格低廉、用途广泛,具有广阔的市场需求[1]。但在高转速工况下,这类锯片无论从质量上还是安全上均不能满足要求,产品多依赖进口。目前国内公司开始从事高转速高质量磨料磨具的生产与开发,如武汉的法山磨料磨具有限公司等。为保证锯片在高转速下稳定安全运转,产品从配方到用料、加工及检测都有较严格的规定,如欧洲标准EN 12413、中国标准GB 2494、国际标准ISO525等。其中锯片的检测包括平面度检测、静平衡检测、回转试验及锯切试验等。
由于高速锯片在我国起步较晚,目前国内锯片及相配的锯切机械大多以国外产品为标准。高速锯片锯切检测试验机的研制还处于起步阶段,很多厂家直接用锯切机来代替锯切检测试验机进行锯片的锯切实验,其标准并不统一,如某公司生产的高速锯片主要供应铁路,其采用的锯切试验为:直接将试切锯片装入钢轨用锯切机上,每锯断一段钢轨,检查锯片的磨损程度及测量其磨损量,然后与以往的数据进行比对,从而分析锯片质量的好坏。该锯切试验方法虽能部分解决无专门的锯切试验机带来的问题,但还存在如下缺点:
(1)通用性不够。一种型号的锯切机只适于某一型号的锯片,对不同型号、不同直径及孔径的锯片无法满足要求。
(2)锯片作用在钢轨上力的大小与方向,及锯片与钢轨摩擦的线长度在此工况下属非可控因素,造成检测数据可信度不够,只能作为感观上判断锯片质量好坏的依据。
(3)被用于锯切试验的材料单一。该锯切机是铁路专用手提式锯切机,在锯切钢轨时配有专用夹具,不能用于其它材料的装夹与切割。同时锯片的配方不同,适合其切割的材料也不同,研制锯切其它材料的锯片时,此试验方法的缺陷进一步凸显。
(4)安全性不够。通用锯切机械适用于完全通过安检的锯片,当用其检测新配方生产的锯片时,该试验方法在安全性方面的缺陷进一步凸显。
综上所述,通用性强、定工况、自带适普性夹具、安全性好成为设计高速锯片锯切检测试验机的主要实现目标。
1 总体方案
1.1 锯切原理
图1为树脂砂轮薄片锯切机工作原理图,锯片高速旋转,在外力作用下与被切割工件接触,磨粒在高速运转下与工件表面产生摩擦,进而达到切断工件的目的。砂轮切割机的种类较多,依其磨削方式可分为手动式、直线式和摆动式[2],如图2所示。
在高速磨切工况时,解决工件和锯片的散热是设计过程中必须考虑的问题,锯片温度过高,锯片变得脆而无韧性,容易造成烧片现象,如图3所示。工件散热不及时,温度过高,则组织发生改变,有淬硬现象发生[3],淬硬现象对保持工件心部韧性、提高表面硬度有帮助,近年来国内外对不同材料在高速磨削过程中组织的变化都有深入研究,如文献[4]、[5]、[6],并逐渐形成一门新的提高工件表面硬度的工艺。但脆硬现象对砂轮切削产生不利影响,一方面影响了工件端面质量,使工件产生组织差异;另一方面造成锯片进给困难,恶化了锯切工况,如图3所示,该图中工件心部发黑部分为淬硬部分[4]。
由于该类锯片不能用水溶性溶液进行冷却,所以其散热主要通过在配方中加入适当的散热剂来达到目的。同时,不断改变锯切作用点,使锯片锯切已散热的工件也易于散热。工件散热是设计考虑的重点,在设计高速树脂砂轮片锯切机时,一般选择旋转工件或旋转锯切机,从而达到工件散热的目的,如图2(c)、(d)。研究表明,砂轮做高速旋转的同时绕工件做行星运动更有利于工件的锯切[5](如图1所示),但这样也会使锯切机械的复杂度大大增加。
1.2 被切割工件的选型[6]
要得到量化而非感官的数据,被锯切工件必须具备组织单一稳定且横截面积恒定。同时,在整个锯切过程中锯切工况(锯切工况包括锯片受力作用点,大小及方向)稳定不变。在选型方案的制定上,笔者主要把目光投放在市场上最常见的圆钢和板材上,这两种型钢市场来源广、品种多、满足锯切试验中不同锯片对不同组织材料的要求。图4为两种锯切方案的原理图。
方案一和方案二均能实现锯片作用在工件上力的大小与方向恒定,锯片与工件摩擦的线长度恒定,即加工工况恒定。方案一中锯片与工件近似于点接触,有利于锯切;同时,工件旋转,锯片与其表面的触点不断发生变化,有利于散热,但工件的装夹及旋转的实现较为复杂。方案二中,夹具设计及工件装夹较为方便,但锯片与工件为线接触,同时由于工件为固定装夹,锯片在锯切过程中受阻力较大,散热也不如方案一,使得被切件在厚度选择上有所限制(试验表明,厚度一般小于40mm,厚度增大则出现干磨现象,锯片不能进给)。进给量相同的情况下(如80mm),若采用方案一,能切割直径为160mm,横截面积约为200cm2的圆钢;如采用方案二(假设工件厚度为30mm),能切割板材的横截面积为24cm2,仅为方案一的12%。
针对上述两种方案,笔者进行试验研究,对方案二,首先采用Q235钢做为试验材料,截面尺寸为20mm×100mm的板材,硬度值约为150H积约为20cm2,锯切次数为5次,测得最终锯片的磨损量约3mm。这种低磨损量的记录数据对锯片的质量检测没有实际意义。一方面,它增加了试验所消耗的时间,同时也浪费材料;另一方面,锯片锯切试验记录的单次磨损量一般为50~100mm才能较客观地反映锯片实际质量的好坏。考虑到是否可以通过增加材料的硬度值来达到试验要求,选用T8钢为试切材料,成型后的截面尺寸同样为20mm×100mm,整体淬火处理,表面硬度值50HRC,试验方法同上。试验后测得磨损量约为5~6mm,这同样达不到要求,说明方案二不能做为试验机方案。同时对方案一进行试验,选用工程中最常见的45钢为试切材料,其力学性能优良、成分稳定。截面尺寸为直径160mm的圆钢,无热处理,锯前硬度约为16HRC。锯片规格与方案二相同,锯切次数为1次,最终锯片的磨损量为55mm,这样的磨损量在数据对比中较合理。上述试验旨在寻找能满足试验要求的经济合适的锯切方案,故在方案一试验中,并没有选用Q235钢为试切材料,而直接选用成分及性能更加稳定的45钢做为试切材料[7]。
通过比较发现,稳定加载在锯切机的外力大小及锯切机进给方向,同时稳定锯切作用点,在散热方面采用旋转工件的方法能简化设计及制造,同时满足定工况的要求(如图4中方案一)。
2 锯切机各部件的设计
2.1 进给系统的设计
进给方面,液压系统能准确实现快速进给、保压工进、快速回复等动作[8],但较为昂贵。如图5所示,该机械进给系统方案更多的考虑了经济性。
图5中,矩形导轨固定在机架上,锯切机由滑块支撑沿导轨直线行进,配重砝码由滑轮绳经滑轮一、二将恒定力加载到锯切机上。可通过调整砝码配重来调节进给力的大小。进给力过小,锯切机处于空磨状态,不能锯切;进给力过大则易产生爆片或死机,给锯切试验带来危险。与液压系统相比,此方案经济、操作方便,在进给力的选择上有更大柔性
2.2 夹具的设计
总方案要求夹具能装夹较大尺寸工件,装夹稳定可靠且能实现工件的旋转。夹具设计时还必须考虑生产的工艺性及经济性,其设计方案如图6所示。
工件旋转速度初步设计不大于40 r/min,由于速度较低,同时考虑到经济性,选择链轮传动。电机选择功率为1. 5 kW,转速为1440 r/min,经减速器减速,输出转速为90 r/min。小链轮与大链轮传动比为1∶3,工件旋转转速为30 r/min。工件的旋转通过1对大的轴承及轴承支座来实现,被试切工件夹装在套筒内,由固定及定位装置固定。试切工件的固定及定位采用三角卡盘式卡装。为便于不同直径工件调心,两头留有卡孔,装夹小直径工件时把限位套筒装于卡孔内,放入工件,然后旋紧固定装置即可。套筒设计多段夹装孔,便于短工件的装夹,节省试切材料,如图6中虚线所示。
2.3 调速系统的设计[9]
不同用途、不同质量等级的锯片有不同的工况线速度规定,如80m/s、100m/s、120m/s等。线速度相同的锯片由于直径不同,所规定的锯片转速也不同。通过计算,锯切试验机要求能够有3800~7500r/min的调速范围。基于以上分析,选择变频调速作为系统调速方案。变频调速具有很多优点,如能实现对电机无极调速、速度输出范围宽、准确性高、安全性好等[9]。在基频(50Hz)下,动力电机功率为7. 5kW,转速为3000r/min,皮带轮传动比为i=2. 25,锯片转速为6750r/min。根据这些数据,对应变频器手册可换算出每种锯片所对应的频率值。如直径为355mm的锯片,要求线速度为100m/s,可得出锯片转速为5400r/min,对应变频器输出的频率值即为:f=50*5400/6750=40Hz。在设置变频器频率输出值时,一定注意不能超出锯片转速规定对应的频率值。
3 安全性
通过研究和分析,得出以下的总体设计方案,如·70·图7所示。图7
由图7可看出,左上角为操作人员的工作部位,右下角为锯切机头的工作部位,操作人员远离锯片锯点。采用变频调速,速度输出准确可靠,系统过载过流保护好。整个工进过程中机器处于自动进给状态,实现操作人员的无动作或少动作。在设计上,皮带轮及锯片须由外壳保护。
4 结 论
(1)分析了高转速锯片锯切试验对锯切机的要求,以及目前国内高速锯片锯切试验现状。
(2)从具体问题出发,分析在设计锯切试验机中遇到的进给、导向、试切工件选择、夹装、散热及安全等问题。
(3)给出各部分解决方案,及试验机总体设计方案,为后续工作打下基础。
参考文献:
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[3] E. Brinksmeier, T. Brockhof.f Randchicht - Warmebehandungdurch Schleifen[J]. Harterei-Techn-Mitt, 1994, 49(5): 327-330.
[4] 张宁菊,赵美玲.非调制钢的淬硬研究[J].机械工程师, 2005(4): 32-33.
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[7] 松尾哲夫.强力磨制加工的最近动向[J].机械与工具, 1976, 20(5): 61-68.
[8] 刘延俊,关 浩,周繁森.液压与气压传动[M].北京:高等教育出版社, 2007.
[9] 王 树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
本文作者：洪福星,周廷美
