大型金相試樣切割機的設(shè)計與研究

　　關(guān)鍵字：夾具   
   
　　1引言

　　金相試樣切割機主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，在冶金、汽車、航空航天等制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。目前國內(nèi)缺乏大型的金相試樣切割機，對較大的零件例如汽車曲軸直接進(jìn)行取樣比較困難，根據(jù)試樣切割前后金相組織不變的基本要求，在滿足各種零件的切割效率同時，本文對大型金相試樣切割機進(jìn)行了設(shè)計與研究，最大切割直徑可達(dá)150mm，縱向切割范圍可達(dá)300mm，滿足了較大零件的截取和下料。

　　同普通機械行業(yè)中的金屬切割不同，切割金相試樣對保持原有組織狀態(tài)比較嚴(yán)格，即必須保證所截取試樣的金相組織與原部件組織一致，這就要求在截取試樣的過程當(dāng)中試樣受熱、受外力作用要盡量小，因為這兩種情況都會引起一定的組織變化。因此，在機械切割金屬試樣時要力求試樣溫度不超過150℃，使切口無過燒現(xiàn)象，試樣真實性好。金相試樣切取的方法可根據(jù)取樣零件的大小、材料的性能、現(xiàn)場的實際條件靈活的選擇。盡管有多種截取試樣的方法，但是在金相實驗室切取試樣的要求為：切割面比較光滑平整，截面與軸線的垂直度好，砂輪切割機適用性強，可以切割軟的金屬零件如銅鋁和較硬的金屬零件如淬火后的碳鋼、高速鋼；并可以切割超硬材料如硬質(zhì)合金、陶瓷等。另外，還要求切割速度快，勞動強度低，操作簡單、靈活，切取試樣尺寸準(zhǔn)確，大小適宜，切割成本低等優(yōu)點。根據(jù)以上要求，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有切割機的特點和優(yōu)點，開始研發(fā)大型切割機。

　　2大型金相切割機機械設(shè)計

　　2.1金相試樣切割機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本設(shè)計通過機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的思想對金相試樣切割機的機械主體部分進(jìn)行了分析與設(shè)計，機電一體化技術(shù)使傳統(tǒng)的機械設(shè)計和改造有了新的思維方法和技術(shù)手段；而且信息處理技術(shù)是機電一體化技術(shù)中必不可少的部分，一個機械系統(tǒng)實現(xiàn)計算機控制，具有信息處理功能，才能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。電子裝置的有機融入，代替了復(fù)雜的機械裝置，使設(shè)計的金相試樣切割機比以往切割機在滿足工作要求的前提下，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可靠性和穩(wěn)定性高、自動化程度與生產(chǎn)效率高。

　　切割機為立式結(jié)構(gòu)形式，機械設(shè)備主要由動力傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)與卡具、冷卻系統(tǒng)、機體四大部分組成。根據(jù)工件運動和砂輪片運動形式可將金相切割機分為兩類，一類為工件運動，砂輪片固定不動的切割機；另一類為工件固定不動，砂輪片運動的切割機，而運動又分為曲線擺動和直線運動兩種形式。考慮到切割時砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機設(shè)計為當(dāng)切割較大工件時，砂輪片擺動而工件做往復(fù)運動的形式；當(dāng)切割較小工件時，砂輪片擺動而工件固定不動的形式。

　　切割過程中，刀具可以上下擺動實現(xiàn)切割進(jìn)給，工作臺可以實現(xiàn)橫向和縱向的雙向移動以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動機的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級V帶傳動實現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過橫梁與2號軸相連，由步進(jìn)電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動來實現(xiàn)切割進(jìn)給運動，并可以調(diào)節(jié)切割進(jìn)給的距離�？紤]到砂輪軸的自身重量會增加蝸輪的負(fù)重而使得切割過程中產(chǎn)生振動影響切割質(zhì)量，在夾板上通過定滑輪設(shè)配重將重量平衡。主電動機為三相異步電動機，通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速。工作臺由橫向絲杠和縱向絲杠帶動，橫向絲杠通過導(dǎo)塊運動帶動工作臺移動。絲杠兩端分別安裝步進(jìn)電機和手輪，以滿足不同的切割要求。

　　箱罩上設(shè)推拉門方便取放加工工件，正面開透視玻璃以觀察切割進(jìn)程。在切割時，由于磨削阻力會產(chǎn)生大量的熱，因此需加冷卻液保證試樣的充分冷卻。為方便吊起整臺切割機，在底座的兩旁安裝吊環(huán)。工作臺下方安裝兩道篩子接取切割屑，底部安裝內(nèi)置水箱循環(huán)提供冷卻液。

　　2.2傳動機構(gòu)設(shè)計

　　傳動采用V帶傳動，帶傳動是一種柔性傳動機構(gòu)，它特別適合于軸間距比較大的場合。帶傳動是機械行業(yè)常用的傳動方式，它能夠緩沖和吸振，運行平穩(wěn)，無噪聲，應(yīng)用簡單。切割機系統(tǒng)中，主電機的功能為帶動切割片高速旋轉(zhuǎn)，由于帶傳動具有上述優(yōu)點，系統(tǒng)選用帶傳動進(jìn)行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速。兩極傳動保證擺臂旋轉(zhuǎn)運動時不產(chǎn)生中心距的變化。

　　2.3冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

　　為了保證切割前后試樣的金相組織不變，在切割的過程當(dāng)中必須對試樣冷卻，冷卻系統(tǒng)由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過濾網(wǎng)組成。在上電后砂輪片旋轉(zhuǎn)的同時，冷卻泵開始工作，把水箱中的冷卻液泵出，通過出水管噴射到砂輪上，冷卻液在高速旋轉(zhuǎn)的砂輪離心力的作用下，流向試樣的切割部位，使得砂輪和試樣同時冷卻。冷卻液通過過濾網(wǎng)過濾掉切屑后，由回水管流回水箱，節(jié)省了水資源，保證了切割質(zhì)量。

　　2.4進(jìn)給機構(gòu)的設(shè)計

　　由于大型試樣切割機具備了兩種切割模式，所以其進(jìn)給也包括兩部分，一是砂輪擺臂運行到下限值，工作臺縱向運動，帶動工件進(jìn)給，從而對夾持工件進(jìn)行勻速切割。二是砂輪擺臂運行到切割部位，按要求進(jìn)行勻速切割，當(dāng)工件尺寸較大時，可采用砂輪臂間歇運動，工作臺縱向進(jìn)給往復(fù)運動，擴大切割大型零件切割尺寸。而砂輪片的進(jìn)給則是由步進(jìn)電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動，從而實現(xiàn)砂輪片的進(jìn)給。

　　2.5夾具的設(shè)計

　　試樣在切割過程中由于受到砂輪片的徑向力和摩擦力，所以試樣的夾具應(yīng)裝夾可靠，否則在切割時，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險。此外，夾具應(yīng)具有自鎖功能，裝夾方便。根據(jù)以上要求設(shè)計了一種快速夾緊夾具，其工作過程為：通過手柄推動夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄，使夾具產(chǎn)生一個作用于工件的力，從而實現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺面上，隨著工作臺的進(jìn)給而運動，切割時試樣受力均衡，可以防止截斷后毛刺的產(chǎn)生。而且操作簡單、裝夾方便，極大減輕了勞動強度，提高了切割的效率。