大型金相試樣切割機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

　　關(guān)鍵字：夾具   
   
　　1引言

　　金相試樣切割機(jī)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(jī)，對(duì)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(shí)，本文對(duì)大型金相試樣切割機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(jī)械行業(yè)中的金屬切割不同，切割金相試樣對(duì)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?yàn)檫@兩種情況都會(huì)引起一定的組織變化。因此，在機(jī)械切割金屬試樣時(shí)要力求試樣溫度不超過150℃，使切口無過燒現(xiàn)象，試樣真實(shí)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(chǎng)的實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jī)適用性強(qiáng)，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(dòng)強(qiáng)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(diǎn)。根據(jù)以上要求，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有切割機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，開始研發(fā)大型切割機(jī)。

　　2大型金相切割機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)

　　2.1金相試樣切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)通過機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想對(duì)金相試樣切割機(jī)的機(jī)械主體部分進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化技術(shù)使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)電一體化技術(shù)中必不可少的部分，一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，具有信息處理功能，才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。電子裝置的有機(jī)融入，代替了復(fù)雜的機(jī)械裝置，使設(shè)計(jì)的金相試樣切割機(jī)比以往切割機(jī)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(dòng)化程度與生產(chǎn)效率高。

　　切割機(jī)為立式結(jié)構(gòu)形式，機(jī)械設(shè)備主要由動(dòng)力傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與卡具、冷卻系統(tǒng)、機(jī)體四大部分組成。根據(jù)工件運(yùn)動(dòng)和砂輪片運(yùn)動(dòng)形式可將金相切割機(jī)分為兩類，一類為工件運(yùn)動(dòng)，砂輪片固定不動(dòng)的切割機(jī)；另一類為工件固定不動(dòng)，砂輪片運(yùn)動(dòng)的切割機(jī)，而運(yùn)動(dòng)又分為曲線擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種形式�？紤]到切割時(shí)砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機(jī)設(shè)計(jì)為當(dāng)切割較大工件時(shí)，砂輪片擺動(dòng)而工件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式；當(dāng)切割較小工件時(shí)，砂輪片擺動(dòng)而工件固定不動(dòng)的形式。

　　切割過程中，刀具可以上下擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割進(jìn)給，工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的雙向移動(dòng)以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過二級(jí)V帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)砂輪的高速旋轉(zhuǎn)。砂輪軸通過橫梁與2號(hào)軸相連，由步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)橫梁上下擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切割進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，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(huì)增加蝸輪的負(fù)重而使得切割過程中產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，通過變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。工作臺(tái)由橫向絲杠和縱向絲杠帶動(dòng)，橫向絲杠通過導(dǎo)塊運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。絲杠兩端分別安裝步進(jìn)電機(jī)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(shí)，由于磨削阻力會(huì)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(tái)切割機(jī)，在底座的兩旁安裝吊環(huán)。工作臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　傳動(dòng)采用V帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)是一種柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它特別適合于軸間距比較大的場(chǎng)合。帶傳動(dòng)是機(jī)械行業(yè)常用的傳動(dòng)方式，它能夠緩沖和吸振，運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，應(yīng)用簡單。切割機(jī)系統(tǒng)中，主電機(jī)的功能為帶動(dòng)切割片高速旋轉(zhuǎn)，由于帶傳動(dòng)具有上述優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)選用帶傳動(dòng)進(jìn)行增速提高切割片的轉(zhuǎn)速。兩極傳動(dòng)保證擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生中心距的變化。

　　2.3冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　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(duì)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(shí)，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(shí)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　由于大型試樣切割機(jī)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(yùn)行到下限值，工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工件進(jìn)給，從而對(duì)夾持工件進(jìn)行勻速切割。二是砂輪擺臂運(yùn)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(shí)，可采用砂輪臂間歇運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)縱向進(jìn)給往復(fù)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)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(jī)通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)橫梁上下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)砂輪片的進(jìn)給。

　　2.5夾具的設(shè)計(jì)

　　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(shí)，不能保證試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險(xiǎn)。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(jì)了一種快速夾緊夾具，其工作過程為：通過手柄推動(dòng)夾具夾緊工件，然后旋轉(zhuǎn)手柄，使夾具產(chǎn)生一個(gè)作用于工件的力，從而實(shí)現(xiàn)夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺(tái)面上，隨著工作臺(tái)的進(jìn)給而運(yùn)動(dòng)，切割時(shí)試樣受力均衡，可以防止截?cái)嗪竺�刺的產(chǎn)生。而且操作簡單、裝夾方便，極大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了切割的效率。