基于振动切削理论的气动切坯机研制

切坯机是制砖过程 中不可缺少 的环节之- ，制砖材料在经过制砖机的真空挤压后，是-连续的具有砖块长宽尺寸 的型坯 .首先需要切条机切成-定长度的坯条 ，再把坯条送到切坯机中切割成砖坯 。由于切坯机是砖坯成型的最后-道工序 ，如果它存在质量问题 ，会造成很大的浪费。本文就目前市场上的切坯机存在的问题做-分析 ，并通过实验确定数据，研制出-种新的气动切坯机。

1 现存切坯机的不足1.1 目前世界制砖切坯的现状目前世界的砖瓦机械已经开始走 向智能化 ，砖块 的生产也已经开始工厂化和全自动化，从原料的准备、挤压 、切坯 、码坯、烧结 、运输 已经做到了无人看管 ，实现了无人工厂。特别是 日本 、德国、丹麦等国家，砖瓦修稿 日期 ：2012-11-16作者简介 ：郑勐，副教授。研 究方向 ：机 电-体 化产品的设计 、制造 。

机械已经发展到很高的水平 。而切坯机的结构也 已经做数控化。气动、液压等已经是最首选的动力源。而我国也开展 了革新改进 ，由于使用者的素质和使用诚的限制 ，数控技术在砖瓦机械中应用还处于研发阶段 ，切坯机也以电动机加曲摇杆再配离合器为主。

1.2 我国目前市场常用的切坯机原理和不足我 国目前制砖机械的总体水平处 于世界 的中下游 ，已有-些制砖企业开始 了工厂化生产的模式.但常见的制砖还是露天的、作坊式的生产。而常用的砌坯机基本原理是曲柄摆杆机构。

切砖 的过程是操作人员通过操作离合器 ，将 电机的动力传给曲柄，曲柄的旋转运动和转矩通过连杆、摆杆等变换方向和大小 ，最后变换成滑轨的往复直线运动和水平推力。推动待切砖坯钢丝。切成需要的砖坯。

在整个 的切坯过程 中，做为切刀的钢丝始终处于垂直不动状态 。而由砖坯做主运动完成切坯过程。

该切坯机存在的主要问题是切坯钢丝经常断裂 ，据笔者统计 ，每根钢丝的平均寿命为 2000～3000次 ，-台切坯机每天的切坯次数约为 3000次 .这样钢丝不到-天53·产 品与市场-就会断裂，而更换钢丝须使整条生产线暂停工作 ；另外 ，离合器的开合会使电机承受冲击载荷，减少电机寿命。

2 切坯机的切力分析2.1 切坯过程的力学分析为了找出问题所在 ，需对切坯 的原理进行分析。从原理图上可 以看 出，钢丝在切坯的过程中的受力情况如图 1(a)所示。当总推力为 Fz共有 n根钢丝 ，则每个钢丝 的受力为 FFz/n，如果钢丝的直径为 d，砖坯承受钢丝 的压强为 PF/Hd，砖坯承受 的压强越小 ，单位 面积上的切坯力小 ，则钢丝的切坯能力就越小 。每次钢丝开始切坯的瞬间，由于速度高，冲击力大 ，而砖坯承受的单位面积切坯力小 ，不易切人 ，容易造成钢丝断裂。

根据金属振动切削的理论 ：给切削刀具加-个可以控制频率和振幅的振动，刀具在切削金属过程中会周期性的离开切削表面和对切削表面产生脉冲撞击，可使切削塑性变形显著减小 ，从而使切削力显著减小l21。钢丝在切坯过程中.其实质就是对砖坯进行塑性挤压 ，迫使其产生塑性滑移而分离断开。为此我们可以在切坯过程中给钢丝加-个沿钢丝拉直方向的低频振动力：其次，在 F不变的情况下 ，要使在切坯开始的时砖坯承受单位面积上的力增大 .就要减小起始切坯时的单位面积 Hd，钢丝的直径是-个定值 ，要减小切坯力 ，则需减歇始 的切坯图 1切坯过程钢丝的受力图的长度 H.为此 .开始切坯时将钢丝和砖坯倾 斜 - 个 角 度 a。

减少开始切坯时的接触面积 .增大 单位 面积的切坯力 ，减少钢丝在开始切坯时的承受的力 ；第 三，改钢丝被动受力为主动切坯。如图 1(b)所示。

2.2 切坯力的仿真模拟分析为了证实该原理的正确性和和可靠性 .本案对利用solidworks软件建模 ，设计切坯机的实验模型 。实验模型原理如图 2所示。从原理图上可以看出.抛开钢丝的切坯运动 ，钢丝上每-个点的每-时刻都在做轨迹是圆的运动 如图3所示在图中，当 P点运动在 dab半圆周期 内时，切坯钢丝有离开切削表面的趋势 ，钢丝的切坯力会减小 ，当 P点运动在 bcd半 圆周期内时，切坯钢丝有切向切削表面的趋势 ，钢丝的切坯力会增大。如此从小到大周期性变化会给切削表面产生的脉动冲击 ，从而减小切削力[51。

将切坯运动和周期振动叠加 ，切坯钢丝的运动轨迹接触长度。当钢丝与竖直方向的夹角 0，O-

加工砖坯尺寸(350x350)131-1，对角线长度为 495mm，即a350，b500，代入式(1)、(2)得 ：f- 0 0s22。 (3)z： - 0 22<0-35。 (4)sinO cosO因为切坯力：FI.801～式(5)分别代入式(3)、(4)得：z： 0 0 22。 (6)z： - 22<0<35。 (7)然后使用 Adams的函数功能对两处铰接头施加满足公式 (6)、(7)的变载荷-受力变化如图 5所示。通过计算机仿真得到气缸活塞杆与钢丝框铰接头(joint-4)处受力随时问变化的曲线和曲柄与钢丝框铰接处 (joint- 5)受力随时问变化的曲线.从图上可以看出，其切削力和理论分析-致.呈周期性变化 ，会产生脉动冲击 。而模拟ime(sec)两处铰接头力的变化· 产品与市场 ·钢丝架受力变化如图6所示。

图 6 切 坯 力的 变化2.3 切坯机参数的确定根据资料1]和31的研究 ，振动切削中只有切削速度v小于临界切削速度 Vc2"rfa(其中 f是振动频率 ，a是振幅)时 ，切削力才会明显下 降。- 般情况下应取 Vc(3～lO)V，本案取 Vc5V.在切坯时 V根据气缸的速度和测试 的时间，选取砖坯最外沿的线速度，每次切坯时间为5秒.由公式 VRto得出 V89.5cm/min，要使 Vc5V。

即 2"rfa589.5根据文献4]的研究 ，振幅大小对切削力 的影响不是很大 ，且切坯机属于建筑机械 ，体积和重量都较大，工作环境恶劣 ，振幅太小难以起到震动的作用 ，振幅过大则设备动力将增大较快 .根据实验模拟和计算 的结果 ，切坯力随着频率的增大而减小 。随着振幅的增大也略有减小 ，但振幅增大到-定的值时 ，会引起钢丝框 的振动.反而会减小切坯力，过大的频率也会使设备的稳定性差因此我们决定取 a10mm，f则根据振幅 a的大小 ，取70次/分钟。

3 切坯机的改进设计3.1 切坯机的原理设计经过反复研究 .参考 国外的结构，最终确定原理如图 7所示 。其工作过程是 ：切坯气缸 1带动钢丝框 2，钢丝框中装有 27根切坯钢丝 ，以偏心轮 4为支点转动 ，1.切 坯 气缸 2.铜 丝框 3电机 4.偏心 轮 5推 坯 气缸6.气缸 支撑架 7.推板 8.砖坯 9.切坯 台图 7 切坯机原理图中国机械工业联合会主管、主办：邮发代号：82-401钢丝框又在偏心轮的带动下做低频振动 ，对放置在切坯台 9上 的砖坯 8经行切割 ，在气缸 1推到极限位置 时，推坯气缸 5工作 ，推动推板 7将切好的砖坯推出切坯台9，然后返回初始位置 ，这时切坯气缸 1返 回，完成-次切坯工作 。

3.2 气缸直径设计在本案中气缸是切坯 的动力源.它的选取直接影响切坯的效率和速度。我们知道气动的特点是速度高，使用方便 ，不污染环境 ，气动系统的压力由负载决定 。根据结构，在Adams中模拟气缸活塞处受力变化和切坯力的变化基本吻合 。本案的设计减少了系统 的冲击 ；随着钢丝与砖胚的接触长度增加气缸压力逐渐增加 ，然后波动性 降低 。从 图上还 可 以得 出气 缸 的最大输 出力为7500N，炔全系数 KI.5。FzK7500N。

因切坯气缸为两个 ，空压机 的供气压 力为 q6kg/cm 故其缸径计算公式为 ：2wqF1得 ：r3.87cm。 最 后 选 取 切 坯 气 缸 的 直 径 为80mm，共有两个气缸同时参与切坯工作。

另外 ，为了更换钢丝方便快捷 ，本案钢丝的张力采用气缸替代了弹簧，每根切坯钢丝的张力也更加均匀。

4 结论本文通过对现有切坯机的分析 ，针对存 在的弊端 ，将振动切削理论应用于切坯中.设计制造出了-种带有振动性质的切坯机 ，在应用实践中，统计钢丝平均寿命为 14000多次 .效果 明显，是振动切削理论在实践中的又-个成功应用。