大型金相试样切割机的设计与研究

　　关键字：夹具

　　1引言

　　金相试样切割机主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，在冶金、汽车、航空航天等制造业中应用极为广泛。目前国内缺乏大型的金相试样切割机，对较大的零件例如汽车曲轴直接进行取样比较困难，根据试样切割前后金相组织不变的基本要求，在满足各种零件的切割效率同时，本文对大型金相试样切割机进行了设计与研究，最大切割直径可达150mm，纵向切割范围可达300mm，满足了较大零件的截取和下料。

　　同普通机械行业中的金属切割不同，切割金相试样对保持原有组织状态比较严格，即必须保证所截取试样的金相组织与原部件组织一致，这就要求在截取试样的过程当中试样受热、受外力作用要尽量小，因为这两种情况都会引起一定的组织变化。因此，在机械切割金属试样时要力求试样温度不超过150℃，使切口无过烧现象，试样真实性好。金相试样切取的方法可根据取样零件的大小、材料的性能、现场的实际条件灵活的选择。尽管有多种截取试样的方法，但是在金相实验室切取试样的要求为：切割面比较光滑平整，截面与轴线的垂直度好，砂轮切割机适用性强，可以切割软的金属零件如铜铝和较硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢；并可以切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。另外，还要求切割速度快，劳动强度低，操作简单、灵活，切取试样尺寸准确，大小适宜，切割成本低等优点。根据以上要求，结合国内外现有切割机的特点和优点，开始研发大型切割机。

　　2大型金相切割机机械设计

　　2.1金相试样切割机的总体结构设计

　　本设计通过机电一体化系统设计的思想对金相试样切割机的机械主体部分进行了分析与设计，机电一体化技术使传统的机械设计和改造有了新的思维方法和技术手段；而且信息处理技术是机电一体化技术中必不可少的部分，一个机械系统实现计算机控制，具有信息处理功能，才能实现生产过程的自动化。电子装置的有机融入，代替了复杂的机械装置，使设计的金相试样切割机比以往切割机在满足工作要求的前提下，结构简单、操作方便、可靠性和稳定性高、自动化程度与生产效率高。

　　切割机为立式结构形式，机械设备主要由动力传动装置、执行机构与卡具、冷却系统、机体四大部分组成。根据工件运动和砂轮片运动形式可将金相切割机分为两类，一类为工件运动，砂轮片固定不动的切割机；另一类为工件固定不动，砂轮片运动的切割机，而运动又分为曲线摆动和直线运动两种形式。考虑到切割时砂轮片的受力和工件的重量，所以切割机设计为当切割较大工件时，砂轮片摆动而工件做往复运动的形式；当切割较小工件时，砂轮片摆动而工件固定不动的形式。

　　切割过程中，刀具可以上下摆动实现切割进给，工作台可以实现横向和纵向的双向移动以方便切割。砂轮片固定在切割轴上，电动机的输出转速经过二级V带传动实现砂轮的高速旋转。砂轮轴通过横梁与2号轴相连，由步进电机通过蜗轮蜗杆带动横梁上下摆动来实现切割进给运动，并可以调节切割进给的距离。考虑到砂轮轴的自身重量会增加蜗轮的负重而使得切割过程中产生振动影响切割质量，在夹板上通过定滑轮设配重将重量平衡。主电动机为三相异步电动机，通过变频器实现无级调速。工作台由横向丝杠和纵向丝杠带动，横向丝杠通过导块运动带动工作台移动。丝杠两端分别安装步进电机和手轮，以满足不同的切割要求。

　　箱罩上设推拉门方便取放加工工件，正面开透视玻璃以观察切割进程。在切割时，由于磨削阻力会产生大量的热，因此需加冷却液保证试样的充分冷却。为方便吊起整台切割机，在底座的两旁安装吊环。工作台下方安装两道筛子接取切割屑，底部安装内置水箱循环提供冷却液。

　　2.2传动机构设计

　　传动采用V带传动，带传动是一种柔性传动机构，它特别适合于轴间距比较大的场合。带传动是机械行业常用的传动方式，它能够缓冲和吸振，运行平稳，无噪声，应用简单。切割机系统中，主电机的功能为带动切割片高速旋转，由于带传动具有上述优点，系统选用带传动进行增速提高切割片的转速。两极传动保证摆臂旋转运动时不产生中心距的变化。

　　2.3冷却系统的设计

　　为了保证切割前后试样的金相组织不变，在切割的过程当中必须对试样冷却，冷却系统由水箱、冷却泵、出水管、回水管、过滤网组成。在上电后砂轮片旋转的同时，冷却泵开始工作，把水箱中的冷却液泵出，通过出水管喷射到砂轮上，冷却液在高速旋转的砂轮离心力的作用下，流向试样的切割部位，使得砂轮和试样同时冷却。冷却液通过过滤网过滤掉切屑后，由回水管流回水箱，节省了水资源，保证了切割质量。

　　2.4进给机构的设计

　　由于大型试样切割机具备了两种切割模式，所以其进给也包括两部分，一是砂轮摆臂运行到下限值，工作台纵向运动，带动工件进给，从而对夹持工件进行匀速切割。二是砂轮摆臂运行到切割部位，按要求进行匀速切割，当工件尺寸较大时，可采用砂轮臂间歇运动，工作台纵向进给往复运动，扩大切割大型零件切割尺寸。而砂轮片的进给则是由步进电机通过蜗轮蜗杆带动横梁上下摆动，从而实现砂轮片的进给。

　　2.5夹具的设计

　　试样在切割过程中由于受到砂轮片的径向力和摩擦力，所以试样的夹具应装夹可靠，否则在切割时，不能保证试样的垂直度，而且砂轮片易损坏造成危险。此外，夹具应具有自锁功能，装夹方便。根据以上要求设计了一种快速夹紧夹具，其工作过程为：通过手柄推动夹具夹紧工件，然后旋转手柄，使夹具产生一个作用于工件的力，从而实现夹具的自锁。此夹具装夹工作台面上，随着工作台的进给而运动，切割时试样受力均衡，可以防止截断后毛刺的产生。而且操作简单、装夹方便，极大减轻了劳动强度，提高了切割的效率。