（机械制造及其自动化专业论文）天然石材多线液压切割机床的设计与研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着建筑行业的迅速发展，人们对建筑材料的需求量越来越大，特别是对石 材的需求。石材板以其独特的特点越来越受人们的青睐，这就促进了石材锯切设 备的快速发展。然而，我国传统的石材切割设备存在技术落后、出材率低、自动 化程度低等问题，不能满足现代生产的要求。 本课题在充分调研了现有切割设备的实际应用前提下，提出了采用金刚石多 线液压切割技术切割石材，多线切割有切割缝窄、省材料、切割石材不会引起崩 碎、不会引起扬尘、污染小等优点，在石材切割领域的使用将会越来越广。 首先，论文提出了天然石材多线液压切割机床的设计方案，完成了多线液压 切割机床的主要零部件的结构设计。在设计中采用c a d c a e 技术，利用p r o e 三维软件建立了天然石材多线液压切割机床的三维模型，使其实体化、可视化， 缩短了设计周期，提高了工作效率。 其次，基于有限元分析理论利用软件a n s y s 对天然石材多线液压切割机床 的走丝机构和整机进行了动态特性分析研究，验证了设计的合理性和可靠性，为 优化整机结构提供了理论依据。避免传统设计中因无法准确计算出零件的强度和 刚度，而采用大的安全系数而导致机构笨重而影响整机的动态性能。 最后，本机床采用全液压传动技术，机床的主运动采用液压马达代替齿轮 箱，张紧装置采用液压弹簧，采用液压缸控制工作台的进给速度，实现了机床的 无级调速、传动的平稳、成本的低廉、操作的方便等。 天然石材多线液压切割机床研究，将很好的解决加工大规格或超大规格石材 板材制品的问题，加工效率得到进一步提升，具有较高的经济效益和广阔的市场 前景，为此类机床的发展开辟了一个新的方向。 关键词：石材；多线切割；液压机床；有限元分析 沈阳理工大学硕士学位论文 一-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_l_l_-_-_i_-_l a b s t r a c t w i t h 1 er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o n s t m c t i o ni n d u s t 叫，m o r ea n dm o r e b u i l d i n g m a t e r i a l si si nn e e d ，e s p e c i a l l yt h ed e m a n do fs t o n e ，s t o n e p l a t ew i t hi t su n i q u e c h a r a c t 嘶s t i c sa r cm o r ea l l dm o r ep o p u l a r ，w h i c hh a sp r o m o t e dt h er a p i dd e v e l o p m e n t o fs t o n es a w i n gd e v i c e h 0 w c v e r ，t h c r ea r em a i l yp r o b l 锄sf o rt h e 的d i t i o n a ls a w i n g e q u i p m e n i nc h i n a ，s u c ha sb a c k w a r dt e c l l l l o l o g y ，l o wo u t 衄np c r c e n t a g ea n dl o w a u t o m a t i o n ， s ow h e t h e rm a c h i n i n ga c c u r a c y ，m a c h i n et o o ls t n l c t u r eo rp r o d u c t i o n e 佑c i e n c y c a l ln o tm e e tt h er e q u i r 啪e n t so f m o l 锄p r o d u c t i o n t h i sp 印e ri nm e 如l li n v e s t i g a t i o no fm ee x i s t i n gc u t t i n ge q u i p m e n tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o np r e m i s e ，p u tf o r w a r db yd i 锄o n dc u t t i n gt e c h n o l o g yo fc u ts t o n e ，c u t t i n g w i mc u t t 衲gn a r r o ws l i t s ，m a t e d a ls a v i n g ，c u ts t o n ew i l ln o tc a u s et h eb r e a k ，d on o t c a u s ed u s t ，p o l l u t i o ni sl i t t l ew a i tf o r 觚a d v a n t a g e ，i nt h es t o n ec u t t i n gf i e l dw i l lb e u s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y f i r s to fa l l ，t h ep 印e rp r e s e n t sam e t h o do fo v e r a l ld e s i 盟s c h e m eo fh y d r a u l i c m u l t i - 1 i n en a t u r a ls t o n ec u t t i n gm a c h i n e ，a n dc o m p l e t et h ed e t a i l e ds t m c 彻a ld e s i 弘o f i t c a d c a et e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nu s e di nt h ed e s i g n ，at h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f h y d r a u l i cm u l t i 一1 i n en a t u r a ls t o n ec u t t i n gm a c h i n ei se s t a b l i s h e db yp r o e ，w - h i c hm a l 【e i tm a t 嘶a l i z e d ，v i s u a l i z a t i o n ，s h o r tt h ed e s i 印c y c l ea n di m p r o v e dw o r ke 伍c i e n c y s e c o l l d l y ，b a s e do nt h e o r yo ff i n i t ee l 锄e n ta n a l y s i s ，t h ep a p e ru s e sa n s y s s o r w a r et oa n a l y z et h ek e yp a r t sa n dt h em a c h i n ei no r d e rt ov e r i f ym ed e s i g no f r a t i o n a l i t y a n dr e l i a b i l i t y ，a i l d p r o v i d e s at h e o r e t i c a lf o r o p t i m i z i n gc a l c u l a t e t h e s t r e n 垂ha e l ds t i f m e s s ，w h i l et h eu s eo f1 a r g es a f e t yf a c t o rw h i l el e dt oi n s t i t u t i o n s a f f e c t e d b ：，h e a v ym a c h i n ed y l l 锄i cp e r f o m a i l c e f i n a l 】y ，t h i sm a c h i n ea d o p t s 向uh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c l m 0 1 0 9 y ，t h em a i n c 锄p a i g nt o o lr e p l a c e db yt h eh y d r a u l i cm o t o rg e a rb o x ，t h et e n s i o n i n gd e v i c ea d o p t sa h y d r a u l i cs p r i n g ，u s e st h eh y d r a u l i cc y l i n d e rt oc o n t r 0 1t a b l ef e e ds p e e do fm a c h i n e t 0 0 1 si sr e a l i z e d ，v 撕a b l es p e e dr e g u l a t i o n ，s m o o t ht r a n s m i s s i o n ，l o wc o s t ，c o n v e n i e n t o p e r a t i o n m ds oo n a r e rt h es u c c e s so fn e wh y d r a u l i cm u l t i 1 i n en a t u r a ls t o n ec u t t i n gm a c h i n e 沈阳理工大学硕士学位论：艾 r e s e a r c h e dw i l ls a t i s f a c t o r i l yr e s 0 1 v et h ep r o b l e mo fp r o c e s s i n gl a r g ef o n l l a to ru l t r a 1 强g e f o 加l a ts t o n ep l a t ep m d u c t s a tt h es a n l et i m ep r o c e s s i n ge m c i e n c yw i l l 鼬e r p r o m o t i o n t h en e w 吼毗i n ge q u i p m e n tw i l l h a v eh 畦me c o n o m i ca 1 1 dw i d ep r o s p e c t m a r k e t ，w 1 1 i c ho p e nan e wd i r e c t i o nf o rm i s k i n do fm a ( 血i n et o o ld e v e l o p m e n t ：k e yw o r d s ：s t o n e ；m u l t i w i r es a w ；h y d r a u l i cm a c h i i l e ；f i n i t ee l e m e n tm e m o d 第l 章绪 论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 随着建筑装饰行业的发展和人们生活水平的提高，建筑材料的使用越来越受 到重视。天然石材以其美观实用、高雅华丽、质地坚硬、耐腐蚀、耐酸耐碱、抗 震、抗风化、环保等优点【1 3 】成为国内外消费者最青睐的建筑装饰装修材料之一。 众所周知，天然石材伴随着人类的发展已经有几千年的历史了。从古代人类 穴居在山洞到后来的人们运用石材作为房子的地基、院墙到现在人们所生活的环 境都离不开石材，石材在建筑领域像一颗璀璨的恒星，以它永恒不变的姿态推动 了人类建筑的发展，映射出了人类社会的进步。 天然石材的应用越来越广泛，越来越普及，己经从公共建筑发展到千家万 户，其价值和功用已从简单的建筑材料转变为高档华丽的装饰材料【4 】，如图1 1 。 图1 1 石材薄板的应， j j 场合 沈阳理工大学硕士学位论文 我国是一个石材大国，石材工业在改革开放后尤其是2 0 0 5 年以后发展迅 ：速，因为人民生活水平不断提高，对石材的利用也越来越多，石材的市场需求量 不断攀升，石材产品在国外也相当畅销。2 0 1 0 年我国石材进出口达到6 4 亿美元 i 卯，实现了原料产量世界第一、加工能力世界第一、外贸出口世界第一，真正地 向世界石材强国行列迈上了一大步。 随着人们生活品味的提高，石材板的应用越来越广，并且越来越趋向薄、超 薄发展。薄型石材【6 1 是指厚度在1 0m m 一1 5m m 之间的石材板，是石材工业从九 十年代至今的重要产品；超薄石材是指石材厚度在l om m 以下的各类的石材板 材。现在市场上大部分的板材是大理石薄板和花岗：岩薄板。板材规格已经发展到 了最薄可达2m m ，幅面的大小已经从3 0 5m m 3 i d 5m m 的规格发展到了1 2 0 0 m m 2 4 0 0n h n 。薄型、超薄型天然石材其最大的优点是体积小、重量轻、吸水均 匀、坚实耐用、不易碎、便于运输。 在工业革命以前，所有石材开采和加工都是用手工完成的。直到1 9 世 纪，欧洲才出现了第一台用于加工石材的机械，这给石材加工行业带来了一场革 命。石材机械发明以后，石材加工才从繁重的体力劳动中解脱出来。从此石 材加工开始从手工操作向机械化方向发展。近3 ( ) 年来，我国石材开采与加工 业的持续发展推动了我国石材机械制造业的兴旺【7 1 。近几年国内的石材加工设备 发展迅猛，各种新型的石材机械设备数不胜数。框架锯、砂锯、金刚石圆盘锯、 金刚石串珠绳锯、全自动连续抛光机、全自动连续磨边机、四刀仿型机、全自动 桥切机、全自动电子桥切机、全自动加工中心、高压水射流机等【引。石材机械带 给企业的最大好处就是大大降低了生产成本、大幅提升了生产效率。 石材的质地比较硬、脆，特别容易破碎。当采用宽度比较厚的切割工具时， 在切割过程中石材受到的冲击力比较大，就会造成石材边角开裂乃至碎落，并且 切割的平整度比较差，板材的合格率也比较低等，所以普通的金属刀具不能满足 要求，加工成本相对较高。 目前板材加工的切割设备主要有金刚石串珠绳锯，金刚石圆盘锯，砂锯，金 刚石带锯等。 1 2 现有的石材切割机的机型及特点 在天然石材加工行业，用于切割天然石材板材的加工设备种类主要有金刚石 第1 章绪 论 串珠绳锯，金刚石圆盘锯，砂锯，金刚石带锯等。不同的天然石材加工设备，具 有不同的特点，既有其优点也有缺点。下面对其进行简述： 1 2 1 金刚石串珠锯 金刚石串珠锯又称为金刚石串珠绳锯，是使用镶嵌有金刚石的钢丝绳将石材 荒料加工为具有一定厚度的板材或块料的石材荒料加工设备。金刚石串珠锯是集 金刚石的高硬度和钢丝绳的高柔性为一体的切割工具，它是由钢绳、金刚石串 珠、钢圈、隔套、固定圈、接头等六种部件组成【9 1 ，如图1 2 所示为串珠绳的构 成示意图。金刚石串珠绳锯锯切技术可为石材的非破坏性开采和大尺寸化、艺术 化加工技工技术支撑，同时可实现大规格板材的锯切。金刚石串珠绳锯锯切技术 被国际石材加工领域确定为2 1 世纪最优化发展的高新技术领域。金刚石串珠锯 早在2 0 世纪5 0 年代发明于英国，8 0 年代意大利引进用于石材加工，后经过多年 的技术改良得到了推广。 图1 2 串珠绳的构成不恿图 金刚：石串珠绳锯根据串珠绳的条数可分为单绳金刚石串珠绳锯和多绳金刚石 串珠绳锯如图1 3 和1 4 所示。单绳金刚石串珠绳锯多用于矿山荒料开采和荒 料整形。多绳金刚石串珠绳锯大部分来加工花岗石。串珠绳锯发展缓慢，全球用 于石材开采的单线绳锯有2 0 0 0 多台，多线绳锯2 0 0 3 年全球大概5 0 台，2 0 0 7 年 底1 1 0 台。目前用于锯切石材板材的最先进的多道金刚石串珠绳锯的道数以增加 到了7 2 道【1 0 】。 作为一种新型的多刀具切割设备，金刚石串珠绳锯有别的切割设备无法比拟 的功能，：金刚石绳锯技术具有石材损耗小、锯切效率高、荒料质量好、适用石材 沈阳理工大学硕士学位论：丈 范围广、设备易安装、人工成本低、振动和噪音小、粉尘少等优点，因此具有广 阔的发展前景【l l ，12 1 。 图1 3 单线式金刚石绳锯 图1 4 多线式金刚石绳锯 金刚石串珠绳锯是一种技术含量比较高的切割机床，在我国研究这类机床的 人员比较少，基本上是靠进口获得的，且价格比较高，维修维护费用也比较高。 1 2 2 金刚石圆盘锯 金刚石圆盘锯是最早用来切割石材的设备之一，它是以圆锯片为基体，把金 刚石结块焊接在上面作为切割刀具，将石材荒料锯切为具有一定厚度的板材或块 料的石材荒料加工设备。 目前国内市场现有的金刚石圆盘锯从使用的金刚石圆锯片数量上可以分为单 片式和多片式的金刚石圆盘锯 1 3 】。圆盘锯应用于切割石材是在1 9 世纪的欧洲， 法国成功研制出了世界上第一片金刚石圆锯片，1 8 9 8 年金刚石圆锯片被应用于石 材加工【1 4 】，我国是在上世纪7 0 年代末8 0 年代初研制使用金刚石圆盘锯的。随着 我国石材用量的提高，用于切割石材的金刚石圆盘锯的消耗也不断增加，推动了 金刚石圆盘锯技术的发展。 金刚石圆盘锯已经广泛应用于各种材料的切割，如石材、陶瓷、玻璃、木材 等。随着对大幅面材料的需求，金刚石圆盘锯不能只局限于过去的种小直径圆盘 锯，所以很多国家都研制直径比较大的圆锯片，包括日本、美国、德国、意大利 等，1 9 8 0 年德国研制成功了直径为5 0 0 0m m 的圆盘锯，据称是世界上最大的， 后因锯盘的直径太大，在锯切时发生挠曲，锯片摆动，切割出的材料不平整，所 以金刚石盘踞比较适用于中小荒料加工，加工板材规格小。 随着加工技术的提高，人们对多片式金刚石圆盘锯的利用越来越大，增大了 第1 章绪论 它的锯切幅面，所以多片式的金刚石圆盘锯的发展已经成为重点。单片式金刚石 圆盘锯是我国大部分中小型石材加工企业普遍采用的切割机，从结构上划分主要 有三大类，分别为单臂式金刚石圆盘锯，龙门式金刚石圆盘锯和桥式金刚石圆盘 锯。桥式金刚石圆盘锯是目前石材行业应用最为广泛的圆盘锯机，如图1 5 所 示。 图1 5 金刚石圆盘锯机 综上所述，金刚石圆盘锯是适合我国中小型企业发展的一种切割机，它的切 割速度达到了3 旺3 51 1 1 s ，加工效率高，切割机结构简单，比较稳定。它最大的 缺点就是圆盘锯片的直径限制了石材的切割幅面，切割的深度是锯片直径的 3 0 _ 3 5 。 1 2 3 砂锯 砂锯，也称为钢砂排锯，是以具有一定厚度的高锰钢锯条为刀具，以钢砂作 为磨料，：将石材荒料锯切为具有一定厚度板材的石材荒料加工设备。 利用装有多根锯条的砂锯锯切花岗岩荒料是目前获得花岗岩石板最有效和最 经济的方式【1 5 】。上世纪5 0 、6 0 年代，砂锯在欧洲被广泛使用，我国是在1 9 7 8 年 到1 9 8 6 ：年间开始引进砂锯生产线的，现在在硬质花岗岩大板加工方面占据了主 导地位【1 6 】。砂锯主要分为两种：框架摆式砂锯和平移式砂锯。框架摆式锯机( 又 称摆式砂锯) 是锯切大理石、花岗石的传统设备，如图1 6 所示。摆式砂锯被广泛 采用来锯割加工大理石和花岗石定型板材的毛板。近年来，由于金刚石工具的迅 速发展和应用，在大理石加工中框架摆式锯几乎己被框架直动式金刚石锯机和圆 盘锯机所取代，但在花岗石加工中，仍得到广泛的应用。平移式可以使落锯速度 得到1 0 一2 0 的提高，但是由于锯条厚度的增加，直接影响到荒料的出材率，增 气 沈阳理工大学硕士学位论：艾 加锯切成本，直接影响到经济效益。另外，同等规格平移砂锯的驱动功率要比摆 式砂锯高1 1 3 倍，仅出板率的损失和电费的增加【，就足以超过由于落锯速度提 高2 0 所带来的经济效益。 图1 6 上摆式砂锯 摆式砂锯按锯框摆动形成又分为两种，一种是锯框传统摆式砂锯，另一种是 锯框复摆式砂锯。复摆式砂锯运动方式介于摆式和平移式之间的一种锯框运动方 式，综合二者优点，克服二者不足，从结构上看是一种理想的锯条运动方式，但 在使用过程中存在很多问题，如使用寿命低、故障率高、维修成本大等。 目前砂锯的最大加工宽度可达5 3m ，可以安装1 5 旺1 8 0 根锯条【1 7 】。 1 2 4 金刚石带锯 金刚石带锯是以镶焊金刚石烧结块的环形锯条为切割工具，绕在两个锯轮上 做单向连续的直线运动，如图1 7 是金刚石带锯。金刚石线锯于2 0 世纪5 0 年代 出现于市场，我国是在8 0 年代才开始研制出该类设备，北京有色金属研究总院 把金刚石磨粒电镀在不锈钢基带上，研制成功了电镀金刚石带锯，根据基带的规 格研究了不同型号的带锯，这种带锯的出材率比较高，切割缝比较小，除了可以 切割石材，还可以切割玻璃材料 1 8 】。目前，大部分金刚石带锯的带锯结块仅为 2 5m m 左右，切缝宽3 5m m 左右【1 9 】。金刚石带锯按切割方式分为水平带锯和立 式带锯，同时根据锯条数量的不同又分为单锯带锯机和多锯带锯机。最早是使用 水平带锯机的，后因水平带锯机存在很多缺点，逐渐被立式带锯机所替代。金刚 石带锯锯缝窄、能耗低、出材率高、噪音小，工作声音小于8 5d b 等优点，但是 它对石材要求规整，锯带质量要求高，不能进行多片切割 2 0 乏2 1 ，而且不同硬度的 石材要采用不同金刚石结块的带锯，当切割高硬度的石料时，生产效率低、速度 第1 章绪论 慢、容易偏锯，所以金刚石带锯只能应用在材质较软的石材矿区。金刚石蒂锯能 加工的石板宽高为1 0 0 0m m 1 0 0 0m m ，无法达到现在市场的要求。 图1 7 金刚石带锯 1 3 金刚石线锯切割技术 随着切割技术的发展，出现了很多新型的切割工具，金刚石线锯切割就是其 中一种比较重要的切割方式。金刚石线锯目前主要用于加工硬脆材料如木材、花 岗岩、大理石、单晶硅等。国内往往将使用游离磨料的钢丝锯和固结磨料的金刚 石线锯统称为金刚石线锯。 1 3 1 游离磨料金刚石线锯 游离磨料金刚石线锯是把一根很细的金属丝缠绕在一排切割辊上，形成了具 有一定间距的切割线。当进行切割的时候，金属丝就会在切割辊的带动下靠近并 压紧被切割的材料，把含有游离态的磨料导入金属丝和材料之间，金属丝通过快 速的运动把磨料带入切缝，从而对材料进行切割。 这种使用游离磨料往复式线锯切割硬脆材料的方法最早是m e “2 3 2 4 1 在2 0 世 纪7 0 年代提出的，随着这种技术的运用，它已经发展到了在很多硬脆材料的切 割上，尤其是单晶硅材料的切割 2 5 1 。 对游离磨料金刚石线锯切割机理的研究中，通常认为金刚石磨粒的微观切削 运动是一个滚动、嵌入过程。“等人2 6 1 提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切 削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成表面裂纹和剥落片屑，形成 宏观的切割作用。同时还发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之 下，并据此对磨料的选择进行优化。 w e i ：等人网对单晶和多晶棒以及氧化铝陶瓷材料进行切割实验，建立了一个 沈阳理工大学硕士学位论：； 轴向运动的锯丝振动模型，通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和 磨料浆阻尼对锯丝振动幅度的影响，认为锯丝振动受走丝速度影响很小。 游离磨料金刚石线锯存在的主要问题是：为保持良好的切割能力，必须设法 保持磨粒的锐利性和在磨浆中合适的浓度；切割大尺寸坯料时，磨粒难以进入到 长而深的切缝；磨浆的处理和回收成本高；加工高硬度材料时，磨粒对相对较软 的钢丝磨损剧烈。 1 3 2 固结磨料金刚石线锯 目前，固结磨料金刚石线锯主要都是通过电镀、树脂结合和机械压嵌的方法 制成的。工件加工中起切割作用的是固定在基体上的固着磨粒。固着磨粒一般为 金刚石或者人造金刚石。固结金刚石线锯和游离磨料切割相比具有以下优点：( 1 ) 切割过程平稳，无振动；( 2 ) 切割温度低；( 3 ) 切缝窄，切口品质高，出材率高， 能耗低；( 4 ) 能切割大尺寸工件。 孟剑锋等人【2 8 1 用长度2 2 5n 1 1 1 1 ，直径o 5m m 的环形金刚石线锯把单晶硅和自 制的l t 5 5 陶瓷进行了切割实验，实验表明环形金刚石线锯的焊口强度比其他部 分的低，并且验证了线锯沿圆周方向磨损不均匀，容易断。 日本的石川宪一【2 9 1 通过把钢琴线进行绞合，然后再把金刚石微粉电镀在绞合 线上，做成的金刚石线锯。这种金刚石线锯切削效率高，并且它也延长了使用寿 命。 高伟等人【3 0 1 研制开发了一种电镀金刚石线锯，对花岗岩进行了切割，通过正 交试验得出并不一定是金刚石颗粒越大切割效率越高，提出了切割速度和进给压 力是提高切割效率的因素。 从固结磨料金刚石线锯技术发展来看，许多突破性技术申请了专利保护，设 备生产商在锯丝和设备研制方面进展较快，相对而言机理性研究滞后一些，尤其 是微观切削机理、表面质量控制、锯丝失效等方面的研究报道较为少见。 1 4 金刚石线锯切割石材的研究 1 4 1 加工机理 金刚石线锯切割石材基本点是无数个类似微小刀齿的金刚石颗粒进行的切割 过程。l 爸n s ( 1 9 7 0 ) 【3 l 】、h u t t ( 1 9 7 2 ) 【3 2 和s c h u l z e ( 1 9 8 0 ) 3 3 1 均指出，单颗粒金刚石划 伤岩石表面的实验表明，在不同加工条件下的岩石破碎过程中，脆性崩碎行为占 r 第l 章绪 论 主导地位；同时，仍有塑性变形区，后著敢浜手裰蔼暖丽砺猾霸而f 1 磊磊孺 出了单颗粒金刚石切削岩石的模型，王成勇等人【3 5 】提出了一个类似的大理石切削 机理模型，m e d i 3 6 1 则提出了如图1 8 所示岩石切削机理，分析结果如下： 生 图1 8 金刚石切割石材机理模型 把金刚石颗粒切割石材分为三个变形区：磨粒前部及其附近区域、磨粒底部 和磨粒后部。 ( 1 ) 磨粒前部及其附近区域 在金刚石颗粒的前方，由于压应力产生的剪切作用，石材被破碎，形成主切 削，并被崩出和挤出加工区；中央裂纹和侧向裂纹扩展生成切削，中央裂纹在垂 直于石材表面的平面内沿划痕的方向扩展，最后或强或弱地转向加工表面，裂纹 周期性呈j 见在划伤表面上：在微划伤时，只有微剪切裂纹破坏产生，它使工件表 面沟痕在光学显微镜下呈现出发光点。 ( 2 ) 磨粒底部 对于石灰岩和大理石而言，在磨粒与岩石接触范围内的工作表面上，形成了 一个塑性变形区，工作表面光滑( 主要由压应力引起) ；强烈塑性层只有几微米 厚；花岗岩在接触区高温高压作用下，也会产生局部塑性变形。 ( 3 ) 磨粒后部 在与磨粒紧邻的地方，划痕表面的应力由压应力转化为拉应力，由于突然的 弹性应力释放，导致较大的切屑生成；同时产生由宏观细小岩石颗粒组成的塑性 变形切屑翘起。 徐西鹏等3 7 】通过用扫描电镜观察石材的锯切表面发现：石英岩的断裂主要是 沿晶和穿晶形式，其变形方式主要由石英的变形方式所决定；花岗岩的主要构造 为石英、j f 长石和斜长石，变形特征由三者共同决定；其中云母解理最完整，最 沈阳理工大学硕士学位论：艾 易去除，其次是正长石和斜长石，而石英几乎不发生解理断裂，最难切割。 董海等【3 8 】人在聚晶金刚石刀具切削石材的切削力研究中表明切削力随着切削 速度的增加而增大。 1 4 2 切割时线锯的受力分析 金刚石线锯是一根具有弹性的连续体，在它的上面取出微量的一小段a b 进 行受力分析，如图1 9 所示。 z 。- 。r d r 墨 - 一 丹d ： 图1 9 金刚石线锯受力分析 a b 的直径和长度都很小，所以它的重量忽略不计。 金刚石线锯a b 受到石材的支撑力为： d = 丁s i n 警+ ( r + d 砂s i n 警 ( 1 - 1 ) 因为这段线锯很小，所以d 秒也很小，那么 上式! d f p 是高阶微量，忽略得： 2 d 乡d 臼 s 1 n 22 ( w ：丁d 秒+ ! d 丁曰 2 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) d = 丁d 矽 ( 1 4 ) 设单位长度的金刚石线锯对石材的压力为d p ，那么在切割过程中与石材接触 的那一段对石材的压力为： d = d p ，d 口 ( 1 5 ) 因为d 和d 大小相等，方向相反，所以 d p ：塑 ( 1 6 ) r 1n 第l 章绪论 其中，塑：是一个常数。 ， 在线锯切割石材时，线锯上每个点的受力都不相同，松的一边受力小，紧边 受力随着线锯与石材的接触的长度的增加而增大。如图1 1 0 所示，受力是一条圆 的渐开线。 、 厂对。 弋 图1 1 0 受力分布图 1 5 金刚石多线机床的发展现状 金刚：石多线切割机床主要是应用于硅材料、宝石、石英水晶、陶瓷和石材等 材料的切割，属于精度比较高的数控机床，控制比较复杂，在制造上难度也比较 大【3 9 】，目前日本、瑞士和德国等发达国家掌握了这项技术。 日本的高鸟公司和n t c 公司和瑞士的m e y c rb u r g e r 公司和h c t 公司【4 川所生 产的产品在世界上处于垄断地位。国内使用最为广泛的是瑞士m e y e rb u r g e r 公司 的d s 2 6 4 系列的产品。它采用的两加工辊结构驱动，最大可以切割直径为8 英寸 的硅片，走丝速度快，加工精度高。 我国的金刚石多线机床发展比较晚，但是也有不少科研院校和企业研究成功 了数控多线切割机床。陕西汉江机床有限公司研制成功了g k 4 6 2 0 数控多线硅片 切割机，它解决了绕线、同步等一系列的难题，各项技术达到了世界先进水平， 具有自主知识产权。湖南宇晶机器有限公司在湖南大学的技术支持下研制开发了 x q 3 0 0 系列的切割机并投入市场，并且销售额不少，现在已经发展到了很多系列 的产品，如图1 1 1 所示是y j x q 6 0 0 a 线切割机。数控技术在机床中的应用推动 了材料加：【的发展。 沈阳理工大学硕士学位论：艾 图1 1 1y j x q 6 0 0 a 线切割机 目前随着液压技术的发展，在机床上的应用程度达到很高，在发达国家已经 达到了9 0 【4 1 1 ，而全液压的多线切割机床却没有，所以，本设计基于多线切割和 液压传动设计出天然石材多线液压切割机床，为我国中小型机床厂对此类机床的 发展开辟了一个新的方向。 1 6 本课题的研究内容 本课题根据天然石材的质地特点和金刚石线锯加工石材的特点，设计了能够 实现高效率、低成本、质量好、窄切缝、材料利用率高、多用途、无损伤、无污 染环境的切割加工设备。 本文主要的研究工作可以概括为如下的几个部：分： 第一章为绪论，介绍了石材在建筑行业的应用，简述了现有石材切割设备的 特点和金刚石线锯的发展与应用，通过金刚石线锯切割石材的机理研究和金刚石 多线机床的发展状况，提出对此课题主要的研究对象天然石材多线液压切割 机床。 第二章确定了天然石材多线液压切割机床的总体布局，阐述了机床的技术参 数、总体的结构布局和工作原理等。 第三章根据上一章设备总体结构的基础，详细分析各组成部件的机械结构、 工作原理和零部件的选择等，并对机床的关键部位进行建模，为下一章的模态分 析打下基础。 第四章利用有限元软件a n s y s 对机床的走丝机构和整机进行模态分析。 第五章根据机床的结构特征的需要，设计稳定的液压系统。 第六章对机床张紧装置进行自动控制理论研究。 第2 章天然石材多线液压切割机床的总体设计 第：2 章天然石材多线液压切割机床的总体设计 金刚石线锯切割本质上不是破坏性工艺，尤其是线锯的切口比较精确、规 整。在工作的时候冲击低，对操作者和环境不产生有害影响。可以针对所切割的 物体形状和尺寸以及工作环境进行针对性设计，是非常理想的加工机具。 本章根据金刚石线锯切割机床的设计要求，提出了切割机床的总体方案。在 总体方案中，首先进行了方案分析，接着对石材切割机床的总体构成( 包括：设计 技术参数：总体结构，液压传动系统等) 和工作原理分别进行了阐述。 2 1 机床总体布局的基本要求 金刚；石线锯切割机床总体布局的基本要求4 2 ，4 3 】： ( 1 ) 机床应该满足石材的加工要求，如石材的大小尺寸、加工精度、生产效 率以及经济效益等； ( 2 ) 应该满足工艺方法上所要求的石材和金刚石线锯的相对位置和相对运 动； ( 3 ) 保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗振性； ( 4 ) 使用方面，具体地说，便于操作、调整、修理机床，便于运输、装卸石 材； ( 5 ) 结构简单，合理可靠，便于加工和装配； ( 6 ) 体积小，重量轻，节约原材料，降低制造成本，缩小占地面积，外形美 观大方。 机床的总体布局在满足基本要求的基础上，还要注意影响石材切割机布局的 以下几点： ( 1 ) 1 ：件加工轨迹的影响 不同形状的工件要求有不同的加工轨迹，从而机床的加工方式不同。相同的 工件在不同的技术要求和生产条件下也会有不同的加工轨迹。因此，工件的加工 轨迹直接决定了机床的总体布局。在决定机床布局时，必须根据加工要求全面考 虑加工方法，做出最合理、最经济的设计。 一13 沈阳理工大学硕士学位论：艾 ( 2 ) 各部件运动的影响 在相同的加工方法条件下，各部件的运动方式不同，机床的布局也会不同。 在某种条件下，应该尽量减少运动部件的重量，以降低功耗，提高工作效率。 2 2 机床的总体布局类型 机床的结构类型有很多，比如龙门式、台式、摇臂式、c 型等几种，每种类 型都有他们自己的特点。 c 型结构和台式结构的机床般是用于中小型机床，摇臂式结构的机床刚性 比较差，加工精度低。本设计中，机床加工石材的体积规定为8 0 0n h n 8 0 0 h h n 8 0 0m m ，所以在选择机床结构类型时，从稳定性、可行性、经济性三个方面 首选就是龙门结构。龙门式布局的结构特点是机床工作台是固定的，主轴挂在一 “门 式横梁上。它的优点是机床的刚性好，稳定性好，精度高。 天然石材多线液压切割机床的设计布局采用龙门式的结构，机床的走丝结构 通过滑动丝杠螺母机构挂在“门 式的两个立柱上，调好位置后有螺栓和滚珠丝 杠螺母机构一起作用，防止走丝机构在加工的过程中上下移动。而机床的工作台 是按着一定的加工速度上下移动的，它是由液压缸提供动力的，因为液压缸在上 下行走的过程中稳定，使石材的加工精度高。 2 3 机床的技术指标 机床的主要技术参数包括主参数和基本参数，基本参数主要包括运动参数， 尺寸参数和动力参数。确定此机床的基本技术参数，主要考虑所加工的大理石石 材的实际需要，并参考市场上已有的切割机的基本技术参数，结合自身设计，制 造实力，得到本机床的基本技术参数。 本设计中线切割机床的主要技术参数如下： 最大石材毛坯尺寸( m m ) ： 8 0 0 8 0 0 8 0 0 金刚石线锯直径( m m ) ： 1 线锯的最多条数( 条) ： 2 0 板材的加工厚度( m m ) ： l0 工作台进给速度( m 州m i n ) ： 5 15 最大走线( 移动) 速度( 州m i n ) ： 2 0 0 工作台尺寸( m m ) ： 1 0 0 0 1 0 0 0 1 4 第2 章天然石材多线液压切割机床的总体设计 工作台的行程( n l i l l ) ： 液压马达的功率( k w ) ： 2 4 机床主运动的设计 1 0 0 0 1 4 金刚石线锯切割机床的主运动就是金刚石线锯的轴向运动，就是为了使金刚 石线锯切割石材。它主要包括液压马达、联轴器、供线轮、卷线轮、导线轮、切 割辊和金刚石线等。供线轮和卷线轮是由液压马达来驱动的，由于各个线轮是有 轻金属制成的，供线轮和卷线轮带动金刚石线旋转，另外的几个线轮靠与金刚石 线的摩擦力来旋转。用液压马达代替主轴箱来控制个线轮的运动，减少了机床的 很多零件，这样就减轻了机床的重量。 本机床的设计采用的是机架不动的切割方式，当切割的石材的大小已经确定 了，那么机床的机架的高度就要按照石材的高来定，本设计采用的是用滚珠丝杠 螺母机构：来控制机床机架的提升和下降的。丝杠螺母机构是机床中经常可见的一 种直线运动机构，它的降速比比较大，传动平稳，自锁性能好。 2 5 机床进给运动的设计 金刚；石线锯切割机床的进给运动，就是说石材在机床的工作台上，通过工作 台的向上的运动，使石材得到切割的运动。机床的进给运动要求机床在切割的过 程中保持稳定，因为工作台的稳定传动对石材的切割精度和质量有决定性的作 用。 本设计中是采用液压缸来推动工作台向上运动实现机床的进给的。传统的机 床的工作台是采用减速机一齿轮一丝杠的传动方式，这种方式传动很平稳，并且 这方面的技术也达到了成熟，可靠性很高。但是它的调速范围很小，结构也比较 复杂。液压缸的使用可以实现工作台的无级调速，并且成本比较低。 2 6 线锯的张紧机构的设计 张紧机构是线锯切割机床中不能缺少的装置。在加工过程中，线锯会因为热 伸长和损耗等导致线锯张力下降。如果线锯张力不恒定，随着张力的减小或增大 线锯的理论位置与实际切割时位置( 动态平衡位置) 的偏移量不恒定。从而造成加 工尺寸误差、切割表面凸凹不平等。在没有恒张力机构辅助工作时，加工过程中 线锯忽紧忽松，张力随时发生变化。因此，金刚石线锯切割加工中线锯的恒张力 沈阳理工大学硕士学位论：史 的控制对加工具有重要的意义。 目前，常见的线锯的张紧方式有：气压装置加张紧轮的张紧、液压装置加张 紧轮的张紧、外挂砝码加张紧轮的张紧( 4 4 1 ，还有张力摆杆加张紧轮的张紧【4 5 】方式 等。 本设计采用的是液压弹簧加张紧轮的张紧方式，因为液压弹簧具有缓冲的作 用，当机床被开动的瞬间，液压弹簧就会对金刚石线锯起到张紧的作用，张紧轮 压在压力传感器上，这时压力传感器表示出的压力就是金刚石线锯的张力，当线 锯受到了外力时，压力传感器就会把信号传到伺服阀上，通过改变伺服阀的开口 量控制流量，从而使液压弹簧向前或向后移动，保证线锯上的张力保持恒定，其 实液压弹簧在整个切割的过程中始终保持动态平衡。 2 7 机床的液压控制初步设计 机床采用全液压控制，包括机床工作台的升降、供线轮和卷线轮的旋转和液 压弹簧的自动调节。它是由多个执行元件组成，协调作业能力复杂。要求液压切 割机床能达到切割石材的能力，因此液压控制系统的设计显得尤为重要。系统初 步设计原理如图2 1 所示。 图2 1 液压传动系统初步设计原理图 2 8 机床的结构布局及工作原理 2 8 1 机床的机构布局 a 第2 章天然石材多线液压切割机床的总体设计 i = ：= 弋= = 一= = = = _ = _ 一 机床主要是由四大部分组成：床身与支撑机构、走丝玩弱j 不趸历疆际 统、液压控制系统。机床的结构布局如图2 2 所示。 9 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 1 一立柱：2 、7 、9 、1 1 一导向轮；3 一主动端支架：4 一供线轮；5 一防护罩；6 一张紧轮； 8 一横梁；1 0 一张紧轮；1 2 一卷线轮；1 3 一从动端支架：1 4 一工作台及进给系统 图2 2 机床结构布局图 2 8 2 机床的工作原理 机床的加工原理如图2 3 所示。 1 2 2 、7 、9 、1 1 一导向轮；怔供线轮；6 、l 旺张紧轮；1 2 一卷线轮；l 仁工作台 图2 3 机床的：r 作原理 机床的加工原理：金刚石线锯按照供线轮4 一导向轮7 _ 张紧轮6 _ 导向轮 2 _ 导向轮1 1 _ 张紧轮1 0 _ 导向轮9 _ 卷线轮1 2 的顺序进行环绕，形成了机床的 沈阳理工大学硕士学位论：艾 刀具。在工作台实现进给之前，液压弹簧先分别压紧张紧轮6 和1 0 ；后卷线轮 1 2 和供线轮4 再分先后次序启动，卷线轮1 2 在先，供线轮4 在后；卷线轮1 2 带 动支撑在导向轮上的走丝线由左从右进行切割运动；当走丝线完成石材的切割 后，供线轮4 和卷线轮1 2 反向转动，将走丝线又重新绕在供线轮4 上。 当走丝机构正常工作后，石材安装在工作台上，并按切削效率的高低和加工 质量得好坏设定进给量，工作台带动石材实现向上的进给；走丝线完成对石材的 切割并至终了；工作台向下快速运动到起点位置；同时供线轮和卷线轮反向转 动，将走丝线又重新绕在供线轮上；等待下一次石j 防切割状态的实施。 2 9 本章小结 本章主要论述了金刚石线锯切割石材的优点，根据实际的加工工艺和加工条 件确定了机床的总体布局，机床的主要技术参数，机床的总体结构和工作原理， 为下一步设计奠定了基础。 第3 章切割机床机械结构的设计 第3 章切割机床机械结构的设计 机床的机械系统是实现石材加工的执行部件，主要有主运动系统、进给系 统、支撑部件以及辅助装置等组成。为了保证高效率、高质量的加工，机床的机 械系统应：有以下特点： ( 1 ) 高刚度和高抗振性。由于机床在加工过程中要受到高速、负载、连续的 加工，因此要求机床的床身、立柱、工作台以及支架等部件有良好的刚度和强 度，无振动和变形； ( 2 ) 高灵敏度。在满足工艺要求的情况下，简化结构、减轻重量，以提高机 床的反应速度； ( 3 ) 热变形小。机床的各部件要有合理的结构，既满足加工要求，又要散热 性能好，防止热量对机床和工件加工精度的影响； ( 4 ) 高精度保持性。在高速、重荷的情况下工作，机床零件的变形和磨损会 影响加工精度。因此，采取一定的防护措施保持加工精度； ( 5 ) 高可靠性。机床长期的连续运转对机床的可靠性提出了很高的要求。除 此之外，：7 具的频繁更换、工件的装卸也要求机床安全可靠地工作。 根据第二章机床的总体设计，本章主要进行机床机械系统的设计。综合考虑 工艺等多：亨面的因素，本设计中机床的结构可由三大部分构成：走丝机构、床身 与支撑机构、工作台及进给系统。 3 1 计算机辅助设计技术 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i 印，简称c a d ) 技术4 7 1 ，主要是利用 计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，是计算机技术在工程领域中进 行产品设计不断发展的新技术，为工程师和设计人员提供有效的工具和手段，并 加速结构的设计过程，对结构的结果进行优化设计。 c a d 技术产生于2