（机械制造及其自动化专业论文）新型砂锯结构优化及关键技术研究.pdf

摘要 摘要 砂锯在锯切大理石、花岗石大规格和超大规格板材中得到广泛应用，特别是 在锯切高硬度花岗石大板中应用广泛；随着建筑装饰业对大规格花岗石板材制品 需求量的增大，使得幅面宽度在9 0 0 m m - - - 2 2 0 0 m m 的大幅面制品在石材加工中所 占的比重越来越大；砂锯一次性加工板材数量和加工板材规格上较金刚绳串珠绳 锯和金刚石圆盘锯有一定优势，但是由于其设备笨重、加工精度低、加工效率低 等缺点无法体现砂锯加工低成本的优势。针对此问题，经过大量调研及深入研究， 提出了能够高效率、低成本的新型砂锯设计及优化。 从砂锯的设计理念出发提出了新型砂锯的设计方案，通过功能分析利用三维 设计软件对砂锯进行了整机设计，提出了砂锯主要技术参数；深入研究了砂锯的 切削机理，从单颗粒钢砂锯切力入手对锯切力特性进行分析，制定了电阻式应变 片测试锯切力方案；对主传动机构运动的优化分析和结构设计，对关键部件锯框 进行优化分析得到优化的锯框结构，验证了锯条侧向力、张紧力和侧向位移的关 系；提出新型砂锯自动调节连杆机构，提高了锯切效率，并对其进行力学验证和 结构优化。 新型砂锯研究成功后，将很好的解决加工大规格或超大规格花岗石板材制品 的问题，同时新型砂锯重量减轻、结构改进，加工效率得到进一步提升，新型砂 锯具有较高的性价比，显著降低了设备投资，使砂锯在锯切大规格板材制品的应 用中的优势充分体现，具有较高的经济效益和广阔的市场前景。 关键词砂锯；花岗石板材；锯切力：优化分析；自动调节连杆 v a b s t r a c t a b s t r a c t g a n gs a wb ew i d e l yu s e di nl a r g es i z ea n dl a r g es p e c i f i c a t i o ns h e e tm a r b l ea n d g r a n i t es a w i n g ，e s p e c i a l l yw i d e l yu s e di nh i g hh a r d n e s sg r a n i t el a r g e p l a t es a w i n g w i t h t h ea r c h i t e c t u r a ld e c o r a t i o ni n d u s t r yf o rl a r g eg r a n i t ep l a n kp r o d u c td e m a n di n c r e a s e d ， t h ep r o p o r t i o no fw i d ew i d t hi n9 0 0 m m 2 2 0 0 m mc o n s i d e r a b l yi ns t o n ep r o c e s s i n g p r o d u c t sw i l lb e c o m el a r g e ra n dl a r g e r g a n gs a wo n e - t i m eb o a r dp r o c e s s i n gq u a n t i t y a n db o a r dp r o c e s s i n gb e t t e rt h a nd i a m o n dw i r es a wa n dd i a m o n dc i r c u l a rd i s cs a w b u t t h el o wp r o c e s s i n gc o s to fg a n gs a wc a nn o tb er e f l e c t e d ，b e c a u s eo fi t se q u i p m e n t c u m b e r s o m e ，l o wm a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h el o w e rm a c h i n i n ge f f i c i e n c y a i m i n ga t t h i sq u e s t i o n ，a f t e ral o to fr e s e a r c ha n dp r o f o u n ds t u d y , p u t sf o r w a r dt oh i g he f f i c i e n c y a n d l o wc o s to f n e wg a n gs a w sd e s i g na n do p t i m i z a t i o n o p t i m i z a t i o na n a l y s i s f r o mt h ea n g l eo ft h ed e s i g nc o n c e p to fg a n gs a w ，p u t sf o r w a r dt on e wg a n g s a w sd e s i g ns c h e m e t h r o u g ht h ef u n c t i o n a la n a l y s i s ，u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r e d e s i g n e dt h ew h o l em a c h i n e ，a n dp u t sf o r w a r dt ot h en e wg a n gs a w sm a i nt e c h n i c a l p a r a m e t e r s p u tad e e pr e s e a r c ho nt h es a n ds a wc u t t i n gm e c h a n i s m ，a n da n a l y z e dc u t t i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i c sf r o mas i n g l es t e e l g r a i n sc u t t i n gf o r c e ，e s t a b l i s h e ds c h e m eo f r e s i s t a n c es t r a i ng a u g et e s tc u t t i n gf o r c e t h em o v e m e n to ft h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m o p t i m i z a t i o na n a l y s i sa n ds t r u c t u r ed e s i g n o p t i m i z e da n a l y s i sf o rt h ek e yp a r ts a wf r a m eg a i n e d o p t i m i z e ds a wf r a m es t r u c t u r e v a l i d a t e dt h er e l a t i o no fs a wb l a d et e n s i o n e r , l a t e r a lf o r c ea n d l a t e r a ld i s p l a c e m e n t p u tan e wg a n gs a wa u t o m a t i ca d j u s t m e n tl i n k a g em e c h a n i s m t o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fs a w i n g , a n dc a r r i e so nt h em e c h a n i c a la n ds t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n a f t e rt h es u c c e s so fn e wg a n gs a wr 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 o l v et h e p r o b l e mo fp r o c e s s i n gl a r g ef o r m a to ru l t r a l a r g e f o r m a ts t o n ep l a t ep r o d u c t s a tt h e s a m et i m et h en e wg a n gs a w sw e i g h ta n di m p r o v e ds t r u c t u r e ，p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yw i l l f u r t h e rp r o m o t i o n n e wg a n gs a ww i l lh a sh i g hp e r f o r m a n c e ，r e d u c et h ei n v e s t m e n ti n e q u i p m e n t ，m a k eg a n gs a wi n c a r n a t ea d v a n t a g e si ns a w i n gl a r g es i z ep l a t ep r o d u c t s t h e n e w g a n gs a ww i l lh a v eh i 曲e c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dw i d ep r o s p e c tm a r k e t k e y w o r d s g a n gs a w ；g r a n i t ep l a t e s ；c u t t i n gf o r c e ；o p t i m i z a t i o na n a l y s i s ； a u t o m a t i ca d j u s t m e n tc o n n e c t i n gr o d v i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：虫盘因9 e l 期：丝全2 。羔：坠 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：遍筮i 翌i 导师签名： 第1 章概述 第1 章概述 1 1 背景分析 天然石材具有质地坚硬、色彩缤纷、古朴典雅、耐腐蚀、抗风化、抗震耐 压环保和磨光性好等优点。石材制品也以其天然的华丽色彩和良好的物理性能 在建筑装饰、精密机械及量具、生活用具、工艺制品等方面得到了广泛而大量 的应用。石材消费主要分为3 大部分，即建筑的内外装饰用板材，这是石材使 用最大的一部分；其次是建筑用石，包栝园林、工程用石；再就是石雕刻、石 艺术品、墓碑石产品等。装饰石材分为天然石材和人造石材两大类，天然石材 主要有花岗石和大理石两大类。天然石材由于具有质感好，外观庄重，机械及 物理化学性能良好( 如耐压，耐磨及耐腐蚀) 等优点，自古以来就成为一种优良的 建筑材料。随着人类物质文化水平的不断提高，建筑装饰越来越追求美观、豪 华、典雅。以大理石、花岗石为主的石材装饰品，外观庄重、持久耐用、古朴 典雅，越来越成为人类理想的装饰材料，开始大量应用在建筑物、广场、家庭 等场合。 上个世纪初到本世纪1 0 0 年间，世界装饰石材工业得到了大发展，特别是 第二次世界大战后，世界范围内的建筑业迅速掘起。全球自1 9 9 0 年以来，石材 产品平均年增长率为7 3 ，国际贸易平均增长率为8 7 。到2 0 0 6 年，世界对 装饰石材的年需求量以标准2 c m 厚成品材为计算单位，约为年1 2 亿平方米，总 重量超过4 0 0 0 万吨，加上建筑石材与异型材，世界石材的年消耗量达到7 3 5 亿立方米以上，现阶段全世界天然石材开采估计每年增长约1 5 亿万吨，总产值 估计为4 0 0 亿美金。石材产量排名是：中国、印度、意大利、西班牙、伊朗、 土耳其、巴西等。经过多年的快速发展，中国石材业已成为石材加工和出口大 国，实现了三个第一：原料产量世界第、加工能力世界第一、外贸出口世界第 一。2 0 0 7 年我国石材出口超过3 0 亿美元，成为世界石材第一出口大国。我国石 材的生产主要分布在南部的福建省、广东省，东部的山东省三个石材生产大省。 我国石材业涌现出一批骨干企业，形成了福建水头、广东云浮、山东莱州等一 批石材产业集群，石材业已经成为我国建材业进出口的第一大行业。2 0 0 7 年我 山东人学硕十学何论文 国石材进出口贸易总额达4 6 8 5 亿美元，其中出口创汇约3 5 亿美元，是全国建 材行业中的第一创汇大户。 在古代，石材的加工完全是靠手工操作完成，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，从此，石材 加工开始从手工操作向机械化方向发展。近3 0 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 1 1 。近几年国内的石材加工机械设 备发展迅猛，各种新式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【2 】【3 1 。石 材机械带给企业的最大的好处就是生产成本的大大降低，生产效率大幅提升【4 】。 石材板材在装饰石材中占有及其重要的位置，当前石材市场对大规格板材 需求日益增长，能否占领大板市场，显示了企业自身的实力，己成为很多石材 加工企业急需解决的问题。在建材行业中，锯切花岗石、大理石大规格板材， 就目前来讲，当属砂锯，金刚石框架锯，金刚石绳锯这一类的工具了，对于锯 切大理石等软质石材，金刚石框架锯是比较成功的一种加工设备。它由于加工 效率高、成本低，综合效益好，从而取代了传统的砂锯切软质石材的状况。由 于大理石的硬度不会超过3 级，花岗石的硬度大都在7 级以上，其硬度也是大 理石不可相比的，完全不同的两种石材，其切割效果自然不同，最致命的是框 架锯的切割运动方式是效果不佳的根本所在。而对于材质较硬，石英含量较高 的花岗石大板材的加工，还是比较广泛的使用着砂锯。由于石材的特殊质地( 坚 硬、脆、易破碎) ，普通的金属刀具加工方法无法满足要求，且加工成本相对较 高【5 1 。目前锯切花岗石板材的主要设备有砂锯、金刚石圆盘锯，金刚石串珠绳 锯等。 1 2 几种花岗石锯机 在花岗石加工行业，用于切割花岗石板材的机械主要有砂锯、金刚石圆盘 锯和金刚石串珠绳锯。不同的花岗石加工设备，具有不同的特点，既有其优点 也有缺点。下面对这三种花岗石锯机作一下简述： 2 第1 章概述 1 2 1 砂锯 砂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。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。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 已被框架直动式金剐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l 咐o 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，增加锯切成本，直接影响到经济效益嘲。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，所以新型超 宽砂锯不会采用锯条平移方式。 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。 新型砂锯仍然采用传统的摆式结构如图1 1 所示。 圈1 - l 砂锯 砂锯与金刚石圊盘锯相比具有以下优点： ( 1 ) 在锯切范围内可安装多根锯条，一次可锯切多块所需厚度的板材 ( 2 ) 锯切板材规格大，出材率高； ( 3 ) 避免了多次定位、装央，缩短了辅助工作时间。提高了生产效率 ( 4 ) 劳动强度低，安全性能好，对操作人员要求低。 山自、人学硕+ 学位论文 砂锯与金剐石圆盘锯、金刚石串珠绳锯相比具有一下缺点： ( 1 ) 砂锯锯切系统采用平面连杆机构，惯性力大，限制了砂锯的运动速度； ( 2 ) 运行中存在空行程，加工效率低： ( 3 ) 设备笨重，噪音大，占地面积太。 适用场合：花岗石、大理石大板和超大板加工，加工荒料高度可达2 2 m ， 宽度3 5 7 m ，长度3 一m 。 1 , 2 2 金刚石圆盘锯 会刚石圆盘锯是以金刚石圆锯片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；b n a - 设备，如图1 2 所示。目前国内市场现有的金 刚石圆盘锯从使用的金剐石圆锯片数量上可分为多片式金刚石圆盘锯和单片式 金刚石圆盘锯啊。多片式金刚石圆盘锯最多可安装多选3 0 片或3 0 片以上的圆 锯片，加工效率高，主要用于生产小规格的板材。随着锯机制造技术及锯机功 率的提高，多片式金刚石圆盘锯的锯切幅面也在不断增大，目前多片组合式的 圆盘锯机是金刚石圆盘锯重要的发展方向。单片式金刚石圆盘锯是目前国内石 材板材加工厂家普遍采用的一种锯机，从结构上划分主要有三大类，分别为单 臂式金剐石圆盘锯，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【s l 嗍。 图i - 2 金刚石圆盘锯 金刚石圆盘锯与砂锯、金刚绳串珠绳锯相比具有以下优点： ( 1 ) 金刚石圆盘锯片较砂锯锯片，金刚石串珠绳薄，锯缝小，出材率高 ( 2 ) 锯切速度高，所以加工效率高； ( 3 ) 加工精度高，锯切面光滑，厚度均匀； ( 4 ) 设备结构简单，稳定性高。 第l 章概述 金刚石圆盘锯与砂锯、会刚石串珠绳锯相比具有以下缺点： 由于切深只能达到锯片直径的1 3 圆锯片直径受到一定的限，比较适用于 中小荒料加工，加工板材规格小。 适用场合：花岗石、大理石大板加工，加工幅面宽度在9 0 0 m m 1 2 0 0 r a m 。 1 2 3 金刚石串珠绳锯 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上为具有一定 厚度的板材或块料的石材荒料加工设各。金剐石串珠绳锯是集会剐石的高硬度 和钢丝绳的高柔性为一体的切割工具。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。会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。金刚石串珠绳锯早在5 0 年代发明于英国直到7 0 年代末在 意大利卡拉拉大理石采石场得到商业应用。由起初单金刚石串珠绳锯应用于矿 山开采，到发展到今天多绳锯，金刚石串珠绳锯己得到很大发展，然而由于受 到实验条件及成本的限制，金刚石串珠绳锯切割机理的研究远落后于生产应用。 因而金刚石串珠绳锯届于潜力尚未被完全开发的加工工艺【i o l 。 金刚石串珠绳锯又可分为移动式单根金刚石串珠绳锯和多绳盒刚石串珠绳 锯。单绳金刚石串珠绳锯多用于矿山荒料开采和荒料整形。加工花岗石大规格 板材的是多绳金刚石串珠绳锯，如图3 所示。多绳金刚石串珠绳锯是近几年刚 发展起来的新技术，据估计2 0 0 3 年全球约为5 0 台，至2 0 0 6 年增至1 1 0 台，安 装的余刚石串珠绳也由原来的不到1 0 条增至6 0 条，发展速度显著l 1 2 1 。金刚 石串珠绳作为绳锯加工中使用的工具由会刚石串珠、隔离套及钢丝绳三部分组 成，如图1 3 所示。 ：蕾氍 金刚t i 串珠绳锯 酗i - 3 金刚相锯切系统 金刚石串璩绳 山为：人7 ：硕十号：何论文 金刚石串珠绳锯与砂锯相比具有以下优点： ( 1 ) 线切割速度高，生产效率高； ( 2 ) 用途广泛，功能性强； ( 3 ) 加工精度高，成材率高； ( 4 ) 环境污染小，噪音低，节能，占地面积小。 金刚石串珠绳锯与砂锯相比具有以下缺点： ( 1 ) 金刚石串珠绳锯设备投资较大，不适合中小石材企业； ( 2 ) 直接工具费用较高； ( 3 ) 锯路宽，出材率低，锯切成本偏高； ( 4 ) 设备使用寿命相对较低【1 3 】【1 4 】。 适用场合：花岗石、大理石大板和超大板加工，可加工荒料宽度最大1 8 m ， 可进行单绳串珠锯和多绳串珠锯加工。 1 3 课题产生背景 目前锯切花岗石板材的设备主要有砂锯、金刚石圆盘锯、金刚石串珠绳锯。 通过以上列举各自优缺点可知：在锯切大规格和超大规格花岗石板材方面，砂 锯和金刚石串珠绳锯占有优势。金刚石串珠绳锯是近几年刚出现的加工花岗石 大板设备，技术相对不够成熟，且投资大、运行成本偏高、使用寿命低等缺点。 由于砂锯在锯切范围内可安装多根锯条，一次可锯切多块所需厚度的板材，锯 切板材规格大，出材率高，避免了多次定位、装夹，缩短了辅助工作时间，提 高了生产效率等方面具有显著优势，市场上锯切花岗石大规格板材的主流设备 依然是砂锯。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国石材工业的发展突飞猛进，一度出现了全国范围 大办石材厂的热潮，使我国在世界上进入石材生产大国和贸易大国的行列。自 我国引进砂锯生产技术以来，砂锯在国内迅速推广开来，在大板加工特别是硬 质花岗石大板加工方面占有主导地位。大中型石材厂家在花岗石加工上大量使 用砂锯，近几年国内砂锯制造厂家也逐渐兴起，如上海飞宙、广东科达，福建 盛达等知名企业相继推出了自主品牌的砂锯。随着竞争的不断加剧，砂锯制造 技术也在不断的发展、提高，高质量、高效率的新型砂锯研制势在必行。 6 第l 苹概述 4 4 课题研究必要性 课题以锯切大规格花岗石板材的砂锯为研究对象。随着花岗石板材市场竞 争日益加剧，花岗石板材生产企业对加工设备的要求也不断提高。除了希望以 优惠的价格购买到更新型、先进的设备外，最重要的是体现生产效率的进一步 提高和成产成本尽可能降低。 砂锯是锯切花岗石的主要设备，随着花岗石大板的需求量不断增加，市场 对砂锯的需求量不断增加，对花岗石砂锯的要求也越来越高。怎样改进制造技 术，提高生产效率成为砂锯设计的关键问题。由于花岗石本身成分与大理石不 同，所以其高硬度特性一直是制约花岗石砂锯生产效率提高的主要因素，花岗 石砂锯落锯速度始终没有很大的突破。采用钢带锯条和钢砂磨料切削加工方式 的砂锯，其落锯速度一直保持在2 - - - 8 c m h 之间。针对国内石材业的迅猛发展， 石材大板的需求量不断提升，设计出结构合理、高效、性能优化的砂锯追在眉 睫。国内研究砂锯的机构相对较少，国内使用砂锯厂家多从意大利购进设备， 价格昂贵，且国内研究砂锯技术相对较低，新型砂锯的研究将对国内砂锯研究 起到推动作用。分析砂锯的结构特点，通过优化其结构来减少材料使用、降低 生产成本和提高性能，从而提升产品市场竞争力。 1 5 国内外研究现状 最早的框架式砂锯是由锯切木材的框架锯演变而来。欧洲最早锯切木材的 框架锯出现在1 8 4 3 年，之后应用于石材的锯切加工，逐渐取代手工加工方式。 一个多世纪前意大利入找到了铸铁砂这种理想的锯切石材的磨料，直到2 0 世纪 5 0 、6 0 十年代框架式砂锯在欧洲才得到广泛应用。框架式砂锯也得到快速发展， 到7 0 年代加工石材宽度达到2 5 n 卜3 5 m 和长度2 8 m 3 5 m ，1 9 7 2 1 9 7 4 年市场 上出现钢砂逐步代替铁砂。在新中国成立之前，利用大机器、连续工业化生产 并没有在中国出现。1 9 7 8 年以后，随着中国大规模经济建设需要，天然石材需 求量猛增，加工石材的机械也得到迅速发展。1 9 7 8 年至1 9 8 6 年中国大规模引进 国外石材设备，主要引进的有石材成套加工生产线，石材工具生产线，金刚石 生产设备等。中国的大批技术人员也开始到意大利、德国、比利时等石材工业 及石材设备先进的国家去学习，开始了自己的石材机械与工具的研制【9 】。自8 0 7 山尔大学硕十学何论文 年代中国从意大利引进砂锯生产线以来，砂锯的生产制造得到了迅速发展，到 目前为止我国己基本掌握了砂锯生产技术，逐渐形成了自己的品牌。 花岗石大板锯切加工的主要设备仍是使用以钢砂为磨料、依靠一组带钢锯 条作为锯切刀具的框架式砂锯。为了适应大批量生产和自动化控制的需要，国 外砂锯的结构和控制系统已日臻完善，并逐步朝着高效率、大型化、自动化方 向发展。目前最新型的花岗石砂锯简直成了巨无霸，加工宽度达到7 m ，采用双 连杆形式，可安装锯条数达2 3 0 根，加工荒料总体积达到5 7 7 m 3 ，是加工宽度 为3 5 m 的传统标准规格花岗石砂锯加工荒料总体积的2 2 倍。锯框重量达3 9 3 t ， 可承受最大锯条张紧力达到1 7 2 5 t ，锯条的往复行程也从普通砂锯的5 5 0 m m 、 6 8 0 m m 增加到8 0 0 r a m t 6 1 。进入二十世纪后期，国内先后有几家公司开始消化吸 收意大利大板加工设备的技术，生产国内花岗石砂锯，但是由于关键技术没有 掌握，在工作效率、切割成本以及连续无故障运行等方面与意大利设备还存在 较大差距。目前国内砂锯多采用单连杆形式，加工宽度最大可达4 8 m ，最多安 装锯条数1 6 0 根，锯框达1 0 t 以上，往复行程为6 0 0 m m 。当前在国外生产砂锯 的公司主要有：意大利s i m e c 公司、g a s p a r i 公司、b a r s a n t i 公司以及b m 公司。而国内生产砂锯的厂家主要有：莱州奥连特机械有限公司、广东科达机 电有限公司、上海飞宙机械设备有限公司、福建省盛达机器有限公司。 表1 - 1 国内外砂锯技术主要参数表 参数最大加工宽度进给速度最多锯条 公司m mm m h数量 主要技术特点 采用双连杆机构，大功率电机， s m e c7 0 0 0 0 9 0 2 3 0 弧形立柱 凸轮液压连杆自动调节技术，增 b m 公司 5 0 0 0 自动调节 1 5 0 人摆臂k 度 特殊连杆机构，实现半自动调：常 g a s p f u u5 7 0 00 8 02 0 0 连杆长度 b a r s a n t i5 3 0 00 8 01 9 0 连杆? 仁自动调：审 上海飞宙5 0 0 0 自动调整 1 8 0 连杆自动调节 广东科达 4 8 0 0 自动调整 1 3 0 半自动调节连杆 莱州奥连特 2 4 0 0 o 一7 2 8 5 落锯速度快，迮杆、| ，| 自动凋节 福建盛达 5 0 0 0o 一8 01 7 0 连杆自动调节 第l 苹概述 1 6 课题研究的主要内容及意义 1 6 1 课题研究的主要内容 本文研究的新型新型砂锯结构优化及关键技术是以砂锯为研究对象。砂锯 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。本文以研制结构优化，性能稳定，生 产效率高的新型砂锯目的，采取理论联系实际的技术路线，结合山东省石材工 程技术研究中心在石材制品加工和设备研发方面的技术基础，以及石材机械厂 和石材生产厂的实际生产、应用和实验条件，采用理论分析和实验验证相结合 的研究方法，主要进行以下几方面的研究内容： ( 1 ) 通过功能分析，从设备设计理念出发，应用模块化设计技术，结合 创新设计，提出新型砂锯总体设计方案；从加工工艺角度提出新型砂锯主要技 术参数，利用三维设计软件s o l i d w o r k s 对新型砂锯进行总体设计。 ( 2 ) 研究砂锯加工原理和切削机理，通过单颗粒钢砂锯切力分析研究砂锯 锯切力特性；提出了电阻式应变片对锯条上切削力进行测定的方案，为进一步 结构的优化分析奠定基础。 ( 3 ) 对新型砂锯锯切系统进行优化分析，主要包括：最佳切削轨迹和切削 机构的优化设计，锯框优化分析和锯条侧向位移验证。由主运动分析得出锯框 实际行程和偏移量，提出最佳切削轨迹；通过最佳切削轨迹对最佳切削运动机 构进行设计优化；锯框作为关键部件，以达到强度和节约材料为目的，对其进 行有限元静力学和动力学分析，得出最后的结构；对锯条侧向位移验证，完善 锯切系统的加工工艺。 ( 4 ) 对关键技术中自动调节连杆进行设计，创新结构，采用偏心轮调节方 式，使锯框能够垂直下降，保证切削精度，提高效率；对新型连杆进行力学验 证，用有限元法对新型连杆优化分析。 1 6 2 课题研究的意义 国内砂锯的研究机构少，厂家多为引进意大利设备，价格昂贵，砂锯研制 的关键技术没有掌握，新型砂锯研制成功后将很好的解决这一问题，砂锯研制 9 山东大学硕十学何论文 技术将在国内处于领先水平；将很好的解决加工大规格或超大规格花岗石板材 制品的问题；新型砂锯具有较高的性价比，显著降低了设备投资，使砂锯在锯 切大规格板材制品的应用中的优势充分体现，具有较高的经济效益和广阔的市 场前景。 具体有以下几点： ( 1 ) 新型砂锯研制成功后，将很好的解决大规格和超大规格花岗石板材制 品问题。目前由于砂锯加工机制问题，通过改进结构，增加驱动力，使锯切荒 料体积增加，提高了加工效率，降低了锯切成本。在花岗石超大规格板材加工 竞争中占有主导地位，具有较高的经济效益和广阔的市场前景。 ( 2 ) 新型砂锯采用创新设计方法研究，采用模块化设计理念，对新型砂锯 整机做了创新设计。从砂锯加工机理和锯切力理论研究入手，采用实验手段得 出实际锯切力，为优化分析打下基础；锯切系统的优化分析中除了对最佳切削 轨迹研究外，采用有限元分析法，对砂锯结构进一步优化，提高性能，节约材 料，使新型砂锯在竞争中更具优势。 ( 3 ) 新型砂锯关键技术研究中，提出一种新型连杆的设计理念，使得结构 更优。在砂锯锯框垂直下落技术中，提出了偏心轮连杆调节方式，使连杆调节 更简洁、方便，提高了加工效率；通过理论分析结合有限分析法，对连杆结构 进行改进，使连杆稳定性更高。新型连杆调节技术对砂锯设备研究具有指导意 义。 1 0 第2 章新型砂锯总体设计研究 第2 章新型砂锯总体设计研究 2 1 新型砂锯总体设计 砂锯是锯切花岗石、大理石大规格板材的设备，其主要功用在于锯切高硬 度花岗石大规格板材。砂锯属于典型的框锯机范畴，框锯机是利用曲柄连杆机 构带动安装锯条的锯框做上、下或左右往复运动，由装在锯框的多根锯条对荒 料或木材进行加工的机械。砂锯工作原理为装在锯框上的钢锯条随锯框作摆式 曲线运动时，不间断的供以钢砂磨料，锯条把磨料压入石料产生挤压和磨削作 用形成锯路，通过升降传统动机构连续向下进给运动，锯路逐渐下移即把荒料 锯割成毛板，从而实现了对石荒料的锯切加工【1 5 】。主要由主运动系统，进给系 统，供砂系统和控制系统等组成，其中主运动系统和进给系统是基础，本章详 细研究砂锯主体部分的总体设计【1 6 1 。 2 1 1 新型砂锯总体设计要求 新型砂锯总体布局应满足以下几个基本要求【17 】： ( 1 ) 必须满足如加工范围、工作精度、生产效率和经济性等各种要求。 ( 2 ) 应确保实现既定工艺方法所要求的荒料和切削过程的相对运动，在经 济、合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传 动效率。 ( 3 ) 应确保砂锯锯切过程中与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、 噪音水平等。 ( 4 ) 应便于观察加工过程；便于操作、调整和维修；便于输送、装卸荒料 和清理；注意防护，确保安全。 ( 5 ) 结构简单，合理可靠，便于加工和装配。 ( 6 ) 满足加工要求情况下，应尽量要求砂锯体积小，重量轻，节约材料， 制造成本低，外型美观大方。 2 1 2 新型砂锯总体设计布局 新型砂锯总体设计方案如图2 1 所示。新型花岗石大砂锯主要由驱动电机、 山东人学硕十学何论文 飞轮曲柄主轴、自动调节连杆、锯框、摆臂、立柱和锯框升降系统、自动润滑 系统、液压控制系统、控制系统和自动加砂系统等组成。主电机带动飞轮曲柄 转动，自动调节连杆推动摆臂锯框往复摆动，立柱丝杠自动进给系统使锯框下 落，实现装在据框上的锯条对花岗石荒料的切削。其中，主电机功率足够大， 能够驱动飞轮转动；飞轮作为储能元件，需满足转动惯量要求；自动调节连杆 在满足冲击强度要求下，需满足调节要求，使锯条中心始终与荒料中心重合； 液压系统中液压缸的排放，使锯条的不同安装能够满足锯切不同板厚的板材； 进给机构中丝杠与铜螺母需满足配合、强度和进给要求【1 8 】。采用三维软件 s o l i d w o r k s 建立砂锯三维模型，新型砂锯整体结构如图2 1 所示。 多励i2 、 辅7 上漆 一 一髦 陛 u _ _l j 、i 1 飞轮，2 曲柄，3 主电机，4 连杆，5 立柱，6 进给丝杠，7 锯框， 8 进给系统，9 摆臂，1 0 荒料，1 1 荒料车 图2 1 新型砂锯结构简图 2 2 新型砂锯总体方案设计 新型砂锯的总体功能是由相应的功能模块来实现的，按照模块化设计的特 点和模块划分的原则，将砂锯总体功能分解为五大功能模块包括动力、运动、 冷却润滑、支撑模块和其他辅助扩展功能模块【1 9 】【2 0 1 。 ( 1 ) 动力模块主要为实现缓慢进给运动，锯框摆动切削运动和加砂系统 的动力部件模块，主要由各型号电机构成。 ( 2 ) 运动模块飞轮一曲柄通过连杆带动锯框做钟摆运动；同时吊臂一锯框 做垂直向下的缓慢进给。主要由主运动系统和进给系统组成。 ( 3 ) 支撑模块支撑、连接其他部件，并使其在工作过程中保持准确的相 对位置和运动关系。主要由立柱、水泥台和荒料车组成。 1 2 第2 章新型砂锯总体设计研究 ( 4 ) 冷却润滑模块确保设备运行中热量过大造成对设备构件和刀具及制 品的损坏，所采取的冷却润滑方式。由加砂系统和润滑系统组成。 ( 5 ) 辅助扩展功能扩展模块扩大设备功能的模块，设计过程中在预留出 扩展模块的空间，为以后设备功能扩展做准备。 把砂锯功能模块的各功能元连接组装，即完成本项目的机械系统的设计， 其总体设计方案如图2 - 2 所示。对模块接口进行标准化设计，这样不仅可以方 便改换模块、重构组合形成不同类型、不同功能的复合加工设备，通过对模块 增加或更换来拓展或变换设备功能。 图2 2 新型砂锯总体设计方案 运动模块是新型砂锯设计主要模块，进一步分析如下。主运动系统是由驱 动电机通过飞轮曲柄、连杆带动锯框做左右往复式摆动；进给系统由伺服电机 通过丝杠、铜螺母、摆臂推动锯框往下做进给运动。只有当主运动系统和进给 系统协调、同步运作时，锯机才能完成切削运动。主运动系统方案如图2 3 所 示，进给系统方案如图2 4 所示。 1 3 山东人学硕十学传论文 图2 3 主运动系统方案 图2 _ 4 进给系统方案 2 3 新型砂锯总体结构设计 2 3 1 主要技术参数 表2 1 给出了新型砂锯的主要规格和技术参数： 表2 1 新型砂锯主要规格和技术参数 切削荒料宽度( m m ) 4 8 0 0 切削长度( m m ) 3 6 0 0 切削高度( 舢) 2 2 0 0 最多安装锯条数量( n )1 6 0 锯切板材最小厚度( 唧)2 0 一分种内往复次数( 1 3 ) 9 0 落锯速度( c m h ) 2 - 8 锯条行程( f i l m ) 8 0 0 主电机功率( k w ) 9 0 快速升降电机功率( k w ) 7 5 缓慢向下进给电机功率( k w ) o 7 5 2 3 2 新型砂锯主要功能部件结构设计 ( 1 ) 锯框 根据荒料的装载、运输能力和国内企业的实际情况，大规格荒料宽度一般 在2 2 5 m ，新型砂锯在锯切范围内可同时安放两块荒料进行加工，满载的情况 下将切削宽度提高到4 8 m 。国内砂锯生产厂家，上海飞宙有限公司引进b m 技术 切削宽度最大为5 米，广东科达机电有限公司最大切削宽度为4 8 m ，济南恒运达 1 4 第2 章新型砂锯总体设计研究 为3 6 m 等。由于加工宽度增加，锯框内安装锯条的数量也相应增加，最多可安 装1 6 0 根锯条。这意味若为了达到理想的落锯速度，锯框必须承受更大的锯条张 紧力，以确保砂锯在安装全部锯条时，锯框处于沉重工作载荷下的变形量最小， 同时还必须保证锯条始终处于最佳的张紧状态下，以便达到最高的锯切精度和 更高的锯切落锯进给速度。锯框作为一个储能器，其重量也是影响加工效率的 一项重要因素，满足一定的重量下才能在加工过程中锯框的势能更好的转化为 锯切时的动能。 作为锯条的支撑锯框，在锯框上安装1 6 0 根锯条，按平均每根锯条张紧力8 t 计算，锯框所承受弯曲载荷达到1 2 8 0 t 。新型砂锯锯框端部部位采用厚度为 6 0 m m - 9 0 m m 的铜板焊接而成( 采用有限元静力分析法，确定壁厚7 0 1 ) ，与直径 3 0 0 m m 的厚壁钢管或变长3 0 0 m 正方形厚壁钢管侧面框架连接成一个结构整体。 在承受巨大张紧力载荷和切割阻力，并提供必要储能的情况下，锯框的总重量 超过了l o t 2 ”。采用锯框三维结构如图2 5 所示。 幽2 5 锯框三维结构图 ( 2 ) 飞轮一曲柄 在新型砂锯中，飞轮主要起储能作用，其结构设计要求取决与锯切力的大 小。单连杆砂锯加工宽度最大极限是5 m ，飞轮直径达n 3 8 m ，重量超过l o t ，最 多可安装1 6 5 根锯条。飞轮需具有一定的重量，这样才能具备足够驱动重达l o t 以上的锯框j 下常锯切运动的转动惯量，并要求具有良好的平衡性能。为了降低 锯框往复运动产生巨大惯性力对锯机部件的有害冲击，新型砂锯采用飞轮低转 速( 9 0 r p m ) 、锯框大往复行程( 8 0 0 m m ) 的设计参数，锯框的行程由曲柄的偏 山尔人学硕j = 学位论文 心距离决定。飞轮材料选用优质铸铁或球墨铸铁分成两个半圆分别铸造而成， 将两个半圆飞轮连接起来行成整体。由于主轴和曲柄要承受巨大的交变载荷， 工作条件恶劣，主轴、曲柄材料选用高强度钢，采用锻造工艺制作而成。 新型砂锯设计飞轮直径为3 9 m ，重达1 2 t ，这时飞轮转动惯量达到 2 0 0 0 0 k g m 2 ，其动能储备足以维持锯框的平稳运行。采用9 0 k w 电机，飞轮转速 9 0 h r a i n 。曲柄偏心距为3 0 0 m m ，锯框行程达i u 6 0 0 m m 。飞轮一主轴一曲柄三维结构 如图2 - 6 所示。 图2 6e 轮一主轴一曲柄三维结构图 ( 3 ) 自动调节连杆 连杆调节的目的是使锯条的中心与待加工荒料的中心始终重合，以消除因 锯条与荒料相对位置变化和锯条磨损后出现的台阶对荒料的冲击避免过大的 冲击对加工板材的损坏，减少有害振动对锯条寿命的影响提高加工板材的质 量和加工效率。砂铬连杆调节机构有四种，传统的停机手动调节机构，s e m i c 公司的弧形立柱结构，凸轮液压调节机构，偏心轮调节机构。其中停机手动调 节机构影响加工效率，加工板材表面不平整；弧形立柱属于精密件，导轨滑块 等结构需要做相应调整，制造成本高；液压凸轮调节机构结构复杂，在高频率 转动和振动下交其他调节方式稳定性差：偏心轮机构结构简单，在一定偏差存 在的情况下符合自动连杆调节方式。目前砂锯连杆长度都在6 8 m 之间，短连杆 结构已很少用，连杆由碳素钢整体铸造而成，其强度、刚性、寿命得到很大程 度提高。新型砂锯连杆长度调节机构通常为偏心轮调节方式，目前最理想的调 节方式为s i m e c 公司的弧形导轨立柱调节方式。 新型砂锯采用自动连杆调节技术，设计偏心轮自动调节机构，由控制系统 第2 章新型砂锯总体设计研究 自动调节连丰t 雒度，使锯框平稳垂直下落，板材质量、切削效率大幅度提高。 连朴长度为7 m ，偏心轮偏心距为0 0 4 3 5 m ，切削高度为22 m 。新型砂锯自动调 节连杆二维结构如图2 ，7 所示。 幽2 7 自动调节连杆二维结构酗 ( 4 ) 摆臂 摆臂由锯切行程和锯框运动轨迹决定。国内砂锯生产厂家；莱州奥连特、 济南恒运达锯切行程为4 0 0 r a m ，广东科达锯切行程为6 0 0 r a m 。摆臂连接立柱上的 铜螺母支承着往复运动的锯框，决定着锯框的往复运动轨迹。目前锯框和锯 条的往复运动轨迹仍然足摆式，新型砂锯锯切行程增加，这就需要较大i ，j z j j 力 米源和结构改进。 锯切行程锯条 复行程增加到6 0 0 m m 后，摆臂高度也随之增加，新型砂锯 摆臂的摆动半径增加到16 m ，从而实现了6 0 0 r a m 的锯条往复运动行程，使砂锯 的锯切性能和切削效率得n f 目- 大的改善。摆臂三维结构如图2 - 8 所示。 幽2 - 8 摆臂三维结构图 ( 5 ) 其他机构 立柱、锯框进给系统，自动润滑系统，供砂系统【2 ”，电控系统，其它辅助 设备。 ( 6 ) 新型砂锯整体三维结构 嘲2 - 2 砂锯三维总体结构简圈 新型砂锯宽6 m ，高7 m ，长1 7 m ，加工宽度大，一次性加工板材多，加工 效率得到很大提高。新型砂锯通过优化分析，精简结构，使得性能更加稳定， 重量进一步减轻，在竞争中具有很大优势。 2 4 本章小结 ( 1 ) 应用创新设计思想结合创新设计理念，通过对新型砂锯的功能分析， 指出了总体设计思想和总体设计布局。利用机械创新设计中的分离创造原理将 砂锯按功能分解为动力、运动、冷却润滑、支撑模块和其他辅助扩展功能模块 确立了新型砂锯总体设计方案； ( 2 ) 根据花岗石大板锯切的工艺要求确立了新型砂锯主要技术参数，采用 三维建模软件s o l i d w o