（机械制造及其自动化专业论文）金刚石框架锯结构优化及其关键技术研究.pdf

捅要 摘要 伴随建筑装饰行业的蓬勃发展，大理石大板的需求量逐年增加。金刚石框架 锯是大理石大板最主要的加工设备。因当前金刚石框架锯大都是模仿设计，存在 明显的结构笨重、运动系统不平稳、加工工艺参数靠经验等问题，行业迫切需要 对其进行系统研究、优化。 本文对国内外主要金刚石框架锯生产、使用情况进行了系统调研和分析，在 运动分析和功能分析的基础上，应用模块化设计，建立了金刚石框架锯结构模型 并对金刚石框架锯结构模型进行了更加深入的研究，分别进行了运动特性研究以 及其受力状态的研究。 对已经生产出的金刚石框架锯样机进行动态实验研究，获取金刚石框架锯 各零部件的动态响应频率；利用有限元分析软件对结构模型各关键零部件进行 模态分析。将动态试验与模态分析的结果进行对比、分析，两种动态频率分析 方法的结论基本吻合，完善了对新型金刚石框架锯各关键零部件的有限元分析 方法和模型；并对主要结构件进行了优化设计。对飞轮进行了创新设计，对导 向机构进行了深入的研究及优化设计，使运动系统更加平稳、可靠性更强。 经过优化设计，最终得出新型锯机模型。新型锯机总体质量比原锯机减轻7 吨左右；整机主功率由原来1 1 0 千瓦降为9 0 千瓦；各个构件经过非常严格的研究 分析，可靠性更强；经过优化后的锯机结构得到改善、运动更加平稳，并对加工 工艺参数的选取提供了理论指导，满足了消费者使用要求，可以很好的提高设备 的市场竞争力，有利于促进金刚石框架锯的进一步发展。 关键词框架锯；有限元；模态分析；优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a n yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fb u i l d i n gi n d u s t r y , m o r ea n dm o r eb i gm a r b l e s l a bi si nn e e d d i a m o n df r a m eg a n gs a wi st h eu p p e r m o s tm a c h i n ef o rm a n u f a c t u r i n g b i gm a r b l es l a b c u r r e n t l y , b e c a u s em o s to f t h ed i a m o n d sf r a m eg a n gs a wa r ea l ld ot h e s i m u l a t ed e s i g n ，w h a tc a u s et h ec o n f i g u r a t i o nh u l k i n g ，m o v e m e n ts y s t e mi sn o ts m o o t h ， t e c h n i c sp a r a m e t e rd e p e n d so ne x p e r i e n c e s t o n ei n d u s t r yn e e d sm o r ed e v e l o p m e n tt o f u l f i l l i n gt h er e q u i r e m e n ti na l ls o c i e t y a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fm a r k e tr e s e a r c ha n dr e f e r r i n gt ot h em a i n s t r e a mo ft h e m e c h a n i s m ，i n c l u d i n gp r i n c i p l ea n a l y s i sa n ds a w i n ge x p e r i m e n t a t i o n ，w ed e s i g n e da n a d v a n c e dd i a m o n df r a m eg a n gs a w , a n dl u c u b r a t e do nt h i sd i a m o n df l a m eg a n gs a w , f o u n di t sd e f i c i e n c yi nc o n f i g u r a t i o n ，d i do p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h i sd i a m o n df r a m e g a n gs a wf a c i n gt oi t sd e f i c i e n c y w ea d o p t e di n t e r n a t i o n a l l ya d v a n c e dd y n a m i ct e s t i n ge q u i p m e n t st op r o c e s s i n g d y n a m i ce x p e r i m e n tt e s tt ot h ed i a m o n df r a m eg a n gs a w , a t t a i n i n gt h ed y n a m i c r e s p o n s ef r e q u e n c yo ft h ek e yp a n so ft h ed i a m o n df r a m eg a n gs a w a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so fd y n a m i ce x p e r i m e n t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et op r o c e s sf i n i t e e l e m e n tm o d a la n a l y s i st ot h ek e yp a n so ft h ed i a m o n df r a m eg a n gs a w , a t t a i n i n gt h e c o r r e c tm e t h o da n dm o d e lo fp r o c e s s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ek e yp a r t so ft h e d i a m o n df r a m eg a n gs a w a c c o r d i n gt ot h ec o r r e c tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o da n d m o d e l ，p r o c e s s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z i n gd e s i g nt ot h ek e y p a r t so fd i a m o n df r a m eg a n gs a w c o m b i n e dm a t hm e t h o da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d ，w ed i di n n o v a t i o nd e s i g nt of l y w h e e l ，r e s u l t 埘t l lah i g hc a p a b i l i t y , s m a l l d i m e n s i o n ，l o wc o s tf l y w h e e l t h e nw el u c u b r a t e do nt h eg u i d e s ，a n dd i do p t i m i z a t i o n d e s i g nt ot h eg u i d e s ，a f t e rt h a tt h eh y d r o s t a t i cj o u r n a lb e a r i n gw o r k e dm o r ea c c u r a t e l y a n di t sc o n f i g u r a t i o nw a sm o r er e a s o n a b l e a f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n ，w ef i n i s ht h en e wm a s h i n e t h eq u a l i t yo fn e wd i a m o n d f r a m eg a n gs a ww a sa b a t e ds e v e nt o n s ，a n di t sp o w e rw a sa b a t e dt w e n t yk i l o w a t t t h e o v e r a l lc a p a b i l i t yo ft h ed i a m o n df r a m eg a n gs a ww a si m p r o v e d ，c o n f i g u r a t i o nw a s m o r er e a s o n a b l e ，t h em a n u f a c t u r i n gc o s ta n dw o r k i n gc o s tw a sd e c r e a s e dt oal o wl e v e l ， f u l f i l l e dt h ec o n s u m e r ，i m p r o v e di t sm a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t y , w h i c hw a sp r o p i t i o u st o t h ed e v e l o p m e n to fd i a m o n df r a m eg a n gs a w k e yw o r d sd i a m o n df r a m eg a n gs a w ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ； m o d a l a n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 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：王生笔磊一一 日 期：2 竺盟：! 里 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：王兰量丕导师签名：e l 期：兰盟：兰! 第1 章绪论 1 1 大理石大板的应用以及加工概况 1 1 i 大理石大扳的应用概况 自古至今，天然石材一直在建筑领域占有举足轻重的作用。从古罗马大教常、 埃及的金字塔到法国卢浮宫等等，石材在世界的建筑领域就像一颗璀璨的恒星， 以千古不变的姿态推动了人类建筑史的发展。同时也促进了人类不同文化的沟通， 映射了人类文明的进步。 天然石材的使用已有几千年的历史了，随着改革开放步伐的加快和人们生活 水平的提高，天然石材的应用越来越广泛，越来越普及，已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。 石材应用在建筑领域，不仅仅是作为建筑基石使用，而且以它特有的色泽和 纹理的美在建筑物的室内、外环境中得到广泛的应用。尤其是近年来，城市以及 乡镇现代化建设加快，在大型场馆地面、墙壁的装饰领域，石材大板的应用越来 越多。石材大板主要包括花岗石大板跟大理石大板。现在大理石大板已经广泛应 用在外墙、地而、壁饰等多种场合，越来越贴近我们的生活，如图l 一1 所示。 从荒料到大板，这也是石材板材加工生产线中的第一道工序，石材大板除了 特殊场合直接使用，同时也在金刚石圆盘锯、磨机、磨边倒角机等的加工作用下 变成其他成品，供不同场合使用。 幽1 1 人理石扳材使用场台 山东人学硕十学位论文 曾有专家预测说，世界石材的加工中心正在向亚洲转移，特别是向j 下在蓬勃 发展的中国转移。2 0 0 2 年中国石材进出口总额达1 6 亿美元，业内人士对此说法己 深信不疑，因为在1 2 0 亿美元的世界石材贸易额中，中国大陆己占到了1 3 以上。 而从占世界石材贸易总额的1 6 到1 3 ，中国用了不到1 0 年 2 1 。 据不完全统计，我国每年房屋建筑面积为1 8 1 9 亿平方米，其中框架结构体 系占2 5 左右，为4 7 5 亿平方米。一般情况下，每平方米建筑面积需内外墙体材料 为1 8 2 - 2 4 2 平方米。但是，我国目前板材产量仅占墙材总产量的3 ，由此可见， 建筑业对板材有相当大的需求量，前景十分广阔【3 】。中国天然石材工业经过从1 9 7 8 年至今的快速发展，已经成为世界石材界中的重要成员。主要表现在石材产量、 消费量、进出口量与金额的大幅度增长；石材机械与工具也由最初的依赖进口到 逐渐自给并开始批量出口。中国石材工业的总量由1 9 7 8 年世界第2 7 位上升至u 2 0 0 6 年的世界第1 位，石材工业及相关工业产值达到1 0 0 0 亿元人民币，其发展速度大大 超过中国国内其他工业的发展速度1 4 1 。 当前锯切大理石大板的主要设备是金刚石框架锯【5 】。 2 1 1 ，2 大理石大板的加工概况 从人理石荒料加工成大板，当前主要有四种加工设备，这四种设备分别是： 金刚石圆盘锯、金刚石带锯、金刚石串珠锯、金刚石框架锯叫。 金刚石圆盘锯，圆形锯片上焊接有金月石结块，通过锯片的高速旋转来实现 对石材的切割。主要应用在大理石、花岗石板材的切割领域。优点是：加工效率 高，加工成本低。缺点是：加工幅面受锯片尺寸影响大。普通金刚石圆锯片存在 一个明显的缺骼：有效切割宽度只能达到圆锯片直径的3 0 3 5 。要扩大切割幅 面，只有增加圆锯片直径，但大直径尤其是超大直径锯片、锯机的昂贵成本致使 其高效、低成本的优势荡然无存 l 。可以使用对剖机进行大幅面板材的切割，但是 对剖机设备操作复杂，加工精度低。而超太直径的圆锯片基体在o , 2 2 0 0 n 以上， 随着其直径的增大因锯片基体的制造工艺复杂、精度控制困难等问题，使得锯 片和设备的制造、使用成本将呈指数倍数的增加，无法体现圆盘锯加工的低成本 优势。 金刚石带锯，采用电机驱动土动轮，经盒刚石锯带传送给被动轮，使锯带以 单向循回快速转动，荒料或板材作往复直线运动进行切割1 8 i 。金刚石带锯主要应用 在大理石超薄大板的加工领域。其优点是：运动平稳、切割板材精度高、废品率 低。缺点是：它一次只能加工一块大板：对荒料的整齐度要求较高；加工幅面虽 大只能达到1 0 0 0 1 0 0 0 r t t n 。因此在批量太板的需求下，无法满足市场要求。 削卜2 金刚石圆盘锯图卜3 金刚石带锯 金刚石串珠锯利用金刚石串珠绳对石材进行切割，可以分成石材开采用移动 式串珠锯、荒料整形和异型加工用固定式串珠锯。同一台锯机，只要更换不同用 途的串珠绳、改变串珠绳线速度，就可以方便地切割大理石或花岗石大板。通过 山东人学颁十学位论文 调整串球绳间距，可以灵活地改变成品板材的厚度，具自框架锯机无法比拟的优 势，生产效率也很高，因此多绳固定式串珠锯是很有发展前景的种人板锯切设 备1 9 】。金刚石串珠锯的优点是：) j u i 效率高、加工成本低、应用范围广。缺点是： 技术含晕高，国内研究较少，因此设备价格高，而且维护费用高。基本依赖进口， 而且串珠锯对荒料的糙齐度要求高。因此当前还需加大对串珠锯的研究力度，提 高国内埘串珠锯的牛产水平。相信串珠锯在石材大扳的加，i ：领域有很好的前景。 余刚石框架锯采用焊接有余刚石结块的锯条作为锯切工具，可以高效的将荒 料加工成太板。其优点是：次性加工板材数罱多锯框上装配锯条数量大，可 以一次加工2 5 一1 5 0 片大理石大板i l ，加工幅面大，日前世界上比较先进的金刚石 框架锯加工幅面可以达n 4 0 0 0 3 0 0 0 m m ；加工效率高，采用高速飞轮作为储能机 构，大功率电机带动，另外采用焊接有仓刚石结块的锯条作为锯切工具，因此加 工效率较高。锯切效率比通常使用的加砂人锯提高5 1 0 倍，比金刚石大圆锯切割 每m 3 荒料i 叮以多出i o m 2 毛板，切出的板料截面光滑平整，减少磨抛工作量。缺点 是：存在明显的结构笨重、运动系统不平稳、自l l l i 艺参数靠经验等问题。 综上所述，我们有必要对金刚石框架锯进行进一步的研究与丌发以求设计 出一种完美的金刚石框架锯，以促进大理石板材加丁，满足市场需求。 图1 4 金刚“串珠锯幽1 5 金刚石框架锯 第1 章绪论 1 2 金刚石框架锯研究以及使用概况 金刚石框架锯是大理石大板最主要的的加工设备。石材大板的需求量增加也 刺激了金刚石框架锯的发展。近年来，金刚石框架锯发展迅速，国内外相关的石 材机械企业为了提高市场竞争力，纷纷加大科研力度、投资力度，相关的石材行 业科研机构也在框架锯的研究方面有重大突破。极大的促进了金刚石框架锯的发 展，也推动了石材业在全球的发展。 1 2 1 金刚石框架锯原理及其分类 金刚石框架锯按框架运动特点可分为立式和卧式【1 2 】。 立式金刚石框架锯机，锯框作上下直线往复运动。该类框架锯的主要特点是： 有利于排屑和注入冷却水，设备功率大，锯切速度快，生产效率高，但设备结构 复杂，荒料必须整形。 该锯机组成部分主要包括主电机、飞轮、升降轴、连杆、锯框和金刚石锯条、 机前工作台、机后工作台、进料机构、梳齿推进装置、立柱、吸水泵、喷水冷却 装置等。 图l - 6 立式金刚石框架锯机 l 、钢筋砼基础2 、减速器3 、主电机4 、转动变带5 、飞轮6 、安全装置7 、连杆8 、机架立柱 9 、锯框上升平板1 0 、喷水管l l 、金刚石锯条1 2 、荒料紧同装置支架1 3 、梳齿推进装置 1 4 、机后工作台1 5 、进料机构1 6 、排水井1 7 、吸水泵 5 t li 东大学硕+ 学位论文 卧式又可分为锯框下降式和荒料顶升式。 锯框下降式金刚石框架锯，锯框向下运动完成对荒料的切割。该类锯机的结 构特点是：被锯切荒料的位置不动，锯框随着锯缝的深度增加而下降，是应用较 广泛的一种锯型，该锯对荒料要求不高，能加工各种材质的大理石荒料，设备功 率小，但生产效率较低。该锯由主电机、飞轮、曲柄连杆、锯框和金刚石锯条、 工作给进装置、锯框导向装置、机架、荒料车、喷水冷却装置等组成。 锯框顶升式金刚石框架锯，锯框只在同一平面内运动，荒料被顶升完成切割。 该锯机的结构特点是：结构较复杂，它要求有坚固的基础，荒料整形要求高，设 备功率大，生产效率高。该锯由主电机、飞轮、曲柄连杆、锯框和金刚石锯条、 锯框导向装置、石料顶升装置、荒料车、机架、喷水冷却装置等组成。结构如图 1 7 所示。 图1 7 顶升式金刚石框架锯结构示意图 1 、飞轮2 、连杆3 、锯框与金刚石锯条4 、石料顶升装置 5 、荒料车6 、机架7 、喷水冷却装置 顶升式框架锯的主要结构是飞轮以及曲柄连杆机构。加工中，主电机带动飞 轮转动，飞轮轴连接曲柄，带动曲柄同速转动，驱动连杆做往复运动，连杆另一 端与锯框连接，从而带动整个锯框做往复运动；与此同时进给系统通过丝杠顶升 作用使荒料车向上运动，锯框上装有锯条，锯条上焊接有金刚石结块，这两个运 动的合成就完成了锯条对荒料的切割。 卧式框架锯分高速框架锯和低速框架锯，前者一般冲程为5 0 0 1 0 0 0 m m ，往复 次数为9 5 1 2 0 次分；切削效率为1 5 4 0 c m h ；需要的功率一般是1 0 0 1 3 0 h p ；后者 一般冲程为3 2 5 5 0 0m i l l ，往复次数为7 5 9 5 次分，切削效率为8 1 5 c m h ；需要的功 率一般比高速锯要低1 1 3 】。 6 第1 章绪论 1 2 2 金刚石框架锯研究概况 金刚石框架锯发展迅速，国内外的石材机械企业为了提高市场竞争力，越来 越意识到科技研发在框架锯设计中的重要性，纷纷加大了科技力度；同时国内很 多研究机构、高校等，也纷纷加大了对金刚石框架锯的研究，并与企业紧密的结 合在一起，使得理论与实践结合，这在一定程度上促进了金刚石框架锯的研发。 相关学者结合国外研究成果对金刚石框架锯做了比较系统的锯切研究，从运 动学、破碎机理等角度提出了较为深刻的见解，为金刚石框架锯结构设计以及加 工工艺参数的选择提供了必要的理论依据；上海飞宙、山东华兴等石材机械生产 厂家，注重与高校合作，纷纷推出了比较先进的金刚石框架锯，在国内处于领先 地位。 框架锯的发展离不开科技研发，因此企业需要进一步的加大科研力量的投入， 使得理论与实践很好的结合起来，这样才能更好的促进金刚石框架锯的发展。 1 2 3 金刚石框架锯国内外生产使用概况 国内外多家石材机械企业纷纷加大研究力度，开发新产品。近年来国内外的 国外金刚石框架锯发展都较为迅速，其中意大利在框架锯生产领域处于世界领先 地位，切削宽度达到了2 5 米，冲程达到了l 米1 1 4 】。 现将国外几种框架锯技术参数总结如表l 所示： 表1 1 国外部分金刚石框架锯的技术参数 二謦絮 b ml o ols f e r ad r a g o n 8 0 8 0 0 t l d l o o s c 技术参数、 s u p e rm 5 6 8型b m 国家意大利意大利s i m e c意大利意大利 3 2 0 0 2 5 0 03 2 5 0 2 5 0 03 2 0 0 2 0 0 03 2 0 0x2 5 0 0 最大切割尺寸( m m ) 2 0 0 02 0 5 02 0 0 02 2 0 0 可装锯条数( 根) 1 0 01 0 08 01 0 0 每分钟摆动次数( 次) 8 59 59 09 5 冲程( m m ) 8 0 06 0 08 0 0 8 0 0 飞轮直径( m m ) 3 3 0 03 3 0 03 3 0 03 3 0 0 总功率( k w ) 1 2 01 2 01 2 1 1 6 2 整机重量( t ) 5 74 85 5 7 5 铰链式线性铰链式线性矩形导轨配 锯框导向方式静压导轨 导向机构 导向机构合滚动轴承 7 山东大学硕十学位论文 国内框架锯发展也非常迅速，各家企业纷纷推出新产品，其技术已经达到甚 至超过国外，极大的促进了我国石材行业的发展。 现将国外几种框架锯技术参数总结如表1 2 所示： 表1 2 国内部分金刚石框架锯的技术参数 淤 华兴机械众力机械 盛达机械上海飞宙广东科达 3 2 0 0 2 0 0 03 2 0 0 x 2 0 0 03 2 0 0 x 2 0 0 03 2 0 0 2 0 0 0 3 3 0 0 2 0 0 0 最大切割尺寸( m m ) 2 0 0 02 1 0 02 1 0 0 x 2 0 5 0 2 1 0 0 可装锯条数( 根) 8 08 08 08 0 8 0 每分钟摆动次数( 次) 9 09 09 09 0 8 5 冲程( m m ) 8 0 08 0 0 8 0 08 0 0 8 0 0 总功率( k w ) 1 1 01l o1 1 01 2 1 1 2 0 整机重量( t ) 6 56 25 55 5 6 3 铰链式线性铰链式线性铰链式线性 锯框导向方式静压导轨静压导轨 导向机构导向机构导向机构 可以看出，意大利所生产的金刚石框架锯，加工荒料的尺寸较大，一次性装 夹锯条多，整机质量较轻，综合性能较高，处于世界领先地位。国内生产大型金 刚石框架锯的技术水平，与国外的差距很小。国内目前至少有六家企业生产具有 国际先进水平、荒料升降进给方式的现代大型金刚石框架锯；还有几家企业生产 锯框升降进给方式的传统金刚石框架锯【l 引。近年来，国内石材机械企业纷纷加大 了科技研发的力度，从上表中我们也能看到，国内产品在技术参数方面，与国外 的差距已经很小，而且国内有的企业还采用了世界上最先进的液体静压导轨的导 向机构。根据调研，还了解到国内产品在使用寿命方面，与意大利的设备也存在 一定的差距，因此国内产品仍需加大科研力度，存在较大的优化空间。我国是石 材大国，对框架锯的研究具有比国外更大的市场，因此我们应该加大对金刚石框 架锯的研发力度。 1 3 课题研究的必要性及主要研究内容 1 3 1 课题产生的背景 石材作为一种非常好的建筑材料在全球范围内应用越来越多，2 0 世纪9 0 年代 以后，我国石材工业的发展突飞猛进，曾一度出现了全国范围大办石材厂的热潮， 8 第1 章绪论 使我国在世界上进入石材生产大国和贸易大国的行列。尤其是大理石大板的需求 量开始逐年增加，这也使得大理石大板最主要的加工设备金刚石框架锯的需 求量越来越大。 国内各大石材机械生产企业为了争取市场份额，获取最大利润，提高市场竞 争力，纷纷加大了对金刚石框架锯的研发力度，不断的对产品进行更新换代，因 此，近年来金刚石框架锯发展较为迅速。但是，这些企业设备更新换代往往仅限 于设备结构的变化，却不是结构的改进。 当前市场竞争十分激烈，而且在国内经济日趋严峻的形式下，原材料价格在 大幅上涨，制造业面临着很大的挑战。为了能够很好的面对这些挑战，同时也为 了促进金刚石框架锯的发展，需要把理论应用在设备的研发制造中，使得金刚石 框架锯在原有的结构上得到很好的优化，设计出一种最合理的结构，实现成本降 低，性能提高，在这样的前提我们提出本课题的研究内容。 1 3 2 课题研究的必要性 金刚石框架锯是大理石大板最主要的加工设备，当前国内多家石材机械领域 的知名企业都在加大投资力度、开发新产品。通过对现有的框架锯生产厂家进行 调研，我们发现，国内大部分框架锯的设计生产缺少相关的理论作为指导，即使 产品的更新换代，也仅仅是设备结构变化，但不是结构的改进。这样的设计方法 很难促进设备综合性能提高，以适应市场要求。我们有必要对设备先进行运动学、 动力学分析，有了理论基础，才能使得设计有章可循，才能设计出最优的设备。 金刚石框架锯发展到今天，其部分结构，尤其是一些关键构件，比如导向机 构，结构上并不是特别合理。金刚石框架锯的锯框导向机构当前存在多种形式， 也被不同的企业所用，但是当前的这几种结构并不是导向结构发展的终点，为了 更好的实现其导向的功能，有必要对其进行深一步的研究，以求在导向机构的设 计上有所创新。 1 3 3 课题研究的主要内容 本论文主要是结合市场调研，按照市场的普遍需求，设计出一种性能较好的 9 山东大学硕十学何论文 金刚石框架锯，并与企业合作共同完成产品的设计制造。在设计出金刚石框架锯 的基础上，结合国内外金刚石框架锯的相关参数，并结合实际的加工运行情况， 对现有的设备进行相关的力学、运动学、动力学分析，通过分析找出设备结构不 合理的地方并对其进行优化。同时，对关键构件飞轮、导向机构进行创新优化设 计，提出新的设计理念和优化思路。本论文的主要研究内容概括起来主要包括以 下几部分： ( 1 ) 根据市场调研情况，同时也根据国内外用户的需求情况，对金刚石框架 锯的锯切原理进行深入分析，并通过锯切试验验证分析结果的j 下确性。根据分析 的结果制定设备最初的技术参数，主要制定设备本身的结构参数等，并按照参数 对整机进行初步设计、三维建模。设备的分析是针对整机的分析，需要考虑受力 对整个设备运转情况的影响，因此建立整机的三维模型后需要进行整机的运动学 分析、力学分析。通过进行运动学分析，我们可以得到整机的运转情况，得到需 要的运动参数，得到设备零部件的结构尺寸与运动参数之间的关系，一是为下一 步模态分析提供数据，二是为优化设计提供理论数据参考。力学分析主要是分析 框架锯在切割大理石时，锯条与石材之间的受力情况，并得出锯切参数与受力之 间的关系，一方面是为了优化锯切参数提高锯切性能，二是为将来优化设计提供 必要的数据。 ( 2 ) 选用合适的动态测试仪器对现有的金刚石框架锯进行动态实验测试， 获取设备各零部件在静态、动态、锯切条件下的动态响应频率，为进行各零部件 有限元分析的检验和校正准备现实数据依据，为下一步进行金刚石框架锯的优 化奠定基础；以动态实验结果为依据，对金刚石框架锯各相关零部件进行有限 元模态分析，通过将实验结果与有限元模态分析结果进行对比，验证有限元模 态分析结果的正确性，修正有限元理论分析过程，获取对金刚石框架锯各零部 件进行有限元分析的正确的过程和方法，为进行金刚石框架锯优化设计提供正 确的有限元理论分析模型。 ( 3 ) 试验验证了有限元模型的正确性，我们利用正确的有限元模型，使用正 确的有限元分析方法对金刚石框架锯部分结构件进行优化设计。金刚石框架锯中 对整机性能以及质量影响最大的是锯框和连杆，因此我们将重点进行锯框、连杆 的优化设计。通过优化提高了整机的性能，同时减轻了整机的质量，节约了制造 1 0 第1 章绪论 成本和使用成本。 ( 4 ) 对关键构件飞轮以及导向机构进行优化设计。采用现代设计方法，对飞 轮进行优化设计，改变飞轮的结构布局，使其外形尺寸小，转动惯量大；金刚石 框架锯的导向机构也有很多种，本文对各种导向方式进行对比，分析各种导向方 式的优劣，对设计出的静压导轨导向机构进行分析，并对其进行优化设计，使其 结构、性能达到最优。 1 3 4 课题研究的意义 ( 1 ) 首先对设备本身的工作原理进行了深入的分析、研究，并对切削原理、 切削力进行了深入的研究，进行了切削试验的研究，验证了锯切原理理论分析的 正确性，锯切原理的研究为金刚石框架锯的设计研发奠定了基础，可以保证设计 出的金刚石框架锯结构更加合理。 ( 2 ) 根据前期分析的锯切原理，运用三维设计软件通过建立三维实体模型， 并对设备进行力学分析以及运动学分析，可以得到设备在锯切过程中所需要的锯 切力大小，并得到设备运行中所需要的锯切参数。这些数据的取得，一方面可以 为我们下一步的分析提供必要的数据基础，另一方面，可以帮助我们优化锯切参 数，提高加工效率。 ( 3 ) 对设备进行模态分析，主要对框架锯中影响较大的飞轮、连杆、锯框进 行了模态分析，同时对设备进行了动态试验研究，并将模态分析的结果与动态实 验结果进行对比，可以验证有限元分析方法的正确性，同时将这种正确的有限元 分析方法用于设备的优化设计。同时这一套优化设计的理论方法，为石材新设备 和新工具的开发提供了可靠的理论依据，对于类似的工具及设备的开发设计和 研究应用提供了可靠的理论指导和技术保障；该研究方法在保证原设备性能的 条件下，降低设备的材料使用，从而降低了设备投资，对于其他行业的机械加 工设备的研究同样具有较高的理论指导意义。 ( 4 ) 采用全新的设计方法对飞轮进行了优化设计，保证了飞轮具有最大的能 量密度。新式飞轮研究成功后将有效的减小飞轮的尺寸，减少材料利用，降低生 产成本。采用现代设计方法对导向机构做了深刻的研究，比较了多种不同导向机 山东人学硕十学位论文 构，得出了静压导轨的优点，同时对设计出的静压导轨从较深的层次进行了分析， 并对其进行了优化设计，使得设计出的新型液体静压导轨导向结构无论从结构上 还是性能上都达到了较高的水平，可以极大的提高锯框运动的精度，减少设备的 运行成本，维修成本，提高设备的整体性能，提高设备的市场竞争力。 1 2 第2 章金刚石框架锯锯切原理及总体设计 第2 章金刚石框架锯锯切原理及总体设计 对金刚石框架锯的锯切原理进行深入分析，一方面是为了更加深入的了解金 刚石框架锯的工作原理、锯切原理，另一方面也是为结构设计打下基础。 2 1 锯切原理 2 1 1 锯切理论分析 在前面简单的介绍了金刚石框架锯的分类以及各个类型的工作原理，当前主 流框架锯的工作原理：主电机驱动飞轮，连接曲柄通过连杆使锯条框架获得水平 的往返运动，与垂直的进给运动配合，实现对固定在工作台的石材荒料的；打n t t l 6 1 。 金刚石锯条，是在锰钢锯条上焊接了金刚石结块的锯条，因此真正对石材进 行切割的是金刚石结块。金刚石结块硬度大，与石材在高速摩擦中将石材分割。 经过调研我们发现，锯条长度一般为4 4 0 0 m m 左右，锯条在锯框上采用液压张紧， 张紧力为单根锯条8 吨，锯条数量一般为2 5 1 5 0 根，结块数量在2 5 4 5 之间。 2 1 2 锯切力分析 进行理论分析是为以后的设计奠定基础，同时理论分析的结论有需要通过试 验进行验证【1 5 】，因此进行理论分析的模型根据调研情况，本文暂定以下的基本参 数： 金刚石锯条长度4 4 0 0 m m ，结块3 0 个，进给速度1 8 c m h ，飞轮转速9 0 r m i n 。 锯切力分析，当前国内外研究不多，因此锯切力的大小难以确定，相关学者在结 合国外研究成果的基础上，对金刚石框架锯锯切石材时的锯切力大小进行了以下 描述：金刚石框架锯锯切石材时受力的大小与金刚石颗粒密度、锯切深度有较大 关系。影响单颗粒金刚石切削表面形貌、切削力和切屑尺寸分布等主要因素包括 切削深度，金刚石磨粒形状、切削方位和切削路径、切削液以及石材种类等【1 7 1 【1 8 l 【2 0 1 。 1 3 山东大学硕士学位论文 因此在金刚石刀具颗粒密度一样的前提下，该学者得出了以下的经验公式： f c2 0 0 0 2 6 a ，2 + 0 0 2 4 a ， f f = 0 0 0 2 8 a p 2 + 0 0 9 3 1 a p 【1 9 1 ( 2 1 ) 本论文参考该公式对金刚石框架锯的锯切力进行初步的分析。飞轮转速为 9 0 r m i n ，进给速度为1 8 c m h ，因此转动一周时间约为0 6 7 s ，因此函数的周期也为 0 6 7 s ；同时在进冲程结束即0 3 3 3 s 时，切削力达到最大。此时的切削力值，根据 公式我们计算如下： 单冲程最大切削深度： a p ：竺o 3 3 ：1 6 5 1 x 删= u j j = ，力 3 6 0 0 则疋= 0 0 0 2 6 x1 6 5 2 + 0 0 2 4x1 6 5 = 1 1 n 以上为单颗粒金刚石锯切力，由此我们求单个结块上的锯切力2 1 】： 设金刚石结块表面的有效切削磨粒数为n 。，则单个结块上的锯切力：f = f o n 。a 所选的金刚石结块的大小：v = 2 0 x5x1 2 m m 3 ( 长x 宽x 高) 由参考文献知，金刚石结块表面的实际有效磨粒数： n s a = ( k l + k 2 + k 3 + k 4 ) n s ( 2 2 ) k l ，k 2 ，k 3 ，l ( 4 分别表示金刚石颗粒磨损分类百分比，分别等于1 4 ，2 2 ，1 6 ， 1 7 。 k i + l ( 2 + k 3 + k 4 = 6 9 ； n s ：牟； 刀d 式中a 。单位面积上的金刚石截面积a s = o 2 5 k ： a 厂平均金刚石颗粒截面投影面积a d 。丽2 0 0 ； y 金刚石的比重y = 3 5 3 m g m m 3 ： n c 一每克拉金刚石中金刚石的颗粒数4 5 6 0 ： d g - 一金刚石颗粒直径d g _ 0 0 5 m m ； k 为金刚石浓度为2 2 7 2 ，所以k 2 2 7 2 ； 则有：n 。a = 6 9 x 4 4 1 2 5x1 0 - 3 d g n 。k 1 4 第2 章金刚石框架锯锯切原理及总体设计 = 6 9 x 4 4 1 2 5 x1 0 。3 x o 0 5 4 5 6 0 2 2 7 2 = 1 5 7 7 所以单个金刚石结块的最大切削力：1 1x1 5 7 7 = 1 7 3 4 7 n 因此单根锯条上的最大锯切力为1 7 3 4 7 3 0 = 5 2 0 4 n 则整个锯框上的锯切力为5 2 0 4 8 0 = 4 1 6 3 2 n 。 2 2 锯切试验研究 在前面的研究中我们通过经验公式： f c2 0 0 0 2 6 a 户2 + 0 0 2 4 a p ；f f 20 0 0 2 8 a p 2 + 0 0 9 31 a p 已经得出了金刚石框架锯锯切力的理论值，但是我们还需要对这个理论值进 行验证，因此我们需要通过实际的锯切试验对经验公式进行验证。 ( 1 ) 试验总体方案设计 金刚石框架锯在切削大理石时锯切力较大，同时锯切环境较为恶劣，因此我 们选用用电阻应变片测量应变，从而进行切削力大小的测定。 用电阻应变片测量应变时，将应变片粘贴到试件上，当试件发生变形，应变 片也会变形，这时应变片中的电阻丝就会因其机械变形而导致电阻丝的电阻发生 变化，电阻的变化也就反应了结构的变形情况，这就是用电阻应变片测量应变的 基本原理【捌。测量系统简图如图2 1 所示。 切削力压亘亘塑亟习叵垂互至巫，_ 互至垂垂垂至 _ _ l 垂墨至 输出信号 图2 - 1 测量系统简图 试验的目的是为了验证公式的正确性，因此在设计试验方案时主要考虑的参 数是锯切深度，也就是得出锯切力随着锯切深度的增加而发生的变化。在本试验 中，锯切深度与时间的关系，取决于荒料的的向上进给速度。 ( 2 ) 试验仪表和器材 1 ) 正在工作中的金刚石框架锯，如图2 2 所示： 2 ) 常温用电阻应变片； 图2 - 2 实验选用的金刚石框架锯 3 ) 数字万用表； 4 ) 动态电阻应变仪，如图2 - 3 所示； 5 ) 数据采集仪； 6 ) 粘合荆：t - i 型5 0 2 胶。酸性硅酮玻璃胶； 7 ) 工业酒精； 8 ) 镊子、划针、砂纸、锉刀、刮刀、塑料薄膜、胶带纸、电烙铁、焊锡、焊 锡膏等小工具； 9 ) 接线柱、短引线。 幽2 - 3 电阻应变仪与数据采集仪 第2 章金刚石框架锯锯切原理及总体设计 ( 3 ) 试验中的注意事项 从电阻应变片测量应变的基本原理中可以看出，首先要保证应变片与被测物 体共同产生变形，其次，要保证电阻应变片本身的电阻值的稳定，才能得到准确 的应变测量结果，这是应变片粘贴的基本原则。因此应变片本身的质量和粘贴质 量的好坏对测量结果影响很大，应变片必须牢固地粘贴在试件的被测测点上，因 此对粘贴的技术要求十分严格。为保证粘贴质量和测量正确，要求如下【2 3 1 ： 1 ) 认真检查、分选电阻应变片，保证应变片的质量； 2 ) 测点基底平整、清洁、干燥，使应变片能够牢固地粘贴到试件上，不脱落， 不翘曲，不含气泡； 3 ) 粘结剂的电绝缘性好、化学性质稳定，工艺性能良好，并且蠕变小，粘贴 强度高，温、湿度影响小，确保粘贴质量，并使应变片与试件绝缘，且不发生蠕 变，保证电阻应变片电阻值的稳定； 4 ) 粘贴的方向和位置必须准确无误，因为锯条上不同位置、不同方向的应变 是不同的，应变片必须粘贴到要测试的应变测点上，也必须是要测试的应变方向； 5 ) 做好防潮工作，使应变片在使用过程中不受潮，以保证应变片电阻值的稳 定。 ( 4 ) 试验方法及步骤 1 ) 电阻应变片的选择：在应变片灵敏数相同的一批应变片中，剔除电阻丝栅 有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的应变片。用数字万用表的电阻档 测量应变片的电阻值r ，将电阻值适合的的应变片选出待用，记录该片的阻值和灵 敏系数。锯条收到8 吨的张紧力，另外受到的锯切力最大约为6 5 0 n ，经过初步计 算，应变值大约为4 0 0 0 0 ，可以作为应变片的选取参考。 2 ) 试件表面的处理：用锉刀和粗砂纸等工具将试件在钢板上的贴片位置的油 污、漆层、锈迹、电镀层除去，再用细砂纸打磨成4 5 。交叉纹，之后用镊子镊起 丙酮棉球将贴片处擦洗干净，至棉球洁白为止。如图2 4 所示。实际操作如图2 5 所示。 1 7 f 函纽橼 幽2 - 4 锚条表面处理示意削 吲2 5 处理锯条表面 3 ) 测点定位：应变片粘贴的位簧及方向对应变测帚的影响非常大，应变片必 须准确地粘贴在结构或试件的应变测点上而且粘贴方向必须是要测量的应变方 向。为达到上述要求，对于古有锰元素的合金钢构件，要在试件上用钢板尺和划 针画一个十字线( 一根长，一根短) 。十字线的交叉点对准测点位置，较长的一根线 要与应变测量方向一致。如图2 6 所i 。 霞姻a 争 自女靴方自 图2 6 麻变片定位示意图 采用半桥方法连接电路当锯条产生动应变时，在所须测量点贴上应变片， 前后两端两片，接成半桥电路，这样，应变的大小就会体现在应变片的电阻改变 量上，后者又体现在半桥桥电路的输m 电压上于是，测量电桥的输出电压经过 换算就可以得到麻变的大小。凼此，应变片粘贴位置如圈2 7 所示。 乏：耋耋2 ：互耋詈誊誊2 墨詈圣兰竺薹生 闰2 - 7 应变片粘贴位置示意图 其中，o 为受力引起的应变片感受的应变，b 为仪器上的读数。 4 ) 应变片粘贴：注意分清应变片的正、反面( 有引出线引出的一面为正面) ， 用左手捏住应变片的引线，右手上胶，在应变片的粘贴面( 反面) 上匀而薄地涂 上一层粘结剂( 5 0 2 瞬间粘结剂) 。待一分钟后，当胶水发粘时，校正方向，应变 片的定位线与十字线交叉线对准，其电阻栅的丝绕方向与十字线中较长线的方向 一致，即保证电阻栅的中心与十字交叉点对准，再垫上塑料薄膜，用手沿一个方 向滚压1 吨分钟即可；应变片粘贴完毕后的检查：应变片贴好后，先检查有无气 泡、翘曲、脱胶等现象，再用数字万用表的电阻档检查应变片有无短路、断路和 阻值发生突变( 因应变片粘贴不平整导致) 的现象，如发生上述现象，就会影响 测量的准确性，这时要重贴。 略 图2 - 8 应变片粘贴 5 ) 导线固定：由于应变片的引出线很细，特别是引出线与应变片电阻丝的连 接强度很低，极易被拉断，因此需要