（机械制造及其自动化专业论文）陶粒增强加气混凝土砌块切割机床的设计与研究.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ha n d d e s i g no nc e r a m i s i t e r e i n f o r c e d a e r a t e dc o n c r e t eb l o c kc u t t i n gm a c h i n e c a n d i d a t e ：l i g u a n gh a n a d v i s o r ：b a o r o n gq i n c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y n o v2 0 1 2 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：韩乞日期：列l 埠，7 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密酣 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：z 驴r 珲z 月77 日 日期：讪f 饵i2 ，月刃日 浙江工业大学硕士学位论文 陶粒增强加气混凝土砌块切割机床的设计与研究 摘要 陶粒增强加气混凝土砌块是一种新型自保温墙材，切割是其生产过程中的重 要工序。目前，国内对陶粒砌块专用生产设备的研究正处于探索阶段，生产效率 低，不能满足市场需求。因此，陶粒混凝土砌块的专用切割设备的设计与研究对 此新型节能墙材的推广和建筑节能具有重要意义。 本文在对陶粒混凝土砌块生产工艺进行分析、研究的基础上，完成砌块切割 机床的整机设计、j 维建模和虚拟装配，并对切割机床整机与主要零部件进行静 动态特性分析，最后对切割机床主轴进行结构优化。主要内容如下： 1 在对企业现用切割工艺进行分析、研究的基础上，对砌块切割工艺进行创 新设计；分析切割机床机械系统的功能需求，确定机床设计参数，完成切割机整 机及各零部件的结构设计与三维建模。 2 根据切割过程中锯切力分析，对切割机床整机及重要部件进行静力学分析， 得到切割机主要部件的应力、变形及其分布情况，验证其强度、刚度满足切割需 求。 3 在静力分析的基础上，对切割机整机和金刚石圆锯片进行了模态分析，得 出锯片的振动是无法从根本上避免的，在此基础上分析得出主要零部件的其前几 阶固有频率与振型，得出整机在锯切过程中发生共振的可能性较小。 4 以锯片轴的各阶梯轴径、支承跨距为变量，质量、最大应力及最大变形量 为目标函数对切割机主轴进行结构优化，满足强度、刚度需求的前提下，使其轻 量化，减少加工成本，为切割机主轴的结构优化提供一定的理论依据。 关键词：陶粒混凝土砌块，切割机床，有限元分析，结构优化 d e s i g na n dr e s e a r c ho n c e r a m i s i t e r e i n f o r c e da e r a t e dc o n c r e t e b l o c kc u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t c e r a m i s i t e - r e i n f o r e e da e r a t e dc o n c r e t eb l o c ki san e ws e l f - t h e r m a l i n s u l a t i o nw a l l m a t e r i a l t h eb l o c k sc u t t i n gi sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n ts t e pi nt h eb l o c kp r o c e s s i n gs t e p s b l o c kp r o d u c t i o ne q u i p m e n ti s c u r r e n t l yb e i n ge x p l o r e d ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi s l o w ，w h i c hc a nn o tm e e tt h en e e d so ft h ec o n s t r u c t i o nm a r k e t t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n ga n d r e s e a r c h i n gt h es p e c i a lc u t t i n gm a c h i n eo fc e r a m s i t e r e i n f o r c e da e r a t e dc o n c r e t eb l o c k i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t ot h ep r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no fe n e r g y - e f f i c i e n tn e w b u i l d i n gw a l lm a t e r i a l s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fc e r a m s i t ec o n c r e t eb l o c k ，t h e s p e c i a lc u t t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e df o rt h eb l o c kc u t t i n gp r o c e s s t h ec u t t i n gm a c h i n e a n di t sc o m p o n e n t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h em o d e l i n ga n dv i r t u a lf a b r i c a t i o no ft h ec u t t i n g m a c h i n eh a v eb e e nc o m p l e t e d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb a s e do nt h em a c h i n ea n dt h e m a i nc o m p o n e n t sh a sb e e nc o m p l e t e d f i n a l l y ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no nt h es p i n d l eo f t h ec u t t i n gm a c h i n eh a sb e e nc o n d u c t e d t h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 s t u d yo nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fc e r a m s i t ec o n c r e t eb l o c ku s e di nt h e c o m p a n y ，n e wm a n u f a c t u r ep r o c e s sh a sb e e nd e s i g n e d s t u d y i n go nt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h ec u t t i n gm a c h i n em e c h a n i c a ls y s t e m ，t h ec u t t i n gm a c h i n ea n di t s c o m p o n e n t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h em o d e l i n ga n dv i r t u a lf a b r i c a t i o no ft h ec u t t i n g m a c h i n eh a v eb e e nc o m p l e t e d 2 。b a s e do nt h ea n a l y s i so fc u t t i n gf o r c ei nt h ec u t t i n gp r o c e s s ，s t a t i ca n a l y s i so f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ec u t t i n gm a c h i n ea n di t si m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，o b t a i n e d t h em a x i m u ms t r e s s ，t h ed e f o r m a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e m ，w h i c hv e r i f i e dt h a t t h ep r o p e r t i e so ft h ec u t t i n gm a c h i n em e e t st h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sr e q u i r e m e n t s 3 o nt h eb a s i so ft h es t a t i ca n a l y s i s ，t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i so ft h ec u t t i n g m a c h i n ea n di t s i m p o r t a n tc o m p o n t e n t s ，o b t a i n e dt h el o wo r d e ri n h e r e n tv i b r a t i o n f r e q u e n c i e sa n dm o d e s ，w h i c hp r o v i d e dr e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h ed y n a m i cd e s i g no ft h e c u t t i n gm a c h i n e 。 4 s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fc u t t i n gm a c h i n es p i n d l eh a v eb e e nc o m p l e t e db a s e d o nt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sr e q u i r e m e n t s ，w h i c hu s e dt h em a s s ，m a x i m u ms t r e s sa n d s t a i na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，o b t a i n d e dt h es t r u c t u r a lo ft h es p i n d l ew i t hm u c hl i g h t e r a b s t r a c t w e i g h t n e s s ，r e d u c e dp r o c e s s i n gc o s t s ，a n dp r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i so ft h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es p i n d l e 。 k e yw o r d s ：c e r a m i s i t e r e i n f o r c e dc o n c r e t eb l o c k ，c u t t i n gm a c h i n e ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i i i 浙江工业大学硕：上学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 概述1 1 2 陶粒混凝土砌块成型方法简介2 1 3国内外的研究现状及发展状况2 1 3 1 混凝土锯切机理的研究2 1 3 2 金刚石圆锯片切割混凝土锯切力的研究4 1 3 3 金刚石圆锯片的发展与研究概况5 1 3 4 金刚石圆盘锯的发展与研究概况6 1 4 课题研究背景及意义7 1 5 论文的主要结构9 第2 章陶粒混凝土砌块切割机床的方案设计与研究1 0 2 1陶粒混凝上砌块切割工艺的研究1 0 2 1 1企业现用切割工艺分析、研究1 0 2 1 2 陶粒混凝土砌块加工工艺的创新设计1 1 2 2 砌块切割机床总体结构方案研究1 3 2 2 1锯切方式的选择与锯切工艺参数的确定1 3 2 2 2陶粒混凝土砌块切割机床总体结构方案1 5 2 3 锯切系统的研究与设计1 6 2 3 1锯片组传动、支承结构的研究和设计1 8 2 3 2 同步调节装置的研究和设计1 9 2 3 3 立柱与锁紧装置的研究和设计2 0 2 4 进给系统的研究与设计2 l 2 5 砌块切割机床总体方案结构2 3 2 6 本章小结2 4 第3 章陶粒混凝土砌块切割机床的静态特性研究2 5 3 1 切割机床受力分析2 5 3 1 1 锯切力分析2 5 3 1 2 锯床结构部件之间的受力分析2 7 3 2砌块切割机床有限元模型2 8 目录 3 3 砌块切割机各部件静态分析结果3 1 3 3 。1金刚石圆锯片静态分析结果3 1 3 3 2 锯片轴静态分析结果3 2 3 3 3 立柱静态分析结果3 4 3 3 4 进给工作台的静态分析结果3 5 3 4 本章小结。3 7 第4 章陶粒混凝土砌块切割机床的动态特性研究3 8 4 1有限元结构动力学分析3 8 4 2 陶粒砌块切割机模态分析3 9 4 2 1 金刚石圆锯片的模态分析4 0 4 2 2 切割机无锯片结构的模态分析4 2 4 2 3 锯片轴的模态分析。4 3 4 2 4 立柱的模态分析4 5 4 3 本章小结4 7 第5 章切割机主轴的优化设计4 8 5 1 优化设计的基本理论，4 8 5 2 a w e 优化设计的一般步骤4 9 5 3 锯片轴的结构优化5 0 5 3 1 设计变量与目标函数5 0 5 3 2 锯片轴的优化设计，5 0 5 3 3 锯片安装轴径的灵敏度分析5 2 5 3 4 锯片轴支承跨距灵敏度分析，5 3 5 3 5 锯片轴优化结果。5 5 5 4 本章小节5 7 第6 章结论与展望5 8 6 1 全文总结5 8 6 2 研究展望5 9 参考文献6 0 致谢6 2 攻读学位期间参加的科研项目和成果6 3 v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 近年来，国家将建筑节能列入可持续发展的重要战略举措，提高外墙保温隔 热性能是建筑节能的重点【1 1 。陶粒增强加气混凝土砌块2 1 ( 图1 1 ) ，是一种符合国 家建筑节能要求的新型绿色自保温墙体材料，其以河道淤泥、粉煤灰、混凝土、 管桩厂的离心余浆为主要原料，通过轻质陶粒( 以粘土、页岩或粉煤灰为主要原 料，掺加少量粘结物和固体燃料，经混合、成球、高温焙烧而成) 和引气浆体( 由 水泥、粉煤灰、管桩余浆、发泡剂、减缩剂等通过适当配比混合而成) 以一定的 体积比进行混合搅拌、大型模具浇注、室内湿热养护、圆锯切割、室外自然养护 等工艺制备而成。2 0 0 5 年通过浙江省科技组织的鉴定，2 0 0 6 年通过浙江省建筑科 技推广认证。 图1 1陶粒混凝土砌块 因其具有表观密度轻、强度高、隔热保温性能好、收缩率小、吸水率低、抗 渗性强、抗冻性好、耐久性优、隔音效果好等优点，目前已在浙江、江苏、大连 等地推广应用，建筑面积已达约2 0 0 万m 2 3 1 。被认为是一种适用于节能建筑的内、 外墙体的利废、耐久、节能新型墙材。属于技术创新型产品，前景美好。 第1 章绪论 1 2 陶粒混凝土砌块成型方法简介 目前，国内陶粒混凝土砌块的生产工艺主要有两种 4 】： ( 1 ) 大连恒翔粉煤灰综合利用有限公司开发的模具成型、蒸汽养护法：超轻 陶粒和发泡砂浆经混合搅拌，模具浇注成型，室内蒸汽养护，码垛，室外自然养 护2 8 d 。 其主要优点：设备自动化程度高，砌块的强度i 亩、吸水率低、生产能耗低， 安全卫生、环保性能好，劳动生产率高，砌块生产成本低；主要缺点：为保证砌块 的质量和市场需求的适应能力，要求模具有好的刚性和一定的规格、数量，导致 模具的循环处理成本高，企业的一次性投入多，很难满足客户对小批量特种规格 砌块的需求。 ( 2 ) 浙江大学和浙江上虞多元新型墙材有限公司开发的模具成型、湿热养护、 脱模切割、蒸汽养护法：轻质陶粒与引气浆体经混合搅拌，浇注大型砌块模具成 型，室内湿热养护1 2 h ，大型砌块脱模，金刚石圆锯切割，码垛，室内养护约1 4 h 1 6 h ， 室外自然养护2 8 d 。 其主要优点：采用同规格大型模具进行浇注，所需模具数量少，循环处理方 便，成本较低，通过调整切割设备来实现多规格砌块生产，适应市场需求的能力 强，基本建设投资相对较少；主要缺点：砌块生产自动化程度低，生产能耗相对 较高，圆锯切割时噪声大( 1 0 0 d b 严重超标) ，切割过程中产生的粉砂浆处理成 本较高，劳动生产率低。 本课题合作的台州市某墙体材料有限公司采用的是模具成型、湿热养护、脱 模切割、蒸汽养护法，由其成型工艺可知砌块切割是整个成型过程中的最重要的 环节，其直接决定着砌块表面质量、加工效率和劳动成本的投入。因此，对砌块 切割工艺和切割机床的研究是很有必要的。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 混凝土锯切机理的研究 多年来，国内外在石材和混凝土的锯切机理方面进行了深入的研究，并取得 了一定的研究成果5 咧。陶粒增强加气混凝土砌块是一种新型自保温墙材，对其锯 切机理方面的研究甚少。陶粒混凝土主要由陶粒、粉煤灰与引气浆体等混合而成， 浙江工业大学硕士学位论文 与普通混凝土的结构类似，均由硬相材料和软相材料组成，形成过程中均存在着 大量的气孔、裂纹和不连续点；陶粒混凝土砌块主要硬骨料( 陶粒，筒压强度 1 5 m p a ，表观密度6 5 0 k g m 3 ) 的物理肿i - t - 厶匕t 1 。远小于普通混凝土【1 0 】的硬骨料( 石子压 缩强度大于2 0 m p a ，密度大于2 6 0 0k g m 3 ) 的物理性能，故可以根据普通混凝土 的切割机理来研究陶粒混凝土砌块的锯切机理。普通混凝土与陶粒混凝土的组成 成份与力学性能对比如表1 1 所示。 表1 1普通混凝土与陶粒混凝土成分和性能对比 在1 9 7 0 年代，e b i e n e r t 以混凝土加工为研究对象提出了单颗粒金刚石切割 混凝土模型( 如图1 2 所示) 。该模型将混凝土切割过程分为三个主要切割区域： 在金刚石颗粒的前方，在进给压应力产生的剪切作用下，混凝土坯料被破碎，形 成主切屑，并被崩出和挤出切削区；在金刚石颗粒的下方，由于切削压力作用和 锯切热的影响，混凝土坯料发生塑性变形，形成二次切屑，在一定的薄层内形成 光滑表面；在金刚石颗粒后方，由于弹性应力的突然释放，形成较大的切屑。 较应力压应力拉应力 断裂破坏切耨 掇蛀切屑 醯埠捌藩切熙 图1 - 2 单颗粒金刚石切割混凝土的p b i e n e r t 模型【1 1 1 第1 章绪论 德国h a n n o v e r 大学的b d e n k e n a ，h k t n s h o f f 等人通过使用单颗粒金刚石分 别对结构钢材料、奥氏体钢材料以及两种不同成分的混凝土材料进行切削，通过 测量、分析金刚石切削不同材料形成的沟槽尺寸和其实际切削部分尺寸之比研究 其切削机理【12 ：在切削结构钢材料时，切削沟槽尺寸大于金刚石实际切削部分尺 寸，主要表现为塑性变型；切削奥氏体钢时，切削沟槽尺寸小于金刚石实际切削 部分尺寸，切削过程中既存在塑性变形又存在弹性变型；切割混凝土材料时，沟 槽尺寸要远大于金刚石实际切削部分尺寸，宽度方向上表现更为明显，几乎达到2 倍，混凝土因切削力作用而产生大块崩碎，具有脆性材料的破碎特征。 国内也有不少学者对混凝土的锯切机理进行了研究。房延利等【13 】采用单颗粒 金刚石和金刚石圆锯片分别切割沥青混凝土和水泥混凝土，通过观察切屑和切削 表面形貌分析了混凝土的锯割机理：沥青混凝土中的软相材料( 沥青) 在切削力 的作用下主要是通过塑性变形形成切屑，其去除机理为犁耕，其中的硬骨料( 石 子等) 通过脆性断裂形成切屑；水泥混凝土在切削力的作用下首先在内部形成微 裂纹，随着切削力的逐渐增加，微裂纹发生延伸、扩展，并互相连通形成宏观裂 纹，并不断积累导致脆性断裂。 丁海宁【1 4 】通过观察、研究混凝土切屑及锯切表面，得出金刚石圆锯片锯切混 凝土的锯切机理：金刚石圆锯片在高速旋转下对混凝土形成激烈的冲击，使得混 凝土中原有浇注裂纹及结构薄弱面形成新的裂纹扩展形成较大的宏观裂纹，最终 导致混凝土的断裂破碎而实现切削。 1 3 2 金刚石圆锯片切割混凝土锯切力的研究 在混凝土的锯切过程中，锯切力是切割机床一个非常重要的参数，其不但直 接反应了金刚石圆锯片所承受的载荷，而且决定着切割机床的功率。因此，国内 外学者对其进行了大量的研究。 h k t o n s h o f f 掣1 5 1 通过单颗粒金刚石切削奥氏体、结构钢材料和混凝土时 发现切削力均随锯切深度的增加而增大；切削奥氏体钢材料时切削力随着锯片转 速的增加而增大，切削结构钢材料以及混凝土时切削力随转速增加而减小；在切 削成分和性能较为接近的混凝土时，锯切法向力与切向力的比值随着切削面积的 增加而增大，在切削奥氏体、结构钢材料和差别较大的混凝土材料时，其比值基 本保持不变，但切削混凝土时锯切法向力与切向力的比值要大于切削钢材料材料 时的比值。 4 浙江工业大学硕士学位论文魏听等 16 】分别用单颗粒金刚石和金刚石圆锯片切削沥青混凝土、水泥混凝土对切削力进行实验研究：发现混凝土材料的组成成份对其切削力有很大的影响，当锯切到石子等硬相材料时，切削力迅速上升，而锯切到沥青、水泥等软相材料时，切削力迅速下降；切割过程中切削力的波动频率比较大，切割水泥混凝土时的波动频率要大于切割沥青混凝土时的波动频率，且水泥混凝土切割时的稳态值比较明显；切削水泥混凝土的切削力火于切削沥青混凝土时的切削力，干切时的切削力大于有冷却水时的切削力；当锯切深度和进给速度增大时，锯切力也随之增大，当锯片边缘线速度增大时，切削力随之减小。王成勇、胡映宁、丁海宁等 17 在单颗粒金刚石切削混凝土的基础e 对金刚石圆锯片切割钢纤维混凝土、钢丝网混凝土及水泥混凝土过程中的切削力进行了深入的研究：锯切过程中锯切力的波动频率和范围都很大，最大值与平均值之比可达到1 0 2 0 ；当锯切深度和进给速度增大时，锯切力随之增大，当圆锯片转速增大时，切削力随之减小；锯片转速对切削力的影响远小于锯切深度和进给速度对锯切力的影响，同时金刚石圆锯片刀头的配方对切削力的影响也比较大。1 3 3金刚石圆锯片的发展与研究概况金刚石圆锯片是一种将用粉末冶金的方法制成的金刚石刀头镶焊在金属基体的周围，利用金刚石颗粒压裂、压碎以及大面积剪崩实现对被加工材料的切削，其属于典型的网盘类刀具。其因锯切效率高，加工精度高等优点成为是石材、建材行业应用最广的加工工具。金刚石圆锯片基体在制造过程产生的应力和变形以及切割过程中由混凝土中软相硬相材料分布等因素产生应力和变形，都会导致切割过程中锯片周边剧烈摆动，导致切割表面质量差，锯片寿命降低。因此，国内外学者对金刚石圆锯片在切割过程中的应力分布和变形进行了人量的研究：h d j e r r o 1 s i 采用有限单元法，对普通金刚石圆锯片单齿锯切、一齿参与锯切及下一齿刚进入锯切和二齿同时参与锯切三种状态进行了应力分析，得出综合效果较佳的水槽结构，验证了利用有限单元法对金刚石圆锯片进行应力分析的可行性，但其分析深度、广度有待提高；大连理工大学的吴雪松、张明霞、刘培德等1 9 1 利用有限单元法计算了锯切过程中由锯切力引起的锯片基体上的应力分布，在锯切弧区，随着锯片直径和锯切功率的增大，压应力逐渐增大，此结果为锯片张力处理与锯切参数优化提供依据；气 第1 章绪论 沈冰、赵刚蚓等【2 0 】利用有限元法对金刚石圆锯片进行了静力分析，建立了切 割过程中锯切力数学模型，并根据几何关系建立了参与切割的金刚石刀头数z 与 切割深度a 。的数学模型。 赵民、郑春岐、张丽秀等对1 6 0 0 m m 的普通金刚石圆锯片的应力分布及振动 进行了有限元分析【2 l 】：金刚石圆锯片的最大应力主要出现在中心孔的下边缘区域 及金刚石刀头切入工件的前端，切割过程中锯片产生的应力一般较小，影响不大。 刘会宁、胡映宁、王成勇等【2 2 】对节块向基体内延伸的金刚石圆锯片进行了有 限元应力、变形和模态分析，并与普通金刚石圆锯片进行比较，研究了延伸节块 的周向分布数量及长度的不同对锯片应力、变形及固有频率的影响效果； 汤宏群等【2 3 】借助a n s y s 软件对金刚石圆锯片进行了应力分析计算；广西大学 的仇军等【2 4 】对降噪减振结构的金刚石圆锯片进行了有限元模态分析；北京科技大 学的臧勇、李同进等2 5 1 利用有限元分析软件针对锯切过程中锯片的振动问题分析 计算了各种参数对锯片动态特性的影响。 1 3 4 金刚石圆盘锯的发展与研究概况 金刚石圆盘锯具有d h - r _ 效率高、d n - r _ 质量好、成本相对较低等优点。伴随着 大型金刚石圆锯片基体的批量化生产，金刚石圆盘锯已占到建材锯解设备的 6 0 7 0 以上【2 6 1 。目前应用最广的锯机类型大至可分为单柱悬臂式、双柱龙门式、 桥式和四柱框架式锯机四种2 7 1 ，如图1 3 所示。 i i _ ( 1 ) 单柱悬臂式( 2 ) 双柱龙门式 一隔 ( 3 ) 桥式圆盘锯机 ( 4 ) 四柱框架式 图1 3 金刚石圆盘锯 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 单柱悬臂式锯机，其主要结构为横梁通过拖板安装于立柱上，横梁和主 轴箱为一体式结构，拖板通过带动横梁上下运行实现锯片的进给来切割石材，整 体刚性较差、精度低，主要用于石材坏料、路边石、台阶石等石材制品的切割。 ( 2 ) 双柱龙门式锯机，主要由左右两立柱、横梁、滑箱等部件组成，采用横 梁上下运动实现锯片的进给来切割石材，此类产品刚性好，但结构复杂，造价高。 ( 3 ) 桥式圆盘锯机【2 引，主要结构由横梁和组合滑箱组成，采用滑板上下运行 的方法带动锯片运动来切割石材，此类产品因结构简单、造价低，适用范围广等 优点在市场上的占有率最高。 ( 4 ) 四柱框架式多为组合锯机，特别是大型多锯片组合锯机几乎全都采用这 种结构，四条立柱及其上下连接的框架形成了极为稳固的支架，且立柱的高度、 横粱和纵梁的宽度，能适应大尺寸荒料的切割。锯片轴采用非悬臂式多支承结构， 锯片轴支承座纵横方向的承力点距离大，没有偏转力矩的作用，受力较为均匀， 能同时安装多个锯片。 现有的金刚石圆盘锯机基本都是通过台车和夹具固定坯料，由锯片的进给实 现切割，横梁和拖板的结构与制造精度都直接影响整机的加工精度，因此，对其 刚度、精度的要求比较高；同时坯料的固定方式不能实现砌块的连续输送与切割。 凶此，要实现陶粒混凝土砌块的自动化生产，需根据砌块切割工艺对其专用切割 机床进行设计与研究。 1 4 课题研究背景及意义 本论文研究课题来源于浙江工业人学与浙江台州某自保温墙体材料有限公司 的合作项目：陶粒增强加气混凝土砌块自动化生产线的设计与研究。 目前该企业所采用的陶粒混凝土砌块生产工艺过程为：大型砌块浇注成型( 模 箱尺、j j 为1 5 0 0 r a m 1 5 0 0 m m 8 0 0 m m ) 一室内湿热养护1 2 h 一第一步切割( 砌块 尺寸6 1 5 0 0m m x 2 4 0m m 8 0 0m m ) 一坯料旋转9 0 0 一第二步切割( 砌块尺寸 4 2 x 2 0 0m m 2 4 0m m 8 0 0m m ) 一人t 分块一第三步切割( 切除不平整两端面， 最终成型砌块尺寸为2 0 0m m 2 4 0 m m 6 0 0m m ) 一人工码垛一室外自然养护。 其中由于前两步切割过程中为保证坯料不发生侧倒采用带托盘切割，托盘与锯片 下边缘留有约l o o m m 的切割余量，同时浇注不平整面为上表面，导致第三步的去 除两端面的切割工序必不可少，需人工将各个砌块半成品进行先分块并搬运至完 第1 章绪论 成第三步切割，最后经人工码垛，送至室外进行自然养护。由分析可知：因企业 现用砌块切割工艺和切割机床的局限导致整个切割过程不连续，自动化程度低， 生产效率低下，废品率高，人工耗能大。企业现用切割机床如图1 4 所示。 浇注不平整表面托盘 图1 4 企业现用切割机床 近年来，随着人们建筑节能意识的增强和对居住环境要求的不断提高，陶粒 增强加气混凝土砌块作为一种新型自保温墙体材料，因其优良的性能越来越受到 人们的青睐，逐渐成为建筑行业的新宠，且市场需求量日趋增大。由于现有切割 设备的自动化程度低，生产效率低，其生产量远不能满足市场需求，因此，对其 自动化生产线的设计与研究具有实际的工程意义。 该项目设计的陶粒混凝土砌块自动化生产线主要包括：新的浇注模具，大型 砌块翻转、脱模装置，坯料、托盘分流输送装置，大型砌块切割机床，翻转、搬 运机械手，砌块二次切割机床，砌块自动码垛机及输送设备等。该生产线可以实 现陶粒混凝土砌块的大批量自动化生产，提高生产效率，降低生产能耗，减少劳 动成本的投入。 陶粒混凝土砌块切割机床是该自动化生产线中的重要设备，本论文是在现有 砌块切割工艺的基础上进行改进与创新而完成的。本课题研究的目的在于完成对 砌块切割工艺进行创新设计，对满足切割工艺要求的大型砌块切割机床进行设计 与研究，解决切割过程中大型砌块的无托盘切割和进给问题，确保一次性切透， 浙江工业大学硕士学位论文 两步切割完成砌块成型，为陶粒混凝土砌块的大规模自动化生产提供条件。提高 陶粒混凝土砌块的生产效率，降低生产成本，促进陶粒增强加气混凝土砌块在建 筑节能市场中的应用与推广。 1 5 论文的主要结构 本文共分为六章，主要结构如下： 第1 章，绪论。简要介绍陶粒混凝土砌块及其成型工艺；混凝土锯切机理研 究现状；金刚石圆锯片切割锯切力的研究现状；金刚石圆锯片的研究的概况；锯 机系统的应用现状；阐述课题研究的背景及意义；介绍课题研究的主要内容与论 文的结构。 第2 章，陶粒混凝土砌块切割机床的方案设计与研究。对现有砌块切割工艺 进行改进与创新；提出切割机床的功能需求，在此基础上完成大型砌块切割机床 机械部分的设计，三维建模，并完成整机的虚拟装配。 第3 章，陶粒混凝土砌块切割机床的静态特性分析。通过对金刚石圆锯片在 锯切过程中的受力分析，建立切割机床各主要部件的受力模型，在此基础上对金 刚石圆锯片、切割机主轴、立柱、床身等重要部件进行静力分析，验证其强度和 刚度满足加工要求。 第4 章，陶粒混凝土砌块切割机床动态特性分析。基于振动理论与a w e 软件 对切割机床整机及主要零部件进行了模态分析，计算得到其固有频率与振型，研 究其在切割过程中的动态性能，避免共振的产生。 第5 章，锯片轴的优化设计。在对锯片轴动静态特性分析的基础上，以锯片 轴各阶梯轴径和支承跨距为设计变量，锯片轴质量、最大应力和最大变形为目标 函数对其进行优化设计，在保证切割机床锯切性能的前提下使其轻量化。 第6 章，结论与展望。总结本文的主要工作，指 h 需要深入研究的问题。 第2 章陶粒混凝土砌块切割机床的方案设计与研究 第2 章陶粒混凝土砌块切割机床的方案设计与研究 陶粒混凝土砌块成型工艺流程主要包括：大型砌块浇注一室内养护一圆锯切 割一码垛一室外自然养护。砌块的切割是整个成型工艺中的重要的加工工序，而 陶粒混凝土砌块的切割工艺与切割设备是实现其大批量自动化生产的前提与基 础。因此，有必要对陶粒混凝土砌块的切割工艺及其切割机床进行研究。 2 1陶粒混凝土砌块切割工艺的研究 2 1 1 企业现用切割工艺分析、研究 课题合作企业所采用的陶粒混凝土砌块的成型方法是浙江大学和浙江上虞多 元新型墙材有限公司开发的模具成型、湿热养护、脱模切割、蒸汽养护法：轻质 陶粒与引气浆体以一定的配比混合搅拌，浇注大型砌块模具成型( 大型砌块尺寸 1 5 0 0 m m 1 5 0 0 m m 8 0 0 m m ) 一室内湿热养护约1 2 h 一大型砌块脱模一金刚石圆锯 切割( 第一、二步切割) 一人工分块、第三步切割一码垛一室内蒸汽养护1 4 h 1 6 h 一室外自然养护2 8 d 。 企业现用砌块切割工艺流程如图2 1 所示： 浇注不平整面切割余量 ( a ) 坯料浇注( b ) 第一步切割( c ) 第二步切割 ( d ) 人工分块( e ) 人工码垛 图2 1企业现用砌块切割工艺 浙江z , j k 大学硕士学位论文 脱模后的大型砌块坯料( 如图2 1 a ) 连同托盘一起运送至切割生产线，通过 输送线一侧的辊轮定位，至待切割区域通过气缸带动升降装置将其放置于进给工 作台，由工作台进给完成第一步切割，工作台继续将完成第一步切割坯料运送至 旋转工作台上方，旋转工作台上升、旋转9 0 0 、下降，将其再次放回至进给工作台， 实现第二步切割( 如图2 1 b ) ，最后将完成两步切割的砌块运送第三步切割区，人 工分块并搬运至切割工作台，实现对两端不平整面的切除( 如图2 1 c ) ，砌块成型， 人工码垛( 如图2 1 d ) ，送至室外进行自然养护。 存在问题：由于切割过程中大型砌块是连同托盘一起参与切割的，切割时锯 片卜边缘与托盘之间留有一定的加工余量，此余量可以防止砌块在前两步切割时 发生侧倒，同时由于浇注时陶粒上浮形成的不平整表面位于上表面，因此，完成 前两步切割后的砌块半成品需由人工分块并搬运，进行第三步切割，实现对两端 不平整面的切除，成型后的砌块经人工码垛，送到室外进行自然养护，使得整个 切割过程出现断层，废品率增加，劳动成本较大。 由企业现用切割工艺可知：大型砌块带托盘切割，两次切割不能完全实现砌 块的成型，须对砌块进行后续加工，导致整个切割过程不连续。第三步切割时人 工分块、搬运，生产效率低，废品率高，劳动成本投入增加，第三步切割也就成 为制约砌块生产效率的关键所在。因此，为了实现砌块的自动化生产必需对其切 割工艺进行创新设计，并对砌块切割机床结构进行相应的改进、创新，实现陶粒 混凝土砌块的大批量自动化生产。 2 1 2 陶粒混凝土砌块加工工艺的创新设计 由上- - d , 节对切割工艺分析町知，制约陶粒混凝土砌块生产效率的关键是第 三步切割，要实现两步切割使砌块最终成型必须解决两个问题：一是避免前两步 切割过程中切割余量的出现，也即是要实现无托盘切割；二是在前两步切割过程 中实现对因陶粒上浮所至的不平整表面的切割。 经现场调研发现：筑墙过程- 1 ，第三步切割的砌块两端面是通过水泥、沙浆 等连接，砌筑在墙内的，对砌块两端而的平面度、粗糙度的要求并不太高，同时 浇注模箱四周模板的平面度足以满足砌块两端面平面度的要求；同时，为保证切 割过程最外侧两锯片的受力平衡，在宽度方向上要保留足够的加工余量，因此， 可以通过改变浇注方式，在第一步切割过程即完成对浇注不平整面的切除。 改进后的陶粒混凝土砌块切割流程如图2 2 所示： 1 1 第2 章陶粒混凝土砌块切割机床的方案设计与研究 陶粒不平整面 $ 日够 ( a ) 坯料( b ) 脱模、翻转( c ) 第一步切割( d ) 分流、翻转 ( e ) 第二步切割( f ) 砌块 图2 - 2 改进后的切割流程 首先，对浇注模箱进行改进。通过改变模箱尺寸，浇注坯料尺寸为长为 1 3 0 0 m m 、宽为6 0 0 m m 、高为1 3 0 0 m m ( 如图2 2 a 所示) ，同时对模箱结构进行改 进，一个模箱同时浇注两块坯料，提高浇注效率；其次，设计专用的砌块翻转、 脱模装置，砌块运送到辊子输送线，经翻转、脱模( 如图2 2 b 所示) ，直接输送到 切割机床，进行第一步的切割，实现脱底模切割；同时，翻转后坯料的不平整面 在侧面，经第一步切割被切除( 如图2 2 c 所示) 。第一步切割后的砌块经分流、翻 转装置分别输送到进行第二步切割的机床，成型后的砌块直接输送到自动码垛机 进行码垛，运送到室外自然养护。 改进后的切割流程通过两步切割完成砌块的成型，减少了原流程中繁琐的第 三步切割，大幅提高砌块生产效率；同时，第一、二步切割用机床锯片直径都可 以不同程度的减小，为切割机床实现高效加工提供条件。整个过程减少了人工的 参与，废品率得到有效控制的同时提高了砌块生产效率，减少生产投入，实现了 砌块的自动化生产。 新的切割流程对切割机床提出了新的要求：( 1 ) 第一步切割采用无托盘切割， 大型砌块坯料完全切透，进给丁作台需要锯片安装位置留有让刀空问；( 2 ) 第一 步切割完成后的六块小型坯料由于底面尺寸小、重心较高，输送过程中需要对进 行导向，防止其倾倒；( 3 ) 切割前后的坯料要实现连续输送，以实现整个工序连 续，进给工作台需要满足连续输送要求。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 砌块切割机床总体结构方案研究 2 2 1 锯切方式的选择与锯切工艺参数的确定 ( 1 ) 锯切方式的选择 金刚石圆锯片锯切混凝土的过程，实际上可以看作锯片网周刀头上的金刚石 颗粒微刃不断与混凝土坯料相互作用的过程，其过程与切削和磨削类似。锯切方 式可根据锯片的旋转方向与工件的进给方向的不同，分为顺切和逆切。顺切和逆 切过程i 1 金刚石圆锯片的受力各不相同。 为了便于研究，可以将切割过程某瞬间锯片的受力合成为与锯片径向成0 角 处的一对力：水，r 锯切力f 、和垂直锯切力f 。或法向锯切力f 。和切向锯切力f 。锯 切瞬间的受力模型如图2 3 所示。并规定f 。以向上为正方向，f 。以与进给速度v f 相同的方向为正方向。由图2 3 知：水平锯切力f 。是由切向锯切力f 。和法向锯切