【新闻】基于SolidWorks的熔模铸件切割机的设计咸宁

发布时间：2020-10-18 19:18:50 阅读：次来源：石英表厂家

熔模精密铸造以其广泛的适应性以及尺寸的高精度，越来越受到制造行业的青睐，它不仅可以铸出机加工难以制造的复杂零件，而且可以保证尺寸的精度，出模之后几乎不用或很少需要二次加工。由于熔模铸造的零件大部分为异形件，其浇注使用的模头也形状复杂，因此在出模后，将铸件从模头浇口上切下的过程效率低下，人工操作很不安全。为此，就需要一种可以代替人力，进行自动切割的熔模铸件专用切割机器，对于该方面的研究，国外的研究成果要领先于国内，如德国Universal公司的ASANTTM800切割机，德国莱克曼父子公司的TS800全自动浇口切割机等。但国外的铸件切割机器大都适应于大型铸件组的切割'且造价昂贵，而国内的熔模铸件厂家大都为小型家族企业，生产的铸件多为小型件，目前，国内各厂家仍采用人工手动切割，效率低且操作危险。为此，设计了半自动熔模铸件切割机，并分析了关键部件的受力情况，确保了切割机的可靠性，保证了切割工作的安全性，提高了熔模铸件切割的效率。

1切割机总体机构设计1.1熔模铸件切割要求熔模铸件在出模后，成枝状分布，铸件三维模型如所示，其浇口宽度只有10mm左右，大大增加了切割的难度。

铸件三维模型1.浇口2.铸件3.冒口特殊的构造形式，提出了特殊的切割要求。

操作安全。切割过程中，砂轮以将近3 000r/min的转速高速旋转，在进刀切割时，机构不稳定，会造成砂轮片偏摆；进刀速度太快，会卡死砂轮片，极有可能使砂轮片崩碎伤人；此外，在进给过程中，飞溅的火花甚至飞屑都是造成危险的因素。因此，设计时应首要考虑操作人员的安全问题。

适用范围。熔模铸件多种多样，其浇口宽度从第一作者：张云谦，男，1987年生，河北石家庄人，硕士研究生；研究方向为机电一体化。E-mail：zyqq1027126.com通讯作者：孙维连，男，1956年生，河北保定人，博士，教授；研究方向为机械零件失效分析。E-mail：bd999eyou.com几毫米到几十毫米不等，应使切割机的适用范围尽可能的广，提局利用率。

实现半自动化，提高效率。如前所述，熔模铸件的特殊构造造成了其切割的难度，人工切割不但存在安全隐患，而且费时费力。切割机应能够现实切割的半自动化，操作人员只需要装卸工件，其它工作由控制系统完成，把人从劳动中解放出来，既解决了安全问题，也可以提高切割效率。

保证铸件的质量。切割过程应保证铸件的完整性，避免切伤工件。

1.2熔模铸件切割机整体结构设计为满足操作安全的要求，本切割机设计了钣金外壳防护罩M，以及风机除尘装置。其整体外形示意如所示。

8.工件收集箱机械结构整体示意图如所示，主要有Y向倒置工作台，两个切割主轴，以及工件托架机构组成。

为了增大该切割机的适用范围，设计了砂轮主轴调整机构，使得砂轮可以前后移动、上下移动，其中前后调整是为了满足不同的浇口宽度，上下调整是为了补偿磨损的砂轮片，使得砂轮片可以充分利用。为实现切割的半自动化，采用了步进电机工作台，控制器采用信捷PLC，人工上件后，由按钮启动或暂停进给，并可调节进给速度。为了避免切伤工件，设计了倒置工作台，若采用正置工作台，即砂轮片在上，工件在下，切下的工件就会掉在下面一排的浇口中卡住，继续进刀，会切伤卡住的工件。为此采用了倒置工作台，这样使得切下的工件可以自行掉落。另外由于是人工上件并夹紧，整个模头很重，设计了工件托架机构，机构采用杠杆原理，脚踩踏板可以托起整个模头，使得操作人员可以轻松上件。

2熔模铸件切割机关键机构设计2.1切割主轴调整机构2.1.1切割主轴部装该机构采用双主轴两侧布置，可以同时切下模头上的两排铸件。由于需要频繁更换砂轮片，两个主轴在纵向上需错开一定的距离，为更换砂轮片留一定的空间。这种双主轴布置需要考虑浇口的宽度，应使两个砂轮片之间的横向距离与浇口宽度相匹配，以避免切伤铸件，为适应不同宽度的浇口，设计了主轴可前后调整的机构，如所示。

1.调整底座2.滑板3.锁紧螺母4.套筒手柄5.顶杆6.套筒7.导套在套筒外圆面锥外螺纹，导套内孔锥内螺纹，套筒法兰安装手柄，转动手柄可以使主轴随套筒前后移动，并加设锁紧螺母，避免在砂轮高速旋转时前后晃动，提高切割时的主轴稳定性。同时，为了补偿砂轮损耗，设计了上下滑动调整机构，如图中滑板2在顶杆5作用下，可在调整底座1中上下移动，从而带动主轴套筒整体上下移动。

22主轴止动结构的设计本设计中，砂轮片夹紧采用的是螺钉连接，在主轴端部打螺纹孔，通过螺钉锁紧夹持片，进而压紧砂轮片，主轴部装剖面图如所示。这样，在装拆时拧螺钉的同时，主轴会跟着起转动，难以拧紧螺钉，为此，采用了顶丝，在主轴套筒上打螺纹孔，并在主轴上相应位置铣两个平面，当装拆砂轮片时，用顶丝将主轴顶住，达到止动的目的。

主轴部装剖面图M8螺钉6.前夹持片7.后加持片由于切割功能的要求，该切割机结构十分紧凑，砂轮片的装拆只能穿过观察窗进行，很不方便，而且砂轮片的损耗速度很快，在大量作业时，需要频繁更换砂轮片。这就要求整个切割主轴的机械结构应该方便砂轮片的装拆。故设计了顶丝止动结构，如所示。

2.2倒置工作台2.2.1总体结构设计如前所述，工作台正置会出现卡件伤件的现象，因此本切割机采用倒置工作台，工作台倒挂在机架顶部，如所示，铸件在上，砂轮片在下切割。所用夹具为台虎钳，并设计了专用钳口4块，用螺栓固定在原有钳口上，从而把模头冒口的空间让出来。

2.2.2薄弱环节受力分析由于将工作台倒置，许多在正置时不承受力或承受的力很小的零件将会承受很大的力，需要提前校核该工作台的可靠性。本设计利用SolidWorks自带的有限元分析模块对其进行受力分析，同时对工作台的变形进行了分析。基本流程是：建立模型、添加约束载荷、划分网格、求解、结果分析、洞察分析、参数化设计和结果分析。

1）分析预处理。为使分析中剔除其它因素的干扰，简化了三维模型，只需留下4个滑块与工作台。

其它的预处理都是参数设置。首先，将材料设置为45号钢，滑块视为刚体，将4个滑块固定，设定连接方式为螺栓连接。施加的外部载荷主要有三部分，各部分的重力，包括滑块以及工作台；另外把台钳以及铸件的重力当做拉力计算，数值设定为300N；第三部分是切割过程中的横向剪切力，将该力移动至滑块上，并增加了一个适当的扭矩，数值分别为20N，0.5Nm.工作台受力分析如下所示。

2）分析结果。为应力云图，在设置了实体材料为45号钢后，SolidWorks的Simulation模块会自动将该材料的屈服强度集成到分析中，如显示，最大屈服强度为620.422MPa，由应力云图可知，工作台的各个部分应力均在最大屈服强度以下。为应变云图，直观的反映了工作台各部分的实际位移。由可见，最大位移为7.003xl0mm.为安全系数云图，在预处理中我们选择了屈服强度为第一安全因素，位移为第二安全因素，因此，安全系数根据材料屈服强度得到，n1时，为安全范围。

以直观形象地看出工作台在正常工作时应力、应变的变化情况，为设计提供了一定的理论分析依据。由分析仿真结果可得出安全系数达到预期设计要求。编写完成后，进行样机调试，进一步完善所编程序。

3结论本文所设计的熔模铸件切割机系统设计新颖，主轴调整机构可以适应不同宽度浇口的铸件的切割，并且可以补偿砂轮片的损耗，最大限度的利用了砂轮片；主轴止动结构的设计方便了砂轮片的装拆；倒置工作台的设计避免了卡件伤件的现象，保证了切割的质量。

采用PLC控制工作台的前进后退，实现了切割的半自动化。通过Solidworks的三维建模以及有限元分析，在理论上达到了设计要求。