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金屬帶鋸床設(shè)計(jì)
THE DESIGN OF METAL BAND SAWING MACHINE
摘要
良好的鋸切可顯著降低工件對二次加工的要求，減少產(chǎn)品制造成本。金屬帶鋸床是實(shí)現(xiàn)鋸切加工的機(jī)器，本課題根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一臺臥式金屬帶鋸床。在充分了解鋸床組成及工作原理的基礎(chǔ)上，建立鋸床性能指標(biāo)，提出了鋸床整體設(shè)計(jì)方案。通過對帶鋸條主要參數(shù)的了解及鋸條運(yùn)動的分析，獲得了鋸切力基本計(jì)算公式，為鋸架主要尺寸的確定及所選鋸條強(qiáng)度的校核提供了理論基礎(chǔ)。由變頻電機(jī)、帶傳動、蝸輪蝸桿構(gòu)成的鋸床傳動系統(tǒng)，可輕易的實(shí)現(xiàn)鋸切速度的調(diào)整。帶鋸的進(jìn)給、工件的夾緊、物料的輸送均通過液壓系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，控制方便，自動化程度較高。利用比例流量閥實(shí)現(xiàn)了帶鋸進(jìn)給的微調(diào)節(jié)，對實(shí)現(xiàn)鋸切過程自適應(yīng)控制有非常不錯(cuò)的效果。
關(guān)鍵詞 傳動系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；帶鋸條；自適應(yīng)控制
Abstract
Good performance of sawing can significantly decrease the artifacts of secondary processing requirements and reduce the production cost. The metal band sawing machine is the realization of sawing processing machine. This topic according to the actual demand, design a horizontal band saw machine. In fully understand the sawing machine on the basis of the composition and work principle, the sawing machine performance indexes is established and the overall design scheme of sawing machine is presented. Through the understanding of the band saw blade main parameters and the analysis of the saw blade movement, obtained the basic calculation formulas of sawing force. For the saw frame, determination of main dimensions, and as a theoretical basis is provided for the selected blade intensity check. By the frequency conversion motor, the belt, the worm gear and worm of sawing machine drive system, make the adjustment of sawing speed becomes easy to implement. The feed of band saw, the workpiece champing, the material conveying are realized by the hydraulic system. Because of this, the sawing machine control become more convenient, and has a high degree of automation. The band saw feed section of fine-tuning by the proportional valve is achieved. The application of proportional valve has a very good effect in sawing process adaptive control.
Keywords The transmission system The hydraulic system Band saw blade Adaptive control
III
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 研究的背景及意義 1
1.2 鋸切技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 2
2 金屬帶鋸床整體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 鋸床的組成及部分零部件介紹 4
2.2 帶鋸床的性能指標(biāo) 5
2.3 帶鋸床整體方案 6
3 帶鋸條設(shè)計(jì) 7
3.1 鋸條基本參數(shù) 7
3.2 鋸條的磨合 10
3.3鋸條的動力分析 10
4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15
4.1 傳動方案的選擇 15
4.1.1 滑移齒輪調(diào)速 15
4.1.2 蝸輪蝸桿調(diào)速 15
4.2 蝸輪蝸桿傳動有關(guān)問題分析 17
4.3 調(diào)速方案的進(jìn)一步選擇 18
4.3.1 帶輪直徑差變速 18
4.3.2 電機(jī)變頻調(diào)速 20
4.4 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 21
4.4.1 帶傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 22
4.4.2 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.5 帶傳動在傳動系統(tǒng)中的意義 32
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33
5.1 鋸床進(jìn)給運(yùn)動的控制 33
5.1.1 滾珠絲杠螺母副和PLC組合控制 33
5.1.2 液壓傳動和PLC組合控制 34
5.2 夾緊裝置的設(shè)計(jì) 35
5.2.1 絲杠螺母夾緊裝置 35
5.2.2 液壓夾緊 36
5.3 送料裝置的設(shè)計(jì) 36
5.4 液壓系統(tǒng)的工作過程 37
6 張緊裝置的設(shè)計(jì) 39
6.1 張緊方式的選擇 39
6.2 螺桿直徑的計(jì)算 40
7 鋸架設(shè)計(jì)及鋸條校核 41
7.1 基本參數(shù)確定 41
7.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證 41
7.2.1 鋸條受力計(jì)算 41
7.2.2 鋸條強(qiáng)度校核 43
結(jié)論 46
致謝 47
參考文獻(xiàn) 48
II
1 緒論
1.1 研究的背景及意義
鋸切，是一種常見的加工方式，廣泛應(yīng)用于木材的采伐、家具的制作等過程中，鋸床，是實(shí)現(xiàn)鋸切作業(yè)的機(jī)器，相比與車、銑、刨、磨床，其發(fā)展歷史較短，但隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，鋸切加工所具有的良好優(yōu)勢正變得越來越明顯，而這又更好的促進(jìn)了鋸床的發(fā)展。
利用鋸條鋸切木材是生活中常見的現(xiàn)象，其實(shí)人們早就設(shè)想利用鋸條鋸切金屬以減輕其他機(jī)床的生產(chǎn)強(qiáng)度、釋放加工能力，但是，由于以下幾個(gè)原因致使鋸床發(fā)展受阻：1.技術(shù)水平不夠，從DOALL公司發(fā)明第一臺鋸床起，關(guān)于帶鋸條材質(zhì)的選擇一直是個(gè)難題，鋸條材質(zhì)從碳素工具鋼到合金工具鋼，在實(shí)際生產(chǎn)中的表現(xiàn)都不理想，存在鋸條損耗嚴(yán)重等眾多問題。而在1964年，鋸條基體采用抗拉強(qiáng)度較好的鋼材，鋸齒部位采用高級高速鋼的雙金屬帶鋸條的問世，是鋸床發(fā)展史上的一個(gè)里程碑[1]。這種雙金屬帶鋸條，具有鋸齒硬度大、鋒利性好、耐磨性高、易于切入普通金屬表面等諸多優(yōu)點(diǎn)，而采用普通鋼材作為帶鋸條的基體，使得鋸條能同時(shí)具備較好的韌性，對鋸切過程中存在的振動、沖擊等不良狀況的抵御能力顯著增強(qiáng)。目前，應(yīng)用最廣泛的就要數(shù)雙金屬帶鋸條了，基體及鋸齒部位材質(zhì)組合可根據(jù)鋸切對象的不同而調(diào)整，其中M42、M51是雙金屬帶鋸條上常見的兩種齒部材料。帶鋸條材質(zhì)的問題經(jīng)過多年的研究，已得到不錯(cuò)的解決，但關(guān)于鋸條鋸齒形狀的研究，目前還比較少，本文中，對鋸條齒型做了基本的描述，對有關(guān)主要參數(shù)進(jìn)行了較為細(xì)致的說明，在選擇帶鋸條時(shí)可以作為參考。
金屬帶鋸床，一般是利用電動機(jī)作為動力元件，傳動結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)主運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)，進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鋸架或工件的進(jìn)給，結(jié)合鋸條張緊裝置、導(dǎo)向裝置、工件夾緊等裝置，在控制器（PLC）的作用下，借助主、從動鋸輪實(shí)現(xiàn)帶鋸條持續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)器。毛坯件、鑄造件、鍛造件等往往需要進(jìn)行相應(yīng)的切割，然后才放入到相關(guān)機(jī)床上進(jìn)行更近一步的加工。金屬砂輪片切割機(jī)是一種金屬切割機(jī)器，但由于鋸輪片直徑大小的限制，其加工范圍很是有限；金屬激光切割機(jī)可輕易的實(shí)現(xiàn)對金屬的切割，且切割精度高，是很理想的金屬鋸切加工方式，但其價(jià)格不菲，往往只適用于精密工件的加工及難鋸切材質(zhì)的切割中，由于價(jià)格的限制，其推廣受到阻礙。相比以上兩種金屬鋸割設(shè)備，金屬帶鋸床在成本和精度上都處于適中的位置，更為重要的是其加工范圍很大，性價(jià)比高，因而實(shí)現(xiàn)金屬鋸割的過程主要由金屬帶鋸床來實(shí)現(xiàn)，可以設(shè)想，如果帶鋸床的加工效率高、精度良好，則零件對后續(xù)加工的要求就低，產(chǎn)品生產(chǎn)的周期會明顯縮短，可以很好的節(jié)省材料費(fèi)用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，關(guān)于帶鋸床鋸切加工方式的省料是相對于車、銑床等機(jī)床而言的，因?yàn)?，車、銑床等對工件的加工所形成的往往是帶狀、粉末狀碎屑，對廢料的回收、企業(yè)資金的節(jié)省都很不利，這點(diǎn)尤其在大型機(jī)械廠中更為明顯，而金屬帶鋸床，鋸切的廢料基本上都是塊料，材料重復(fù)利用的能力自然高出許多。機(jī)床系數(shù)，是一個(gè)表示機(jī)床使用成本的參數(shù)、它從機(jī)床的購置成本、生產(chǎn)單個(gè)零件所需的花費(fèi)等方面對機(jī)床進(jìn)行評定，常見的機(jī)床型號及其機(jī)床系數(shù)見表1-1[2]。從圖中可以看出GB53250型鋸床的機(jī)床系數(shù)明顯低于其他機(jī)床。鋸切加工成本低，一般的車、銑床機(jī)床系數(shù)都在其兩倍之上，數(shù)控的車、銑床機(jī)床系數(shù)更高。在生產(chǎn)車間中合理引入帶鋸床，可顯著的解放其他機(jī)床的生產(chǎn)能力，提高效率，節(jié)約企業(yè)資金，但因帶鋸床發(fā)展歷史短，技術(shù)目前來說不夠成熟，還存在著鋸切效率不夠高、加工精度有待進(jìn)一步提升等問題，同時(shí)不合理的鋸床機(jī)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置往往會導(dǎo)致帶鋸損耗嚴(yán)重，帶鋸條成本相對較高，消耗嚴(yán)重勢必和使用鋸床的初衷違背，因此，了解帶鋸在鋸切過程中的受力狀況，會對鋸條使用壽命的提升、鋸條費(fèi)用的節(jié)省有非常不錯(cuò)的效果。如今，鋸床處于一個(gè)轉(zhuǎn)型的階段，自動化、高效化在機(jī)器性能指標(biāo)中占據(jù)的分量越來越重，是機(jī)器發(fā)展的必然趨勢，但由于自動化鋸床造價(jià)昂貴，企業(yè)一次性投入較大，是限制自動化鋸床在車間中廣泛使用的一個(gè)重要因素。深入了解鋸床有關(guān)結(jié)構(gòu)、掌握其工作原理，探尋實(shí)現(xiàn)鋸切加工的最優(yōu)方案組合，物盡其用是本設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。
表1-1 有關(guān)機(jī)床型號及其機(jī)床系數(shù)
機(jī)床類別
機(jī)床型號
機(jī)床規(guī)格（mm）
系數(shù)
鏜床
W250HC
φ250
24
T6225
φ250
15
T6216
φ160
6
銑床
6640
4000×12000
36
XK2120/5
2000×6000
20
6620
1500×6000
10
立式車床
VCT80-NC
φ8000×6000/350T
30
CK5163
φ6300
28
MC35X
φ1000
20
臥式車床
S3150
φ21500×15000
20
C61200
φ2000×1000
15
C61160
φ1600×8000
10
鋸床
GB 53250
φ2500
3
1.2 鋸切技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況
關(guān)于我國目前鋸床制造技術(shù)水平、及價(jià)值鏈見圖1-1、圖1-2[3]。從圖中可以明顯的看出，我國鋸床技術(shù)水平明顯落后，產(chǎn)品主要集中在低端、生產(chǎn)量大但質(zhì)量不高，以德國貝靈格、卡斯特，日本天田等為首的傳統(tǒng)鋸床制造企業(yè)引領(lǐng)當(dāng)今鋸床的發(fā)展，掌握著核心的鋸床制造技術(shù)。小發(fā)明、小創(chuàng)造是當(dāng)今我國鋸床發(fā)展的形狀，從專利文獻(xiàn)中顯示，國內(nèi)鋸床有關(guān)專利集中在外觀造型上，創(chuàng)造性缺乏，實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)意義不大[4]。造成如此現(xiàn)狀的原因是沒有形成一個(gè)嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，技術(shù)人員多以模仿、憑自身經(jīng)驗(yàn)等設(shè)計(jì)，缺乏必要的理論支撐，這樣設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品雖然成本低，但機(jī)器故障率高，效率低下，難以得到客戶青睞。
圖1-1 我國鋸床生產(chǎn)狀況
圖1-2 鋸床品牌價(jià)值鏈
2 金屬帶鋸床整體方案設(shè)計(jì)
2.1 鋸床的組成及部分零部件介紹
立式、臥式是兩種常見的金屬帶鋸床類型。對于輪廓外形、板材及型腔的加工常采用立式金屬帶鋸床，對于有色或黑色金屬圓棒料的加工，采用臥式金屬帶鋸床更為適宜。普通單立柱臥式金屬帶鋸床的結(jié)構(gòu)簡圖見圖2-1。
圖2-1 普通單立柱臥式金屬帶鋸床結(jié)構(gòu)簡圖
從圖2-1中可以看出，底座、床身、立柱、鋸架、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、導(dǎo)向裝置、夾緊裝置、張緊裝置等是鋸床主要組成部件，依據(jù)各部件在鋸床中的作用，采用按功能劃分的原則對鋸床主要零部件進(jìn)行分類，以普通臥式雙立柱金屬帶鋸床為例，功能模塊的劃分見圖2-2。
圖2-2 普通臥式金屬帶鋸床功能劃分示意圖
鋸床支撐模塊中主要包括底座、立柱，底座是鋸床的主要支撐部件，一般材料為鑄鐵，主要承受來自工作臺、立柱的壓力，底座是一個(gè)箱體機(jī)構(gòu)，內(nèi)部布置有各種液壓管道、液壓油箱、油泵、以及冷卻液箱體等，為了增強(qiáng)底座的剛度，往往會在底座受力較大的部位布置各種筋板，底座良好的剛度是保證鋸切加工精度的基礎(chǔ)。立柱，是應(yīng)用在臥式金屬帶鋸床上的，根據(jù)帶鋸床立柱個(gè)數(shù)分為單立柱、雙立柱鋸床，對于雙立柱臥式金屬帶鋸床，鋸架沿主立柱上下運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)鋸條進(jìn)給，副立柱布置在從動鋸輪附近，協(xié)助完成鋸架的上下運(yùn)動，采用雙立柱結(jié)構(gòu)的帶鋸床，鋸架整體剛度有了很大的提升，對保證鋸切加工的穩(wěn)定性、鋸床精度的保持性都有非常不錯(cuò)的效果。
進(jìn)給模塊是實(shí)現(xiàn)鋸架上下運(yùn)動的裝置，液壓驅(qū)動鋸架上下運(yùn)動是目前主要的實(shí)現(xiàn)方式在臥式金屬帶鋸床上，液壓系統(tǒng)和PLC組合控制，借助行程限位開關(guān)，計(jì)時(shí)器等可方便地實(shí)現(xiàn)鋸切安全有序的進(jìn)行。
帶鋸床的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對工件的鋸切，鋸切模塊無疑是金屬帶鋸床中十分重要組成部分，主、從動鋸輪旋轉(zhuǎn)帶動帶鋸條回轉(zhuǎn)，由于鋸條是彎曲繞在主、從動鋸輪上的，而鋸切工件時(shí)為了實(shí)現(xiàn)鋸切，要求鋸齒應(yīng)垂直于工件，即要使鋸條彎曲一定的角度，這種功能的實(shí)現(xiàn)依賴于導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向塊、滾動軸承是其主要構(gòu)成部件，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)向塊塊的位置、鋸條背邊同滾動軸承之間的距離都是應(yīng)著重考慮的方面。導(dǎo)向裝置的兩個(gè)導(dǎo)向臂可以沿尺寸臂左右移動，有的鋸床上只能單個(gè)導(dǎo)向臂移動，鋸切時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際鋸料尺寸大小調(diào)整兩臂相對位置，兩臂之間的距離一般比工件寬50mm左右。
冷卻潤滑模塊，由于對精度的要求及鋸帶自身的特點(diǎn)，鋸條厚度都較小，當(dāng)加工工件時(shí)由于鋸齒同工件之間的摩擦、擠壓，會產(chǎn)生很大的熱量，如果不采取相應(yīng)的冷卻措施，鋸切加工基本無法進(jìn)行（對銅、鋁的鋸切不需要鋸切液），熱量的累積不僅降低了加工件的精度尺寸，還嚴(yán)重影響鋸條使用壽命，而且鋸條與工件間的摩擦嚴(yán)重，需采取一定的潤滑措施，以改善鋸條的磨損情況，冷卻為主，潤滑為輔是一般鋸切加工鋸切液選取的原則。為了循環(huán)利用鋸切液，在鋸床上設(shè)計(jì)有水箱等裝置，其一般布置在底座內(nèi)。隨著鋸條切入工件的深度增大，鋸屑的排出也變得更加困難，放置鋼絲刷除去鋸屑是常采用的方法，使用時(shí)，鋼絲刷同鋸條位置的調(diào)整應(yīng)著重考慮，以保證充分除去鋸屑，而鋼絲刷又不過分磨損。
2.2 帶鋸床的性能指標(biāo)
帶鋸床能夠?qū)崿F(xiàn)對鋸料的鋸切，但鋸切不是簡簡單單的把工件分離就行了，性能指標(biāo)常用來判斷帶鋸床的工作能力。
金屬帶鋸床因電動機(jī)功率的大小，夾緊鉗口張開程度，導(dǎo)向臂移動距離等因素限制，使它具有一定的加工范圍，現(xiàn)今，2.5×2.0m的實(shí)心方材已可順利鋸切，我國目前帶鋸床加工的最大范圍是鋸切直徑3m的管料。鋸床的加工范圍在一定程度上反應(yīng)了鋸床所具備的先進(jìn)技術(shù)，但加工范圍并不是越大越好，加工范圍大雖然鋸料尺寸更廣，但同時(shí)能耗也大，采用合適的鋸床鋸切適宜的尺寸，可以最大的發(fā)揮鋸床的使用效益。隨著金屬帶鋸條制造技術(shù)的日益更新，鋸切的材質(zhì)也被不斷的刷新，從銅鋁、低碳鋼、中碳鋼等易鋸切件到模具鋼、不銹鋼、超耐熱合金鋼等傳統(tǒng)難鋸割材料，先進(jìn)鋸切都可完成。不過，針對不同的鋸切材料應(yīng)采用不同的鋸切速度，常見鋸料及其對應(yīng)的鋸切速度見表2-1。鋸切不僅能實(shí)現(xiàn)加工范圍大、鋸切速度快，而且還可以獲得很好的精度，100mm長的工件采用鋸切加工方式，其誤差可以控制在0.1mm，鋸切加工能夠達(dá)到如此高的精度，離不開滾珠絲杠送料、激光地位，鋸切過程的自適應(yīng)控制等技術(shù)的發(fā)展，它包括鋸切力實(shí)時(shí)反饋構(gòu)成閉環(huán)控制以調(diào)整鋸條的進(jìn)鋸速度。鋸條在鋸切過程中的沿工件方向的振動反饋及控制[5]。鋸切過程依據(jù)工件截面變化、鋸條磨損程度、施加潤滑劑狀況以調(diào)整鋸切參數(shù)等內(nèi)容。
表2-1 常見鋸料及其對應(yīng)的鋸切速度
鋸切材質(zhì)
鋸切速度（m/min）
青銅、鋁材
55～80
鑄件
45～70
高碳鋼
35～70
中碳鋼
40～70
低碳鋼
50～75
綜合上述分析，帶鋸床的主要性能指標(biāo)包括：鋸床的加工范圍、鋸切速度、鋸切效率、鋸切精度等內(nèi)容。結(jié)合本課題，設(shè)計(jì)的金屬帶鋸床詳細(xì)性能指標(biāo)為：圓材切割能力280mm，方材切割能力280×280mm，主電動機(jī)功率：2.2kW,鋸切速度：27m/min、49m/min、81m/min,即實(shí)現(xiàn)三種鋸切速度的變換，帶鋸規(guī)格：3505×27×0.9mm。
2.3 帶鋸床整體方案
對于帶鋸床的設(shè)計(jì)，采用的設(shè)計(jì)方法是自頂向下的設(shè)計(jì)理念。這種設(shè)計(jì)方法從帶鋸床的功能出發(fā)，依據(jù)鋸床性能指標(biāo)要求，對各模塊的功能進(jìn)行細(xì)化，逐步求精，以完成金屬帶鋸床的設(shè)計(jì)。
首先，應(yīng)根據(jù)帶鋸床加工的對象特點(diǎn)，決定帶鋸床的形式，即采用臥式還是立式帶鋸床，這里由于考慮到鋸切對象多為圓材棒料，選用臥式金屬帶鋸床。由于帶鋸床加工材質(zhì)、材質(zhì)尺寸的不同，需要改變鋸切速度和鋸條進(jìn)給快慢，對于鋸切速度的調(diào)整由電動機(jī)-減速裝置來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)給快慢的控制常利用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。鋸帶的張緊，工件的夾緊、物料的輸送有多種方案，如鋸帶的張緊可以采用液壓的張緊方式，也可采用螺紋張緊的方式，還可利用偏心機(jī)構(gòu)，這些方式從可行性上來說都是可行的。具體選擇何種方案時(shí)，不僅要考慮所需實(shí)現(xiàn)的功能，還應(yīng)從鋸床整體出發(fā)，在控制成本的范圍內(nèi)，尋求最優(yōu)的方案組合[6]。
3 帶鋸條設(shè)計(jì)
3.1 鋸條基本參數(shù)
工欲善其事，必先利其器，金屬帶鋸床具有切削效率高，鋸割切口小，可獲得良好的零件加工精度和表明質(zhì)量，而這些都需依賴一個(gè)合適的鋸床刀具——帶鋸條。
硬質(zhì)合金帶鋸條、高速鋼帶鋸條、雙金屬帶鋸條是工廠生產(chǎn)中常用的鋸條類型，其中，尤以雙金屬帶鋸條應(yīng)用最為廣泛，所謂的雙金屬帶鋸條一般采用高速鋼或高性能高速鋼作為鋸齒齒尖材料、用低合金彈簧鋼作為鋸條基體、利用激光或電子束將鋸齒齒尖同基體焊接在一起，這樣一來，鋸條齒尖部分可獲得很高的硬度及耐磨性，便于鋸齒切入工件，同時(shí)鋸條基體也保持了不錯(cuò)的韌性和剛度，可以在一定程度上抵御鋸條在加工過程中的振動，提升了刀具的使用壽命，有時(shí)，為了更近一步的提升雙金屬帶鋸條的性能，減小鋸齒部位應(yīng)力集中，會對鋸條進(jìn)行保溫處理。硬質(zhì)合金帶鋸條常用于鋸切難切削材料，如軸承鋼、不銹鋼等。鋸條類型的選用應(yīng)根據(jù)鋸切材料的性質(zhì)而定。在本設(shè)計(jì)中，考慮主要鋸切材料是45鋼，這里選用Rm80(46CrNiMoVA)鋼作為鋸條基體材料，M42(W2Mo9Cr4VCo8)鋼作為齒尖材料的雙金屬帶鋸條。
圖3-1 鋸齒基本形狀及其有關(guān)參數(shù)
帶鋸條鋸齒的基本形狀見圖3-1。圖中，齒距（P）指相鄰兩個(gè)鋸齒之間的距離，1英寸（25.4mm）長度上所具有的完整齒數(shù)稱之為鋸條的單位長度齒數(shù)，帶鋸條有等齒與變齒之分，所謂的等齒是指任意兩個(gè)相鄰的鋸齒之間的距離是不變的，而變齒也就是相鄰的兩個(gè)齒的齒距是在一定的范圍內(nèi)變化的。2/3、3/4、4/6齒是常見的變齒類型，拿4/6齒來說，相鄰兩個(gè)齒之間的最大齒距為6.35mm，最小為4.23mm，齒距在這個(gè)范圍內(nèi)循環(huán)分布。齒距的選擇是比較重要的，通常應(yīng)根據(jù)所需鋸切材料的直徑或?qū)挾葋泶_定，遵循3齒、24齒的原則，所謂的3齒原則指的是在鋸切加工的任意時(shí)刻，都應(yīng)保證在工件上至少有3個(gè)鋸齒，這樣可在一定程度上避免單個(gè)鋸齒受力過大，導(dǎo)致鋸齒開裂甚至發(fā)生斷齒，同時(shí)對減少鋸切振動、提高切削效率也有積極的影響，24齒原則指的是在鋸切過程中，在工件上的鋸齒數(shù)目一般不應(yīng)多于24個(gè)，因?yàn)檫^多的鋸齒參與切削就會帶來較大的切削力，同時(shí)會產(chǎn)生過多的切削，鋸切加工是在一個(gè)相對封閉的環(huán)境下進(jìn)行的，及時(shí)的排去切屑，導(dǎo)出切削熱量，有利于加工作業(yè)的順利進(jìn)行。等齒距可以獲得較高的切削精度，工件鋸口平面度較好，但其有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，那就是在鋸切過程中產(chǎn)生的頻率易和機(jī)床的頻率一致，易于引發(fā)共振，而變齒就可很好的避免這一點(diǎn)，同時(shí)變化著的齒距對于難切削材料的加工有著不錯(cuò)的效果。
鋸條的厚度用字母b表示，鋸條的寬度用字母h表示，帶鋸條常見的寬度、厚度及其公差見表3-1、3-2。
表3-1 常見帶鋸條寬度及公差
寬度(mm)
34.0
31.5
27.0
25.0
19.0
16.0
12.5
9.5
8.0
6.3
4.75
偏差
(mm）
0
-0.5
0
-0.4
表3-2 常見帶鋸條厚度及公差
厚度尺寸（mm）
1.25
1.06
9.5
1
0.9
0.8
0.63
偏差（mm）
0.038
0.025
對于雙金屬帶鋸條，針對不同的鋸條規(guī)格，已有相應(yīng)的齒型與之配對供用戶選用，見表3-3。
表3-3 常見雙金屬帶鋸條規(guī)格與齒型配伍表
規(guī)格/
(mm×mm)
齒型/（齒數(shù)/in）
5/8
4/6
3/4
2/3
1.4/2.0
0.75/1.25
13×0.9
20×0.9
n
n
n
27×0.9
n
n
n
n
n
34×1.1
n
n
n
n
n
41×1.3
n
n
n
n
n
注：表中標(biāo)記的為可選組合。
因?yàn)閹т彈l是環(huán)繞在鋸輪上的，隨著鋸輪的旋轉(zhuǎn)承受著交變載荷，鋸條所受的應(yīng)力也就出現(xiàn)波動，一般來說，鋸條的厚度b越小，作用在鋸條上的應(yīng)力波動幅度也就越小[7]。但為了保證帶鋸條的強(qiáng)度，鋸條的厚度不能過小。
為了使鋸切過程中產(chǎn)生的切屑易于排出，保證切削的正常進(jìn)行，鋸齒往往都會往一邊或兩邊凸出一些，這叫做鋸條的分齒，把凸出的單邊距離稱之為鋸條的分齒量，用字母e表示，分齒量是影響鋸縫寬度的重要影響因素，同時(shí)也與鋸切的主切削力有著密切的聯(lián)系，為了保證鋸切的精度與鋸齒的剛度，e一般不會取太大。波形分齒、斜向分齒、交替分齒是帶鋸條三種常見的分齒形式。所謂的波形分齒是指鋸條鋸齒有規(guī)則的左右變化，交替分齒是鋸條一個(gè)鋸齒向左、一個(gè)向右交替錯(cuò)開的分齒形式，斜向分齒鋸齒一個(gè)往左、一個(gè)往右、一個(gè)不分循環(huán)分布。斜向分齒既有利于切屑的排出，又在一定程度上維持了鋸切的精度和平穩(wěn)性，因此其應(yīng)用最為普遍。
鋸齒的前面與基面的夾角稱之為鋸條的前角，用α表示，前角α是鋸齒參數(shù)中一個(gè)重要的參數(shù)，一般情況下當(dāng)鋸切硬度較高的難切削材料時(shí)，選用較小的前角，也可以是零前角，以保證鋸條在鋸切時(shí)有足夠的強(qiáng)度，當(dāng)被加工的工件硬度較低時(shí)，如45鋼、低碳鋼等，可以選用較大的前角，以提高切削效率。鋸齒的前面與鋸齒后面的夾角稱之為楔角β，為了容屑和降低加工過程中的沖擊、減弱鋸齒部位的應(yīng)力集中，鋸齒的底部通常都會設(shè)計(jì)成一段圓弧，從齒尖到鋸齒前面與圓弧過渡段的距離稱之為齒深，用h0表示，切削的受力簡圖見圖3-2。鋸齒前面對切削的壓力Fn，與鋸齒前面同切削的摩擦力Fr與Fn的合力Fr2之間的夾角稱之為摩擦角，鋸切主運(yùn)動方向同切削剪切面之間的夾角稱之為剪切角θ。
圖3-2 切削的受力簡圖
本段主要介紹了帶鋸條的相關(guān)幾何參數(shù)及其選用的一般原則，通過這些參數(shù)可以更好的認(rèn)識帶鋸條，根據(jù)鋸切材料合理選擇各個(gè)切削參數(shù)，對提高鋸切效率、延長鋸帶使用壽命、提高加工精度都有十分重要的影響。在實(shí)際切削過程中，后角、前角、分齒角度、分齒量對鋸切過程中的切削力的影響依次增大[8]。針對不同材料、不同直徑（寬度）、不同截面形狀的工件，如何確定最優(yōu)的鋸切參數(shù)組合，這是一個(gè)需要解決的問題。
3.2 鋸條的磨合
新車在剛開始使用時(shí)，會有一段磨合期，以保持汽車的良好性能。同樣地，新的鋸條在剛開始鋸切工件時(shí)也需要磨合，而且磨合過程必不可少。新鋸條磨合的意義主要有以下三點(diǎn)：1.消除毛刺，鋸條鋸齒是由其他刀具切割加工成型的，這樣自然會存在毛刺、尖角及較高的應(yīng)力集中在齒部，通過使用初期正確的磨合帶鋸條，可基本的消除毛刺、降低鋸齒部的應(yīng)力集中；2.適應(yīng)，每種鋸床由于電動機(jī)功率、鋸輪大小、導(dǎo)向裝置的設(shè)置等原因，有著與之相匹配的鋸條規(guī)格，當(dāng)使用新鋸條時(shí)，經(jīng)過磨合，可以使新鋸條與鋸床更好的相互適應(yīng)，適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)向裝置以得到理想的鋸條扭轉(zhuǎn)角度、適當(dāng)調(diào)整鋼絲刷同鋸齒根部的位置以更好的清除切屑，經(jīng)過調(diào)整與適應(yīng)，可以顯著的減小正常鋸切時(shí)的振動，對于提高帶鋸條使用壽命，獲得良好的加工精度都有很好的效果。3.修正鋸條誤差，帶鋸條是一個(gè)較長且厚度較薄的剛性刀具，抵御沖擊、變形的能力有限，在制造和運(yùn)輸過程中，可能帶來一定的誤差，經(jīng)過磨合，可以對帶鋸條自身形狀起到一個(gè)校正的作用。
對于新鋸條的磨合，通常遵循如下的原則進(jìn)行[9]：
1.在磨合期間，帶鋸條的鋸切速度大約是正常鋸切速度的60%。
2.磨合的過程是一個(gè)逐漸變化的過程，隨著磨合的進(jìn)行，鋸切速度與進(jìn)給量都應(yīng)相應(yīng)的增加以逐漸增強(qiáng)帶鋸條的適應(yīng)能力。
3.磨合開始的第一刀應(yīng)慢慢進(jìn)給，注意觀察鋸條工作狀態(tài)，鋸切時(shí)間約為正常工作時(shí)間的4倍。
4.對于型鋼，如角鋼、工字鋼、槽鋼等截面變化比較大的工件，其磨合時(shí)更應(yīng)注意，磨合的時(shí)間應(yīng)相應(yīng)的延長。
5.當(dāng)鋸條的振動明顯改善，說明帶鋸條的磨合已完成。
3.3鋸條的動力分析
鋸切是通過主動鋸輪的旋轉(zhuǎn)帶動帶鋸條，進(jìn)而帶動從動鋸輪，將鋸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成鋸條持續(xù)直線運(yùn)動的過程。下面分析一下鋸條的運(yùn)動，見圖3-3。
圖3-3 鋸條運(yùn)動簡圖
帶鋸條一邊以Vs的速度作鋸切的主運(yùn)動，一邊以Va的速度向工件進(jìn)給（也可工件向鋸條進(jìn)給），其合成運(yùn)動Ve。它們之間滿足向量關(guān)系。
帶鋸條與工件之間存在著相對運(yùn)動，見圖3-4。從圖中可以看出，帶鋸條相對工件向右運(yùn)動，所以鋸條會受到來自工件的水平方向的阻力，用Fx表示，稱之為鋸條的鋸切抗力，鋸條相對于工件向下運(yùn)動，鋸條會受到來自工件的豎直方向的阻力，用Fz表示，稱之為鋸條的進(jìn)給抗力，當(dāng)然，鋸條在垂直于Fx、Fz的平面內(nèi)，存在著Fy的作用，稱之為鋸條的側(cè)向力，F(xiàn)y的存在會加劇鋸條的振動，影響加工精度，甚至使鋸條偏轉(zhuǎn)從而出現(xiàn)鋸路偏斜的情況。在實(shí)際生產(chǎn)中，側(cè)向力相對于鋸切抗力、進(jìn)給抗力來說，一般較小，在下面的分析中，不予考慮。
圖3-4 鋸條所受工件的作用力
如何求取Fx、Fz是一個(gè)關(guān)鍵的問題，因?yàn)橹挥兄雷饔迷阡彈l上力的大小，才能對鋸條進(jìn)行力的分析、強(qiáng)度的校核，進(jìn)而為選取合適的帶鋸條提供理論依據(jù)。潘柏松、梁利華等人在理論推導(dǎo)及大量實(shí)驗(yàn)研究及驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出了如下計(jì)算公式[10]：
式（3.1）
式（3.2）
式（3.3）
式（3.4）
式中 fx——單個(gè)當(dāng)量齒的線鋸切抗力；
fz——單個(gè)當(dāng)量齒的線進(jìn)給抗力；
fx0——單個(gè)當(dāng)量齒的初始鋸切抗力；
fz0——單個(gè)當(dāng)量齒的初始進(jìn)給抗力；
kρ——表示鋸齒鋒利程度的參數(shù)；
kw——表示鋸條的冷卻潤滑狀況；
σb——鋸條的抗拉強(qiáng)度，MPa；
a——鋸條的進(jìn)給量，mm。
對于新投入的鋸條來說，kρ一般取1，對于kw的取值參見表3-4。
表3-4 kw的取值
工作狀況
取值
硫化油（Vs>90m/min）
0.9
10%——20%乳化液
1
當(dāng)鋸切不同材料的工件時(shí)，由于加工鋸料的材質(zhì)、尺寸大小等的不同，常采用不同的摩擦角、剪切角，以取得良好的鋸切效果。也就是說剪切角摩擦角是與加工對象有關(guān)的參數(shù)。鋸切的摩擦角、剪切角會發(fā)生變化，它們的計(jì)算公式如下：
式（3.5）
式（3.6）
式中 ——是與摩擦角、剪切角、鋸切材料有關(guān)的參數(shù)，關(guān)于它們的取值參見表3-5。
表3-5 摩擦角、剪切角有關(guān)的參數(shù)
鋸切材料
/(°)
/((°)/mm)
/((°)·min
mm2)
/(°)
/((°)
/mm)
/((°)·min
/mm2)
抗拉強(qiáng)度
/MPa
Q235
38.98
338.90
-5.80E-3
0.93
-4.69
1.00E-3
400
Cr12
48.10
1656.50
-32.44E-3
2.14
209.21
-2.77E-3
1000
H13
45.75
347.66
-9.67E-3
2.08
3.15
406E-3
1000
40CrMn
29.60
-877.58
25.07E-3
5.49
112.30
-1.13E-3
980
45
38.89
-303.69
8.89E-3
3.441
49.181
-0.489E-3
600
當(dāng)利用上述公式求得fx、fz之后，就可以算出Fx、Fz，即：
式（3.7）
式（3.8）
式中 n——工件寬度上完整的鋸齒數(shù)目。
帶鋸鋸切工件前，需要對鋸條進(jìn)行張緊，以保證帶鋸條同鋸輪之間的摩擦力大于鋸齒切入最大斷面時(shí)參與切削的所有鋸齒的合力 ，因此，除了求得工件作用在鋸條上的力之外，還應(yīng)分析帶鋸條的張緊力，見圖3-5。
圖3-5 臨界狀態(tài)下的鋸條受力分析
在初始狀態(tài)下（鋸條張緊，但未鋸切工件），有如下關(guān)系：
式（3.9）
式中 Fp——表示鋸輪在初始狀態(tài)下所受的拉力，N；
F0——表示鋸條在初始狀態(tài)下的張緊力，N。
關(guān)于Fp的計(jì)算，這里我們考慮采用螺紋預(yù)緊的張緊方式，F(xiàn)p與螺紋的擰緊力矩有如下關(guān)系[11]：
式（3.10）
式中 K——擰緊力矩系數(shù)；
d——螺紋公稱直徑，mm；
T——螺紋擰緊力矩，N·mm。
可以認(rèn)為，鋸條在初始狀態(tài)下同臨界工作狀態(tài)下相比，（所謂的臨界工作狀態(tài)是指鋸條與鋸輪將要打滑而未打滑的狀態(tài)）它的長度保持不變，即帶鋸條的伸長量相等[12]。帶鋸條在初始狀態(tài)下的伸長量：
式（3.11）
式中 E——帶鋸條的彈性模量；
A——鋸條平均截面積；
l0——鋸輪中心距，mm。
帶鋸條在臨界工作狀態(tài)下的伸長量，可分為三個(gè)部分，第一部分為鋸條受到松邊拉力F1C的作用而產(chǎn)生的鋸條伸長量，第二部分是鋸條受到緊邊拉力F2C的作用而產(chǎn)生的鋸條伸長量，第三部分是繞在主動鋸輪上的帶鋸條在拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的伸長量，鋸條總的伸長量為這三部分之和。
式（3.12）
式（3.13）
式（3.14）
式（3.15）
由式（3.11～3.15）可求得：
式（3.16）
式（3.17）
式（3.18）
式中 f——臨界狀態(tài)下，鋸輪與鋸條的摩擦系數(shù)；
F1C——臨界狀態(tài)下，鋸條松邊所受的拉力；
F2C——臨界狀態(tài)下，鋸條緊邊所受的拉力；
Fxc——鋸條的主鋸切抗力在臨界狀態(tài)下。
雖然上式的推導(dǎo)是同鋸條的臨界狀態(tài)相比的，但其有一般性，用代替上述式中的f就可求得在正常鋸切時(shí)帶鋸條松、緊邊拉力F1、F2。表示正常鋸切時(shí)鋸條同鋸輪之間的摩擦系數(shù)。
以上簡要的分析了鋸條的受力狀況，實(shí)際上鋸條的受力要比上述情況復(fù)雜許多，在以上推導(dǎo)過程中，沒有考慮側(cè)向力Fz的影響，在計(jì)算鋸條在臨界狀態(tài)下伸長量時(shí)，沒有考慮鋸條在從動鋸輪上的彎曲，默認(rèn)了工件的加工位置在兩鋸輪中心點(diǎn)處且不考慮加工工件寬度的影響，更為重要的是，鋸條實(shí)際工作狀況會存在振動及工件硬質(zhì)點(diǎn)的沖擊，工作環(huán)境即使在潤滑和冷卻比較良好的情況下也不樂觀，所以，建立一個(gè)更加貼近金屬帶鋸條實(shí)際工種狀況的力學(xué)模型是十分重要的。當(dāng)然，以上的推導(dǎo)過程有很大的參考價(jià)值，可以用于對鋸條應(yīng)力的分析、強(qiáng)度的校核。下文中對鋸條強(qiáng)度的校核、鋸架關(guān)鍵尺寸的確定就是這些公式應(yīng)用的體現(xiàn)。
4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 傳動方案的選擇
金屬帶鋸床是生產(chǎn)中常用的金屬鋸斷設(shè)備，通常需要鋸切不同種類、不同截面形狀的工件，這就要求金屬帶鋸床有不同的鋸切速度，這種速度的調(diào)節(jié)包括以下兩個(gè)方面：1.主運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)，即切削速度Vs能夠改變；2.進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)，即進(jìn)給速度Va可以控制，最好達(dá)到一種智能的自適應(yīng)控制。下面首先來分析鋸切主運(yùn)動即切削速度Vs的調(diào)節(jié)。
根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求所設(shè)計(jì)的金屬帶鋸床能夠?qū)崿F(xiàn)三種鋸切速度的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的速度范圍：27～81m/min，現(xiàn)在有三種調(diào)速方案供選擇，通過以下的比較，選擇最合適的調(diào)速系統(tǒng)。
4.1.1 滑移齒輪調(diào)速
方案思想是通過電動機(jī)帶動帶傳動進(jìn)而帶動齒輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)要求鋸切速度發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)動相應(yīng)的操作手柄，讓不同大小的齒輪配合，以獲得相應(yīng)傳動比。滑移齒輪變速方案在機(jī)床中應(yīng)用較為普遍，尤其體現(xiàn)在普通車床的速度調(diào)節(jié)上，如CA6140臥式車床調(diào)速系統(tǒng)就是采用滑移齒輪實(shí)現(xiàn)變速的。在金屬帶鋸床上的應(yīng)用也有，比如：GZ4025B型號的帶鋸床，它的調(diào)速就是采用圓柱齒輪傳動的方式，在需要調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)換操作手柄以改變滑移齒輪位置[13]。
齒輪傳動有著不錯(cuò)的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，1.傳動比恒定，齒輪傳動通過輪齒之間的嚙合傳遞運(yùn)動和動力，輪齒數(shù)目一旦固定，傳動比也就不會變化，這在需要以恒定速度運(yùn)行的地方尤為可取。2.效率高，在各種機(jī)械傳動系統(tǒng)中，尤以齒輪傳動的效率最高，對于一級圓柱齒輪的傳動，傳動的效率約為98%～99%。這是任何其他機(jī)械傳動方式難以比擬的。3.傳動平穩(wěn)、工作可靠，一對制造、裝配良好的齒輪副的使用壽命可達(dá)到十多年，由于齒輪傳動傳動比恒定，抵御外界的沖擊、振動能力較好，故在運(yùn)行過程中工作平穩(wěn)，傳動精度高，故齒輪傳動廣泛的應(yīng)用于各種機(jī)械儀表之中。4.結(jié)構(gòu)較為緊湊，相比于帶傳動、鏈傳動，齒輪傳動所占用的空間就很小，故應(yīng)用于機(jī)床上時(shí)，所占用的安裝體積就可以控制的不錯(cuò)。
4.1.2 蝸輪蝸桿調(diào)速
在本設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)所給技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)一臺臥式金屬帶鋸床，對于臥式金屬帶鋸床，其傳動系統(tǒng)通常安裝在鋸架之上，在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動之下，隨著鋸架上下往復(fù)運(yùn)動，因此，液壓系統(tǒng)需要提供較大的力量以驅(qū)動鋸架上下運(yùn)動，鋸架重量越大，對鋸床的液壓系統(tǒng)制造和裝配提出的要求也就越高，鋸床的造價(jià)自然變高，同時(shí)，如果鋸架重量過大，將會嚴(yán)重影響鋸切的穩(wěn)定性，鋸床整體的剛度自然要下降許多，綜合以上考考慮，所以鋸架上的物體重量要盡可能小，也就是傳動系統(tǒng)部分重量要輕，齒輪傳動雖然在結(jié)構(gòu)上較為緊湊，但相比與蝸輪蝸桿傳動，一般情況下，蝸輪蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)更為緊湊，蝸輪蝸桿傳動具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：1.傳動比大，對于單頭蝸桿，傳動比可達(dá)到80，如果只是單純的傳遞運(yùn)動，傳動比可以達(dá)到1000，這在機(jī)械傳動系統(tǒng)中，是其他結(jié)構(gòu)難以做到的。2.效率較高，隨著蝸桿頭數(shù)的增加，蝸輪蝸桿副的傳動比會下降，但其傳動效率會有顯著的提升，不過隨著蝸桿頭數(shù)的增加，蝸桿的加工難度也就越大，制造成本也就越高，因此，在選擇蝸輪蝸桿傳動時(shí)，要綜合考慮所需的傳動比和傳動效率。3.傳動平穩(wěn)、噪聲低，蝸輪同蝸桿的嚙合，是由多個(gè)輪齒同時(shí)參與的，因此傳動平穩(wěn)，抵御外界振動、沖擊的能力較好，當(dāng)把蝸輪蝸桿傳動副應(yīng)用在鋸床上時(shí)，正好可以和高精度的鋸切要求相適應(yīng)，同時(shí)蝸輪蝸桿傳動的噪聲很低，對于保持一個(gè)良好的工作環(huán)境也有較大的裨益。4.自鎖性，當(dāng)蝸輪蝸桿嚙合面的當(dāng)量摩擦角大于蝸桿螺旋線升角時(shí)，蝸桿傳動具有自鎖性能，所謂的自鎖性，就是只能由蝸桿帶動蝸輪運(yùn)動，而不能由蝸輪帶動蝸桿運(yùn)動，這種性質(zhì)可以應(yīng)用于對安全性要求較高的場合，不過，當(dāng)蝸桿具有自鎖性能時(shí)，傳動的效率就會較低，通常約為0.4，所以要綜合考慮是否需要安裝具有自鎖性能的蝸桿。5.變向機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿傳動通常是空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動，可以方便地改變運(yùn)動的傳遞方向。
蝸輪蝸桿傳動有著非常不錯(cuò)的優(yōu)勢，如果實(shí)現(xiàn)同樣的傳動比，其結(jié)構(gòu)將會比滑移齒輪傳動更為緊湊，而且蝸輪蝸桿箱體的形狀也更適合安裝在臥式金屬帶鋸床的鋸架上，同時(shí)，可以利用蝸輪蝸桿的方便變向性能，調(diào)整蝸輪蝸桿的安裝位置，從而讓各個(gè)零件位置的布置更加合理，以提升臥式金屬帶鋸床的整體剛度。
綜合以上考慮，選用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為臥式金屬帶鋸床傳動系統(tǒng)的一部分。
圖4-1蝸桿
4.2 蝸輪蝸桿傳動有關(guān)問題分析
蝸輪蝸桿傳動可以很好的應(yīng)用在臥式金屬帶鋸床上，能夠滿足鋸切速度變換的需求，但任何傳動機(jī)構(gòu)都不是完美的，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)同樣如此，在應(yīng)用蝸輪蝸桿傳動副時(shí)，有以下幾個(gè)方面我們需要重點(diǎn)考慮。
磨損，同螺旋齒輪傳動相似，蝸輪蝸桿傳動在輪齒嚙合過程中總是存在著輪齒之間的相對滑動，這當(dāng)然是不希望看到的，過大的相對滑動，將會加劇蝸輪的磨損，這在很大程度上限制了蝸輪蝸桿的使用壽命，因此，如何降低輪齒之間的相對滑動速度尤為重要。如果用電動機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，通常都在720r/min以上，這樣蝸桿和蝸輪的輪齒之間的相對滑動速度就會較大，蝸輪的磨損將會變得更加糟糕，為了解決這個(gè)問題，在本設(shè)計(jì)中提出了這樣的解決方案，即在蝸桿和電動機(jī)之間增加一個(gè)帶傳動裝置，通過帶傳動降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，再傳遞到蝸桿之上，雖然增加了一個(gè)帶傳動裝置，但可顯著的降低蝸桿與蝸輪之間的相對滑動速度，有關(guān)數(shù)據(jù)的對比會在下文中體現(xiàn)。蝸輪蝸桿傳動中的磨損一般情況下發(fā)生在蝸輪之上，所以蝸輪通常需要有色金屬制造，但考慮到成本與在實(shí)際過程中的應(yīng)用，蝸輪采用齒圈式結(jié)構(gòu)，即在蝸輪齒部采用有色金屬，具體的尺寸形狀下文會有詳述。
潤滑，在本設(shè)計(jì)中，采用閉式渦輪蝸桿傳動，對于閉式蝸輪蝸桿，參照齒輪傳動常見的失效形式可知，蝸輪蝸桿輪有齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵陂L期循環(huán)應(yīng)力的作用下，輪齒面會產(chǎn)生微小的裂紋，隨著裂紋的聚集、發(fā)展，齒面會出現(xiàn)金屬剝落的現(xiàn)象，齒面點(diǎn)蝕是一個(gè)逐漸發(fā)展的過程，減緩齒面點(diǎn)蝕通常采用如下兩種方法：1.提高輪齒面的耐磨性和硬度，2.良好的潤滑，如果條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用粘度較高的潤滑油，可更好的延長齒面點(diǎn)蝕到來的時(shí)間。齒面膠合是比齒面點(diǎn)蝕更為嚴(yán)重的失效形式在閉式蝸輪蝸桿傳動中，具體表現(xiàn)為蝸輪蝸桿傳動有異常的聲響，傳動過程中會出現(xiàn)明顯的振動。出現(xiàn)齒面膠合的主要原因是潤滑不良，輪齒面之間沒有形成良好的動壓油膜，致使輪齒間的金屬部分直接接觸，這種現(xiàn)象在蝸桿傳遞重載時(shí)尤為明顯。因此選用正確的潤滑油、設(shè)定良好的潤滑油粘度、確定合適的潤滑油深度及適宜的給油方式就尤為重要了。常見的潤滑油給油方式與對應(yīng)的潤滑油粘度見表4-1。當(dāng)采用油池潤滑時(shí)，如果給油量難以達(dá)到要求，可以采用在蝸桿軸上安裝濺油輪，以提升潤滑效果，采用噴油潤滑時(shí)，應(yīng)調(diào)整好噴油嘴的壓力，控制好噴油量，調(diào)整好噴油嘴的位置，使噴油嘴對著輪齒的齒入側(cè)。本設(shè)計(jì)中考慮到相對滑動速度不大，載荷類型中等，所以采用的潤滑油粘度為350V40/cSt,給油方式選擇油池潤滑。
表4-1 閉式蝸桿傳動潤滑油粘度及給油方式
相對滑動速度(m/s)
0～1
0～2.5
0～5
>5～10
傳遞載荷類型
重
重
中
不限
給油方式
油池潤滑
油池或噴油潤滑
熱平衡，對于鑄造件、棒料等工件，一般都需要鋸切，因此，金屬帶鋸床的加工任務(wù)較重，鋸床工作時(shí)間較長。這樣，蝸輪蝸桿運(yùn)作的時(shí)間也就自然不短，蝸桿的持續(xù)較高速度轉(zhuǎn)動，及蝸輪蝸桿之間的相對滑動，自然會導(dǎo)致蝸輪蝸桿箱體溫度上升，如果不對溫升進(jìn)行處理，潤滑油將會隨著溫度的升高而逐漸變稀，蝸輪蝸桿之間的潤滑狀態(tài)將會發(fā)生明顯的變化，往往會導(dǎo)致潤滑不良的現(xiàn)象出現(xiàn)，短期內(nèi)出現(xiàn)噪聲，傳動系統(tǒng)振動顯著加劇，一段時(shí)間后，蝸輪蝸桿磨損加劇，甚至無法完成正常的傳動任務(wù)。另一方面，箱體溫度過高，由于熱脹冷縮，蝸桿軸上的軸承尺寸將會發(fā)生變化，軸承同蝸桿軸、軸承套的配合精度要求較高，它們之間的配合屬于比較精密的配合，當(dāng)軸承尺寸發(fā)生變化時(shí)，會影響蝸桿的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而蝸輪蝸桿的傳動將受到影響，當(dāng)軸承尺寸變化較大時(shí)，甚至出現(xiàn)軸承卡死現(xiàn)象。通過以上分析，可見進(jìn)行蝸輪蝸桿箱體的熱平衡計(jì)算就十分必要。所謂的熱平衡就是指箱體的發(fā)熱量等于散熱量在單位時(shí)間內(nèi)，以保持油溫在適宜的范圍之內(nèi)。如果不加裝各種冷卻裝置，所需的散熱面積見式（4.1）[14]。
式（4.1）
式中 S——箱體內(nèi)表面接觸到潤滑油，同時(shí)外表面能被空氣冷卻的面積，m2；
P——蝸桿傳遞的功率，kW；
——傳遞系數(shù)，取值范圍為：8.15～17.45W/(m2·℃)；
t0、t1——分別為潤滑油的工作溫度和箱體周圍空氣的溫度。
利用上式可以計(jì)算出所需要的箱體接觸潤滑油的面積S，當(dāng)所設(shè)計(jì)的箱體的S小于上式的計(jì)算結(jié)果時(shí)，就應(yīng)安裝相應(yīng)的冷卻裝置，常見的冷卻裝置有加裝箱體散熱片、蝸桿上安裝風(fēng)扇進(jìn)行散熱，也可以在箱體內(nèi)布置冷卻水管，這樣冷卻效果會更好，簡而言之，保持油溫在合適的范圍內(nèi)，蝸輪蝸桿才能持續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.3 調(diào)速方案的進(jìn)一步選擇
在本設(shè)計(jì)中，電動機(jī)通過帶傳動帶動帶輪轉(zhuǎn)動，通過蝸輪蝸桿進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速，通過軸將主動鋸輪同蝸輪聯(lián)系在一起，兩者具有相同的轉(zhuǎn)速，反過來推理，當(dāng)帶鋸條具有不同的鋸切速度時(shí)，主動鋸輪要能實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速變化，即蝸桿有不同的轉(zhuǎn)速，如何使蝸桿具有不同的轉(zhuǎn)速，這是下面解決的問題。
針對這個(gè)問題，提出了兩種解決方案。
4.3.1 帶輪直徑差變速
方案一、調(diào)速思想是通過改變電機(jī)軸上小帶輪的直徑及蝸桿軸上大帶輪的直徑，使不同直徑的帶輪相互配合，以獲得不同的傳動比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。傳動系統(tǒng)運(yùn)動速度調(diào)節(jié)原理圖見圖4-2。從圖中可以清晰的看出這種方案的調(diào)速原理:當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，首先確定寶塔帶輪（主動輪）的直徑，與之相匹配的寶塔帶輪（從動輪）位置也就確定下來，然后通過調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母的調(diào)節(jié)作用，使電機(jī)圍繞鉸鏈轉(zhuǎn)動，以調(diào)整兩個(gè)帶輪之間的中心距，使帶張緊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多種速度的轉(zhuǎn)換。
1——寶塔帶輪 7——寶塔帶輪（主）
2——蝸輪軸 8——帶鋸條
3——主動鋸輪 9——蝸輪箱體
4——蝸輪 10——鉸鏈
5——蝸桿 11——電機(jī)底板
6——電機(jī) 12——調(diào)節(jié)螺母
13——調(diào)節(jié)螺母
圖4-2 機(jī)械無級調(diào)速原理圖
這種調(diào)速方案可以實(shí)現(xiàn)鋸切對速度調(diào)節(jié)的要求，可以獲得不同檔次的鋸切速度，通過鉸鏈調(diào)節(jié)帶輪的中心距方式也比較簡單，但其也存在著一些明顯的缺點(diǎn)：1.剛度，在電機(jī)輸出軸、蝸桿軸上直接安裝多個(gè)帶輪，使得軸的一端受力較大，會在一定程度上加大電機(jī)輸出軸和蝸桿軸的變形，不利于鋸切的精度的保持性。2.操作便利性，這種調(diào)速方案雖然調(diào)節(jié)起來相對簡單，但是不利于鋸床向自動化轉(zhuǎn)變，每次調(diào)整電機(jī)位置時(shí)，需要人工操作，增加了工人的勞動強(qiáng)度，金屬帶鋸床在生產(chǎn)車間中往往會面臨速度的調(diào)節(jié)，如果頻繁的調(diào)速，所需要的操作時(shí)間將會延長，零件的加工成本就會相應(yīng)的增加。3.速度調(diào)節(jié)的局限性，在上述方案中，每種直徑大小的帶輪對應(yīng)一個(gè)固定的傳動比，也就是說對應(yīng)一個(gè)固定的鋸切速度，可是在鋸床實(shí)際生產(chǎn)中，更希望能做到范圍內(nèi)任意速度的調(diào)節(jié)。這樣在加工不同種類、不同截面形狀工件時(shí)，就可根據(jù)需要設(shè)置最合適的鋸切速度，以提高鋸切的生產(chǎn)效率。
針對方案一調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，提出了方案二。
4.3.2 電機(jī)變頻調(diào)速
方案二、所謂的電機(jī)變頻調(diào)速，就是改變流入電機(jī)電流的頻率大小，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。理論依據(jù)見式（4.2）。
式（4.2）
式中 n——電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速，r/min；
f——流入電機(jī)電流的頻率大?。籋z；
p——電機(jī)的磁極對數(shù)；
s——電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。
從上式中可以看出，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，可以有三種方式。改變磁極對數(shù)，一般情況下，電機(jī)制造好之后，磁極對數(shù)也就不再改變。轉(zhuǎn)差率相當(dāng)于機(jī)械傳動中的效率，相對于改變磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率進(jìn)行電動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速是最容易實(shí)現(xiàn)的，讓電流流過由電阻、電感、電容、三極管等組成的電路，流出的電流頻率將會發(fā)生改變，再將頻率改變后的電流導(dǎo)入到電機(jī)中，就可獲得相應(yīng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)頻率改變的裝置稱之為變頻器。
同方案一比較，方案二有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1.調(diào)速方便，只要調(diào)節(jié)變頻器有關(guān)的參數(shù)，即可獲得不同的電流頻率，也就得到不同的電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速；而且，可以根據(jù)鋸切材料狀況迅速的調(diào)節(jié)鋸切速度，有利于提高鋸床的鋸切效率。2.利于實(shí)現(xiàn)鋸切的自動化，變頻調(diào)速技術(shù)逐漸成熟，市面上有各種類型的變頻器供選用，和相應(yīng)的電機(jī)配合使用，對于降低工人的勞動強(qiáng)度，使鋸床同生產(chǎn)流水線對接有著深遠(yuǎn)的影響。3.質(zhì)量輕，相比第一種調(diào)速方案，大大降低了鋸架承受的重量。4.速度調(diào)節(jié)范圍大，變頻電機(jī)頻率變化的范圍：0～400Hz,可以在這個(gè)頻率范圍內(nèi)獲得想要的轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)的頻率超出其額定頻率時(shí)，隨著頻率的增加，電機(jī)輸出軸輸出的扭矩就會降低，高的轉(zhuǎn)速是獲得了，可留下了低的轉(zhuǎn)矩又有什么用呢，所以通常頻率不會超過400Hz。5.更加安全可靠，采用變頻調(diào)速的電機(jī)相比普通的三相異步電動機(jī)，電機(jī)的溫升要低20%，同時(shí)變頻電機(jī)的絕緣性能更好，更加安全。當(dāng)然，采用電機(jī)變頻調(diào)速的方式也有其限制性，從目前來說，變頻電機(jī)的投入成本較高，電機(jī)啟動時(shí)的轉(zhuǎn)矩較低，通常適用于啟動轉(zhuǎn)矩較低的場合，還有就是高次諧波會被引入通過變頻器，這樣會對電動機(jī)產(chǎn)生一定程度的不良影響。這些缺陷總的來說，還是變頻技術(shù)不夠成熟，相信，隨著有關(guān)研究的不斷深入，變頻器的應(yīng)用會越來越廣泛。
通過以上對比可以看出，變頻調(diào)速總體來說還是非常適合應(yīng)用在臥式金屬帶鋸床上的，結(jié)合臥式金屬帶鋸床相應(yīng)的性能指標(biāo)，下面進(jìn)行臥式金屬帶鋸床傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
4.4 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
金屬帶鋸床整體調(diào)速方案：變頻電機(jī)將運(yùn)動傳遞到小帶輪，小帶輪安裝在電機(jī)的輸出軸上，經(jīng)過帶傳動將轉(zhuǎn)速傳遞到大帶輪，大帶輪固定在蝸桿軸上，和蝸桿有相同的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過蝸輪蝸桿的再次速度調(diào)節(jié)，將轉(zhuǎn)速傳遞到主動鋸輪上，蝸輪和主動鋸輪通過一個(gè)軸連接在一起，有著相同的轉(zhuǎn)速，傳動系統(tǒng)傳動簡圖見圖4-3。
1——電動機(jī) 5——蝸桿
2——小帶輪 6——蝸輪
3——皮帶 7——主鋸輪
4——大帶輪
圖4-3 傳動系統(tǒng)傳動簡圖
根據(jù)所給臥式金屬帶鋸床性能指標(biāo)，要求鋸帶鋸切速度：27～81m/min，可以求出主動鋸輪即蝸輪的轉(zhuǎn)速范圍，依