郝 瑾，郝 乐，石冠斌，马 波，汪 洋

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032； 2.新兴铸管股份有限公司，河北 武安 056300；3.西部新锆核材料科技有限公司，陕西 西安 710016)

新型圆坯料复合夹紧装置的研制

郝 瑾1，郝 乐1，石冠斌2，马 波3，汪 洋1

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032； 2.新兴铸管股份有限公司，河北 武安 056300；3.西部新锆核材料科技有限公司，陕西 西安 710016)

分析了传统的圆坯料圆盘锯切机因夹紧装置引起的锯切质量、锯切效率以及锯切的安全性问题，在传统夹紧装置结构的基础上，研发了新型的圆坯料复合夹紧装置。该夹紧装置通过让刀机构将固定夹紧装置和浮动夹紧装置锁定在一起，形成一个整体，解决了夹紧过程中坯料中心线与锯片中心线的偏差问题，锯切完成后两侧锯切断面与锯片分离，不会划伤断面。该装置已成功应用于国内多家大型管棒材生产企业，实际使用效果良好。

圆坯料；圆盘锯机；夹紧装置

0 前言

圆坯料圆盘锯机是各种圆形、矩形或者异型截面坯料精整生产线中的关键设备，其工作效率和品质直接影响生产线的生产节奏和成材率，其核心部件之一的夹紧装置是圆盘锯机实现断面切斜度、断面粗糙度以及安全稳定锯切控制的重要功能部件之一。随着圆坯料精整生产工艺水平的发展以及用户交货要求的不断提高，如何保证圆坯料在锯切过程中夹持稳定可靠，连续进出料，从而提高锯切断面质量、成材率以及生产效率等成为坯料圆盘锯机设计的重要课题。

1 传统夹紧装置中所出现的问题

圆坯料圆盘锯片一般采用合金镶齿锯片，由于圆坯料经过热轧后，一般采用辊道输送过程中在线定尺切割，传统的夹紧装置只考虑了在理想状态下对圆坯料的夹持作用，没有充分考虑镶齿锯片对于夹紧装置有更高的要求，因此在实际生产过程中容易产生以下几种缺陷。

单水平夹紧结构如图1所示。由于坯料在线切割来料一般长度约为几十米，坯料直径在变化，夹紧过程中为了保证锯切位置的坯料中心线与生产线中心线位置偏离较小，需要使用垫块，不同坯料直径对应不同厚度垫块。首先直接影响了断面的切斜度，坯料直径越大断面斜度越大，需要在后续工序中对断面进行修整；其次由于垫块是把合在夹紧装置上，存在安全隐患。

图1 单水平夹紧结构示意图Fig.1 Sketch of horizontal single clamping structure

双水平夹紧结构如图2所示。两侧夹瓦采用液压同步，由于现场恶劣的生产环境，频繁的夹紧、打开过程中，夹瓦滑道摩擦力会产生变化。这样既非常容易造成两侧夹瓦运动不同步，夹紧后使得锯切力不稳定，影响了断面质量的稳定性，缩短了锯片寿命，降低了生产效率，增加了生产成本。

图2 双水平夹紧结构示意图Fig.2 Sketch of horizontal double clamping structure

在切削加工过程中，由于坯料重量大、锯切截面大，为了夹持稳定，一般沿坯料轴线方向采用两点夹紧，即在锯片两侧布置夹紧装置分别固定在设备底座上。由于镶齿圆盘锯片镶嵌的是合金刃齿，锯片基体采用工具钢，刃齿宽度略宽于基体厚度。锯片在切削完成抬起过程中，刃齿经常划伤锯切断面，影响管端质量。

水平夹紧原理图如图3所示。为了表示锯片形状，故将锯片放在水平位置。实际工作中，锯片应从垂直方向向下锯切。

图3 水平夹紧原理图Fig.3 Schematic diagram of horizontal clamping

针对以上问题，结合多年来生产实践经验，在传统夹紧装置结构的基础上，成功研发了一种圆坯料复合夹紧装置。不仅解决了夹紧过程中坯料中心线与锯片中心线的偏差，还可在锯切完成后使两侧锯切断面与锯片分离，锯片在抬起过程中不会划伤断面，并且在下一次锯切前自动复位，满足了锯机的全自动工艺要求。

2 夹紧装置的组成及工作过程

夹紧装置包括固定夹紧机构、让刀机构、浮动夹紧机构。固定夹紧机构代替传统的后夹紧机构，直接与锯机的底座定位把合。所有锯切动作的位置都以该部件中某一个位置作为安装测量基准。让刀机构已获得国家授权实用新型专利，采用类似柱塞油缸的原理，将缸体与固定夹紧把合，将柱塞与浮动夹紧把合。浮动夹紧机构代替传统的前夹紧机构，通过让刀机构与固定夹紧机构相连接。在锯切前后，该机构与固定夹紧之间，沿钢管轴线方向有相对位置的变化。

夹紧装置的一个切削循环过程包括初始状态、锯片空进行程、夹紧及锁紧状态、锯片工进行程、锯片回退行程等。

初始状态。固定与浮动机构的水平、20°夹紧装置均处于打开状态，让刀机构8处于伸出状态。圆坯料沿轴线方向通过辊道输送到锯切位置并停止。

锯片空进行程。当圆坯料输送到锯切位置停止后，垂直夹紧油缸11通过导杆10推动V形夹瓦9将坯料托起略高于辊道表面(保证夹紧时辊道表面不受力，保护辊道)，垂直夹紧油缸始终施加夹紧力。然后220°夹紧油缸装有位移传感器通过导杆3推动夹瓦4，使之与坯料接触，通过液压回路使220°夹紧油缸锁紧。

夹紧及锁紧状态。最后水平夹紧油缸7通过导杆6推动夹瓦5将坯料夹紧。其中V形夹瓦9的角度与辊道角度为140°，夹瓦4与V形夹瓦9的一个面垂直。在夹紧过程中，水平夹紧油缸7始终给坯料施加夹紧力。浮动夹紧装置与固定夹紧装置采用同样的机械结构，浮动夹紧装置通过让刀机构8安装在固定夹紧装置上，由让刀机构8带动实现夹紧让刀。此时整个夹紧装置形成一个整体将圆坯料夹持牢固。

锯片工进行程。锯片工进切断坯料。锯切结束后，让刀机构8伸出，通过浮动夹紧将切断的前段坯料拖出一段距离(约5 mm)，使浮动夹紧侧断面与锯片分离开，然后锯片通过其他装置(该装置安装在传动箱体内的主轴上，在此不再介绍)带动向浮动夹紧方向伸出一段距离(约3 mm)，使锯片与固定夹紧侧断面分离开。

锯片回退行程。锯片抬起，水平夹紧油缸7打开，220°夹紧油缸打开，垂直夹紧油缸11打开，辊道开始将前段坯料输送，后段坯料继续前行至下一次锯切位置，准备下一次锯切。

整个锯切过程采用PLC全自动控制，重复进行锯切。如图4所示，整个夹紧装置与锯机的底座在A、B面定位把合。

1.位移传感器 2. 20°夹紧油缸 3.导杆 4.夹瓦 5.夹瓦 6.导杆 7.水平夹紧油缸 8.让刀机构 9. V形夹瓦 10.导杆 11.垂直夹紧油缸图4 夹紧装置结构图Fig.4 Structure diagram of clamping device

3 夹紧装置的设计及特点

3.1 设计的关键点

(1)与生产线中心线相匹配。圆坯料一般采用V形辊道输送，坯料直径不同中心线会有变化，设计过程中满足在线生产要求。

(2)为了保证锯切质量和安全，V形夹瓦的开口度必须与V形辊道开口度一致。必须有一个夹紧面位置基准固定不动，夹紧装置所有部件的装配和安装尺寸以及夹紧动作的相对位置的测量尺寸都以该夹紧面为准。

(3)夹紧效果。坯料的锯切，其显著特点是锯切负载大，坯料重量大，对于夹紧和锯切的力能、结构要求满足重载、稳定。为此在结构设计上要简洁、牢固，便于维护。

(4)在线布置的锯机一般采用镶齿圆盘锯片(锯齿宽度略宽于锯片基体)。在锯切过程中，锯片的下半部在夹紧装置里面，坯料直径越大，所需要的锯片直径越大。为了保证锯切质量，夹紧装置必须带有锯片保持机构(锯片保持机构本文不再赘述)。

(5)由于锯片是镶齿圆盘锯片，锯片在两个夹紧装置之间进行锯切，因此夹紧装置必须具备让刀功能。锯片在回退时，必须将锯切后的端面与锯片分开一段距离，这样锯片在回退过程中才不会将锯切的端面划伤。

3.2 装置的特点

由于在线布置的需要，整个夹紧装置的控制必须具备全自动控制的功能。

整个夹紧装置采用厚板坯直接加工，保证夹紧装置的刚性。同时采用双夹紧，即固定夹紧和浮动夹紧。固定夹紧与锯切主机固定在一起，作为整个夹紧的基准。浮动夹紧通过让刀机构与固定夹紧装配在一起。当锯切时，让刀机构将浮动夹紧与固定夹锁紧，形成一个整体。

采用20°方向、水平方向以及垂直方向V形的夹紧力分布，可使夹紧力接近平均分布，保证了夹紧的稳定性。20°方向夹紧油缸的控制采用二级压力，根据不同的圆坯直径，通过几何关系的计算，通过位移传感器和比例阀来实现闭环控制。通过现场使用检验，定位精度准确。垂直及水平夹紧在锯切时始终施加夹紧力，避免了液体压缩带来的夹紧力波动。

为了保证固定夹紧装置和浮动夹紧装置在锯切时能够成为一个整体，该夹紧装置通过让刀机构将固定夹紧装置和浮动夹紧装置锁定在一起，形成一个整体。同时在锯切结束后，让刀机构可以将浮动夹紧装置和固定夹紧装置分开一定距离，即将锯切的钢管端面分开一定距离，配合锯片的让刀，使锯片在抬起过程中不会将锯切的端面划伤。

4 结论

本装置已成功应用于碳钢、合金钢、铝合金、铜合金等各种圆坯料的锯切，通过对夹紧装置局部的优化可实现对其他异形截面坯料的锯切。本装置的相关设计要点和突出性能已获得国家发明专利。其生产效率和断面锯切质量等指标可与国外先进设备媲美，可以作为坯料精整生产线新上或者改造项目的参考。

[1] 姚赟，李俊辉，解吉辉，等.新型排管复合夹紧装置的研制[J].重型机械，2016(01).

[2] 解吉辉，孙丽丽，刘录锋，等.φ325 mm钢管排锯机的新技术[J].重型机械，2012(01).

[3] 王旭.1800锯切机设计计算[J].机械工程师，2007(02).

[4] 解吉辉，孙丽丽，刘录锋，等.钢管排锯机用新型锯片减震装置[J].重型机械，2013(01).

[5] 熊杰.钢管锯切夹紧力的力学分析[J].宝钢技术，2003(05)：20-28.

[6] 董辉跃，柯映林.铣削加工中薄壁件装夹方案优选的有限元模拟[J].浙江大学学报(工学版)，2004，38(01)： 18-20.

[7] 郑联语，汪叔淳.薄壁零件数控加工质量改进方法[J]. 航空学报，2001(22)：400-450.

[8] 秦国华，张卫红，吴竹溪，等.多重夹紧力及其作用顺序对工件变形的影响分析与优化技术[J].工程力学，2006(23)：222-234.

[9] 周孝伦，张卫红，秦国华，等.基于遗传算法的夹紧布局和夹紧力同步优化[J].机械科学与技术，2005，24(3)：340-342.

[10]刘培锷.圆盘式高速金属冷锯机锯切功率计算[J].重型机械，1966(02).

[11]左鹏.无缝钢管加工过程中的动力学分析[J].机械工程与自动化，2005(12)：176-180.

[12]方钢，曾攀.金属正交切削工艺的有限元模拟[J].机械科学与技术，2003(04)：642-645.

[13]藏勇，李同进，陶登奎，等.圆锯片的模态分析[J].冶金设备，2003，137(01)：32-33.

[14]邹家祥.轧钢机械[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[15]弗里得曼.金属机械性能[M].北京：机械工业出版社，1982.

Development of new type round-billet composite clamping device

HAO Jin1, HAO Le1, SHI Guan-bin2, MA Bo3, WANG Yang1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co. Ltd., Xi’an 710032,China; 2.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.,Ltd., Wu’an 056300, China; 3.Western Energy Marerial Technologies Co.,Ltd., Xi’an 710016, China)

After analyzing the cutting quality, efficiency and safety problems on traditional round billet disc sawing machines caused by the clamping devices, the new-type round billet combined clamping device was developed based on the structure of traditional clamping devices. Locking the fixed and floated clamping devices together to form a whole by cutter-relieving mechanism, the clamping device solved the centerline deviation problem between billet and saw blade. Sections at both sides are detached from saw blades after sawing, thus will not be scratched. The device has been successfully applied to multiple large domestic tube/bar producers with a good effect.

round billet; disc saw; clamping device

2016-05-07；

2016-07-23

郝瑾(1983-)，女，中国重型机械研究院股份公司工程师。

TG757

A

1001-196X(2016)06-0013-04