空气净化器滤芯纸板快速切纸夹具机构的设计

2020-06-19冯嫦刘庆伦何勇导林俊源何培超

机械工程师 2020年5期

冯嫦，刘庆伦，何勇导，林俊源，何培超

（中山火炬职业技术学院装备智造学院，广东中山528436）

0 引言

随着人们对环境质量要求的不断提高，空气净化器越来越普及，特别在北方寒冷的冬天主要用于室内空气净化，对空气净化器的需求也越来越大。在国内空气净化器的品牌当中，有飞利浦、小米、海尔、格力等大品牌，这些品牌的空气净化器都需要配备滤芯，而现在市面上出售的大部分滤芯都是不能重复使用的，更换下来的滤芯都会被作为垃圾处理，所以滤芯作为空气净化器里面的消耗品，造价就需要更加便宜。滤芯产品都需要围边做出固定外形，考虑到塑料围边和钣金围边造价太高，一般都使用硬纸板围边。每次设计好滤芯以后，样板工程师就需要进入样品制作过程，其中样品制作过程中，切纸板是必不可少的一个步骤。

1 传统工作方法及特点分析

每设计一款不同规格的产品都需要大量的人工样品制作，样品制作中需要不同宽度和长度的纸板，所以切纸板是整个打样过程中最繁琐且不易控制的工序。以往的切割纸板，都是在一个工作台上垫一块不锈钢板，将纸板放到不锈钢板上，用钢尺挡住然后用美工刀切割。

传统的工作方法如图1所示，存在以下缺点：

图1 传统工作方法

1）钢尺挡住切割，美工刀的刀刃经常会刮到钢尺的边缘，在时间长了以后，钢尺两边会变得异常锋利，并且会产生大量的金属毛刺，员工拿钢尺工作时容易割伤手，造成工伤事件；

2）不锈钢板放在桌面上，主要还是为了保护桌子，不锈钢板虽然可以很好地保护桌子，但是美工刀常在不锈钢板上面划动，造成美工刀的刀刃磨损较快，美工刀的刀片更换比较频繁；

3）由于纸板一般比较长，钢尺也比较长，钢尺放到纸板上时不容易压紧，也不容易对齐位置，这样就会导致切割纸板的工作效率很低，大约1 min左右才能切好一条纸板，效率较低；

4）当需要切割长度大于钢尺长度的纸板时，需要分两次进行切割，导致直线度误差会比较大，还会不时出现切歪的情况。

2 快速切纸夹具机构的工作原理

针对传统切割方法存在的问题，为提高样板切割工作效率、减少不必要的工伤事件及提高长度较大样板的直线度，设计了一款切纸板夹具，改变了传统用不锈钢尺定位切割纸板的方式，考虑使用机械的方式进行测距并用滚刀进行切割，用精密的滑块和导轨辅助定位和切割，使切纸板的工作更加省时省力，高效而且安全，如图2所示。

1）将纸板通过限位槽放进夹具中。限位槽的高度设计刚好是一块纸板的厚度，当纸板通过限位槽插进夹具中时，因为限位槽的卡紧作用，纸板在夹具中不会轻易掉出来，可以使纸板在夹具上更好放置。

2）通过打样图样可以知道需求的纸板宽度，纸板的前端完全靠在夹具的顶部做好定位，松开两边的定位螺丝，因为横梁架在两边的轨道上，通过两边的轨道可以使横梁前后滑动，横梁的两端有设计位置指针，在横梁侧边放置标尺作为尺寸参照，当横梁位置指针指向图样需要的尺寸时，拧紧定位螺丝可以固定横梁的位置。

图2 快速切纸夹具机构示意图

3）横梁固定到需要的位置后，可以用手抓住切割滑块的把手（为了更好地抓住滑块，滑块上设计了凸起的把手），轻轻按压滑块并且往左右滑动，滑块下设计了两个支撑轴承，不会因为用手按压导致横梁向下变形。

4）滑块下方设计了圆形滚刀，滚刀的设计尺寸刚好贴合底板的底部，当用手拿住滑片往左右滑动时，保证了滚刀可以一次性地切断纸板。底板使用的材料为POM，硬度相对于滚刀要软，所以在使用的过程中，不容易对滚刀产生磨损，大大提高了滚刀的使用寿命。

5）当一块纸板切割完成后，切割好的纸板可以从工件上方直接取出，将切好的纸板取出放好后，将剩下的纸板继续往上推动到工件顶部，就可以继续切割下一块纸板，直到一整张纸板切割完毕。

图3 快速切纸夹具机构工作原理

3 快速切纸夹具机构设计及特点

1）底座的设计。底座的大小就是夹具的大小，一个夹具可以用来切割不同尺寸的纸板，所以夹具的尺寸要求比现有的纸板材料宽度都要大，否则会出现纸板放不进去的情况。考虑到纸板的尺寸不一定标准，如果做到刚刚好，那么纸板也有可能放不进夹具里面，因此夹具的尺寸比最大的纸板材料大150 mm。POM材质具有较低的摩擦因数和较好的集合稳定性，经常用于制作齿轮和轴承，特别耐磨，而且POM材质的加工性能非常好，市面上很容易买到标准厚度的POM板，夹具制作非常方便，POM材料的价格也比金属的价格便宜[1]。同时POM材质的硬度也相对于金属滚刀软，不会对金属滚刀的刀刃产生太大的磨损，所以POM材质是首选的底座材料之一。

图4 快速切纸夹具机构底座

2）量尺的设计。底座的两边粘量尺。量尺选用市面上现有的不锈钢量尺，考虑到不会有完全匹配夹具的量尺尺寸，所以量尺购买回来后会按需求截断后粘在底座两边。为了确保量尺的稳定性，底座两边设计了针对量尺的定位槽，量尺背部粘上3M胶，放进两边的定位槽中，按压量尺使其充分粘贴在底座上。如果量尺长时间使用产生磨损，需要更换的话，采用3M胶相比用胶水粘贴更容易更换。

3）导轨的设计。底座两边设计两条直线导轨，选用THK品牌，导轨尺寸按照底座的尺寸需求挑选市面上的标准零件，一般导轨有匹配的滑块型号可供选择，不同的滑块上面的螺丝孔位距离不一样，可以根据需求选择适合的滑块型号[2]。因为底座是POM材料，当两边直线导轨锁定在底座上时，为了防止出现螺纹滑牙或者松动，锁定直线导轨时需要打上螺丝胶。

4）横梁的设计。考虑到横梁经常受力，所以选择45钢材料，并且电镀铬防锈。45钢的材质强度比塑料、铝合金更好，不容易产生变形，市面上很常见，造价也比较便宜。横梁两端设计了定位螺钉，使用夹具切割纸板时，经常需要拧紧定位螺钉固定横梁，对于需要经常用定位螺钉定位，45钢的螺钉更耐用，不易滑牙[3]。

横梁上安装一条直线导轨，直线导轨上面安装滑块用于切割纸板。横梁两端的指针是跟横梁一体加工出来的，为了保障指针强度，指针的尺寸设计不宜太小。

图5 快速切纸夹具机构横梁

5）滑块的设计。滑块使用铝合金材质，铝合金材质更软、更轻便，对于经常要推动滑块左右滑动来切割纸板，滑块轻便可以减小工作阻力。滑块的上方设计了凸起的把手位置，可以更好地用手抓紧。下面两个轴承有两方面的作用：一是因为切割时横梁会有向下按压变形的情况，轴承可以支撑横梁，让圆形滚刀切割的过程中高度不会有很大变化，使切割效果更稳定；二是因为轴承也相当于在滑块底部增加了两个活动轮，这两个活动轮可以使滑块往左右两边滑动的过程更省力。

本文设计的快速切纸夹具机构具有以下优点：

1）用圆形滚刀进行切割，而且圆形滚刀两边还有支撑轴承，当滑块左右滑动的时候，圆形滚刀只能切割到纸板，整个过程中手不会接触到圆形滚刀，这样就大大提高了夹具使用的安全性。

图6 快速切纸夹具机构滑块

2）夹具底座使用POM材料，其材质比较耐磨，纸板在夹具里多次装配使用不会影响夹具底座的寿命，并且POM材质相对于圆形滚刀硬度更软，使用过程中不伤刀，这样就大大延长了刀具使用寿命。

3）工作效率高，以往的切纸板工作需要繁琐的定位，越长的纸板越难定位，要量两头还要量中间，切割时要用力按紧不锈钢尺，按得不紧很容易跑位，就会产生切歪的情况，特别是对于一些比不锈钢尺长的纸板，切割纸板要分两次切割，误差更大。切纸夹具就很好地避免了这个问题，尺寸的定位使用两边的直线导轨，横梁永远是跟纸板平行的，不会有切歪的情况。横梁两边都有标尺，尺寸定位更加简便精准，两端的尺寸误差可以控制到1 mm左右。尺寸定位后用定位螺钉固定，不用担心滑块滑动的过程中会让横梁移位。定位螺钉固定后，用手抓住滑块左右滑动即可对纸板进行切割，切割一条纸板由1 min缩短到只需几秒钟。

4）传统的不锈钢板需要覆盖整张桌面，在工作过程中，需要移动整个工作台，非常不方便。设计切纸夹具以后，夹具可以放到其他桌子上进行工作，也可以随意移动夹具，不用带上桌子，大大提高了工作台的灵活性。

5）对工作时的工具管控会更容易，以往需要不锈钢尺、美工刀、刀片，打样的工人比较多，经常会出现找不到工具的情况。有了切纸夹具以后，所有需要的工具都被容纳到一个夹具里面，需要切纸板时，只要有切纸夹具就可以完成所有的工作，不再需要单独寻找其他的工具了。