庾润超

（东莞市裕隆机械制造有限公司，广东 东莞523052）

当前橡胶体旋切机在再生橡胶加工生产领域得到广泛应用，如何实现机械设备功率与产能的最优化，成为机械设备研发与制造领域亟待攻克的技术难题。现阶段传统机械式旋切机已逐步替换为自动式旋切机，对于旋切机的零部件造型与结构设计精度提出更高要求，引入三维建模技术成为解决设计问题的重要突破点。

1 橡胶体旋切机结构设计

1.1 切割部分设计

1.1.1 设计方案

橡胶体旋切机的切割部分主要由机架、刀架、进料组件、刀夹组件及磨刀组件组成，针对切割部分现有两种设计方案：方案一是固定一把刀体，泡体做旋转运动切割；方案二是由电机直接驱动无齿带锯旋转，泡体做旋转运动。考虑到固定的刀体需要定时需要专用的磨刀机修磨磨损的刃口，并且拆卸耗时。而带锯刀可边切割边进行磨刀，使用完后更换方便。并且特点是对于密度较大的在800kg/m3-1200kg/m3的橡胶泡体切割后的光洁度良好和精度准确，对材料有杂质的情况亦可修复。因此应选取方案二进行切割部分设计[1]。（图1）

图1 无齿带锯示意图

1.1.2 工作流程

在完成方案设计的基础上，针对切割部分的运行流程进行分析。主刀架上带锯被带轮拉紧，在主电机驱动下，由带传动带动带轮，切割带锯随带轮做高速旋转运动；带锯的一侧中心宽度为1680MM 的空间为固定带锯的刀夹，其光电传感器感应带锯伸出刀夹的距离为4MM，可自动进行补偿带锯磨损量。带锯另一侧为磨刀机构，用于修磨带锯刃口形状，保持锋利。带锯前为进给机构，通过丝杆滑块机构进退滑座平台前后移动来再生橡胶泡体控制切割厚度。基于PLC 程序进行电动机与编码器的控制，使其依照制定顺序动作。

1.2 机械传动部分设计

1.2.1 切割电机选型

结合旋切机的使用要求，综合考虑电机型号、额定电压、额定转速、额定转矩等设计参数进行合理选型，并兼顾电动机在运行过程中的发热情况、允许过载数值等指标。例如根据橡胶再生橡胶的生产要求，可选用Y 系列三相异步电动机，型号为Y200-8、额定功率15kW、额定电压380V、额定转速750rpm、额定转矩147N·m、频率50Hz，采用三角形启动方式[3]。

1.2.2 结构设计

现对主要结构设计要点进行分析：

刀夹机构设计，刀夹机构作为控制精度稳定性的核心部分，其主要作用为：①夹住带锯防止窜动;②保持带锯切割的刃口高度。对于功能①应考虑多个实际应用发生的情况，首先刀轮驱动的带锯在旋转过程中会有上下窜动，另外再生橡胶硬度可达到邵氏硬度80，切割厚度在0-30MM，带锯切割阻力大，会产生发热变软与弯曲的现象。为实现切割精度在±0.2MM 以内，也要求刀架部分使用高强度的锰钢作为主要材料并使用调质处理、表面渗氮、镀铁氟龙等处理。刀夹分2 部分，主体部分为70MM厚210 宽保证强度，刀尖部分需精磨至0.5MM 厚度，辅刀架与主夹刀夹住带锯，其2 者之间间隙均匀相互配合，其中并设置散热槽使厚度在0.8MM 的带锯在其中运动。总的效果为刀夹有足够的强度耐磨性，光洁度，刀尖薄而且强度高。对于功能②主刀夹下部设计有下刀体，其主要原理为利用合金顶刀杆顶紧带锯底部，使带锯在刀夹上伸进伸出。顶刀杆外套空心螺杆套,螺杆套与下部涡轮相配合，而一条贯穿刀盒的蜗杆与刀盒7 个涡轮相配合，当蜗杆旋转时带动全部涡轮旋转，涡轮中心丝牙与螺杆套配合，带动螺杆套上升下降，从而顶起合金顶刀杆上下带锯高度升降。

1.2.3 磨刀机构设计

磨刀机构主要作用为把带锯修整锋利。在结构设计上，硬包装砂轮硬度与线速度足够大，因此选用白刚玉材质直径200,1.5KW 电机驱动，在结构上则应适应带锯在切割过程中带锯宽度不断磨损，修磨的接触面不断变化，因此磨刀砂轮应可在带锯宽度90MM-50MM 的全过程都可适应。又由于带锯切割时为倾角14°的状态，可把机构动作分为摆角与平移运动，通过旋转摆角丝杆使其中螺母进出，螺母连接的整个砂轮组件绕轴线旋转到合适角度，调整组件的平移丝杆使砂轮平移前进或者后退，砂轮紧靠带锯进行修磨。在传动方面，应对砂轮轴进行跳动测试，避免砂轮修磨有跳动，导致刃口凹凸不平，结构上选用皮带传动。

1.2.4 进给机构

进给机构为核心部分，控制切割厚度。进给机构包括两种运动，进给运动与旋转运动。进给运动由伺服电机带动，旋转运动则有减速电机驱动。进给运动与旋转运动必须保持严格的运动联系，为保持厚度不变，橡胶泡体每转一转，其进给量大小等于切割厚度名义大小，改变进给量可获得不同厚度。

进给运动主要由丝杆螺母机构、定比传动减速机、主滑块、联轴器等组成。伺服电机的动力通过同步带传动到减速机的传动轴，传动轴带动两组减速机输入端，减速机又带动丝杆转动，丝杆螺母在丝杠上其两侧有直线轴承的滑台，两侧滑台同步进给，滑台上部则有安装转套、转轴、驱动链轮、减速机等，转轴设计有卡口位置。在泡体的穿心辊与之相配合，上部有减速机通过链传动带动转轴进而带动泡体做旋转运动。

1.2.5 辊道与导轨设计

旋切机多个地方采用导轨、刀轮组件、磨刀组件、进给机构，用于维持再生橡胶的连续稳定输送。在直线导轨设计上，通常导轨的传动精度将直接影响到再生橡胶切割效果，在电动机作用下使直线导轨驱动切割部位做平移移动，采用固定式轴承座结构，位于中间部滑台随丝杆螺母进行前后滑动，保证获得理想的再生橡胶切割效果。

2 基于SolidWorks 软件建立旋切机三维模型

2.1 三维建模

2.1.1 设计流程

基于SolidWorks 软件进行橡胶体旋切机的设计，设计流程为：确定旋切机技术参数→选择设计方案→零件造型设计→工程分析与设计优化→机构运动仿真→三维建模。

2.1.2 三维建模

采用基于特征的参数化建模方法，利用SolidWorks 软件进行旋切机零件与整体结构的设计。在设计流程规划上，首先建立零件环境，选定基准面、建立截面草图；随后参考零件的截面特征，执行旋转、拉伸、扫描等特征命令，以此形成相应零件的主要特征机构；最后进行零件细节的装饰设计，包括制作螺纹、倒角等，完成零件的三维建模。以旋切机主轴为例，该零件采用拉伸、旋转工艺制成轴体结构，借助软件的拉伸切除功能完成整体零件结构的造型，利用异型孔向导工具制成螺纹孔，最后完成螺纹线、倒角的装饰设计，建立零件三维模型。在利用SolidWorks 软件建立零件三维模型的过程中，可调用软件中的Toolbox 标准件库，输入具体结构参数即可直接调用螺栓、轴承等标准件，无需再单独建模，并且保证其余同类零件三维造型过程的一致性。

2.1.3 虚拟装配设计

待完成零件建模后，利用SolidWorks 软件还可实现对各零件的虚拟装配，组成整体样机。根据橡胶体旋切机的结构特征，采用自底向上的装配设计方法，铰接点转动副的配合使用“同心”约束，移动副采用“重合”、“相切”约束，基于子装配体方法先将部分零件装配成为子结构，再在总装配环节完成整体旋切机虚拟样机的装配作业（旋切机整体结构模型如图2 所示）。

2.2 运动仿真

图2 橡胶体旋切机三维建模

待完成旋切机建模后，结合工厂生产环节的实际需要采用SolidWorks 软件中的运动算例进行旋切机执行机构的运动仿真，分别完成工作进给、切割进给的动力源设置，利用软件自动完成仿真计算，获得旋切机执行机构工作进给机构、切割进给机构的运动特征数据。

观察工作产量与时间的变化关系，设定初始泡体直径为1500MM，标准状态下切割10MM，t=1min,此时的泡体旋转了3.5圈，进给机构前进了35MM，泡体直径为1430MM，工作产量为16.1 米。当t=5min 时，此时的泡体旋转了17.5 圈，进给机构前进了175MM，体直径为1150MM，工作产量为72.8 米。后抽取多时间节点，从中可以看出在随时间变化产量产出的速度会由快变慢特性，因此在切割后期可修改切割速度，提高生产效率加快。

3 结论

总体来看，基于SolidWorks 软件进行橡胶体旋切机的虚拟设计，利用参数化特征建模技术完成零件造型与整机装配设计，并结合实际工况环境进行运动仿真分析，相较于传统机械设计方法能够有效提升旋切机的设计精度，缩短产品研发周期与成本，实现对橡胶体旋切机的模块化设计，满足产品使用需求。