数控小径材纵向弧面指接机总成的设计研究.docx

数控小径材纵向弧面指接机总成的设计研究 摘要：目前我国天然林、大径级木材日益匮乏,小径级木材成为主要制材原料,针对小径材加工利用效率不高且精度低等问题,提出数控小径材纵向弧面指接机总体结构的设计。通过分析纵向弧面指接机的加工工艺,拟定设备的总体方案,对数控小径材纵向弧面指接机总体结构进行实体建模,完成数控小径材纵向弧面指接机固定端总成、移动端总成以及底架总成的结构设计,并对粗铣主轴组件以及抛光主轴组件进行设计计算,得到粗铣电机功率4 kW、抛光电机功率3 kW,符合设备的设计要求。运用ANSYS对粗铣主轴进行静力学分析,得到主轴的应力、变形以及应变云图,其最大应力值为5.622 4 MPa,最大变形量为0.001 707 8 mm,最大应变值为0.031 479 mm/m,均在安全范围内,验证了主轴设计的合理性。因此,该机能够有效解决小径材出材率低的问题。 我国的森林资源相对匮乏,当前的木材原料供应结构也从传统的天然林、大径级木材转移到人工速生林、小径级木材,这种情况正严重制约着我国林产工业的发展1 数控小径材纵向弧面指接机总体结构及性能参数数控小径材纵向弧面指接机是利用人工林小径材来生产利于加工成家具装修板材的专用设备,为小径材指榫加工的关键设备。该设备能够将经过剖分的纵向截面为弧面的小径材板直接铣出指榫,用于拼接成板材,其总体结构如图1所示,主要由固定端总成、移动端总成和底架总成构成。固定端总成结构如图2所示,主要由固定端支架、上压辊总成、下压辊总成、成形铣主轴组件一、粗铣主轴组件一、精铣主轴组件一、抛光主轴组件一、固定端张紧总成及固定端侧压止逆总成构成。移动端总成主要由移动端支架、成形铣主轴组件二、粗铣主轴组件二、精铣主轴组件二、抛光主轴组件二、移动端张紧总成以及移动端侧压止逆总成构成,其结构如图3所示。数控小径材纵向弧面指接机的工作原理是通过电机带动进给机构、各铣削机构以及抛光机构运转。经过剖分的纵向截面为弧面的小径材板在上下压辊的驱动下进入铣削部分,板材首先经过成形铣机构进行去皮铣形,两侧铣出符合指接要求的规则弧面,并以该弧面为基准进入下一工序;板材继续向前进给,分别完成齿形粗铣、齿形精铣以及齿形抛光的工序,从而得到符合指接要求的指接齿形;当抛光完成时,整个板材的加工完成,板材在出料口出料,进入下一设备进行铺装拼板。该设备具有的性能设计参数如表1所示。2 数控小径材纵向弧面指接机关键部件设计2.1 粗铣主轴组件设计2.1.1 粗铣主轴组件的参数设计铣削力和铣削功率的计算关系到设备结构设计的合理性,对设备的铣削性能有着重要影响。小径材板的指榫加工是通过粗铣主轴组件和精铣主轴组件来实现的,由于铣削过程中粗铣主轴组件的铣削力远比精铣主轴组件的大,所以只需计算粗铣时所需要的铣削力及铣削功率便能满足设备的设计要求。铣削力可通过单位切削力计算,因此,计算铣削力的问题,实质上归结为计算单位切削力的问题。以下计算均以松木为例,粗铣主轴组件的单位切削力 (1)式中,q为切屑的直线的斜率;a已知:切屑的直线的斜率为q=3.8,q的修正系数为a1)运动遇角è (2)式中,已知:铣削深度为2)每齿进给量ì (3)式中,v已知:铣刀进给速度为v将1)、2)计算得到的运动遇角è粗铣主轴组件的铣削功率P可按下式计算: (4)式中,V经计算,单位切削力K=83.967V式中,u为进给速度(已知:铣刀进给速度v机床的传动效率为η=0.7～0.85,这里取η=0.8,安全系数取1.2,则粗铣主轴组件的铣削电机功率为2.1.2 粗铣主轴组件的结构设计数控小径材纵向弧面指接机的铣削过程分为粗铣和精铣2部分,粗铣的过程是对指榫进行粗加工,使指榫基本成形,由于粗铣对加工精度的要求比较低,所以在粗铣的过程中设计选用逆铣的加工方式,这样可以有效提高刀具的使用寿命。粗铣主轴铣削电机额定转速为3 000 r/min,通过匹配2个直径比为4∶3的带轮,达到增速的目的,从而实现粗铣主轴转速为4 000 r/min的设计要求。设计选用2根V带传递动力,具有一定的过载保护能力,并且能够减小振动、缓和冲击。粗铣主轴组件主要由六角锁紧螺母、粗铣主轴、组合式粗铣刀、套筒、端盖、角接触球轴承、带轮、六角头螺栓、螺栓紧固轴端挡圈等构成,其结构如图4所示。粗铣过程中铣刀加工量大,容易产生振动,粗铣主轴会受到一定的轴向力,为了保证粗铣过程中粗铣主轴正常完成回转运动,选用两对角接触球轴承对粗铣主轴进行支承。选取的角接触球轴承型号为7209AC,经校核计算,所选型号的角接触球轴承满足粗铣主轴的工作要求。为了保证轴承润滑良好