多功能火焰切割设备的设计与制作

（常州工程职业技术学院，江苏常州213164）

0 前言

目前生产中应用的直线和仿形火焰切割设备的切割功能都比较单一，管板切割坡口需在不同设备完成，耗时耗力，多功能火焰切割设备的使用能够节省加工成本，提高生产效率，方便教学工作及工业生产[1-2]。在多功能火焰切割设备研制过程中，传动机构和多功能转换结构是设备运转的核心系统[3-4]，主要包括电动机、主传动齿轮、主传动轴、副传动轴、双齿轮以及传动齿轮组的设计与制作。本研究综合考虑管子和板材切割过程中的特点，在对现有的直线和仿形火焰切割设备进行结构分析的基础上，对多功能火焰切割设备进行总体设计，采用蜗轮蜗杆、减速齿轮组以及离合器来调节电动机的动力输出，同时利用主传动轴上的双齿轮实现管板切割的转换功能。通过拨动双齿轮在主传动轴上移动，与副传动轴上的从动齿轮分别啮合，实现多功能的转换，完成了多功能火焰切割设备机械传动系统的设计和制作，实现了钢板切割到管件切割的自由转换，完成了不同工件坡口在同一设备上的加工制作。设备整体结构如图1所示。

1 动力输出机构的设计与制作

图1 设备整体结构Fig.1 Design of overall structure of equipment

动力输出机构包括电动机、主副传动轴、齿轮和轴承座等。设备的动力系统采用ZYT261G/H16直流电机，电机输出轴的转动通过一组涡轮蜗杆减速机构完成初级减速和传动方向的改变。电机的转速通过阻容异相控制可控硅速流器开放角的大小来实现电动机的无极调速，工作时只需旋转调速电位器旋钮，即可使减速机输出轴转速在0.025～3.38 r/min范围内无级变速。同时选用一套3:1速比的减速齿轮组来对减速机输出轴进行二级减速，减速机输出轴安装15齿小齿轮，主传动轴选用45齿的大齿轮，依靠这一组齿轮副的啮合，将减速机输出轴的动力传递给主传动轴。

主传动轴主要是将电动机的动力输出，2根副传动轴分别连接三爪卡盘和一个动力输出齿轮，通过与主轴上的双齿轮分别啮合实现动力传输与多功能转换，齿轮主要包括主动齿轮、从动齿轮、双齿轮的设计与制作。制作时先对齿轮进行镗孔，齿轮的孔径加工到合适大小，再根据传动轴的轴径加工出轴套，将轴套与齿轮焊接，同时在轴套上打孔攻丝，安装时利用螺丝将齿轮固定在轴上。双齿轮在制作时不需要打孔攻丝，配合平键槽来控制双齿轮在传动轴上的移动。动力输出机构的工作原理如图2所示。

2 多功能转换装置的设计与制作

图2 动力输出机构的工作原理Fig.2 Principle of power output system

多功能转换装置设计和实物分别如图3、图4所示。多功能转换装置是设备的核心部分，为了实现多功能的转换，设计过程中采用双齿轮在主传动轴上的移动来控制动力的传递和切断。主传动轴的左侧为带有平键槽的双齿轮，当双齿轮处于中间位置时，与2个副传动轴上的从动齿轮均不啮合，处于空转状态；当双齿轮向左侧移动到适当位置时，与副传动轴b上的从动齿轮啮合，副传动轴b开始转动，带动轴端卡盘旋转，实现管件的圆周切割功能；当双齿轮向右移动到适当位置时，与副传动轴a的从动齿轮啮合，副传动轴a开始转动，通过轴端齿轮将动力输出给钢板夹具上的齿条，实现钢板的直线切割功能。

图3 多功能转换装置设计Fig.3 Design of multi-function conversion device

图4 多功能转换装置实物Fig.4 Device of multi-function conversion

3 夹具的设计与制作

夹具是夹持和固定工件的重要部件。管件夹具的设计要求夹具能夹持一定范围内管径不同的管件，并且夹持的稳定性高，不能影响管件坡口切割过程中的质量和效率。钢板夹具的设计要求能夹持规定尺寸的钢板，夹持的稳定度高，保证钢板在直线切割时的切割质量和切割效率。

3.1 卡盘的设计与制作

管件夹具的设计主要采用三爪卡盘，对卡盘的要求是能稳定地夹持住管件且卡盘自身的质量不能太大，否则会影响传动轴的转动从而影响切割质量。为了使三爪卡盘稳定地安装在设备上，设计了特殊的卡盘底座，确保管件在切割过程中的稳定性。三爪卡盘的设计如图5所示。

图5 卡盘的设计Fig.4 Design of chuck

3.2 钢板夹具的设计与制作

为了使钢板在切割过程中保持平稳不松动，专门设计了以角铁支座为夹具主体，再加上齿条和轴承支撑的特殊夹具。该夹具可以保证钢板在切割时的稳定性，并且实现多功能转换后割枪不动板动的功能。设计难点主要是齿条的固定及保证直线切割质量。制作过程中采用线切割加工出角铁支座与支撑座并与轴承固定。根据轴承的尺寸，利用车床加工固定轴，之后对加工好的部件进行打孔、攻丝、组装。最后将制作好的所有部件通过螺栓连接固定在箱体上，钢板夹具设计如图6所示。

4 结论

针对多功能火焰切割设备的特点，综合考虑管子和板材切割过程中的特点，在对现有直线和仿形火焰切割设备进行结构分析的基础上，设计和制作多功能火焰切割设备。

（1）板材和管子的切割过程机械传动机构有着根本不同，板材需要直线切割，可以通过割枪和板材之间的相对运动来完成，而管子是靠自身转动来完成整个切割过程。

图6 钢板夹具设计Fig.6 Design of jig for steel plate

（2）通过蜗轮蜗杆、减速齿轮组以及离合器来调节电动机的动力输出，同时利用双齿轮在主传动轴上移动，与副传动轴上的从动齿轮分别啮合，完成多功能的转换，并实现了钢板切割到管件切割的自由转换，完成了不同工件坡口在同一设备上的加工制作。