新型盤式削片機刀盤結構設計及切削力研究

任長清, 宋 鵬, 丁禹程, 楊春梅, 吳 哲, 曲 文

(東北林業大學林業與木工機械工程技術中心,黑龍江 哈爾濱 150040)

削片機是人造板生產中最基本的設備,生產用于造紙以及纖維板生產的基本原料工藝木片。隨著我國纖維板產量的不斷增長,板材工藝水平的不斷提升,對工藝木片的品質也提出了更高的要求。當下人造板企業應用的常規削片機主要有盤式削片機與鼓式削片機兩種類型,鼓式削片機特點是生產效率高,但切削時通過刀片砍切將木片從原木分離,產生的振動大,且不易保證削片的均勻性;盤式削片機對于木片的加工質量好,產生的碎料較少,因此對于纖維質量要求高的纖維板生產企業大部分采用的是盤式削片機生產的木片。

目前,國產盤式削片機在國內已經得到廣泛應用,國產的盤式削片設備大多是飛刀直接與刀盤固定,安裝方式如圖1所示。盤式削片機飛刀刃口與刀盤平面之間會存在一定的高度差,這部分高度差被稱為飛刀伸出量,削片長度主要受伸出量控制,因此在安裝時需要保證所有飛刀的伸出量一致。由于在飛刀刃磨后,需要重新調整飛刀的伸出量,常規刀盤與飛刀的安裝方式無法根據削片情況以及刀刃磨損情況進行飛刀伸出量的可控微調,這使得削片質量受到影響。據調查,目前纖維板生產企業所用的盤式削片機每生產8 h需更換一次飛刀,每片飛刀更換時需要卸下4～ 5顆鎖緊螺母,額外耗費換刀時間影響生產效率,因此刀片的快速更換與精度調節都成為亟需解決的問題。需要設計一款新型刀盤,通過設計刀具角度來計算合理的切削力,還要兼顧飛刀磨損后伸出量的微調與便捷安裝的方式。本次設計的刀盤結構旨在解決上述問題并適用于直徑小于170 mm的小徑木削片,生產滿足纖維制備需要的工藝木片。

圖1 常規飛刀安裝方式示意圖

1 新型刀盤結構設計

此次設計的新型刀盤為直徑為650 mm,整體厚度為65 mm。如圖2所示,新型刀盤的特點有3個:一是將飛刀安裝在刀塊上,刀塊固定于刀盤,在換裝飛刀時直接更換刀塊,每個刀塊僅需鎖緊一次,這種結構相較于常規刀盤每把飛刀擰 4～5個鎖緊螺母,可以實現快速換裝;二是刀塊后部安裝一根調節螺桿,采用差動螺紋結構實現對飛刀伸出量的準確的微量調節,保證工藝木片質量;三是將刀塊安裝在刀盤外緣,可以使飛刀在刀盤旋轉時獲得最大轉動慣量,充分利用刀盤的轉動慣性將木片從原木上切削。

圖2 刀盤結構圖

刀盤整體結構主要有裝刀塊、飛刀、下刀、刀盤、小圓螺母、刀座以及調節軸組成。飛刀安裝在裝刀塊上,裝刀塊留有通孔將飛刀夾緊。裝刀塊固定在刀座上并可以通過后面的調節螺桿進行飛刀伸出量h的調節。由圖3可見,調節螺桿有兩段分別采用不同螺距的螺紋,運用差動螺旋原理以實現對飛刀伸出量的微調。根據GB/T192 - 2003分別設計的兩段螺紋,參數如表1所示。

圖3 調節軸靜態結構圖

對于差動螺旋結構,當調節螺桿轉過Φ角時,由于兩段螺紋旋向相同,因此裝刀塊相對刀座位移為兩個轉動副移動量之差,微調量由式2進行計算:

(1)

h=Lsinδ

(2)

式中,h為刀片伸出量(mm);L為調節螺桿螺旋長度;δ為裝刀塊安裝方向與刀盤平面的夾角。將表1中數據帶入上式,可知每旋轉一圈可以將調節螺桿長度微調0.25 mm,裝刀塊安裝方向與刀盤平面夾角δ為23°,則每旋轉一圈調節螺桿可實現0.1 mm的伸出量微調,保證了飛刀伸出量調節的精準可控。

2 新型刀盤刀具角度與切削力分析

為驗證刀盤結構設計還需根據飛刀角度對削片機切削的力進行分析。首先,飛刀作為盤式削片機與原木接觸的執行部件,在主軸帶動下刀盤高速轉動,飛刀將原木切削呈片狀。飛刀的長度決定了每一次切削的最大寬度,飛刀寬度決定刀體剛度,飛刀厚度影響刀身強度。該飛刀采用的刀尖楔角為23°,其長度為210 mm,寬度為55 mm,厚度為6 mm其材料為硬質合金。飛刀的刀具角度如圖4所示:

圖4 飛刀角度示意圖

飛刀前角γ是前刀面與基面之間的夾角,被切下的木片沿前刀面流出,木材切削中前角越大,導致木材沿纖維方向的切削層變形程度越小;飛刀后角α表示后刀面與切削平面之間的夾角,在切削時主要影響刀具與工件的摩擦。圖4中β角為飛刀楔角,楔角與刀刃強度成正比,楔角越大飛刀刀尖強度性能越好;ξ為木材進料傾斜角,其主要反映切削時刀具與纖維順紋方向傾斜程度,控制切削力的大小。盤式削片機切削過程如圖5所示:

圖5 盤式削片機切削過程圖

刀盤相對進料方向逆時針轉動,原木相對刀盤平面傾斜一定角度進給,同時飛刀對原木也存在一個使原木貼近飛刀的牽引力,使得原木的切削面與飛刀背面緊貼,并與飛刀背面相對滑動。原木在飛刀與底刀的剪切下,飛刀逐漸切入木材,隨著切入程度逐漸增加,飛刀對木材的作用力也同時增加,當作用力超過木材纖維的剪切強度時,被切部分的木材沿著纖維方向剪斷形成一個木片,被切下的木片穿過飛刀與下刀的縫隙流向刀盤背面,在切削過程中前刀面對木材的作用力在木片切下前達到峰值。

如圖6所示,前刀面對木片的合力為F,合力F可以分解為與木材纖維方向相對垂直的分力F1和與木材纖維方向平行的分力F2。

圖6 前刀面對木材受力分析圖

其關系如下:

F1=F2·tan(Φf-a)

(3)

F2=F·cos(Φf-a)

(4)

式中:Φf為前刀面與木材摩擦角,a為前刀面法向與木材纖維方向夾角。

由幾何原理可得,

a=90°-α-β-ξ

(5)

其中:α、β、ξ分別為飛刀后角、飛刀楔角與木材進料傾斜角。

Φf=arctanμf

(6)

式中:μf為前刀面與木材摩擦系數。

F1=Fcn

(7)

F2=Fcf+Fcτ

(8)

根據圖6中木片受力平衡,可以求出:由飛刀前刀面對木片的正壓力引起的附加剪切阻力Fcf,木材剪切強度阻力Fcτ,剪斷面的正壓力Fcn,Fcf與Fcn由下式求出:

Fcf=fc·Fcn

(9)

FCT=l·b·τ

(10)

式中:fc為附加阻力系數,l為木片纖維長度,單位為m;b為切削寬度,單位為m;τ為木材順紋剪切強度,其單位為N/m2。

將上述公式聯立求解得:

(11)

根據公式11,以纖維板生產的原料楊木工藝木片為例,計算該型盤式削片機刀盤在生產中所需的切削力。含水率40 %新鮮楊木的順紋抗剪強度τ為7.65 MPa,剪下厚度3 mm的工藝木片,該飛刀楔角β為23°,飛刀后角α為15°,木材進料角ξ為40°,附加阻力系數取0.3,代入上式可解出生產3 mm厚度的新鮮楊木所需的飛刀刀刃單位長度上的切削力約為27 N/mm。

3 刀盤設計穩定性仿真驗證

為驗證刀盤結構設計的可靠性,首先要根據實際生產需求確定新型刀盤平穩工作的轉動速度:

(12)

式中:Q為生產率;dav為連續切削木材平均徑級;l為木片纖維順紋方向平均長度;Z為飛刀數量;n為刀盤額定轉速;c為切削連續性系數,取0.7～0.8;k為機器利用系數。

根據纖維板廠家實際需求,每臺削片機工藝木片的年產量約為18 000 m3,機器每年開機時間估算300天,每天開機8 h,得出機器利用系數約為0.27,求出生產率Q約為7.5 m3/h。經測量,纖維板生產所需的剝完皮的原木材平均直徑150 mm,飛刀數為4 ,切削連續性系數取值為0.7,木片平均厚度為3 mm,將上述參數帶入生產率計算公式12中,求出所需刀盤轉速為850 r/min。

刀盤高速旋轉時,裝刀塊夾持飛刀繞主軸旋轉,由于飛刀自身轉動慣量會受到離心力,為避免在刀盤高速轉動離心力較大的情況下螺釘預緊力不足導致飛刀脫離的情況發生,需要根據刀盤結構驗證裝刀塊對飛刀的夾緊力是否足夠。根據solidworks三維的飛刀模型得出每片飛刀體積為72.4 cm3,按照硬質合金密度14.4～15.3 g/cm3計算單個飛刀質量約為1 kg,根據離心力計算公式:

F=m·ω2·r

(13)

F——離心力,N;

m——飛刀質量,kg;

ω——圓周運動的角速度,rad/s;

r——飛刀質心旋轉半徑,m。

上式中轉速850 r/min,飛刀質心與刀盤中心距離為227 mm,計算得出飛刀自身的離心力為1 798 N。由于飛刀自身質量遠小于離心力,因此在計算時將飛刀自身重力忽略不計。由于飛刀安裝在刀盤上呈傾斜角度23°,遂將離心力沿裝刀塊裝夾方向與垂直裝夾方向分解,經計算沿裝刀塊裝夾方向分力為702 N,垂直裝夾方向分力為1 655 N。飛刀與裝刀塊之間有四顆M12鎖緊螺栓擰緊,每顆M12螺栓預緊力約為60 kN,該螺栓組的總預緊力為240 kN,飛刀與裝刀塊之間靜摩擦系數取值為0.15 ,根據摩擦力公式求出飛刀在高速旋轉下靜摩擦力為35 000 N,遠大于飛刀慣性力,因此采用裝刀塊設計合理。

參考盤式削片機的行業標準LY/T 1338-2004,需驗證此次設計的削片機刀盤自身在高速旋轉時的穩定性,采用Adams動力學仿真軟件對刀盤的振動特性進行仿真模擬,并對模擬結果進行分析。盤式削片機在實際工作中,由于電機皮帶振動等不可忽視的因素,導致參數變化, 因此在基于Adams的新型盤式削片機切削過程的仿真需要進行幾點假設:(1)假設切削過程中,主軸兩端安裝穩固。(2)假設刀塊與刀盤之間安裝緊固,切削過程中不存在松動或振動現象。(3)假設傳動過程中,轉速和扭矩恒定、無損失。

首先將刀盤進行簡化,將solidwork建模的刀盤對仿真影響不大的螺紋部分進行簡化,并將簡化后的模型導入Adams軟件,其次將模型各部件進行連接約束設置與參數設置,刀盤自身材料設置為碳素鋼密度為7.85 g/cm3,楊氏模量為205 GPa泊松比為0.28 ,刀盤主軸直徑為60 mm,材料為45調質鋼,密度為7.89 g/cm3,楊氏模量為209 GPa,泊松比為0.269 ,圖7為導入Adams后的模型圖。

圖7 刀盤模型導入Adams圖

在刀盤安裝軸上添加質心測量點,測量該刀盤在額定轉速下主軸承受的振動,如圖8所示,刀盤在轉動過程中質心的位置在13.835 ～13.850 mm之間,振動幅值為0.015 mm,驗證了在刀盤額定轉速850 r/min時刀盤設計結構的穩定性。

圖8 刀盤質心振幅圖

4 總結

本文所設計的新型盤式削片機刀盤與刀塊,通過將飛刀安裝在刀塊上,在換刀時將整個刀塊快速拆裝,解決目前纖維板生產廠家所面臨的工藝木片制備過程中盤式削片機飛刀刃磨后的快拆快換問題,以及通過采用差動螺旋結構實現飛刀伸出量微調來保證削片質量。本文對新型刀盤在工作時的切削過程與刀具角度以及切削力進行分析,對裝刀塊與飛刀的裝夾的危險部分進行計算,驗證了設計的合理性,并通過Adams軟件仿真刀盤在無負載情況下高速轉動的質心振幅,驗證刀盤結構設計的穩定性。