陳東晴 , 單淑萍

(龍巖學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院, 福建　龍巖　364012)

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晶體外圓多刀切割機(jī)的設(shè)計(jì)*

陳東晴 , 單淑萍

(龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院, 福建龍巖364012)

用外圓單刀切割機(jī)切割質(zhì)地堅(jiān)硬的晶體材料比較耗時(shí)，因此，在外圓單刀切割機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款多刀切割機(jī)，主要由底部支架、電機(jī)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割刀片、位置調(diào)節(jié)器、卡槽和冷卻裝置等組成。用此設(shè)備可以一次將大塊晶體材料切割成多塊不同尺寸的晶體材料，不僅大大減少了切割時(shí)間，而且還可以通過調(diào)節(jié)刀片之間的距離來控制切割尺寸。

外圓多刀切割機(jī)；晶體材料；切割時(shí)間

在光通訊領(lǐng)域所用到的光學(xué)元件是由晶體材料經(jīng)過多道加工工序完成的,制作透鏡的首道工序是對(duì)晶體原材料進(jìn)行切割。對(duì)于體積較大的晶體材料是用外圓切割機(jī)將其切割成小塊，再將小體積晶體材料放入內(nèi)圓切割機(jī)精確切割成所需要的尺寸。已有多人設(shè)計(jì)了各種型號(hào)用來切割晶體的外圓切割機(jī)，如：廉軍[1]29-32設(shè)計(jì)了WQ-603型自動(dòng)外圓切割機(jī)，并介紹了大行程外圓切割設(shè)備的設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工業(yè)控制在該設(shè)備上的應(yīng)用。黃克飛[2]16-19等設(shè)計(jì)了WQ-502型自動(dòng)外圓切割機(jī)，該機(jī)可廣泛用于光學(xué)玻璃、石英、陶瓷、冰洲等脆硬晶體材料的全自動(dòng)大件切片。為了提高生產(chǎn)效率和改善產(chǎn)品質(zhì)量也有人對(duì)其原有切割設(shè)備進(jìn)行了改造，韋玉平[3]41運(yùn)用PLC和變頻器對(duì)JB-35-5型石英晶體多刀切割機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。張恕[4]16-18在切割機(jī)的移動(dòng)裝置上增加了彈性裝置，有效消除了移動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)軌的間隙，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。目前，龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室切割晶體使用的是自制的單刀外圓切割機(jī)，一次只能切割一片，且切割機(jī)的刀片較厚，晶體材料質(zhì)地比較堅(jiān)硬，所以用此設(shè)備將大體積的晶體材料切割成內(nèi)圓切割機(jī)所需要的尺寸耗時(shí)較長。針對(duì)目前單刀切割機(jī)切割效率低的問題，在外圓單刀切割機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款多刀切割機(jī)，在裝有切割片的主軸上設(shè)計(jì)不同厚度的卡槽將多個(gè)切割片組裝在一起，這樣就可以在相同的時(shí)間內(nèi)將晶體材料切割成多片。

一、晶體外圓多刀切割機(jī)結(jié)構(gòu)原理

本文設(shè)計(jì)的晶體外圓多刀切割機(jī)由機(jī)架1、水槽2、工作臺(tái)3、冷卻裝置4、切割裝置5、驅(qū)動(dòng)裝置6、位置調(diào)節(jié)裝置7等組成，具體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。下面對(duì)本機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析說明。

圖1　晶體外圓多刀切割機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

(一)機(jī)架

如圖1所示，垂直方向由四根長1.0 m的角鋼構(gòu)成；水平方向由四根長0.75 m的角鋼構(gòu)成；平行紙面方向由四根長0.65 m的角鋼構(gòu)成。將各部分角鐵按圖1所示焊接在一起，在角鋼的上方再焊接一個(gè)面積為0.85 m×0.75 m的鋼板，構(gòu)成一個(gè)桌面。在桌面的前端焊接一個(gè)1.1 m×0.2 m×0.05 m的水槽，在水槽的底部開一個(gè)排水孔。在桌面邊緣沿著平行紙面方向焊接一個(gè)0.85 m×0.40 m×0.08 m的半槽，槽左右兩個(gè)擋板可以折疊，其中一邊靠近水槽，并在半槽的左端固定一塊鋼板，構(gòu)成一個(gè)載物操作臺(tái)。在圖中距地面0.3 m的位置垂直紙面方向焊接兩根鋼管與平行紙面方向的兩根鋼管構(gòu)成一個(gè)平面，此處用于安裝電機(jī)。

(二)驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)和帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。電機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)晶體的硬度選用功率180 W、電壓380 V、轉(zhuǎn)速1 400 r/min的電機(jī)。帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)距離為0.3 m的皮帶輪、兩個(gè)滾動(dòng)軸承、兩個(gè)配套減震軸承座構(gòu)成，軸承用螺釘固定在皮帶輪與切割片之間。軸承座固定在工作臺(tái)上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)使驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)切割刀片運(yùn)轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳遞給切割刀片。

(三)切割裝置

切割裝置由多刀切割頭、位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)三部分組成。

1.多刀切割頭切割刀片根據(jù)材質(zhì)主要分為纖維樹脂切割刀片和金剛石切割刀片兩種。本機(jī)使用的是金剛石切割刀片，如圖2中的a圖所示，用它可以切割各種高硬度材料。在裝有切割刀片的主軸上設(shè)計(jì)不同厚度的卡槽將多個(gè)切割刀片組裝在一起，本部分采用厚度為1 mm的金剛石切割刀片，將切割刀片連同卡槽固定在減震軸承上。

2.位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)本部分由兩根圓鋼、一個(gè)水平的絲杠、套筒、螺母及一個(gè)與絲杠相連的手輪構(gòu)成，如圖2中的b圖所示。兩根圓鋼用來支撐上面的操作臺(tái)，絲杠位于兩根圓鋼中間位置，將套筒焊接在操作臺(tái)與桌子之間，通過旋轉(zhuǎn)手輪可以對(duì)操作臺(tái)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使晶體材料處于一個(gè)合適的切割位置。

3.工作臺(tái)工作臺(tái)是由兩塊鋼板構(gòu)成，較小的鋼板是用來固定晶體材料的，在鋼板上鉆出四個(gè)孔與下面鋼板相連，下面鋼板再與位置調(diào)節(jié)裝置相連，通過調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使工作臺(tái)自由移動(dòng)，可以控制切割速度。在切割過程中為了避免跑偏而浪費(fèi)材料，在切割前先要把晶體材料用膠水粘在工作臺(tái)上。

a)多刀切割頭　　　　　　b)位置調(diào)節(jié)裝置　　　　　　c)工作臺(tái)

(四)冷卻裝置

在切割過程中，切割刀片與晶體材料摩擦產(chǎn)生大量的熱量，刀片受熱急劇膨脹，在外力作用下容易導(dǎo)致晶體破損。為了避免出現(xiàn)這種情況，需要在切割機(jī)上增加一個(gè)冷卻裝置，冷卻裝置是一個(gè)循環(huán)裝置，由儲(chǔ)水桶、水泵、進(jìn)水管、噴水口、水槽、回水管等組成，如圖1所示。在每個(gè)切割刀片附近安裝一個(gè)可調(diào)節(jié)水噴頭，在切割過程中不停的將水噴在切割刀片的邊緣，以達(dá)到降溫的目的。同時(shí)，在切割過程中也會(huì)產(chǎn)生大量的玻璃粉塵，玻璃粉塵如果不及時(shí)處理會(huì)進(jìn)入空氣造成污染。冷卻水連帶玻璃粉塵一起進(jìn)入到水槽中，在水槽的底部安裝一個(gè)排水管，污水沿著排水管進(jìn)入到儲(chǔ)水桶中進(jìn)行沉淀，沉淀物定期清理，在儲(chǔ)水桶中再安裝一個(gè)水泵，水泵將儲(chǔ)水桶中的水抽入進(jìn)水管，進(jìn)水管的水再進(jìn)入到各個(gè)水噴頭中，安裝水泵的目的是使水能夠循環(huán)利用。

二、使用晶體外圓多刀切割機(jī)的操作步驟及注意事項(xiàng)

(一)晶體外圓多刀切割機(jī)的操作步驟

1)將晶體粘在操作臺(tái)上，前后調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)裝置，使晶體處于合適位置。

2)開啟電源，使電機(jī)帶動(dòng)切割刀轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)打開冷卻裝置，使水噴在切割刀片與晶體接觸的位置或上方。

4)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使晶體緩慢勻速前進(jìn)，直到切割結(jié)束。

(二)操作注意事項(xiàng)

1)為了節(jié)省時(shí)間，操作工人往往使用多個(gè)切割刀片進(jìn)行切割。由于受到電機(jī)動(dòng)力的限制，在切割過程中，切割刀片的數(shù)量最好不要超過3個(gè)，這樣才能保證切割過程中電機(jī)正常工作。

2)在操作過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的速度不宜太快。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪的速度過快容易損壞切割刀片或者使晶體材料受損。

3)在切割過程中，若出現(xiàn)故障，應(yīng)立即關(guān)閉電源，并反向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使晶體材料沿水平方向后退并與切割刀片脫離。

三、結(jié)　語

使用單刀切割機(jī)切割晶體材料存在耗時(shí)長、效率低等問題，針對(duì)目前單刀切割機(jī)切割效率低的問題，在外圓單刀切割機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款多刀切割機(jī)，在裝有切割片的主軸上設(shè)計(jì)不同厚度的卡槽將多個(gè)切割片組裝在一起，這樣就可以在相同的時(shí)間內(nèi)將晶體材料切割成多片。設(shè)計(jì)的晶體多刀切割機(jī)不僅大大節(jié)省了切割時(shí)間，解決了切割效率低的問題，而且還可以通過調(diào)節(jié)刀片之間的距離來控制切割尺寸，即用此切割機(jī)可以同時(shí)切割出不同尺寸的晶體材料。

[1] 廉軍.WQ-603型自動(dòng)外圓切割機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,1996(25).

[2] 黃克飛,王明權(quán).WQ-502型自動(dòng)外圓切割機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,1994(23).

[3] 韋玉平.JB-35-5石英晶體多刀切割機(jī)的PLC、變頻器控制系統(tǒng)改造[J].科學(xué)咨詢,2010(19).

[4] 張恕.電動(dòng)石材切割機(jī)切割移動(dòng)裝置[J].電動(dòng)工具,2015(4).

The Design of Crystal External Circular Multiple Cutting Machine

CHEN Dong-qing , SHAN Shu-ping

(College of Electromechanics, Longyan University, Longyan 364012, China)

Using the external circular single-pole cutting machine only can cut a piece of crystal material at a time, single-pole outer circle cutting machine, therefore, on the basis of design a knife cutting machine, mainly from the bottom of the bracket, motor, belt transport device, cutting blade, positioners, card slot and cooling device, etc. So cutting a large volume crystal material with the equipment will take a longer time. Based on the external circular single-pole cutting machine，we will design an external circular multiple cutting machine which can cut the crystal material into many pieces with the same time. We cut crystal materials with the external circular multiple cutting machines not only the cutting time will be greatly reduced, but also the cutting size can be controlled by adjusting the distance of the blades.

external circular multiple cutting machine; crystal materials; cutting the time

2016-06-02

本文系2015年度國家大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目“晶體外圓多刀切割機(jī)的設(shè)計(jì)(201511312009)”的研究成果之一。

陳東晴(1992-)，女，福建寧德人，2012級(jí)物理學(xué)專業(yè)本科學(xué)生，主要從事物理學(xué)研究；單淑萍(1976-)，女，內(nèi)蒙赤峰人，講師，物理學(xué)碩士，主要從事凝聚態(tài)理論研究。

TG669

A

1672-2388(2016)03-0069-03