CN114589777B - 阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片,磨片齿刃轮廓为阿基米德螺旋线,还公开了阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片的结构设计方法,通过计算齿刃轮廓的几何参数,确定曲线方程和在磨片上的位置从而确定磨片的结构。本发明的热磨机磨片由内圆至外圆,滑切角随剪切半径的增大而增大,从而与逐渐增大的剪切速率和逐渐减少的剪切力需求匹配,提高纤维分离质量,在规定的半径内齿刃较直线齿的磨片更长,因此同等解离时间下解离更为充分,降低能耗,提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及热磨机零部件技术领域,尤其涉及一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片及结构设计方法。
背景技术
纤维板作为三大板种之一,因其具有表面平整光滑、尺寸稳定性好、机械加工性能好等特点,广泛应用在建筑、板式家具及室内装修等行业。纤维结构设计是纤维板生产的重要环节之一,而磨片是纤维结构设计中的核心执行部件,因为植物纤维的分离是通过磨片的研磨作用实现的。因此磨片的质量直接影响结构设计纤维的质量、能耗以及磨片本身的寿命。齿形结构是磨片的重要因素,齿形结构的优化是热磨机磨片研发的关键点,现有技术中对磨片齿形结构的优化方面突破非常有限,这使得热磨机磨片制造技术发展缓慢。
在纤维实际分离中,热磨机磨片以高达1500r/min的转速对木质进行解离,木质受磨齿的高速切削,切削方式为砍切与滑切的混合。滑切的特点为齿刃与切削方向的夹角为锐角,齿刃上某一点处的滑切角为该点的切线与该点所在径向的夹角。
申请号为201210437023.X的发明专利公开了一种圆环分区大径级热磨机磨片齿形结构的设计方法,其涉及圆环分区大径级热磨机磨片齿形结构,其结合实际生产经验,将磨片由内圆至外圆依次划分为破碎区、粗磨区、半精磨区和精磨区,确定了各区的尺寸参数与齿形参数,可提高纤维质量、降低分离能耗。申请号201720110937.3的实用新型专利公开了一种具有优化齿槽结构的热磨机磨片,其沿磨齿的内缘向磨齿的外缘方向上,齿槽的两个侧倾角由小变大,使得齿槽下部空间小于齿槽的上部空间,使较大的木片及纤维束保持在距离齿面较近的位置,齿槽优化的结构可提高纤维分离效率。
然而,上述现有技术中,均仅涉及直线齿形,存在着以下不足:由磨片内圆至磨片外圆,切削角恒定,木质所受切削力恒定,恒定的切削力与规格逐渐减小的木质所需解离的力不匹配;由于实际切削力与所需切削力不匹配,影响纤维分离质量;且直线型齿在有限的半径内齿刃长度较短,造成了解离时间的延长,增加能耗,降低生产效率。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片及其结构设计方法,使磨削过程中的实际切削力与所需切削力相匹配。
技术方案:本发明的阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片的齿刃轮廓为阿基米德螺旋线,其齿宽范围为4.6~12mm,齿数范围为140~375。磨片的齿刃轮廓满足如下方程:
式中,x和y分别为齿刃轮廓组成的阿基米德螺旋线上的点的横坐标和纵坐标,θ为螺旋角度,R0为阿基米德螺旋线的起始点构成的基圆的半径,R'为阿基米德螺旋线的基圆的半径,RP为阿基米德螺旋线与磨片的半径所在直线的交点—基准点构成的圆的半径。
阿基米德螺旋线的起始点构成的基圆、阿基米德螺旋线的基圆及基准点构成的圆均与磨片的内圆同心,半径R0=C1·R1,R'=C2·R1,Rp=C3·R2,其中C1、C2和C3皆为常系数,C1的取值范围为0.78~0.82,C2的取值范围为0.88~0.92,C3的其取值范围为0.91~0.95。
本发明的阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片结构设计方法包括如下步骤:
(1)确定磨片的内圆半径R1和外圆半径R2;
(2)确定阿基米德螺旋线起始点构成的基圆位置及其半径,所述基圆与磨片的内圆同心,半径R0=C1·R1,其中C1为常系数,优选取值范围为0.78~0.82;
(3)确定阿基米德螺旋线的基圆原点所在位置及其半径,所述基圆与磨片的内圆同心,半径R'=C2·R1,其中C2为常系数,优选取值范围为0.88~0.92。
常系数C1、C2在上述优选范围内取值能够有助于设计出磨片的齿刃正确轮廓,提高纤维分离质量和降低能耗;
(4)确定基准点及其相关参数并计算齿刃所在的阿基米德螺旋线方程;
(5)计算齿刃所在的阿基米德螺旋线的起始螺旋角;
(6)以步骤(4)和(5)得出的阿基米德螺旋线方程和螺旋角确定磨片结构。
步骤(4)中,所述基准点为阿基米德螺旋线与热磨机磨片半径所在的直线的交点,用点P表示;基准点的相关参数包括基准点所在圆、基准点的滑切角αP和基准点处的螺旋角θp;
所述基准点所在圆与磨片内圆同心,半径Rp=C3·R2;所述C3为常系数,其取值范围为0.91~0.95。
其中,步骤(4)包括如下步骤:
(4.1)设阿基米德螺旋线参数方程如下,θ取弧度制;
x=(a+b·θ)·cosθ (1)
y=(a+b·θ)·sinθ (2)
上式中a为阿基米德螺旋线的起始点O”至点O’的距离,按下式计算:
(4.2)求得关键点处的螺旋角θp;
(4.3)求得参数方程的系数b值;
其中xp、yp分别为关键点的横纵坐标,R0为各条阿基米德螺旋线起始点构成的基圆半径;
联立式(1)、(2)、(3)、(4)、(5),求得;
(4.4)求得阿基米德螺旋线参数方程;
将式(3)和式(6)代入式(1)和式(2),得式(7)和(8),即为阿基米德螺旋线参数方程;
步骤(5)包括如下步骤:
(5.1)确定起始点的滑切角;
α=α1 (9)
所述α1的范围为6.6°~7.8°;
(5.2)分别求式(1)和式(2)对θ的导数,得式(10)和式(11);
(5.3)求x对y的导数,x对y的导数等于滑切角的正切的相反数,如式(12);
(5.4)将式(3)、(4)、(9)和式(12)联立,求得的θ值即为磨齿的起始螺旋角,以θ1表示。
步骤(6)包括如下步骤:
(6.1)确定齿刃结构:以式(10)和式(11)表示的阿基米德螺旋线为齿刃曲线,θ1为起始螺旋角,确定齿刃结构;
(6.2)确定齿宽:齿宽W的范围为4.6~12mm;
(6.3)确定齿数:各齿沿磨片的内圆均匀分布,齿数Z的范围为140~375。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下显著优点:由磨片内圆至外圆,滑切角随剪切半径的增大而增大,从而与逐渐增大的剪切速率和逐渐减少的剪切力需求匹配,提高纤维分离质量,在规定的半径内齿刃较直线齿的磨片更长,因此同等解离时间下解离更为充分,降低能耗,提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的热磨机磨片结构图;
图2为本发明的热磨机磨片的几何参数示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片的齿刃轮廓为阿基米德螺旋线,其齿宽范围为4.6~12mm,齿数范围为140~375。
图1为实施例1的热磨机磨片,仅示出其中2片,其设计方法包括如下步骤:
(1)确定磨片内径R1为550mm,外径R2为900mm:
(2):确定阿基米德螺旋线起始点构成的基圆及其半径:
阿基米德螺旋线起始点构成的基圆半径为R0=C1·R1,C1取0.8;
R0=C1·R1=0.8×550mm=440mm;
(3):确定阿基米德螺旋线原点所在的基圆及其半径:
阿基米德螺旋线原点所在的基圆半径为R’=C2·R1,C2取0.9;
R'=C2·R1=0.9×550mm=495mm;
(4)确定基准点及其相关参数并计算齿刃所在的阿基米德螺旋线方程;
本步骤中,基准点为阿基米德螺旋线与热磨机磨片半径所在的直线的交点为基准点,用点P表示;
基准点所在圆半径Rp=C3·R2,C3取0.93;
Rp=C3·R2=0.93*R2=837mm;
基准点的滑切角定义为αP;基准点处的螺旋角为θp;
求阿基米德螺旋线方程的具体步骤如下:
(4.1)设阿基米德螺旋线参数方程,θ取弧度制;
x=(a+b·θ)·cosθ (1)
y=(a+b·θ)·sinθ (2)
(4.2)求阿基米德螺旋线的起始点O”至点O’的距离a
(4.3)求得关键点处的螺旋角θp
(4.4)求得b值;
(4.5)求得阿基米德螺旋线参数方程;
将所求得的a值和b值带入式(1)和式(2),得式(13)和(14),即为阿基米德螺旋线参数方程;
x=(226+219.3·θ)·cosθ (13)
y=(226+219.3·θ)·sinθ (14)
(5)求起始螺旋角θ1:
(5.1)确定起始点的滑切角,取α=α1=7°
(5.2)分别求式(13)和式(14)对θ的导数,得式(15)和式(16);
(5.3)求x对y的导数,x对y的导数等于滑切角的正切的相反数,如式(17);
(5.4)根据式(17)求得起始螺旋角θ=θ1=37°=0.645rad;
(6)确定磨片结构:
(6.1)齿刃结构的确定:按照式(13)和式(14)表示的阿基米德螺旋线和起始螺旋角θ1=37°确定齿刃结构;
(6.2)齿宽的确定:取齿宽W为8.0mm;
(6.2)齿数的确定:各齿均匀圆周分别,齿数Z为144。
表1为实施例1-3的磨片结构参数及阿基米德螺旋线方程。
表1具体实施方式的各参数及阿基米德螺旋线方程
Claims (5)
1.一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片,其特征在于,所述磨片的齿刃轮廓为阿基米德螺旋线,所述磨片的齿刃轮廓满足如下方程:
式中,x和y分别为齿刃轮廓组成的阿基米德螺旋线上的点的横坐标和纵坐标,θ为螺旋角度,R0为阿基米德螺旋线的起始点构成的基圆的半径,R'为阿基米德螺旋线的基圆的半径,RP为阿基米德螺旋线与磨片的半径所在直线的交点—基准点构成的圆的半径;
2.根据权利要求1所述的一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片,其特征在于,所述磨片齿宽的范围为4.6~12mm。
3.根据权利要求1所述的一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片,其特征在于,所述磨片齿数的范围为140~375。
4.一种阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片的结构设计方法,其特征在于,所述结构设计方法包括如下步骤:
(1)确定磨片的内圆半径R1和外圆半径R2;
(2)确定阿基米德螺旋线起始点构成的基圆位置及其半径,所述基圆与磨片的内圆同心,半径R0=C1·R1,其中C1为常系数,取值范围为0.78~0.82;
(3)确定阿基米德螺旋线的基圆原点所在位置及其半径,所述基圆与磨片的内圆同心,半径R'=C2·R1,其中C2为常系数,取值范围为0.88~0.92;
(4)确定基准点及其相关参数并计算齿刃所在的阿基米德螺旋线方程;
(5)计算齿刃所在的阿基米德螺旋线的起始螺旋角;
(6)以步骤(4)和(5)得出的阿基米德螺旋线方程和螺旋角确定磨片结构;
其中:步骤(4)中,所述基准点为阿基米德螺旋线与热磨机磨片半径所在的直线的交点,用点P表示;基准点的相关参数包括基准点所在圆、基准点的滑切角αP和基准点处的螺旋角θp;
所述基准点所在圆与磨片内圆同心,半径Rp=C 3·R2;所述C 3为常系数,其取值范围为0.91~0.95;
步骤(4)还包括如下步骤:
(4.1)设阿基米德螺旋线参数方程如下,θ取弧度制;
x=(a+b·θ)·cosθ (1)
y=(a+b·θ)·sinθ (2)
上式中a为阿基米德螺旋线的起始点O”至点O’的距离,按下式计算:
(4.2)求得关键点处的螺旋角θp;
(4.3)求得参数方程的系数b值;
其中xp、yp分别为关键点的横纵坐标,R0为各条阿基米德螺旋线起始点构成的基圆半径;
联立式(1)、(2)、(3)、(4)、(5),求得;
(4.4)求得阿基米德螺旋线参数方程;
将式(3)和式(6)代入式(1)和式(2),得式(7)和(8),即为阿基米德螺旋线参数方程;
所述步骤(5)还包括如下步骤:
(5.1)确定起始点的滑切角;
α=α1 (9)
所述α1的范围为6.6°~7.8°;
(5.2)分别求式(1)和式(2)对θ的导数,得式(10)和式(11);
(5.3)求x对y的导数,x对y的导数等于滑切角的正切的相反数,如式(12);
(5.4)将式(3)、(4)、(9)和式(12)联立,求得的θ值即为磨齿的起始螺旋角,以θ1表示。
5.根据权利要求4所述的阿基米德螺旋线齿形结构的热磨机磨片的结构设计方法,其特征在于,所述步骤(6)包括如下步骤:
(6.1)确定齿刃结构:以式(10)和式(11)表示的阿基米德螺旋线为齿刃曲线,θ1为起始螺旋角,确定齿刃结构;
(6.2)确定齿宽:齿宽W的范围为4.6~12mm;
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