高強(qiáng)度絞絲管滾筒拋光機(jī)設(shè)計(jì)

張 寧，李艷琦

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350108)

高強(qiáng)度絞絲管滾筒拋光機(jī)設(shè)計(jì)

張 寧，李艷琦

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350108)

結(jié)合行業(yè)發(fā)展及社會(huì)實(shí)際需求，在對(duì)高強(qiáng)度絞絲管的制造工藝進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對(duì)高強(qiáng)度絞絲管滾筒的拋光設(shè)備，確定了高強(qiáng)度絞絲管滾筒的粗拋、精拋裝備結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)與校核。實(shí)踐證明：該拋光設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品成型質(zhì)量高。

高強(qiáng)度絞絲管;拋光機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塑料管從20世紀(jì)40年代開始使用，具有重量輕、耐腐蝕、水流阻力小、節(jié)約能源、安裝簡便且快捷等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度、剛性、抗沖擊性等遠(yuǎn)不如金屬管。目前，國內(nèi)研發(fā)出一種新型高強(qiáng)度塑料管(高強(qiáng)度絞絲管)［1-4］，由塑料樹脂和絞絲等制造而成，可克服金屬管和塑料管的不足，是集兩者優(yōu)點(diǎn)于一身的新型管材。該新型高強(qiáng)度塑料管已廣泛用于建筑給排水、飲用水管道以及采暖、化工、石油、天然氣輸送等領(lǐng)域。

高強(qiáng)度絞絲管產(chǎn)品是通過加熱玻纖并纏繞在高強(qiáng)度絞絲管滾筒(模具)上，通過脫模等一系列工序生產(chǎn)出來的。高強(qiáng)度絞絲管滾筒(模具)安裝在龍門銑床的工作臺(tái)上，并在龍門銑頭上安裝角度頭，銜接拋光輪速度轉(zhuǎn)向與龍門銑頭的動(dòng)力頭轉(zhuǎn)向裝置，支撐拋光輪的拋光架安裝在角度頭的螺栓銜接部分。這樣既能保證拋光架的支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)，還易于安裝及拆卸。本文針對(duì)高強(qiáng)度絞絲管滾筒的拋光需求設(shè)計(jì)了一種拋光設(shè)備。

1 高強(qiáng)度絞絲管滾筒的拋光機(jī)設(shè)計(jì)因素

在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業(yè)中所要求的表面拋光有很大的不同，塑料模具加工以機(jī)械拋光為主。由于目前機(jī)械拋光主要是靠人工完成，所以拋光技術(shù)是影響拋光質(zhì)量的主要原因。除此之外，拋光質(zhì)量還與模具材料、拋光前的表面狀況、熱處理工藝等有關(guān)。另外，鋼材中的各種夾雜物和氣孔也都不利于拋光。

拋光的工藝分為粗拋和精拋2部分。粗拋的機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，根據(jù)砂帶機(jī)的工作原理，需考慮以下因素：

1)安裝位置要求。砂輪機(jī)不能安裝在正對(duì)附近設(shè)備及操作人員或經(jīng)常有人過往的地方。如果因廠房地形的限制不能設(shè)置專用的砂輪機(jī)房，則應(yīng)在砂輪機(jī)正面裝設(shè)1.8 m高度的防護(hù)擋板，并且要求擋板牢固可靠。

2)砂帶輪的平衡要求。在砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，砂帶輪的不平衡會(huì)引起振動(dòng)，加快主軸軸承的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成砂輪的破裂，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。所以主動(dòng)軸與從動(dòng)軸要保證其平衡，這是此設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，亦是難點(diǎn)。

3)砂帶機(jī)的防護(hù)罩。防護(hù)罩是砂帶機(jī)最主要的防護(hù)裝置，其作用是當(dāng)砂帶輪在工作中因故破壞時(shí)，能有效地罩住砂帶輪碎片，保證人員的安全。砂帶輪防護(hù)罩的開口角度在主軸水平面以上，不允許超過65°。防護(hù)罩的安裝應(yīng)牢固可靠，不得隨意拆卸或丟棄不用。當(dāng)防護(hù)罩在主軸水平面以上開口大于等于30°時(shí)，必須設(shè)擋屑屏板，以遮擋磨削飛屑，避免傷及操作人員。它安裝于防護(hù)罩開口正端，寬度應(yīng)大于砂輪防護(hù)罩寬度，并且應(yīng)牢固地固定在防護(hù)罩上。砂輪圓周表面與擋板的間隙應(yīng)大于6 mm。

4)砂帶機(jī)的工件托架要求。托架是砂帶機(jī)常用的附件之一，砂帶機(jī)應(yīng)設(shè)置可調(diào)托架，即主動(dòng)軸是固定的，而從動(dòng)軸設(shè)置為可調(diào)，以便裝卸砂帶，砂帶輪與托架之間的距離最大不應(yīng)超過3 mm。

2 拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度絞絲管制備時(shí)，將玻璃纖維與聚丙烯等塑料以一定比例纏繞滾筒繞自身水平軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，來回交叉纏繞，達(dá)到所需厚度，再經(jīng)冷卻脫模。滾筒(模具)作為高強(qiáng)度絞絲管制備過程重要的組成部分，其本身必須達(dá)到使用的工藝要求。滾筒修圓工裝專為滾筒加工而設(shè)計(jì)。滾筒加工時(shí)，將滾筒(模具)固定于工裝支撐架上，其一端用電動(dòng)機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒(模具)轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)裝置固定于龍門銑床上，將滾筒不圓處銑圓，再用拋光機(jī)將其拋光滑，達(dá)到使用要求。

2.1 拋光過渡轉(zhuǎn)向選用的機(jī)床附件

拋光工作在龍門銑床上操作進(jìn)行。因?yàn)辇堥T銑頭上有電機(jī)，能帶動(dòng)銑頭旋轉(zhuǎn)。拋光滾筒工作的方向和銑頭工作轉(zhuǎn)向不一致，所以考慮選用角度頭。機(jī)床安上角度頭后，刀具旋轉(zhuǎn)中心線可以與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成一定角度加工工件。使用角度頭無需改變機(jī)床結(jié)構(gòu)就可以增大其加工范圍和適應(yīng)性，使一些用傳統(tǒng)方法難以完成的加工得以實(shí)現(xiàn)，并能減少工件重復(fù)裝夾，提高加工精度和效率。本文選取AHA系列橫向角度頭(側(cè)銑頭)。如圖1所示，本體采用FCD60-FCD65球狀石墨鑄鐵，該材料剛性強(qiáng)，加工穩(wěn)定，適用于中、輕切削。夾持刀具種類、尺寸多，采用ER32和ER40型式可涵蓋大部分加工應(yīng)用。

2.2 結(jié)構(gòu)初步建模

通過角度頭螺釘連接的部位固定砂帶機(jī)托架，主動(dòng)軸固定，從動(dòng)軸通過滑槽移動(dòng)可調(diào)，以便裝卸砂帶(拋光過程較復(fù)雜，要經(jīng)常更換砂帶)。如何保證主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的平行度是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因?yàn)樵阢姶驳碾姍C(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，拋光時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使從動(dòng)軸發(fā)生偏動(dòng)，導(dǎo)致拋光效果差。所以在設(shè)計(jì)托架即拋光架時(shí)，要能承受從動(dòng)軸工作時(shí)的受力引起的偏動(dòng)，保證一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。初步設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖1 AHA系列橫向角度頭及尺寸

圖2 粗拋的拋光機(jī)結(jié)構(gòu)初步建模

圖3 粗拋的拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

2.3 確定拋光機(jī)的設(shè)計(jì)基本方案并進(jìn)行整體優(yōu)化

粗拋時(shí)的工作狀態(tài)如圖4所示。工作時(shí)，手輪靠在圓柱銷上，從動(dòng)軸靠槽面和彈簧的彈力固定。手輪是凸輪和手柄的焊接件，通過銷軸固定在拋光架上。通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使從動(dòng)軸在滑槽內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)手輪凸輪的凹槽部分與從動(dòng)軸的圓柱面接觸時(shí)，機(jī)構(gòu)自鎖，這時(shí)就可以換砂帶了。采用手輪部件能夠使操作非常省力。

與初步建模的結(jié)構(gòu)圖相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)更能保證主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的平行性，而且結(jié)構(gòu)部件更為簡單。初步方案是把彈簧放在導(dǎo)桿外，導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)細(xì)長，設(shè)計(jì)上的穩(wěn)定性不夠，另外負(fù)載在拋光架上的零件小又多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且拋光架的可調(diào)機(jī)構(gòu)是通過調(diào)節(jié)手柄使從動(dòng)軸沿著滑槽運(yùn)動(dòng)。因克服彈簧的彈力做功不容易實(shí)現(xiàn)預(yù)想的效果，且費(fèi)力，所以改用凸輪機(jī)構(gòu)作為可調(diào)機(jī)構(gòu)。

圖4 粗拋的拋光機(jī)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

2.4 精拋時(shí)的拋光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拋光機(jī)通過旋轉(zhuǎn)研磨盤或拋光盤來平滑并拋光漆面，以除去微小的漆面缺陷，提高光亮度。目前拋光機(jī)所用的拋光盤主要有3種：羊毛盤、粗質(zhì)海綿盤和柔軟海綿盤。其中羊毛盤和粗質(zhì)海綿盤用于中度拋光研磨，而柔軟海綿盤的拋光面大都做成凹凸有序的波浪形，有利于精細(xì)拋光。拋光作業(yè)時(shí)需要區(qū)分使用拋光盤。精拋時(shí)，拋光輪與法蘭盤聯(lián)接后應(yīng)先進(jìn)行平衡調(diào)試，砂輪整形修整后或工作中發(fā)現(xiàn)不平衡時(shí)應(yīng)重新調(diào)試至平衡。轉(zhuǎn)盤速度可適當(dāng)提高。拋光時(shí)間以拋掉粗拋的損傷層時(shí)為宜。精拋拋光機(jī)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖5 精拋拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

圖6 精拋拋光機(jī)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3 拋光機(jī)零部件參數(shù)計(jì)算

3.1 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校驗(yàn)

本文采用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件進(jìn)行軸設(shè)計(jì)計(jì)算。軸的材料：主動(dòng)軸為40Cr，從動(dòng)軸為45#。銑床的電動(dòng)機(jī)選用伺服電動(dòng)機(jī)，主軸電動(dòng)機(jī)為Y132M-4-B3，7.5 W，380 V，1 450 r/min。依計(jì)算公式得：

3.2 彈簧的力學(xué)性能校核

圓柱螺旋壓縮彈簧的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和共振的驗(yàn)算：

1)壓縮彈簧穩(wěn)定性驗(yàn)算。對(duì)于高徑比較大的壓縮彈簧，當(dāng)軸向載荷達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向彎曲而失去穩(wěn)定性。為了保證使用穩(wěn)定，高徑比b=H0/D應(yīng)滿足下列要求：

① 兩端固定b≤5.3;

②一端固定另一端回轉(zhuǎn)b≤3.7;

③ 兩端回轉(zhuǎn)≤2.6。

當(dāng)高徑比b大于上述數(shù)值時(shí)，按下式進(jìn)行驗(yàn)算

式中：Pc為彈簧的臨界載荷(N);CB為不穩(wěn)定系數(shù)，從圖7中查取;P'為彈簧剛度(N/mm);Pn為最大工作載荷(N)。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用圓柱螺旋壓縮彈簧YA 2x16x65 GB/T 2089—1994，b=H0/D=65/16=4.062 5≤5.3。該彈簧屬于兩端固定，符合本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

圓柱螺旋壓縮彈簧是裝在拋光架的圓孔中，其圓孔與圓柱螺旋壓縮彈簧之間的間隙要求如表1所示。

表1 導(dǎo)桿、導(dǎo)套與彈簧內(nèi)(外)直徑的間隙值

查取間隙值為2～3 mm，而圓孔直徑是21 mm，圓柱螺旋壓縮彈簧的外徑是18.5 mm，所以間隙值為21-18.5=2.5 mm(滿足2～3 mm要求)。

圖7 不穩(wěn)定系數(shù)

2)強(qiáng)度驗(yàn)算。對(duì)于受循環(huán)載荷的重要彈簧(Ⅰ、Ⅱ類)應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。受循環(huán)載荷次數(shù)少或所受循環(huán)載荷的變化幅度小時(shí)，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度驗(yàn)算。當(dāng)兩者不易區(qū)別時(shí)，要同時(shí)進(jìn)行2種強(qiáng)度的驗(yàn)算。

表2 高優(yōu)質(zhì)鋼絲、不銹鋼絲、鈹青銅和硅青銅循環(huán)載荷下的剪切強(qiáng)度τ0

靜強(qiáng)度驗(yàn)算：

式中：τa為彈簧材料的屈服極限，碳素彈簧鋼絲取 τs=0.42σB，硅錳合金簧絲取 τs=0.51τB;SP為許用安全系數(shù)，與疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算的選取相同。

因?yàn)閺椈?材料是65Mn)在本產(chǎn)品中受循環(huán)載荷次數(shù)少，且所受循環(huán)載荷的變化幅度小，所以進(jìn)行靜強(qiáng)度驗(yàn)算：

式中：根據(jù)文獻(xiàn)［5］、表 2，τa為 0.5σB;根據(jù)文獻(xiàn)［5］、表3，σB=1 650。驗(yàn)算合格。

3)共振驗(yàn)算。對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)中承受循環(huán)載荷的彈簧需進(jìn)行共振驗(yàn)算。驗(yàn)算公式為：

式中：f為彈簧的自振頻率(Hz);fτ為強(qiáng)迫機(jī)械振動(dòng)頻率(Hz);d為彈簧材料直徑(mm);D為彈簧中徑(mm);n為彈簧有效圈數(shù)。

對(duì)于減振彈簧，按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：g為重力加速度，g=9.8×10-3mm/s2;P'為彈簧剛度(N/mm);W為載荷(N)。

主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核計(jì)算及彈簧的力學(xué)性能校核計(jì)算結(jié)果表明：拋光機(jī)能夠滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的拋光機(jī)結(jié)構(gòu)解決了拋光機(jī)橡膠輪與鋁輪之間的不平衡問題，有效避免了砂輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的振動(dòng)，減少了不平衡導(dǎo)致的主軸軸承的磨損。試驗(yàn)證明：所設(shè)計(jì)的拋光設(shè)備在高強(qiáng)度絞絲管生產(chǎn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，粗拋時(shí)能夠有效地保證主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的平行關(guān)系，使得拋光機(jī)工作平穩(wěn)。加工的高強(qiáng)度絞絲管產(chǎn)品外觀和表面質(zhì)量等參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］ 潘元平.一種耐用高強(qiáng)度塑料管［P］.中國專利：201210311299.3，2013-01-09.

［2］ 陸琴.高強(qiáng)度塑料管［P］.中國專利：201220381966.0，2013-03-13.

［3］ 武科金.一種高強(qiáng)度新型塑料管件［P］.中國專利：201310211041.0，2013-09-04.

［4］ 蘇國中.高強(qiáng)度塑料管［P］.中國專利：201010299344.9，2011-05-11.

［5］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.

Polishing Machine for High Strength Ground Wire

ZHANG Ning，LI Yan-qi
(School of Mechanical and Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Combined with the requirements of the development of industry and social demands，a polishing machine which can produce the high strength fiber tube is designed on the basis of a detailed analysis of the manufacturing process of high-strength twisted wire tube.Rough cast，fine polishing equipment structure of the high-strength twisted wire tube roller is identified.This paper optimized the structure through check key parts.The polishing equipment can be operated stably，and the quality of the product is stable through practice.

high strength fiber tube;polishing machine;structure design

TH12

A

1674-8425(2014)04-0037-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.04.008

2014-01-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(501305079);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01168);福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金資助項(xiàng)目(GY-Z11075)

張寧(1963—)，男，福建人，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、材料加工系統(tǒng)等方面研究。

張寧，李艷琦.高強(qiáng)度絞絲管滾筒拋光機(jī)設(shè)計(jì)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(4)：37-41.

format：ZHANG Ning，LI Yan-qi.Polishing Machine for High Strength Ground Wire［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：37-41.

(責(zé)任編輯 劉 舸)