金屬槽筒螺旋槽主動(dòng)仿形拋光機(jī)的研制

于永民 李 峰

(①中原工學(xué)院，河南 鄭州450007;②中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院，河南 鄭州450007)

傳統(tǒng)的拋光，是以被加工工件的原有表面為基準(zhǔn)的“自為基準(zhǔn)”的加工工藝，這種加工方式實(shí)際上也是對(duì)被加工工件原有表面形狀的仿形加工。由于復(fù)雜曲面的仿形較難實(shí)現(xiàn)，所以，目前對(duì)于復(fù)雜曲面拋光仍然以人工操作為主［1-3］。

槽筒是絡(luò)筒機(jī)的關(guān)鍵零件，為了實(shí)現(xiàn)錐形筒子絡(luò)紗時(shí)的等速和等密度卷繞，需要在槽筒的圓柱表面上加工出左右旋往復(fù)式大導(dǎo)程、變螺距、變旋轉(zhuǎn)角以及變深度的錐形螺旋溝槽(如圖1 所示)。由于槽筒溝槽表面曲率非常復(fù)雜，所以目前國(guó)內(nèi)對(duì)金屬槽筒溝槽的拋光，普遍采用人工操作的方式，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、勞動(dòng)環(huán)境差，而且拋光表面易燒傷，型面精度和表面完整性難以保證，同時(shí)受到工人技術(shù)等級(jí)和熟練程度的影響，加工質(zhì)量不穩(wěn)定［4-6］。

為了實(shí)現(xiàn)槽筒機(jī)械化自動(dòng)拋光，對(duì)槽筒的設(shè)計(jì)曲線和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，提出“主動(dòng)”仿形的概念和拋光方法。并根據(jù)“主動(dòng)”仿形的原理研制了“主動(dòng)仿形”拋光機(jī)，不但實(shí)現(xiàn)了槽筒機(jī)械化自動(dòng)拋光，而且還解決了金屬槽筒生產(chǎn)周期長(zhǎng)、表面一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，同時(shí)也為其他零件的自動(dòng)拋光提供了一種思路和方法。

1 零件分析

圖2 為某型號(hào)槽筒的結(jié)構(gòu)示意圖。材質(zhì)為合金鑄鋼。整體外形是直徑94 mm 的空心圓柱，表面上有2圈(標(biāo)準(zhǔn)型)左右旋往復(fù)式大導(dǎo)程、變螺距、變旋轉(zhuǎn)角以及變深度的錐形螺旋溝槽。由于螺旋溝槽形狀和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，機(jī)械加工較難實(shí)現(xiàn)，所以采用精密鑄造的方式把螺旋溝槽鑄造成型。按照加工工藝，端面、外圓、孔等結(jié)構(gòu)已經(jīng)加工完成，對(duì)螺旋溝槽的拋光要求是Ra≤0.4 μm 其溝槽設(shè)計(jì)曲線是介于正弦曲線和指數(shù)曲線之間的一種折中曲線，該曲線展開形似一條直線段［7-9］，如圖3 所示。

2 整體方案設(shè)計(jì)

所謂“主動(dòng)仿形”，就是被加工工件的表面“主動(dòng)”向設(shè)計(jì)曲線的仿形。其基本原理是:以原設(shè)計(jì)曲線為基準(zhǔn)，通過對(duì)槽筒運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制與調(diào)整，合成出符合設(shè)計(jì)要求的槽筒溝槽的虛擬曲線;通過對(duì)游離態(tài)磨料運(yùn)動(dòng)控制，使其形成按照合成虛擬曲線軌跡運(yùn)動(dòng)的磨料流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工工件表面形狀進(jìn)行仿形拋光。

2.1 槽筒溝槽曲線的主動(dòng)仿形

螺旋運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所合成。在傳統(tǒng)的機(jī)床中采用齒輪閉環(huán)傳動(dòng)，它們之間存在著嚴(yán)格的速比關(guān)系，即工件回轉(zhuǎn)一周，軸向直線位移一個(gè)導(dǎo)程(螺距)。然而如果采用非閉環(huán)傳動(dòng)，分別控制直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就可以在槽筒表面上形成符合設(shè)計(jì)要求的變螺距、變旋轉(zhuǎn)角度的虛擬螺旋線軌跡。

圖4 為主動(dòng)仿形自動(dòng)拋光機(jī)的拋光原理圖。工件在主軸箱的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為n)，同時(shí)又與主軸箱一起在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)(速度為P)，因此槽筒(工件)外圓上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)螺距與(P/N)的比值相關(guān)的螺旋線，運(yùn)動(dòng)速度就是P與n 的合成。當(dāng)槽筒繞中心線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其外圓上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一個(gè)螺旋線。調(diào)整旋轉(zhuǎn)與軸向運(yùn)動(dòng)的比值，就可以得到一個(gè)與槽筒的設(shè)計(jì)溝槽曲線相一致的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)仿形。

2.2 磨料螺旋流的仿形與拋光

圖4 工件在主軸箱的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為n)，同時(shí)又與主軸箱一起在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)(速度為P);料筒在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下使料筒中的介質(zhì)(磨球)一同旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速為N)，形成平面環(huán)流;當(dāng)工件在旋轉(zhuǎn)的料筒中作螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨球與螺旋溝槽表面發(fā)生碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向，在一定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系條件下，形成與虛擬曲線契合但沿槽筒螺旋溝槽表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨料流，從而實(shí)現(xiàn)槽筒工件表面的仿形磨削拋光。

由于磨料流是按照虛擬曲線的軌跡運(yùn)動(dòng)的，所以，其拋光的結(jié)果，是現(xiàn)有表面形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線(虛擬曲線)的仿形。即:實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有表面形狀對(duì)設(shè)計(jì)曲線的仿形拋光。

3 硬件設(shè)計(jì)

如圖4 所示為主動(dòng)仿形拋光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。曲柄連桿機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝在門架上，電動(dòng)機(jī)通過皮帶帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，并把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯舷峦鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng);主軸箱通過連桿安裝在曲軸上，工件用夾具安裝在主軸箱伸出主軸上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿使主軸箱和工件一起上下運(yùn)動(dòng);電動(dòng)機(jī)通過PLC 控制和調(diào)速，控制工件上下運(yùn)動(dòng)頻率和速度;主軸箱裝有電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)安裝在主軸上工件旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)通過PLC控制和調(diào)速。

主軸箱懸掛在曲軸上，曲軸由兩根立柱支撐，在立柱的兩側(cè)安裝有滾動(dòng)軸承作為主軸箱的剛性支撐并沿立柱導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，以免振動(dòng)影響拋光效果。

主軸箱采用齒輪和鏈輪多級(jí)傳動(dòng)，主軸箱伸出多根主軸，可以一次裝夾多個(gè)工件。工件通過夾具在主軸上剛性連接，以保證拋光效率和拋光質(zhì)量。

下部為一個(gè)裝有光整介質(zhì)的料筒，料筒有單獨(dú)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，相對(duì)主軸反向回轉(zhuǎn)，主軸和料筒都具有正、反轉(zhuǎn)功能。

拋光加工時(shí)，工件用夾具安裝在主軸上，在主軸箱的帶動(dòng)下自轉(zhuǎn)，同時(shí)又與主軸箱一起在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在料筒內(nèi)的光整介質(zhì)中上、下運(yùn)動(dòng);料筒在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，相對(duì)主軸反向回轉(zhuǎn)，主軸和料筒都具有正、反轉(zhuǎn)功能。3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)由PLC 集中控制，形成合適的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使槽筒的運(yùn)動(dòng)合成出符合設(shè)計(jì)要求的虛擬曲線;使游離態(tài)磨料形成按照合成虛擬曲線軌跡運(yùn)動(dòng)的磨料流，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)仿形拋光。

4 控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)

如圖5、6 所示分別是槽筒(工件)“主動(dòng)仿形”拋光機(jī)的控制系統(tǒng)圖和軟件設(shè)計(jì)框圖。

(1)啟動(dòng)電源后，PLC 上電，人機(jī)界面上電，PLC與人機(jī)界面互相通訊。

(2)通過人機(jī)界面設(shè)定驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、主軸箱旋轉(zhuǎn)時(shí)間、料筒電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

(3)按動(dòng)控制按鈕，PLC 控制程序啟動(dòng)，曲軸電動(dòng)機(jī)變頻器、主軸箱電動(dòng)機(jī)變頻器啟動(dòng)、料筒電動(dòng)機(jī)變頻器同時(shí)啟動(dòng)，使曲軸電動(dòng)機(jī)、主軸箱電動(dòng)機(jī)、料筒電動(dòng)機(jī)按照不同的速度、不同的方向旋轉(zhuǎn)。

(4)曲軸電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定圈數(shù)，主軸箱電動(dòng)機(jī)、料筒電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定時(shí)間3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)語

(1)主動(dòng)仿形拋光機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化無人操作，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，拋光質(zhì)量高。解決了金屬槽筒生產(chǎn)周期長(zhǎng)、表面一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，與人工拋光相比節(jié)約了成本，而且改善了工作環(huán)境和條件。同時(shí)，也為類似零件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拋光提供了一種新的思路和方法。

(2)以原設(shè)計(jì)曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行仿形拋光，其理論誤差較小，同時(shí)，還可以對(duì)前期的制造誤差進(jìn)行適量修正。拋光后的導(dǎo)紗實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以理論曲線進(jìn)行仿形拋光，其效果優(yōu)于人工仿形拋光。

(3)設(shè)備主要運(yùn)動(dòng)參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速為:0～60 r/min;正、反轉(zhuǎn);主軸箱上下運(yùn)動(dòng)頻率為:0～30 Hz;料筒轉(zhuǎn)速為:0～35 r/min，正、反轉(zhuǎn)。

(4)磨料的運(yùn)動(dòng)和切削不但與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，而且還與磨料的種類、磨球大小，磨料粒度以及潤(rùn)滑液等多種因素有關(guān)。所以，要在計(jì)算參數(shù)基礎(chǔ)上，調(diào)整料筒和工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與主軸箱(工件)上下運(yùn)動(dòng)之間的速度配合關(guān)系，才能使本設(shè)備的拋光效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

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