車床砂帶拋磨綠色工藝的研究*

孫千里，沈鑫剛，范進(jìn)楨，鄔鎮(zhèn)波，耿金良

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海天學(xué)院，浙江 寧波 315800； 2.海托模具制造有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引 言

砂帶磨削和研拋是一種比較傳統(tǒng)且得到廣泛應(yīng)用的加工方法，其應(yīng)用范圍近年來得到很大擴(kuò)展。

在國(guó)外，該工藝從上世紀(jì)60年代起步，現(xiàn)在已發(fā)展到較高水平，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，砂帶磨削占磨削的比例近50%［1-2］。

國(guó)內(nèi)對(duì)砂帶磨削、拋光的機(jī)理及應(yīng)用也有了一定研究。例如:潘復(fù)生等［3］對(duì)砂帶磨削金屬材料機(jī)理進(jìn)行了研究；吳昌林等對(duì)［4］鋁合金輪轂曲面砂帶磨削方法進(jìn)行了研究；黃云等［5-7］對(duì)砂帶磨床模塊化設(shè)計(jì)、采用開式砂帶進(jìn)行曲軸軸頸研磨進(jìn)行了系統(tǒng)研究；張菊霞等［8-9］對(duì)砂帶磨削的研究集中在螺旋槳葉片砂帶的數(shù)控拋磨方面。

雖然以上研究的側(cè)重點(diǎn)各不相同，但就其所采用的砂帶磨削裝置而言，都包含了主動(dòng)輪、張緊輪和導(dǎo)輪、接觸輪等主要組成部分?！稒C(jī)械加工工藝手冊(cè)》中總結(jié)的30種閉式砂帶磨削類型也表明了這一點(diǎn)［10］。換句話說，無論采用哪種砂帶磨削類型，均離不開電機(jī)對(duì)砂帶的驅(qū)動(dòng)。

受DK150型鋼材捆扎機(jī)依靠摩擦輪驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)送帶、收帶啟發(fā)［11］，本研究所提出的車床用砂帶磨削裝置，去除傳統(tǒng)砂帶磨頭的電機(jī)部件，以工件的旋轉(zhuǎn)作為唯一的動(dòng)力來源，以達(dá)到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本、減少能耗的目的。該方法尚未見載于文獻(xiàn)，是砂帶磨削和研拋工藝的新嘗試。

1 砂帶拋磨綠色工藝的原理

1.1 工件對(duì)砂帶同步驅(qū)動(dòng)的設(shè)想及驗(yàn)證

查文獻(xiàn)［9］可知，各種傳統(tǒng)砂帶磨頭的工作原理、主要尺寸及參數(shù)的計(jì)算與帶傳動(dòng)基本相同。分別列舉外圓及內(nèi)圓磨頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 砂帶磨頭結(jié)構(gòu)

本研究提出，在上述磨頭中，工件可以視為帶傳動(dòng)的組成部分。在拆除電機(jī)的情況下，旋轉(zhuǎn)的工件可以充當(dāng)主動(dòng)輪的作用，實(shí)現(xiàn)帶的傳動(dòng)。以圖1（a）為例，拆除電機(jī)后，以旋轉(zhuǎn)的工件充當(dāng)主動(dòng)輪的傳動(dòng)情況如圖2所示。

圖2 工件充當(dāng)主動(dòng)輪的砂帶傳動(dòng)

本研究通過實(shí)驗(yàn)對(duì)以上設(shè)想進(jìn)行了驗(yàn)證。

寧波海托模具制造有限公司的車床用砂帶磨頭如圖3所示，筆者切斷電機(jī)電源后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

工件在一定的主軸轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，讓砂帶壓緊工件，砂帶在工件驅(qū)動(dòng)下傳動(dòng)。本研究用手持式紅外線測(cè)速儀記錄砂帶的線速度，且改變主軸轉(zhuǎn)速，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，忽略實(shí)驗(yàn)誤差，工件與砂帶的線速度基本一致，這意味著工件完全可以充當(dāng)主動(dòng)輪的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂帶的同步驅(qū)動(dòng)。

1.2 砂帶磨削或研拋工作的形成

當(dāng)工件對(duì)砂帶同步驅(qū)動(dòng)時(shí)，工件與砂帶的相對(duì)速度為零，不能形成切削。與此相反，如果工件旋轉(zhuǎn)，砂帶靜止，則形成了切削工作，但砂帶的磨損位置集中，整條砂帶的使用壽命低。理想的情況是，工件與砂帶既有合理的速度差，以保證產(chǎn)生切削工作，又要保證砂帶的勻速移動(dòng)，使整條砂帶的磨損均勻，使用壽命延長(zhǎng)。

因此，在工件對(duì)砂帶同步驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，為了形成有效的砂帶磨削或研拋工作，應(yīng)采取以下措施:

（1）應(yīng)對(duì)砂帶施加一定的阻尼，降低砂帶的線速度，使工件與砂帶之間形成足夠的速度差；

（2）為了穩(wěn)定砂帶的速度，應(yīng)保證整個(gè)砂帶傳動(dòng)鏈的有足夠大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.3 與傳統(tǒng)的砂帶拋磨工藝的比較

與傳統(tǒng)的砂帶拋磨工藝的比較情況如表2所示。

表2 本研究工藝與傳統(tǒng)砂帶拋磨工藝的比較

2 車床用無電機(jī)砂帶磨頭的設(shè)計(jì)

2.1 磨頭的結(jié)構(gòu)組成

車床用拋磨光軸砂帶磨頭如圖4所示。

圖4 車床砂帶磨頭

支持座3為“L”形，側(cè)面是磨頭各功能零部件的安裝基準(zhǔn)面，底面是磨頭在車床刀架上的安裝基準(zhǔn)面。支架10連同安裝其上的兩個(gè)張緊輪1一起，可以沿支持座3上的導(dǎo)向槽作整體前、后移動(dòng)，前、后位置由張緊螺母6通過絲杠調(diào)節(jié)。導(dǎo)輪4可以增大砂帶對(duì)張緊輪1及慣性輪5的包角。

風(fēng)動(dòng)阻尼7組件主要包含單向節(jié)流閥、殼體、葉輪、傳動(dòng)軸等部分，其中葉輪、傳動(dòng)軸與慣性輪5同軸。通高壓氣后，在葉輪上形成與慣性輪5旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，該扭矩通過傳動(dòng)軸、平鍵作用于慣性輪5上，對(duì)砂帶的傳動(dòng)起阻尼作用。阻尼的大小由氣壓決定，可通過單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

2.2 磨頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

磨頭結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下:

（1）整體尺寸較小，可以像車刀一樣安裝在車床刀架上使用；由于尺寸小，攜帶方便，可以作為車床附件存放，拓寬車床的工藝范圍。

（2）增大輔輪5的轉(zhuǎn)性慣量，作為慣性輪，平穩(wěn)砂帶2的線速度。

（3）風(fēng)動(dòng)阻尼7只要接通機(jī)床的高壓氣源就能使用，使用條件簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，環(huán)保。

（4）采用自由式砂帶磨削方式，能適用于比較大直徑范圍的零件加工。

3 工藝實(shí)施舉例

本研究以拋光材料為45鋼（硬度28-32HRC）的活塞桿為例，說明該工藝研究的實(shí)施，活塞桿零件圖如圖5所示。零件拋光前表面粗糙度Ra 6.3～3.2，留余量0.05 mm～0.08 mm，經(jīng)拋光后達(dá)到圖樣要求。

圖5 活塞桿零件圖

3.1 砂帶及切削參數(shù)選擇

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本研究選擇GXK51-P320布基氧化鋁砂帶。切削速度為2 m/s，忽略砂帶移動(dòng)速度，可折算出工件轉(zhuǎn)速為1 300 r/min。

3.2 磨頭安裝與調(diào)整

磨頭安裝與調(diào)整步驟如下:

（1）松開張緊輪支架10的鎖緊螺釘9，調(diào)節(jié)螺母6，使支架10縮回，按圖4所示安裝砂帶，調(diào)節(jié)螺母6，以手感判斷，砂帶初步張緊后鎖緊支架10。

（2）以三爪卡盤與尾座頂尖組合安裝工件。

（3）將砂帶磨頭安裝到車床刀架上，接通高壓氣（此時(shí)應(yīng)關(guān)閉單向節(jié)流閥）。注意調(diào)整磨頭方向，使砂帶前端面與主軸回轉(zhuǎn)中心平行。啟動(dòng)主軸，工件以1 300 r/min旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)中溜板，將砂帶壓緊工件，使砂帶被工件同步驅(qū)動(dòng)。（注意，砂帶最終張緊力應(yīng)控制在60 N～80 N/10 mm，實(shí)際工作中多憑手感經(jīng)驗(yàn)判斷。）

（4）調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥，增大阻尼，使砂帶最終以極緩慢的速度移動(dòng)，砂帶進(jìn)入拋光工作。

（5）自動(dòng)走刀，使砂帶沿工件軸向移動(dòng)，完成拋光。

3.3 加工結(jié)果分析

經(jīng)多個(gè)批次的生產(chǎn)證明，零件采用本研究提出的工藝所完成的拋光后，表面粗糙度能達(dá)到圖樣要求。零件拋光前、后對(duì)比如圖6所示。

圖6 零件拋光前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了一種車床砂帶拋磨工藝，以及基于該工藝設(shè)計(jì)的砂帶磨頭。研究結(jié)果表明，利用工件的旋轉(zhuǎn)及慣性輪與阻尼的輔助作用，驅(qū)動(dòng)砂帶緩慢移動(dòng)，能成功完成砂帶磨削和研拋工作。筆者所設(shè)計(jì)的無電機(jī)砂帶磨頭體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，可作為車床附件，有效地?cái)U(kuò)大車床的工藝范圍。該工藝節(jié)能環(huán)保，是綠色加工工藝的一種新嘗試。

該工藝局限于車床上應(yīng)用，并且筆者在工程實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，砂帶磨頭還應(yīng)在有效控制砂帶壓力、防砂帶跑偏、提高風(fēng)動(dòng)阻尼的響應(yīng)速度等方面進(jìn)一步改善設(shè)計(jì)。

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