免修整的端面砂輪去毛刺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡冠之，吳衛(wèi)超，郭雅坤

(湖北中航精機(jī)科技有限公司，湖北襄陽(yáng)441057)

現(xiàn)在的汽車零部件企業(yè)，需要大批量生產(chǎn)零部件對(duì)外配套，由此帶來(lái)了生產(chǎn)方式的改變，裝備提檔升級(jí)、自動(dòng)化、改善環(huán)境、提高效率等，要求越來(lái)越高;某公司的精沖零件產(chǎn)量達(dá)3 ×107件/年，幾乎個(gè)個(gè)都要去毛刺?，F(xiàn)實(shí)的情況是:

(1)人工去毛刺無(wú)法滿足進(jìn)度效率及質(zhì)量一致的要求;

(2)精沖零件必然會(huì)產(chǎn)生毛刺，但其毛刺屬塌角多肉型毛刺;同一個(gè)零件上有不同高度的毛刺，高度e1=0.05～0.2 mm，e2=0.3～0.6 mm 均有;見圖1;

(3)精沖板狀零件表面不僅有半沖凸臺(tái)，而且尺寸精度較高，去毛刺時(shí)不能傷及母體及凸臺(tái);

(4)精沖零件需要在去除相關(guān)型面四周的全部毛刺后，才能進(jìn)行下道工序或進(jìn)行裝配;

(5)環(huán)境差，易得職業(yè)病，人力資源缺乏;不要增加修整任何砂輪環(huán)節(jié)等。

圖1 一種零件及毛刺圖

1 去毛刺方法選擇

用“機(jī)械—特型砂輪法”，將一定形狀的特型非標(biāo)金屬CBN 砂輪(其粒度60～120#)固定在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)床磨頭上;零件(工件)瞬間接觸砂輪并離開(另外機(jī)構(gòu)完成)，毛刺即除。

2 工作原理

磨削機(jī)構(gòu)需要設(shè)計(jì)成行星平動(dòng)機(jī)構(gòu)型式，即既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)與常見的行星機(jī)構(gòu)不同(漸開線少齒差、擺線針輪、諧波齒輪、活齒等)。該機(jī)構(gòu)由高速電主軸提供動(dòng)力，并與特種砂輪連接一起高速轉(zhuǎn)動(dòng)作為自轉(zhuǎn);普通三相電機(jī)帶動(dòng)偏心軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，保證公轉(zhuǎn);并用兩根T 型帶連接，不能絞線絞管。

接觸工件的磨頭主要是金屬機(jī)體的CBN 砂輪，該砂輪主要工作面為端面磨削，其受力既有軸向又有徑向，以軸向受力為主、徑向受力為輔。

確保端面磨削工件時(shí)，砂輪運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線軌跡既磨削了毛刺，又能壓住工件，同時(shí)對(duì)砂輪端面做動(dòng)態(tài)自銳修整;因此砂輪的外圓尺寸設(shè)計(jì)要模擬，不能隨便給尺寸(設(shè)計(jì))，否則可能會(huì)磨掉外邊的夾具;砂輪的內(nèi)圓尺寸(空心環(huán)形)設(shè)計(jì)也要模擬，不能隨便給尺寸(設(shè)計(jì))，否則因?yàn)閺较蚋魅Φ乃俣炔灰粯釉斐缮拜喍嗣婺p不均帶來(lái)高度不一(中心高)，進(jìn)而磨不掉毛刺，也可能會(huì)磨掉中間有用的工件凸臺(tái)(工件與毛刺同側(cè)時(shí))。

包絡(luò)線的偏心距在模擬時(shí)一并找到，即保證砂輪運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)線軌跡最大處超過(guò)工件表面最遠(yuǎn)點(diǎn)，最近處稍稍遠(yuǎn)離工件中心的凸臺(tái)或凸臺(tái)半沖圓。砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡模擬見圖2。

圖2 行星運(yùn)動(dòng)軌跡模擬圖

3 工作流程圖

工作流程如下:公轉(zhuǎn)電機(jī)→皮帶輪1→T 型雙皮帶→皮帶輪2偏心軸套→自轉(zhuǎn)高速電主軸→高速金屬砂輪→磨削工件表面毛刺。

4 結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)上述工作原理及工作流程，設(shè)計(jì)出的端面免修整的砂輪去毛刺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3—4所示。

圖3 行星平磨機(jī)構(gòu)爆炸圖

圖4 行星平磨機(jī)構(gòu)3D 總圖

從上述結(jié)構(gòu)原理圖看出，其結(jié)構(gòu)主要包括高速電主軸、三相異步電機(jī)、T 型帶、偏心套、圓錐滾子軸承組、防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、特種金屬CBN 砂輪、連接軸、定位座、大小端透蓋、磨頭外套、磨頭座、張緊軸、直線導(dǎo)軌副、安全罩、連接螺釘?shù)?。其中各端蓋內(nèi)裝有密封毛氈條。該設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是:僅用偏心套就實(shí)現(xiàn)了需要的行星運(yùn)動(dòng)軌跡，制造也相對(duì)簡(jiǎn)單。

該機(jī)構(gòu)是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，要達(dá)到相同的目的，盡可能地表現(xiàn)出與眾不同的結(jié)構(gòu)。下邊列舉部分典型結(jié)構(gòu)。

4.1 電主軸外套設(shè)計(jì)

外購(gòu)的高速電主軸的外形為光滑圓柱，其一端為伸出高速轉(zhuǎn)軸接口，另一端伸出有電、氣、水接口管，外圓柱材質(zhì)為不銹鋼。結(jié)合它的特性，要想固定好電主軸，只有將其裝入一個(gè)套筒內(nèi)才能既固定牢固又不損傷電主軸。電主軸的外套設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 電主軸外套設(shè)計(jì)圖

4.2 電主軸偏心套設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)行星平動(dòng)的關(guān)鍵要素之一，就是專門設(shè)計(jì)了一個(gè)偏心軸套。該偏心軸套的內(nèi)外圓均各能容納一對(duì)較大的圓錐滾子軸承，偏心距離模擬得出，加上其他零件一起，公轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)它做行星運(yùn)動(dòng)。偏心軸套的設(shè)計(jì)圖見圖6。

圖6 偏心軸套3D 圖

4.3 磨頭座設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)裝配總成的凈質(zhì)量達(dá)到100 kg，而且這些質(zhì)量全部靠磨頭座承擔(dān)后固定在毛刺機(jī)上適應(yīng)動(dòng)態(tài)工作。對(duì)其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、外形、可靠性、拆裝方便性等做了合理的設(shè)計(jì)。磨頭座的設(shè)計(jì)圖見圖7。

圖7 磨頭座3D 圖

4.4 防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏心軸套轉(zhuǎn)圈的同時(shí)，雖有一對(duì)軸承在內(nèi)，但還是有可能將磨頭外套帶上一起轉(zhuǎn)動(dòng)(磨頭座不可能轉(zhuǎn)，它固定在毛刺機(jī)上)。如果是這樣的話，就會(huì)抵消高速運(yùn)轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，降低磨削去毛刺的質(zhì)量(到底抵消多少不得而知，還會(huì)絞線絞管)，達(dá)不到行星運(yùn)動(dòng)的目的。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要解決這個(gè)問題，防止磨頭外套轉(zhuǎn)圈。而且要求它輕松地適應(yīng)偏心運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的頻次較高的前后、左右方向的動(dòng)態(tài)移動(dòng)和撞擊。提高材料等級(jí)，提高硬度，設(shè)置合適的間隙等，并增加直線導(dǎo)軌副，將它設(shè)計(jì)在后置位置，保證其強(qiáng)度足夠、結(jié)構(gòu)合理、配合面耐磨、不干涉其他元件、噪聲盡可能地小等。防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖見圖8。

圖8 防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

4.5 傳動(dòng)皮帶盤設(shè)計(jì)

通電運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)通過(guò)皮帶盤、T 型皮帶帶動(dòng)磨頭執(zhí)行公轉(zhuǎn)任務(wù)，其中皮帶盤必不可少。為了提高效率、減輕質(zhì)量、減小體積，專門設(shè)計(jì)成雙槽皮帶盤，材料選用鋁材，找到合適的傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)成最小尺寸的主/從皮帶盤的外形。主/從皮帶盤的設(shè)計(jì)圖見圖9。

圖9 主/從皮帶盤3D 圖

5 砂輪工作分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 砂輪工作分析

磨削機(jī)構(gòu)工作時(shí)需要滿足:在極短的時(shí)間(0.5～0.6 s)內(nèi)，一次性完成高硬度的合金鋼(SNCM220，HRC59～65)表面的毛刺(最大高度0.4～0.6 mm)去除工作;采用高速電主軸(30 000～40 000 r/min)作為主動(dòng)力源，配套普通電機(jī)作公轉(zhuǎn)(286 r/min～4.7 r/s)，及時(shí)掃過(guò)零件毛刺表面(公轉(zhuǎn)圈數(shù)0.5～0.6 ×4.7 r/s=2.3～2.8 圈)。這些均是以要達(dá)到最快的生產(chǎn)節(jié)拍為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

僅有這些還不夠，還必須有一個(gè)相配套的高壽命砂輪，才算是一套完整的高效的去毛刺機(jī)構(gòu)。

磨削時(shí)砂輪在工件表面掃過(guò)的圈數(shù)與工件表面的去毛刺質(zhì)量有關(guān)。圈數(shù)多，工件的表面質(zhì)量好，生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)，砂輪磨損快;圈數(shù)少，工件的表面質(zhì)量差，生產(chǎn)節(jié)拍短，砂輪磨損慢。這一對(duì)矛盾的解決原則:表面質(zhì)量要求一般的，使圈數(shù)(時(shí)間)盡可能地少，砂輪的磨損較小(較長(zhǎng)的壽命)，生產(chǎn)節(jié)拍較快。

5.2 砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

砂輪作為磨削機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要部分，合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理的技術(shù)要求、合適的材質(zhì)、較高的制造質(zhì)量，也是減少成本、提高效率、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。因此，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改、模擬、試驗(yàn)，設(shè)計(jì)成圖10—11所示的形式最為合適。最終形式為組合式。

圖10 特型金屬CBN 高速砂輪3D 圖

圖11 特型金屬CBN 高速砂輪成品及2D 圖

5.3 砂輪免修整分析

砂輪工作時(shí)的軌跡為行星平動(dòng)，經(jīng)過(guò)模擬的砂輪端面尺寸一定小于工件表面輪廓，砂輪磨削時(shí)的端面有大部分覆蓋在工件上，并且砂輪端面的每一部分均有機(jī)會(huì)與砂輪端面毛刺接觸，硬度較高的毛刺反過(guò)來(lái)將尺寸不一致(砂輪徑向的各點(diǎn)線速度不一樣)的砂輪端面修型整平，達(dá)到均勻磨損、充分的自銳的目的;只有當(dāng)砂輪的金屬CBN 部分全部磨損完了，砂輪才算報(bào)廢。采用此法砂輪終生無(wú)需人工修整。

如果砂輪是覆蓋式的工作方式，則砂輪需要定期修整。零件部分覆蓋砂輪端面磨損前后圖和零件全覆蓋砂輪端面磨損前后圖分別如圖12、圖13所示。

圖12 零件部分覆蓋砂輪端面磨損前后圖

圖13 零件全覆蓋砂輪端面磨損前后圖

6 工作電機(jī)選定

6.1 自轉(zhuǎn)高速電主軸選定

高效率工作，自轉(zhuǎn)時(shí)必須有高轉(zhuǎn)速的電主軸:30 000～40 000 r/min;長(zhǎng)壽命，低噪聲;三相交流電機(jī)，功率2.5 kW，最高轉(zhuǎn)速:40 000 r/min;立式安裝。電機(jī)安裝位置示意圖見圖14。

圖14 電機(jī)安裝位置示意圖

6.2 公轉(zhuǎn)普通電機(jī)選定

公轉(zhuǎn)普通電機(jī)小功率、小扭矩、中轉(zhuǎn)速，夠用即可，能高效率工作，長(zhǎng)壽命，低噪聲，選用三相交流異步電機(jī):功率0.75 kW，轉(zhuǎn)速1 400 r/min;臥式立裝。且廉價(jià)。

7 結(jié)論

設(shè)計(jì)了免修整端面砂輪的行星平動(dòng)磨削去毛刺機(jī)構(gòu)，只要利用好相對(duì)簡(jiǎn)單的偏心軸套原理，在設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)的各個(gè)部分的同時(shí)，找到最合適的最高公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(離心力不能太大)及長(zhǎng)壽命的砂輪，即可完全實(shí)現(xiàn)當(dāng)初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。應(yīng)用效果表明:該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能可靠，對(duì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善環(huán)境、減少職業(yè)病、提高生產(chǎn)效率、提高裝配件質(zhì)量大有好處，徹底解決了超大批量精沖小零件去毛刺的人力缺口及毛刺面質(zhì)量一致性差的難題，還對(duì)企業(yè)裝備升級(jí)及類似的其他多肉型毛刺的去除具有參考價(jià)值。

［1］孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］陳永，潘繼明.新編五金手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］周增賓.磨削加工速查手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］肖玉英，王子文.石油管道焊縫處理機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，1(上):45－47.

［5］溫得英.JHP 系列高壓齒輪油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(16):95－98.

［6］彭云，梁楚華，周建平，等.T 型管交貫線的軌跡插補(bǔ)與自動(dòng)焊接實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(16):127－129.

［7］朱愛斌，朱永生.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)例［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

［8］曾正明.常用緊固件速查手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［9］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.