槽側(cè)壁拋光機(jī)器的開(kāi)發(fā)

孫玉松

摘 要：介紹為滿足壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和制造中對(duì)渦旋上槽的粗糙度要求，設(shè)計(jì)了拋光機(jī)器和優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)，并最終付諸實(shí)施的過(guò)程。并對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)和品質(zhì)管理方法做了分析和介紹。

關(guān)鍵詞：拋光機(jī)；粗糙度；槽；參數(shù)

背景：

在渦旋壓縮機(jī)工作時(shí)，渦旋壓縮機(jī)的一個(gè)渦旋（動(dòng)渦旋）相對(duì)于另一個(gè)渦旋（靜渦旋）做平動(dòng)，使得渦旋的渦旋壁之間的氣體壓縮腔的體積變小，從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮。最終，被壓縮的氣體從靜渦旋的排氣孔排出。其中動(dòng)渦旋和靜渦旋通過(guò)十字環(huán)的凸起鍵分別和動(dòng)渦旋和靜渦旋的槽配合使二者一直保持90度角度，在壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)十字環(huán)的凸起鍵和動(dòng)、定渦旋的槽產(chǎn)生摩擦。隨著產(chǎn)品對(duì)可靠性、性能的要求不斷提高，這就不只要求槽的側(cè)壁表面粗糙度Ra，而且還要求表面粗糙度Rpk、Rk、Rvk，但由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的空間限制，槽的加工只能選擇銑削加工工藝，這種加工方式往往生產(chǎn)成本高昂或者工程能力達(dá)不到要求。一種經(jīng)濟(jì)、可靠的的加工方法成了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的迫切需求。

粗糙度Rk、Rpk、Rvk的定義：

Rk、Rvk、Rpk 這一組參數(shù)主要用于描述具有高預(yù)應(yīng)力的表面，例如拋光表面，珩磨表面，磨削表面等，這一組參數(shù)將輪廓支撐率的增長(zhǎng)表示成粗糙度的波紋深度的函數(shù)，這套評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)能夠準(zhǔn)確的描述槽側(cè)壁的粗糙度輪廓的潤(rùn)滑特征、磨合特征、網(wǎng)紋分布等特征的量化分析，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、完整的評(píng)價(jià)及描述槽側(cè)壁的表面特征。粗糙度的波形及對(duì)應(yīng)的輪廓曲線被分為3部分，分別為波峰區(qū)、中心區(qū)和波谷區(qū)。

在這組參數(shù)中，Rk稱(chēng)為中心區(qū)峰谷高度，是除去波峰和波谷后剩余核心輪廓的深度，又稱(chēng)有效負(fù)荷粗糙度。從參數(shù)的形成機(jī)制來(lái)看，對(duì)于已給定的一個(gè)值，它能獲得最大的輪廓支承長(zhǎng)度率。所以Rk的實(shí)質(zhì)是在高負(fù)載情況下當(dāng)波峰區(qū)被磨掉后，表面最大程度地達(dá)到耐磨性。 他直接影響著工件表面的工作性能和使用壽命。

Rpk是在中心區(qū)峰谷高度上方的輪廓波峰平均高度，又稱(chēng)初期磨損高度。這個(gè)數(shù)值的大小直接影響工件正常工作時(shí)的磨合時(shí)間及材料的磨損量。

Rvk是位于中心區(qū)下方至有實(shí)體材料的輪廓波谷的平均深度，用于描述潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存深度，是油膜的形成及工件的耐磨性以實(shí)現(xiàn)降低摩擦損耗的重要指標(biāo) 。

拋光設(shè)備的設(shè)計(jì)：

考慮到生產(chǎn)線操作的便利及安全，動(dòng)力采用6bar的壓縮氣體，設(shè)備設(shè)計(jì)為便攜式手持式設(shè)備，重量低于7公斤，耗材為一次性拋光帶。如圖2拋光設(shè)備示意圖 ，拋光設(shè)備由氣動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)曲軸，滑軌，氣動(dòng)浮動(dòng)拋光單元和本體及定位基座組成。考慮到機(jī)器要求輕便，本體及定位基座均采用重量輕且機(jī)械強(qiáng)度好的航空鋁為原材料。曲軸設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)品互換行的要求，采用可調(diào)節(jié)曲拐的柔性結(jié)構(gòu)，以滿足一臺(tái)機(jī)器可以適用多種型號(hào)。拋光帶的送給機(jī)構(gòu)，采用機(jī)械式手工倒帶。拋光機(jī)放在工作站，采用平衡吊固定的方式，以減小人為搬運(yùn)的阻力。工件加工完后，操作員手持兩個(gè)黑色的把手，將設(shè)備放在工件上定位好，同時(shí)拋光帶及氣動(dòng)浮動(dòng)活塞插入兩個(gè)槽中，打開(kāi)氣動(dòng)閥門(mén)，此時(shí)時(shí)間繼電器開(kāi)始計(jì)時(shí)，氣動(dòng)馬達(dá)開(kāi)始工作，同時(shí)壓縮氣體推動(dòng)拋光單元上的活塞將拋光帶壓向槽的表面，氣動(dòng)馬達(dá)由曲軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)浮動(dòng)活塞及拋光帶快速滑動(dòng)。當(dāng)時(shí)間到達(dá)時(shí)間繼電器的設(shè)定值時(shí)，繼電器動(dòng)作切斷氣源，拋光機(jī)停止工作，操作員提起拋光機(jī)放回原位，此時(shí)完成拋光作業(yè)。

設(shè)備參數(shù)的確定：

產(chǎn)品對(duì)于粗糙度的要求為：Rpk0.25Max、Rk0.8Max、Rvk0.25Min。為了發(fā)揮設(shè)備的最大能力，采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法來(lái)定義設(shè)備參數(shù)。在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)研究前，需要進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

測(cè)量系統(tǒng)分析：

選10個(gè)工件編好編號(hào)，3個(gè)人依次將10個(gè)工件測(cè)量一遍并記錄于表格中，考慮到工件表面不同部位的粗糙度會(huì)有差異，而且測(cè)量人員很難取在同樣的測(cè)量部位，造成數(shù)據(jù)會(huì)有偏差?；谝陨锨闆r，操作員每次測(cè)量時(shí)分別重復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為每次數(shù)據(jù)的輸入。在Mintab 中做Gage R&R 分析，分析結(jié)果為9.5%，小于10%，測(cè)量系統(tǒng)完全可以接受。

DOE 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)：

選擇五個(gè)因子（拋光時(shí)間、氣壓、氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，拋光帶的粒度和拋光前表面粗糙度），分別設(shè)定兩個(gè)水平（拋光時(shí)間為1分鐘和4分鐘，氣壓為6bar 和10bar，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)每分鐘和800轉(zhuǎn)每分鐘，拋光帶粒度為0.03mm和0.015mm，拋光前的粗糙度為1.16和1.63），進(jìn)行全因子實(shí)驗(yàn)，一共16組數(shù)據(jù)。收集完數(shù)據(jù)后在Minitab中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖2所示。從圖2的標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖中我們可以看出，拋光時(shí)間，拋光前的表面粗糙度和氣壓對(duì)槽表面的Rk值有顯著的影響。其次是氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速和拋光帶的粒度。從圖2的主效應(yīng)圖中我們可以看出，粗糙度拋光時(shí)間在4分鐘時(shí)要好于1分鐘，氣壓在6bar時(shí)要好于10bar時(shí)的結(jié)果，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)每分鐘要好于轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)每分鐘的結(jié)果，拋光帶的粒度為0.03時(shí)要微微的好于粒度為0.015時(shí)的結(jié)果，拋光前粗糙度為1.63時(shí)要好于粗糙度為1.16的結(jié)果。

參數(shù)優(yōu)化：

將以上參數(shù)有Minitab進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸出如圖7所示。從圖中我們可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后最好的粗糙度為0.1266， 此時(shí)的參數(shù)為，拋光時(shí)間4分鐘，氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)每分鐘，氣壓為10bar，拋光帶的粒度為0.015mm.

工程能力的認(rèn)證：

在生產(chǎn)線連續(xù)加工32件工件進(jìn)行性測(cè)量。粗糙度Rvk，Rk和Rpk的PPK分別為1.83，1.93和1.8，其值都大于1.67，滿足工程能力要求。其標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.063/0.071和0.022。因?yàn)楣钜鬄閱蜗薰睿粗挥泄钌舷藓凸钕孪?，在?shù)據(jù)分析時(shí)，在Minitab輸入公差時(shí)只輸入單邊極限公差以做單邊公差分析。

總結(jié)：經(jīng)過(guò)對(duì)拋光機(jī)的設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化和工程能力認(rèn)證，此款機(jī)器完全滿足設(shè)計(jì)要求。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于拋光機(jī)操作簡(jiǎn)便，使用安全可靠，成本低廉收到生產(chǎn)部門(mén)的歡迎，同時(shí)也滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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