鑄件自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊的研究

馮勛壯 楊麗穎 李長(zhǎng)春 陳乃建 吳長(zhǎng)忠

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

隨著鑄造行業(yè)的快速發(fā)展，鑄件的生產(chǎn)正朝著自動(dòng)化、數(shù)字化和綠色化方向發(fā)展[1]。去除鑄件飛邊和毛刺實(shí)際上就是在不改變工件尺寸精度、形狀及位置精度的基礎(chǔ)上完全去除工件表面的飛邊和毛刺[2]。在機(jī)械零件加工的過(guò)程中，表面難免會(huì)出現(xiàn)飛邊、毛刺，殘留的飛邊和毛刺不但影響了零件的質(zhì)量，而且降低了零件的使用性能，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)工作性能下降，可靠性、穩(wěn)定性大大降低[3-5]。機(jī)械零件在進(jìn)行下一道工序之前需要將飛邊和毛刺清理掉，因此工件的飛邊和毛刺清理是機(jī)械生產(chǎn)中不可缺少的一道關(guān)鍵工序[6]。

1 鑄件磨邊現(xiàn)狀

目前，在鑄件清理的過(guò)程中，企業(yè)常見的是人工手提砂輪機(jī)對(duì)地面或夾具上的鑄件進(jìn)行打磨，從而去掉鑄件上的飛邊和毛刺。而臺(tái)式砂輪機(jī)是用來(lái)刃磨各種刀具、工具的常用設(shè)備，也應(yīng)用于普通小零件去除飛邊、毛刺等清理工作，一般只用于凹凸面較少、可以手持工作的鑄件。這種人工打磨作業(yè)方式粉塵大，對(duì)人和環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量殘次不齊，加上勞動(dòng)力成本較高，不符合國(guó)家相關(guān)環(huán)保要求，人工打磨已經(jīng)逐漸被淘汰[7-8]。

隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們研發(fā)出許多鑄件飛邊和毛刺的清理方法，目前有電化學(xué)去毛刺工藝及設(shè)備、數(shù)控機(jī)床加工及沖壓和工業(yè)機(jī)器人打磨等方法。電化學(xué)去毛刺工藝生產(chǎn)效率高，加工范圍不受材料限制，適合復(fù)雜零件的去毛刺加工，但加工穩(wěn)定性不高，電解產(chǎn)物需要處理，附屬設(shè)備多，機(jī)床需要足夠的剛性和抗腐蝕性[9-13]。沖壓剪緣機(jī)床利用液壓在工作時(shí)產(chǎn)生的高壓力推動(dòng)沖壓模具將工件外緣澆冒口、毛刺或毛邊去除，該設(shè)備生產(chǎn)效率和加工精度高，由于鑄件性脆，不適宜沖壓加工鑄件上的飛邊和毛刺。采用數(shù)控機(jī)床磨削飛邊、毛刺，通過(guò)更換工裝夾具夾持工件，設(shè)備上的防塵罩改善了加工環(huán)境，機(jī)床加工精度和生產(chǎn)效率高，工作穩(wěn)定可靠。然而，沖壓剪緣機(jī)床和數(shù)控機(jī)床為通用機(jī)床，適合多品種、大批量的工件磨削，磨削量比較大，用來(lái)磨邊設(shè)備利用率不高，生產(chǎn)成本大，特別是單件小批量生產(chǎn)，需要經(jīng)常調(diào)整工件裝夾位置，也將影響生產(chǎn)效率[14]。

采用工業(yè)機(jī)器人清理鑄件一般為兩種作業(yè)方式，一種是工業(yè)機(jī)器人抓取小型鑄件去打磨設(shè)備上清理，另一種是工業(yè)機(jī)器人抓取打磨工具清理固定不動(dòng)的大型鑄件。機(jī)器人打磨可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面多、批量大的工件打磨，不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率及加工精度，而且降低了工作人員的工作強(qiáng)度，可以在人工或機(jī)床難以適應(yīng)的環(huán)境下工作[15]。但機(jī)器人打磨編程時(shí)間長(zhǎng)，操作復(fù)雜，不適用小批量生產(chǎn)，另外需要在機(jī)器人上加裝力傳感器，當(dāng)加工量過(guò)大時(shí)，砂輪就會(huì)離開工件表面，以免切削力過(guò)大造成損壞設(shè)備或砂輪[16-18]。

一些生產(chǎn)批量大的企業(yè)可以采用專用打磨設(shè)備、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等自動(dòng)打磨鑄件。對(duì)于生產(chǎn)批量小、零件形狀復(fù)雜、尺寸規(guī)格多、鑄造尺寸誤差大的鑄件，采用上述自動(dòng)打磨設(shè)備編程時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)試操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。本文將介紹一種自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊的機(jī)理及方法，它能夠快速打磨鑄件上的飛邊、毛刺，可應(yīng)用在形狀復(fù)雜、批量小、規(guī)格多的鑄件自動(dòng)打磨。

2 自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊機(jī)理

2.1 自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊原理

由數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制理論可知，輸入工件的三維電子圖，數(shù)控機(jī)床就會(huì)自動(dòng)將工件的電子圖轉(zhuǎn)換成G代碼，機(jī)床控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)G代碼控制三個(gè)垂直方向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)及其滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，機(jī)床末端就會(huì)到達(dá)預(yù)定位置。本研究是在數(shù)控機(jī)床的輸出末端安裝一種自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置，如圖1所示。該浮動(dòng)磨邊裝置由浮動(dòng)裝置固定座、縱向氣缸、橫向氣缸、縱向移動(dòng)座、橫向移動(dòng)座、電主軸、磨頭和夾頭等組成。浮動(dòng)裝置固定座固定在機(jī)床末端，縱向氣缸和橫向氣缸分別帶動(dòng)縱向移動(dòng)座和橫向移動(dòng)座移動(dòng)，氣缸下部的電主軸帶動(dòng)夾頭和磨頭高速回轉(zhuǎn)，鑄件通過(guò)氣缸定位并固定在機(jī)床工作臺(tái)上，磨頭高速磨削鑄件上的飛邊、毛刺。

圖1 鑄件自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置

當(dāng)鑄件的鑄造尺寸偏差不大（不超過(guò)磨頭最大磨削量）時(shí)，磨削力不大，由G代碼控制電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床末端的自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置移動(dòng)，此時(shí)自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置上的氣缸不工作，只有電主軸帶動(dòng)磨頭高速旋轉(zhuǎn)磨削工件上的飛邊和毛刺。當(dāng)鑄造的尺寸過(guò)大時(shí)，數(shù)控機(jī)床還是按照G代碼要求的軌跡行走，由于磨削量增大，磨削力迅速增大，兩個(gè)垂直方向的氣缸就會(huì)受到很大的作用力。當(dāng)超過(guò)設(shè)定的作用力時(shí)，氣缸開始工作，氣缸桿帶動(dòng)移動(dòng)座移動(dòng)，磨削力就會(huì)下降；當(dāng)磨頭磨削量達(dá)到允許值時(shí)，氣缸桿就會(huì)停留在該位置，磨頭磨削工件上的飛邊和毛刺，這樣不會(huì)由于磨削量過(guò)大損壞磨頭或機(jī)床零部件。

鑄件邊緣飛邊、毛刺鑄造誤差尺寸越大，自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置的氣缸桿和滑塊行程就越大，此次磨邊的剩余量也越大（由于磨邊量是一定的），這時(shí)機(jī)床按照G代碼行走軌跡保持不變，從而起到一種浮動(dòng)移動(dòng)磨邊的作用。與力傳感器相比，該磨邊裝置操作簡(jiǎn)單方便，制造成本低，不需要人工作業(yè)，完全自動(dòng)化生產(chǎn)，解決了磨邊過(guò)程中的鑄造尺寸過(guò)大，直接磨邊造成損壞刀具和機(jī)床零部件等問題。

2.2 自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊軌跡

自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置的磨頭磨削鑄件時(shí)的行走軌跡如圖2所示，磨頭浮動(dòng)磨邊時(shí)的行走軌跡放大圖如圖3所示。當(dāng)鑄件上飛邊、毛刺尺寸小于磨頭的最大磨削量（如5mm）時(shí)，磨頭按照G代碼軌跡沿著鑄件邊緣行走。當(dāng)鑄件外輪廓是圓弧時(shí)，磨頭中心的運(yùn)動(dòng)軌跡與外輪廓同心；當(dāng)鑄件外輪廓是直線時(shí)，磨頭中心的運(yùn)動(dòng)軌跡與外輪廓相平行，從而將鑄件上的飛邊和毛刺徹底清理掉。

當(dāng)鑄件上飛邊毛刺尺寸大于磨頭的最大磨削量（如5mm）時(shí)，此時(shí)很大的磨削力使縱向氣缸、橫向氣缸分別帶動(dòng)縱向移動(dòng)座、橫向移動(dòng)座往外移動(dòng)到一定位置，磨頭在新的行走軌跡上加工5mm，如圖3所示。這樣不能一次將飛邊、毛刺磨削掉，磨頭磨削量也不太大，起到浮動(dòng)磨邊作用。當(dāng)磨削量不大于5mm時(shí)，縱向氣缸、橫向氣缸分別帶動(dòng)縱向移動(dòng)座、橫向移動(dòng)座回位，浮動(dòng)裝置停止工作。第一次加工剩余的飛邊還需再次磨削；當(dāng)剩余的飛邊、毛刺最大尺寸小于磨頭的最大磨削量時(shí)，磨頭無(wú)需浮動(dòng)，從而將鑄件飛邊徹底清理掉。

3 磨邊裝置控制系統(tǒng)

自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置的控制系統(tǒng)主要由氣動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組成。氣動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)由換向閥、排氣節(jié)流閥、減壓閥和氣缸等組成，氣動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的作用是調(diào)節(jié)氣壓源的壓力和流量，通過(guò)減壓閥、排氣節(jié)流閥和換向閥進(jìn)而來(lái)控制氣缸的作用力、移動(dòng)速度和方向等[19]。雙作用氣缸調(diào)速回路如圖4所示。氣控信號(hào)是通過(guò)PLC控制電路來(lái)控制的，PLC控制電路如圖5所示。PLC控制系統(tǒng)的作用是當(dāng)磨頭的磨削力超過(guò)某一數(shù)值，即磨削量超過(guò)允許值時(shí)，電源開關(guān)SB1關(guān)閉，PLC將氣控信號(hào)傳遞給換向閥線圈YV1，換向閥線圈YV1開始工作，換向閥換向處于左位，氣缸無(wú)桿腔進(jìn)氣，有桿腔排氣，活塞桿伸出，帶動(dòng)橫向移動(dòng)座和縱向移動(dòng)座移動(dòng)，磨頭向外浮動(dòng)，從而使磨頭邊遠(yuǎn)離工件邊磨削鑄件上的飛邊和毛刺。當(dāng)磨頭浮動(dòng)到指定位置時(shí)，電源開關(guān)SB1斷開，當(dāng)換向閥線圈YV1氣控信號(hào)撤除時(shí)，然后關(guān)閉電源開關(guān)SB2，PLC將氣控信號(hào)傳遞給換向閥線圈YV2，換向閥線圈YV2開始工作，換向閥換向處于右位，氣缸有桿腔進(jìn)氣，無(wú)桿腔排氣，活塞桿回縮，帶動(dòng)橫向移動(dòng)座和縱向移動(dòng)座反向移動(dòng)，磨頭向里浮動(dòng)，從而使磨頭邊靠近工件邊磨削鑄件上的飛邊和毛刺，使磨削力維持在某一數(shù)值，避免了由于磨削量過(guò)大而損壞磨頭或機(jī)床零部件[20]。當(dāng)磨頭磨削鑄件的磨削力不超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置的控制系統(tǒng)不工作，橫向氣缸和縱向氣缸也不會(huì)帶動(dòng)橫向移動(dòng)座和縱向移動(dòng)座移動(dòng)，活塞桿維持在初始狀態(tài)，磨頭還是沿著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡行走，一次性將飛邊、毛刺清理掉。

圖3 浮動(dòng)磨邊的行走軌跡放大

圖2 磨頭行走軌跡

圖4 雙作用氣缸調(diào)速回路

圖5 PLC控制電路

4 結(jié)語(yǔ)

該鑄件自動(dòng)循跡浮動(dòng)磨邊裝置根據(jù)鑄件圖紙磨削飛邊和毛刺，當(dāng)鑄件上的飛邊、毛刺尺寸過(guò)大時(shí)，浮動(dòng)部分使磨頭自動(dòng)退讓，切削力維持在允許磨削量的狀態(tài)下磨邊，有效解決了鑄件飛邊、毛刺尺寸過(guò)大問題。該浮動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，自動(dòng)化程度高，操作人員可以遠(yuǎn)離環(huán)境污染，從而減少對(duì)人體的危害。