外圓磨床的使用功能開發(fā)改造

楊文濤

(晶日金剛石復(fù)合材料有限公司，河北 廊坊 065201)

0 前言

金剛石復(fù)合片是一種難加工的超硬材料，規(guī)格種類繁多，外形多是一端半球形或兩端平行的短圓柱狀或圓片狀，目前國內(nèi)針對(duì)復(fù)合片外圓加工的主要加工設(shè)備是無心磨床和外圓磨床，由于無心磨加工效率高，輔具簡單，使用率也高于外圓磨床，但對(duì)于徑厚比大于5的平片復(fù)合片廢品率達(dá)到50%以上，徑厚比大于10復(fù)合片的根本無法進(jìn)行。因此對(duì)于徑厚比較大的復(fù)合片加工應(yīng)在外圓磨床上進(jìn)行。由于外圓磨床的工作特點(diǎn)，不適合直接使用，必須進(jìn)行改造。結(jié)合無心磨的加工原理，改造外圓磨床，能夠?qū)崿F(xiàn)平片復(fù)合片的加工，理論分析表明該方案可行，能夠解決無心磨床加工復(fù)合片的瓶頸問題。

1 改造前復(fù)合片外圓加工的情況

1.1 工藝要求

金剛石復(fù)合片球形片和大部分徑厚比小于3平片能夠使用無心磨床順利加工。加工工藝為：粗磨→半精磨→精磨；加工方式是通過式加工，加工時(shí)使用輔助工裝，砂輪使用陶瓷結(jié)合劑的金剛石砂輪。

1.2 無心磨加工平片復(fù)合片缺陷

無心磨可加工外形徑厚比小于3的復(fù)合片，由于易失穩(wěn)，無心磨加工根本無法進(jìn)行加工徑厚比大于10的平面復(fù)合片。無心磨床采用工件不定心的外形自定位方式，端面無固定定位，對(duì)于平片復(fù)合片有端面和外圓垂直度要求的，極易出現(xiàn)垂直度超差現(xiàn)象，雖然加工時(shí)有輔助工裝也無法避免垂直度超差的現(xiàn)象發(fā)生。在加工時(shí)復(fù)合片進(jìn)出磨削區(qū)時(shí)極易發(fā)生劃傷、細(xì)紋等缺陷，如圖1所示。

圖1 復(fù)合片缺陷

2 改造方案

2.1 方案設(shè)計(jì)

如圖2所示為改造結(jié)構(gòu)示意圖。在保證質(zhì)量的前提下要進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，外圓磨床是加工有中心孔的軸類零件的通用設(shè)備，而復(fù)合片沒有中心孔，不能直接使用外圓磨床進(jìn)行加工。如果在外圓磨床上利用無心磨的切入磨加工原理和外圓磨本身加工外圓的優(yōu)勢(shì)，通過特殊工裝使外圓磨模仿無心磨的加工方式，在不改變外圓磨床的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加輔助工裝，如圖3所示，在外圓磨的主軸箱和尾座的雙頂尖之間增加一根短軸，短軸上安裝一橡膠輪代替無心磨的導(dǎo)輪，通過主軸回轉(zhuǎn)帶動(dòng)導(dǎo)輪軸上的撥叉帶動(dòng)導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)(導(dǎo)輪和砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同)，在外圓磨床的工作臺(tái)上，導(dǎo)輪和砂輪之間的適當(dāng)位置加裝輔助工裝代替無心磨的托板支架，整個(gè)裝置通過裝置底座下的兩個(gè)勾銷固定在工作平臺(tái)上的T形槽內(nèi)，支撐裝置上裝有可以調(diào)整高度的托板，底座調(diào)整條可以調(diào)整前后左右調(diào)整底座制作的位置，調(diào)整好后用壓釘鎖緊，由于復(fù)合片在磨削時(shí)是浮動(dòng)狀態(tài)，非常容易飛出，在頂端加裝活動(dòng)可調(diào)間隙的蓋板，用來起壓料作用。這樣可以利用外圓磨床模仿無心磨床的切入磨的加工方式，理論上可以解決金剛石復(fù)合片平片徑厚比大于10的難加工問題。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 工裝圖

2.2 改造方案及結(jié)構(gòu)分析

利用北京第二機(jī)床廠型號(hào)1420E的外圓磨床實(shí)施具體改造方案，首先確定合理的中心高。根據(jù)設(shè)備說明書要求，最大加工工件外徑小于250 mm，1420E前后頂尖高125 mm(兩頂尖連線距工作臺(tái)基面的距離)，初步確定導(dǎo)輪最大直徑不超過200 mm，確定導(dǎo)輪尺寸200 mm、150 mm、100 mm三種進(jìn)行參數(shù)校核計(jì)算和相關(guān)部件結(jié)構(gòu)計(jì)算。如圖4所示為導(dǎo)輪直徑選擇模型。

圖4 導(dǎo)輪直徑選擇模型

由圖4可以看出

一般C選擇30°，三種導(dǎo)輪尺寸均符合，理論上導(dǎo)輪尺寸越大越好，而且經(jīng)常要修整，但直徑太大影響工人操作，確定采用150 mm尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)其它具體參數(shù)。導(dǎo)輪寬度選120 mm是根據(jù)工裝空間結(jié)構(gòu)布局確定的。砂輪中心和頂尖中心連線距離工作臺(tái)基準(zhǔn)h=125 mm，依據(jù)砂輪、導(dǎo)輪和工件中心正放三角形結(jié)構(gòu)定心原理，合理的中心高是保證加工穩(wěn)定進(jìn)行的基礎(chǔ)。參照無心磨中心高計(jì)算公式實(shí)際中心高為H=h+125 mm。

表1為導(dǎo)輪直徑150 mm、砂輪直徑400 mm，加工不同復(fù)合片中心高及支板厚度的選擇參考值。

表1 工件規(guī)格、中心高及調(diào)整支板高度和厚度調(diào)整表

設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu),如圖3所示，底座和機(jī)床的連接要方便和牢固，采用類似尾座的勾銷和底座定位塊通過穿銷和螺絲、螺母進(jìn)行固定。支座立板和支座底座螺紋連接再通過底座調(diào)整條安裝時(shí)打表調(diào)整好后用螺絲卡緊在底座上。定位塊在支座立板的兩側(cè)一邊一塊，上面有滑道可以根據(jù)復(fù)合片大小不同調(diào)整使上面的定位銷加工時(shí)位于復(fù)合片的回轉(zhuǎn)中心。定位銷和定位塊的連接方式有兩種，一種是由于空間限制直接通過間隙配合調(diào)整好后固定不動(dòng)，適合小直徑復(fù)合片加工使用，一種是通過軸承內(nèi)外徑連接定位銷和定位塊，工作時(shí)由復(fù)合片帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，適合大直徑復(fù)合片加工。托板要求淬火處理，如圖5所示，規(guī)格應(yīng)根據(jù)復(fù)合片大小定制不同寬度和厚度，30°斜面，安裝時(shí)斜面高端朝向砂輪保證復(fù)合片能夠始終和導(dǎo)輪接觸，使復(fù)合片壓住不易飛出，底部開有滑道便于調(diào)整中心高。為了防止復(fù)合片飛出，使用壓板固定在定位塊頂端，可以調(diào)整壓板和復(fù)合片之間的使用間隙。此工裝具有適應(yīng)不同復(fù)合片直徑和厚度規(guī)格磨削的通用性，能夠根據(jù)復(fù)合片大小薄厚方便調(diào)整。

圖5 托板

2.3 安裝調(diào)試

全套零件加工好后，使用13 mm的復(fù)合片進(jìn)行組裝調(diào)試，組裝好導(dǎo)輪軸前后使用死頂尖,裝好導(dǎo)輪軸重新研磨頂尖孔。然后用砂輪將整個(gè)導(dǎo)輪面精修平直打表，調(diào)整導(dǎo)輪軸和工作臺(tái)擺動(dòng)方向的平行度不超過0.02 mm。

先組裝底座、勾銷、底座定位塊、底座調(diào)整條和穿銷，固定在外圓磨的工作臺(tái)上的適當(dāng)位置，再組裝支座底座和支座立板，放在底座調(diào)整條之間，然后依照中心高132 mm和托板上沿左右兩端高度差不超過0.02 mm安裝固定好托板(托板斜面高端朝向砂輪)。再安裝定位塊組件，使定位銷中心和復(fù)合片回轉(zhuǎn)中心基本重合。最后確定支座底座的合適位置，通過打百分表調(diào)整底座調(diào)整條保證托板的平面和工作臺(tái)導(dǎo)軌的平行度在0.02 mm范圍內(nèi)。然后固定住支座底座。到此調(diào)校工作基本完成，壓板是在放好待加工復(fù)合片后再調(diào)整的。

待加工復(fù)合片要放在距離托板尖部總寬度1/3～1/2處，將一組復(fù)合片緊貼在一起放到托板上，調(diào)整在大致中間位置，將兩個(gè)定位銷和復(fù)合片的間距單邊控制在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)(間隙太小易飛初，間隙太大易傾倒)，選擇合適壓板蓋好壓板并壓緊，保證壓板底沿距離復(fù)合片的距離不超過1 mm防止工件飛出。調(diào)整好工作臺(tái)擺動(dòng)行程，此時(shí)工裝基本安裝調(diào)整完畢。

2.4 電器控制改造

外圓磨床主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整不是無級(jí)變速，無法滿足使用要求，由于工件大小不同所需轉(zhuǎn)速也不同，因此在主軸電機(jī)前加裝INVERTER公司的AE200-2S0.75G型匹配0.75 kW單相電機(jī)的變頻器驅(qū)動(dòng)主軸箱電機(jī)，能夠方便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)輪無級(jí)變速以到達(dá)控制要求。至此全部調(diào)整、調(diào)試工作全部完成。

3 改造效果

試驗(yàn)階段準(zhǔn)備先由直徑13 mm的1304規(guī)格的開始進(jìn)行，成功后再擴(kuò)展到從直徑φ4 mm～φ57 mm的全系列。加工工藝使用外圓磨床一次加工成型，砂輪使用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪金剛石主粒度140～170目，使用特殊工裝。

根據(jù)外圓磨操作規(guī)程調(diào)整好外圓磨機(jī)床，再根據(jù)復(fù)合片規(guī)格調(diào)整好工裝相關(guān)零部件，調(diào)整好磨床工作臺(tái)擺動(dòng)行程，使砂輪左右外沿在工作臺(tái)移動(dòng)到最右和最左時(shí)仍然不脫離開復(fù)合片所在工作區(qū)域內(nèi)。打開外圓磨床的主軸電機(jī)開關(guān)，轉(zhuǎn)速由零開始調(diào)整變頻器使導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到復(fù)合片穩(wěn)定接觸且能夠開始旋轉(zhuǎn)即可開始加工，導(dǎo)輪運(yùn)轉(zhuǎn)要平穩(wěn)不能有卡頓現(xiàn)象。開始時(shí)每次擺動(dòng)行程可以連續(xù)進(jìn)刀，接近最終尺寸時(shí)要減緩進(jìn)刀量進(jìn)行尺寸測(cè)量，最后進(jìn)行光整磨削達(dá)到尺寸要求和公差要求退回砂輪到磨削前的位置更換下一組復(fù)合片加工。加工完畢停機(jī)前要先將砂輪快速退回再停止主軸電機(jī)。

經(jīng)過試驗(yàn)，一個(gè)批次能夠加工1308復(fù)合片6片，余量2 mm，時(shí)間3 min，加上輔助時(shí)間平均不到一分鐘可以加工一片，一天滿負(fù)荷能夠加工近500片，而且能夠保證復(fù)合片的外圓和端面的垂直度小于0.03 mm，既提高了效率又保證了加工質(zhì)量。

更換帶軸承的定位塊試驗(yàn)3206型復(fù)合片規(guī)格外徑大約37 mm厚度6.5 mm，加工余量約5 mm，徑厚比5.6。根據(jù)規(guī)格重新調(diào)整工裝，選擇中心高138 mm，一次裝卡4片總厚度27 mm，定位銷間距27.5 mm，壓好壓板調(diào)整工作臺(tái)行程開始加工，工作狀態(tài)非常好，一組總加工時(shí)間14.5 min左右。一批次隨機(jī)抽檢10片測(cè)量結(jié)果見表2，要求直徑∮32±0.03 mm；垂直度0.03 mm，粗糙度Ra0.6 um。

表2 加工后測(cè)量結(jié)果

從表2可以看出，改造效果非常不錯(cuò)，能夠使用外圓磨床解決無心磨床加工徑厚比大于5的復(fù)合片無法進(jìn)行的難題。

現(xiàn)在該設(shè)備已經(jīng)正常投入使用，針對(duì)直徑20～60 mm的徑厚比大于5的特別是徑厚比越大優(yōu)勢(shì)越明顯。模塊化設(shè)計(jì)使產(chǎn)品能夠隨意調(diào)整實(shí)現(xiàn)，只需更換不同的配套部件，主體結(jié)構(gòu)通用。對(duì)于徑厚比小于3的復(fù)合片無論從效率還是效果上無心磨加工還是比外圓磨優(yōu)勢(shì)大得多的。

在外圓磨床磨削金剛石層研磨好的復(fù)合片，使用改造工裝，進(jìn)行粗加工或和精加工可以同時(shí)進(jìn)行，粗精加工工序區(qū)別只是使用砂輪粒度和進(jìn)刀量的區(qū)別。外圓表面粗糙度要求高可以選擇金剛石粒度更細(xì)一些的砂輪進(jìn)行分工序粗精磨，同時(shí)要求進(jìn)刀量要減小，效率也會(huì)低一些。由于導(dǎo)輪不耐磨，精加工時(shí)要注意隨時(shí)修整保持圓度和跳動(dòng)允許的公差，以免加工時(shí)尺寸漂移過大產(chǎn)生廢品。導(dǎo)輪初次安裝、工裝的調(diào)整及導(dǎo)輪修整是費(fèi)時(shí)的基礎(chǔ)工作。中心高調(diào)整太高磨削時(shí)不穩(wěn)；中心高太低圓度不好，呈橢圓或者棱圓。

4 結(jié)束語

利用特殊工裝，使加工復(fù)合片在外圓磨床上實(shí)現(xiàn)兩端定位的同時(shí)模擬無心磨削功能,可以解決無心磨床不方便實(shí)現(xiàn)的功能,而且調(diào)整使用方便，拆下工裝可以作為普通外圓磨床使用，加工通用化范圍大，提高了生產(chǎn)效益,做到一機(jī)多用。