高溫合金GH901閥桿磨削砂輪修整器改進(jìn)設(shè)計

劉建偉，萬方前，李寒榮

東方汽輪機(jī)有限公司 四川德陽 618000

1 序言

砂輪在磨削加工過程中會發(fā)生鈍化而喪失磨削能力或失去正確的幾何形狀。砂輪工作表面的磨粒是否鋒利及輪廓形狀是否失真，對磨削效率及加工工件的表面質(zhì)量都有直接的影響。為此必須及時用砂輪修整工具將砂輪工作面已磨鈍的表面進(jìn)行修整，以恢復(fù)切削性能和正確的幾何形狀。如果不及時清理修磨，則會引起工件振動，以至嚴(yán)重影響砂輪使用壽命和磨削效率，直接影響到產(chǎn)品的表面質(zhì)量及尺寸精度。特別在磨削硬度高的材料時，需頻繁對砂輪進(jìn)行修磨。磨床配備的砂輪修整器具有通用性，適用于一般工件，但對特種工件存在一定的局限性。

2 問題分析

筆者公司超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組中所使用的閥桿為典型的細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，采用GH901高溫合金材料。GH901材質(zhì)為國內(nèi)引進(jìn)的新型耐高溫材料，化學(xué)成分見表1[1]。

表1 GH901合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

該材質(zhì)等同于美國Incoly901及日本HHSKCM5700材質(zhì)，具有優(yōu)良的高溫性能，常常被用于使用溫度620℃左右的壓力部件[2]。作為鎳基高溫合金材料，主要的難加工性能表現(xiàn)如下。

1）高溫強(qiáng)度高，加工硬化傾向大。加工時塑性變形抗力大、負(fù)荷重。

2）導(dǎo)熱性差。

3）對砂輪的粘結(jié)傾向大。

4）強(qiáng)化元素含量多，硬度高。

基于GH901材料的以上特性，該類材料的閥桿在磨削過程中很容易造成砂輪鈍化，并且單次的磨削進(jìn)給量不能過大。

閥桿為細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，直徑大多為50～100mm，長度1200～2000mm。裝夾方式為使用機(jī)床頂尖頂住工件兩端中心孔后磨削[3]。工件裝夾后，由于機(jī)床附帶的砂輪修整器與工件干涉，必須要卸下工件才能對砂輪進(jìn)行修磨（見圖1）。根據(jù)GH901材料的磨削特性，一般至少需要修磨5次砂輪才能完成產(chǎn)品加工。從而造成了工件在磨削加工過程中需反復(fù)拆裝，不僅嚴(yán)重影響閥桿磨削效率，而且由于多次重復(fù)裝夾，易造成重復(fù)定位，存在偏差[4]，勢必降低磨削加工質(zhì)量。

圖1 原有修整器修磨砂輪時需先卸下工件

3 方案設(shè)計

鑒于目前存在的問題，為了提高磨削加工效率及工件質(zhì)量，擬改進(jìn)設(shè)計，制作一套砂輪修整器，使得在一般的加工條件下，不拆卸工件就能對砂輪進(jìn)行修磨。

3.1 設(shè)計要點

為了保證設(shè)計工裝的合理性和可操作性，工裝必須滿足以下要求[5]。

1）保證在不拆卸工件的情況下能對砂輪進(jìn)行修磨。

2）結(jié)構(gòu)盡量簡單，縮短生產(chǎn)周期。

3）合理控制修砂輪位置尺寸，保證金剛石使用壽命。

4）設(shè)計工裝能滿足操作人員方便使用。

5）保證工裝使用的安全性，并且不能影響到操作人員的正常工作。

該磨床工作臺與砂輪的位置關(guān)系如圖2所示，考慮到該磨床斜床身的結(jié)構(gòu)特點，工裝設(shè)計成三角形，穩(wěn)定性比較好；加之在工作臺面還有一個小角度的斜槽，設(shè)計工裝可以利用現(xiàn)有的螺桿拉緊此溝槽的方式固定在工作臺上，從而使裝夾時工裝限位比較好，保證工裝固定牢固不滑動。

根據(jù)統(tǒng)計，目前需要在該磨床上進(jìn)行磨削加工的零件尺寸90%以上都在φ200mm以內(nèi)，所以設(shè)計工裝只要能滿足在不吊取最大外圓直徑200mm工件的情況下可以進(jìn)行修砂輪工作即可。工作臺、砂輪和卡盤的結(jié)構(gòu)尺寸及其位置關(guān)系如圖3所示。

通過觀察分析圖3：工裝在正常使用過程中，工作臺、砂輪及φ200mm工件極限位置關(guān)系需滿足不能與φ200mm工件相干涉，而且修砂輪的頂尖部位必須控制在圖3所示φ750mm砂輪內(nèi)部，另需保證金剛石砂輪修整筆的軸線盡量通過砂輪圓心，從而保證金剛石的使用壽命。

圖3 砂輪、工件和工作臺極限位置關(guān)系示意

3.2 具體方案設(shè)計

根據(jù)MQ1350A磨床以前所使用的修砂輪工裝，參照其固定在工作臺上的連接方式以及本體結(jié)構(gòu)形式[6]，初步確定以下三種方案（見表2）。

表2 設(shè)計方案對比分析

（1）方案一——整體鑄造式 本體采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，本體與工作臺的連接方式參照原機(jī)構(gòu)的連接方式不改變。在前部斜面上開T形槽，用于安裝可拆卸修砂輪支架，修砂輪筆直接裝在其頭部圓孔中，采用螺釘壓緊，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，在T形槽右端面鉆兩螺釘孔，用于壓緊支架，防止滑動，并且在T形槽下部開一個槽，保證支架在不使用的情況下方便拆卸。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，整體鑄造結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性比較好，只是型線相對復(fù)雜，從而造成鑄造周期比較長、成本較高。

（2）方案二——裝配式 把本體各部件合理拆分，作為單獨零件進(jìn)行機(jī)加工成形，然后采用螺釘聯(lián)接的方式聯(lián)接固定各件，T形槽和拉緊方式與方案一相同。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，各部件零件圖均需詳細(xì)描述，但采用各件分開加工的方式，制造相對比較方便，生產(chǎn)周期比較短，能快速投入使用。同樣采用三角形結(jié)構(gòu)方式，本體的剛性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較好，能夠保證使用的安全性。

（3）方案三——焊接式 為了更進(jìn)一步簡化機(jī)構(gòu)，縮短生產(chǎn)周期，利用幾塊鋼板加工成一定形狀，采用焊接的方式固定、聯(lián)接起來即可。

這種方案的結(jié)構(gòu)形狀和加工方法都很簡單，能夠很快地投入使用，但是整體結(jié)構(gòu)單薄，使用強(qiáng)度很難得到保證。

基于上述三種方案的分析，擬采用方案二的結(jié)構(gòu)，并在裝配后的連接件處使用點焊防松的方式進(jìn)行設(shè)計制造。改進(jìn)后的砂輪修整器如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的砂輪修整器

4 應(yīng)用效果

4.1 改進(jìn)效果對比

改進(jìn)前后砂輪修整器的結(jié)構(gòu)對比如圖5所示。通過一段時間的使用，效果良好，實現(xiàn)了磨削外圓時不拆卸工件就能對砂輪進(jìn)行修磨。

4.2 改進(jìn)后經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過實際對比試驗，改進(jìn)后的砂輪修整器在一定程度上提高了磨削加工效率，降低了生產(chǎn)成本。以GH901閥桿外圓磨削為例：經(jīng)實際測試，單序磨削加工一根GH901閥桿所需要的加工時間改進(jìn)前后對比見表3，其中輔助時間是指用于測量工件尺寸、放置起吊繩索和等候吊車等的時間。

表3 改進(jìn)前后磨削GH901閥桿所需加工時間對比

通過上述對比分析，本次改進(jìn)順利解決了磨削過程中需多次吊取工件才能對砂輪進(jìn)行修整的問題，有效提升了生產(chǎn)效率。同時減少了重復(fù)定位誤差，提升了實物質(zhì)量。

5 結(jié)束語

由于磨削加工的特點，在工件磨削特別是難加工材料的磨削過程中，需要反復(fù)對砂輪進(jìn)行修整，以保證砂輪的幾何形狀正確和鋒利。針對現(xiàn)有的MQ1350A外圓磨床砂輪修整器進(jìn)行分析改進(jìn)，設(shè)計制作了一種適用于磨削長桿類零件的砂輪修整器，順利解決了磨削過程中需多次吊取工件才能對砂輪進(jìn)行修整的問題。通過實際應(yīng)用驗證，此改進(jìn)操作方便，可以在一定程度上提高磨削加工效率、降低制造成本。本次改進(jìn)的方法對類似外圓磨床砂輪修整器功能拓展具有很好的借鑒意義。