陶瓷活塞桿表面拋光裝置研究與應(yīng)用*

賴鵬彬,李 嫄,何貴禮

(1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣東 韶關(guān) 512100;2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000;3.韶關(guān)液壓件廠有限公司,廣東 韶關(guān) 512026)

1 技術(shù)背景

陶瓷活塞桿表面一般為熱噴涂陶瓷涂層,是在鋼質(zhì)基體上等離子噴涂Al2O3+TiO2或Cr2O3++TiO2陶瓷復(fù)合粉末,它具有質(zhì)脆、與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低、涂層薄等特點(diǎn)[1-2]。在其機(jī)械加工工藝過程中,磨削及拋光處理是最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)查,目前拋光處理常見的方法是讓陶瓷活塞桿利用普通車床設(shè)備的卡盤及頂尖裝夾,做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng),附著有金剛石微粉的細(xì)紋砂紙貼在一個(gè)具有圓弧凹槽的頂塊上,操作工人利用棍棒杠桿施加一定的人力使細(xì)紋砂紙與陶瓷活塞桿表面擠壓接觸,進(jìn)行拋光處理。市面上有一種砂帶拋光機(jī),通過卷輪帶動(dòng)砂帶移動(dòng)對(duì)外圓表面進(jìn)行擠壓拋光,其通用性及機(jī)動(dòng)性較好,但由于陶瓷涂層耐高溫、高耐磨、高耐蝕的物理特性[3-4]及砂帶的擠壓力不足,而不能適用于陶瓷涂層表面的加工工藝要求,加工質(zhì)量也難以達(dá)到技術(shù)要求。

上述常見的拋光處理方法在加工過程中,需要操作人員親自持續(xù)施力,使砂紙與陶瓷活塞桿表面接觸。顯然,施加力的大小難以控制和統(tǒng)一,表面接觸拋光也只能分段進(jìn)行。因此,切削力的大小不同及加工表面的不連續(xù),會(huì)造成陶瓷活塞桿表面粗糙度不均勻不美觀,甚至?xí)绊憲U外圓的形位精度,加工質(zhì)量難以保證;再者,上述嚴(yán)重依賴操作人員的加工方法,不僅勞動(dòng)強(qiáng)度過大,而且效率也很低,更不能提供可借鑒的統(tǒng)一的工藝參數(shù)。

針對(duì)上述加工方案的不足,根據(jù)其加工工藝特點(diǎn)提出一種更優(yōu)的解決方案——設(shè)計(jì)一種拋光裝置建立在普通車床的小滑板上(替換車床原有的刀架),對(duì)陶瓷活塞桿表面施以可以量化的、可以自由移動(dòng)的彈簧擠壓力進(jìn)行拋光處理。

2 技術(shù)方案

本加工方案依托在普通車床上實(shí)施,主要相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)由車床(床身、床鞍、中滑板、小滑板)[5]、過渡底座、中心高調(diào)整墊片及拋光裝置等組成。參照拋光裝置與車床的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(見圖1)解讀陶瓷活塞桿表面拋光處理的技術(shù)方案如下。

1)車床床身為普通車床原有結(jié)構(gòu),利用其床鞍及中滑板使拋光裝置與陶瓷活塞桿預(yù)設(shè)一個(gè)適當(dāng)?shù)南鄬?duì)位置,通過拋光裝置里面的壓緊調(diào)節(jié)組件,輸出所需的壓縮力,使圓弧頂板組件圓弧面上的砂紙與做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的陶瓷外圓表面接觸。

2)砂紙與加工外圓表面之間可以盛放一定量的、必要的金剛石微粉及其他物質(zhì)。

3)車床的床鞍、小滑板可以根據(jù)位置需要機(jī)動(dòng)或手動(dòng)帶動(dòng)拋光裝置縱向移動(dòng)(即陶瓷活塞桿的軸線方向),中滑板、壓緊調(diào)節(jié)組件根據(jù)壓縮力的需要可以預(yù)設(shè)位置及調(diào)整壓縮力大小。

4)圓弧頂板可以根據(jù)陶瓷活塞桿的直徑大小設(shè)計(jì)成若干個(gè)不同尺寸規(guī)格的型號(hào),與之相匹配。

5)圓弧頂板組件與過渡底座之間插裝不同數(shù)量的高度調(diào)節(jié)墊片,可以使不同規(guī)格的圓弧頂板與不同直徑的陶瓷活塞桿在拋光處理時(shí)有適當(dāng)?shù)闹行母叨群褪芰c(diǎn)。

3 拋光裝置結(jié)構(gòu)

拋光裝置主要由調(diào)節(jié)螺桿、彈簧、彈簧力標(biāo)尺、圓弧頂板、圓弧頂板導(dǎo)軌及砂紙等組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 重要零件——彈簧的確定

1)彈簧材料的確定。

彈簧材料選取常用材料彈簧鋼65Mn。

2)彈簧壓力的確定。

彈簧壓力決定了拋光磨削壓力,參考砂帶磨削外圓的工藝參數(shù),磨削接觸壓力(即彈簧的負(fù)荷)為F=50～300 N[6-7]。取彈簧的工作載荷為Fn=300 N,根據(jù)圓柱壓縮螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)關(guān)系式,測(cè)定彈簧特性時(shí)應(yīng)加的最大載荷,即彈簧的試驗(yàn)載荷

FS≥1.25Fn=1.25×300=375 (N)

(1)

3)彈簧的主要標(biāo)準(zhǔn)尺寸確定。

裝置采用的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧,其部分特征及代號(hào)如圖3[8]所示。

圖3 圓柱螺旋壓縮彈簧

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋壓縮彈簧(兩端圈并緊磨平或鍛平型)的尺寸及參數(shù),選取彈絲直徑d=4.5 mm,其他參數(shù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋壓縮彈簧(兩端圈并緊磨平或鍛平型)的尺寸及參數(shù)

根據(jù)有效圈數(shù)系列及拋光裝置空間結(jié)構(gòu),選取有效圈數(shù)n=9。

則變形量:

fS=17.7×9=159.3 (mm)

(2)

自由高度:

H0=(n+2)d+fS=
(10.5+2)×4.5+159.3=208.8 (mm)

(3)

計(jì)算值按GB/T 1358圓柱螺旋彈簧尺寸系列推薦的尺寸圓整,取H0=200 mm[9]。

彈簧標(biāo)記:YA 4.5×55×200-2左GB/T 2089—94 B級(jí)-D-Zn。

3.2 主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與作用

1)調(diào)節(jié)螺桿與螺桿鎖緊螺母。根據(jù)彈簧壓緊調(diào)節(jié)的作用,螺桿采用梯形螺紋牙型,同時(shí)采用鎖緊螺母鎖緊螺桿,提高加工時(shí)的穩(wěn)定性。

2)彈簧。彈簧外形尺寸及彈簧系數(shù)應(yīng)根據(jù)加工擠壓力的范圍設(shè)計(jì)。

3)彈簧力標(biāo)尺。通過彈簧壓縮量及彈簧力公式F=kΔx計(jì)算,轉(zhuǎn)換標(biāo)尺位置標(biāo)記和確定拋光活塞桿表面的擠壓力。

4)圓弧頂板。圓弧面設(shè)計(jì)需要承載一定量的金剛石微粉,及考慮添加操作的方便性。

5)圓弧頂板導(dǎo)軌。確定圓弧頂板擠壓移動(dòng)方向垂直于活塞桿中心線,圓弧頂板弧面(砂紙)與活塞桿面相切接觸,圓弧頂板在導(dǎo)軌上的移動(dòng)行程有一定的彈性空間。

6)過渡底座與連接螺栓組件。整個(gè)拋光裝置建立在車床小滑板上,應(yīng)拆掉車床原有的刀架部分,根據(jù)刀架的安裝結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)過渡底座的安裝位置及選用連接螺栓組件。

4 實(shí)施過程及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 過程準(zhǔn)備

1)加工設(shè)備準(zhǔn)備。選用機(jī)床型號(hào)C6140剛性較好的車床,拆除原機(jī)床刀架部分,由組裝好的拋光裝置替代,過渡底座連接,高度調(diào)節(jié)墊片將匹配好的圓弧頂板處于合適位置,連接螺栓組件安裝牢固。

2)加工材料準(zhǔn)備。800目以下的砂紙、金剛石微粉W0.25[10-11]、羊毛氈、煤油、刷子等。

3)加工零件準(zhǔn)備。根據(jù)陶瓷活塞桿的整體加工工藝過程,在拋光前一道工序應(yīng)進(jìn)行精磨加工,表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.8 μm,保持原有定位基準(zhǔn)精度。

4)加工零件安裝。陶瓷活塞桿由三爪卡盤及頂尖“一夾一頂”或“兩頂針”安裝[12],千分表驗(yàn)證找正,防止夾傷碰上重要表面。

5)零件技術(shù)分析。由于活塞桿本身有著嚴(yán)格的加工工藝要求,如尺寸精度、直線度、表面粗糙度等均需得到嚴(yán)格的控制[13],針對(duì)陶瓷活塞桿拋光處理工序,其需要達(dá)到圓度0.005 mm、圓柱度0.010 mm、表面粗糙度≤Ra0.25 μm,陶瓷涂層面外觀不能有碰傷、劃痕等缺陷是基本要求,而且色澤應(yīng)均勻光亮。

4.2 拋光過程實(shí)施

利用拋光裝置加工陶瓷活塞桿桿面,詳細(xì)的加工方法如下。

1)陶瓷活塞桿及拋光裝置在車床上正確安裝后,砂紙通過夾緊件固定在圓弧頂板上。

2)車床主軸未做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)前,通過車床床鞍縱向移動(dòng)使拋光裝置至陶瓷活塞桿軸向方向需要拋光的初步位置,通過車床中滑板橫向移動(dòng)使拋光裝置向陶瓷活塞桿徑向方向靠近,與桿面輕輕接觸,彈簧有2～3 mm的預(yù)壓縮量。

3)車床主軸以900～1 400 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),通過車床小滑板或車床床鞍的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)[14],確定拋光裝置在陶瓷活塞桿需要加工范圍的行程位置,同時(shí)進(jìn)行預(yù)拋光處理。

4)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿,推動(dòng)彈簧頂板向右移動(dòng),同時(shí)進(jìn)一步壓縮彈簧,通過調(diào)節(jié)螺桿的手柄位右側(cè)界面在彈簧力標(biāo)尺的位移確定彈簧力的大小,在彈簧力的作用下使導(dǎo)向環(huán)推動(dòng)圓弧頂板、砂紙等組件沿著圓弧頂板導(dǎo)軌的導(dǎo)槽向陶瓷活塞桿加工面施加擠壓力,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿則效果相反。

5)通過螺桿鎖緊螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺桿,確定穩(wěn)定的、明確的拋光切削力。

6)陶瓷活塞桿與砂紙涂上相應(yīng)的潤(rùn)滑劑,重復(fù)類比步驟3的操作,根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整擠壓力及主軸轉(zhuǎn)速,進(jìn)行砂紙粗拋光處理。

7)拆下砂紙,換裝上一定厚度的羊毛氈,羊毛氈面上蘸上少量含金剛石微粉的煤油,重復(fù)類比步驟3的操作,根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整擠壓力及主軸轉(zhuǎn)速,對(duì)桿面進(jìn)行精拋光處理。

8)根據(jù)桿面的加工質(zhì)量,羊毛氈面上多次添加少量含金剛石微粉的煤油,重復(fù)對(duì)桿面進(jìn)行精拋光處理,直至桿面加工質(zhì)量符合要求。

9)車床中滑板反向移動(dòng),使拋光裝置脫離陶瓷活塞桿,拋光裝置操作完畢。

5 拋光效果

5.1 拋光實(shí)例

采用桿外圓直徑90 mm的活塞桿做拋光試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 拋光試驗(yàn)結(jié)果

活塞桿陶瓷表面粗糙度的技術(shù)要求

5.2 拋光裝置應(yīng)用前后對(duì)比

圖4a和圖4b分別為傳統(tǒng)工藝與拋光裝置拋光陶瓷活塞桿外圓的實(shí)物圖。在具體的加工過程中,由于不同的拋光擠壓力、桿面硬度等各種復(fù)雜因素,會(huì)適當(dāng)調(diào)整加工工藝參數(shù),使桿面質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。但根據(jù)結(jié)果比較,拋光裝置所拋光的質(zhì)量更好些。

a) 傳統(tǒng)工藝拋光

b) 拋光裝置拋光圖4 活塞桿拋光實(shí)物圖

根據(jù)整個(gè)加工工藝過程,下述主要從經(jīng)濟(jì)效益等方面對(duì)2種方案進(jìn)行主觀比較,具體分析如圖5所示。

圖5 活塞桿外圓拋光方案能效對(duì)比

6 結(jié)語

根據(jù)實(shí)物加工的拋光效果,桿面的表面粗糙度、圓度、圓柱度及直線度均能符合圖樣要求。主要技術(shù)參數(shù)——表面粗糙度能達(dá)到Ra(0.1～0.4) μm[15],色澤均勻光亮;雖然圓度、圓柱度及直線度主要由拋光處理的前工序決定,但是根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),該拋光裝置具有修復(fù)圓度、圓柱度及直線度的功能。

除了上述能效外,該拋光裝置還具有如下有益效果。

1)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用范圍廣,具有“以車代磨”的功能特點(diǎn),特別適用于空間受限、砂帶磨難以實(shí)施的桿外圓拋光,尤其是表面進(jìn)行過硬化處理的外圓。

2)拋光切削力通過彈簧機(jī)構(gòu)及彈簧標(biāo)尺可以量化。

3)加工工藝參數(shù)可復(fù)原,數(shù)據(jù)可積累,操作過程及技術(shù)要求可實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化[16]。

4)加工質(zhì)量相比較于傳統(tǒng)的加工方法有所提高且相對(duì)穩(wěn)定。

5)操作方便,效率提高,大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[17],給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6)能為企業(yè)或同行業(yè)在類似桿外圓加工中提供一定的參考。