螺桿轉(zhuǎn)子磨削去除深度研究*

陳斯睿，孫興偉，袁立志，董祉序，劉 寅，楊赫然

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.遼寧省復(fù)雜曲面數(shù)控制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110870；3.川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶鉆井總公司，陜西 西安 710000)

0 引言

砂帶在磨削過(guò)程中,工件表面材料磨削去除深度差異較大,很大程度上影響工件表面的形面精度。因此,實(shí)現(xiàn)工件表面磨削的均勻去除成為重要的研究目標(biāo)。影響工件材料去除率的主要因素為接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力、磨削速度以及磨料目數(shù)等[1],很多學(xué)者通過(guò)理論分析或?qū)嶒?yàn)的方式對(duì)其開展了深入研究。在工件的磨削加工中,通常利用控制接觸壓力來(lái)掌握材料磨削深度[2]。王品章[3]以葉片為研究對(duì)象進(jìn)行磨削加工研究,根據(jù)赫茲理論建立了砂帶在磨削葉片時(shí)接觸區(qū)域接觸輪與工件的接觸應(yīng)力分析模型。He等[4]根據(jù)Preston方程及Hertz接觸理論預(yù)測(cè)磨削過(guò)程中工件材料的去除深度并以磨削壓力為重點(diǎn)研究對(duì)象,綜合考慮了接觸體的結(jié)合特征以及砂帶彈性接觸輪的材料特性,研究了砂帶磨削過(guò)程中接觸壓力對(duì)材料去除率的影響。劉斐等[5]通過(guò)磨粒與工件之間的彈塑性變形,運(yùn)用復(fù)變函數(shù)解法計(jì)算磨削接觸區(qū)域的壓強(qiáng)。Pandiyan等[6]通過(guò)智能算法建立了非線性材料去除率預(yù)測(cè)模型。劉建春等[7]利用正交實(shí)驗(yàn)和極差方差分析的方法研究了工藝參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度以及材料去除率的影響。許多學(xué)者為實(shí)現(xiàn)工件表面磨削的去除均勻,開展了與之相應(yīng)的接觸應(yīng)力分布及材料去除率預(yù)測(cè)的理論分析、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究,但是研究對(duì)象多以平面磨削、點(diǎn)磨削等定曲率軌跡為主,對(duì)于復(fù)雜曲面的研究較少。本文以五頭螺桿為研究對(duì)象,探究工藝參數(shù)對(duì)磨削深度的影響規(guī)律,并利用線性激光測(cè)量?jī)x對(duì)其截面輪廓進(jìn)行測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用自主研發(fā)的磨削裝置進(jìn)行螺桿轉(zhuǎn)子磨削實(shí)驗(yàn)。對(duì)于螺桿轉(zhuǎn)子凸起部分采用自由式磨削,凹進(jìn)部分采用接觸輪式磨削,螺桿轉(zhuǎn)子的材料為45鋼,導(dǎo)程為650 mm,大徑為110 mm。砂帶的材料為鋯剛玉,長(zhǎng)140 mm、寬10 mm,其工藝為靜電植砂,粒度為178 μm。首先基于單因素實(shí)驗(yàn),研究不同工藝參數(shù)對(duì)砂帶打磨螺桿轉(zhuǎn)子的深度影響,砂帶打磨時(shí)主氣缸壓力為0.4 MPa,張緊氣缸壓力為0.3 MPa,進(jìn)給速度為20 mm/min,砂帶旋轉(zhuǎn)速度為10 m/s,磨削時(shí)間為10 min。每次只改變一個(gè)參數(shù)數(shù)值,磨削裝置的進(jìn)給速度與工件的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)聯(lián),磨具需要沿著螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋線前進(jìn),當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)一周時(shí),磨削裝置需要軸向進(jìn)給一個(gè)螺距的距離,即:

(1)

(2)

其中:pw為螺距;ω為工件角速度;vf為磨削裝置的進(jìn)給速度。

采用基恩士線性激光測(cè)量?jī)x對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子磨削前、后的表面輪廓進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。采用型號(hào)為L(zhǎng)J-X8200的激光位移傳感器,傳感器測(cè)量頭的主要性能參數(shù)如表1所示,利用控制器使測(cè)量裝置與電腦相連接。該線性激光測(cè)量?jī)x可以重構(gòu)出螺桿轉(zhuǎn)子的截面輪廓,磨削前、后位置的差值即為砂帶磨削的打磨深度。表1中,光點(diǎn)直徑115 mm×116 μm是指:激光測(cè)量頭在距離物體245 mm處時(shí)激光打在物體上的線寬為116 μm、線長(zhǎng)為115 mm。

表1 線性激光位移傳感器性能參數(shù)

圖1 螺桿轉(zhuǎn)子測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)專用夾具將線性激光位移傳感器安裝在磨床刀架上,使其與螺桿轉(zhuǎn)子表面距離在245 mm左右。

2 利用線性激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行輪廓測(cè)量

使用LJ-X Navigator軟件可以采集LJ-X系列激光測(cè)量?jī)x測(cè)得的圖像及坐標(biāo)點(diǎn),并將采集的結(jié)果作為數(shù)字日記進(jìn)行輸出,采集的部分螺桿截面數(shù)據(jù)點(diǎn)如表2所示。打磨之前,將線性激光位移傳感器固定在支架上,使激光盡量垂直打在螺桿轉(zhuǎn)子上,調(diào)整支架至合適的位置,保證測(cè)量數(shù)值在傳感器的有效測(cè)量范圍內(nèi)。挑選采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)將其進(jìn)行擬合,在同一坐標(biāo)系中磨削前螺桿轉(zhuǎn)子曲面數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)減去磨削后螺桿轉(zhuǎn)子曲面數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)即可得到磨削深度,五頭螺桿轉(zhuǎn)子磨削前、后截面輪廓示意圖如圖2所示。

表2 螺桿截面數(shù)據(jù)點(diǎn)

圖2 螺桿轉(zhuǎn)子磨削前、后截面輪廓示意圖

(3)

通過(guò)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子打磨前、后的輪廓進(jìn)行分析對(duì)比可以計(jì)算出磨削時(shí)螺桿轉(zhuǎn)子的打磨深度。

3 工藝參數(shù)對(duì)磨削深度的影響

改變單一工藝參數(shù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn),探究各工藝參數(shù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子打磨深度的影響規(guī)律,得到的結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 主氣缸壓力對(duì)磨削深度的影響規(guī)律

圖6 磨削時(shí)間對(duì)磨削深度的影響規(guī)律

由圖3可以看出:砂帶磨削深度隨著正壓力的增加而增加,這是由于砂帶磨粒的正壓力增加時(shí),砂帶磨粒受到的法向力和切向力增加,會(huì)導(dǎo)致參與磨削的磨粒增加,同時(shí)也使磨粒的刺入深度增加。砂帶在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下由磨粒對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行材料去除,通過(guò)圖4可以看出:在一定速度范圍內(nèi),砂帶磨削深度隨著砂帶線速度的增加而增加,這是因?yàn)楫?dāng)砂帶線速度增加時(shí),單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)量增加,但是當(dāng)砂帶線速度達(dá)到12 m/s附近時(shí),砂帶磨削能力下降,這是因?yàn)楫?dāng)砂帶線速度過(guò)快時(shí)砂帶磨粒在工件上的駐留時(shí)間變短,降低了砂帶的磨削能力。由圖5可以看出:砂帶的磨削深度隨著磨削裝置的進(jìn)給速度增加而減弱,這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度增加時(shí),單位時(shí)間內(nèi)磨粒作用在螺桿轉(zhuǎn)子上的時(shí)間與次數(shù)變少。由圖6可以看出:砂帶磨削深度隨著時(shí)間的增加而減少,這是因?yàn)樵谀ハ鬟^(guò)程中磨粒自身會(huì)發(fā)生磨損,導(dǎo)致其磨削能力下降。

4 結(jié)論

對(duì)螺旋曲面類工件進(jìn)行磨削加工,磨削工具沿工件截面型線進(jìn)給時(shí),工件與磨削裝置接觸區(qū)域的曲率隨著加工的進(jìn)行發(fā)生顯著變化,增大了工件表面均勻去除的難度。掌握工藝參數(shù)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子打磨深度的影響規(guī)律對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子的實(shí)際加工具有重要意義。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了工藝參數(shù)對(duì)螺桿材料去除深度的影響規(guī)律,結(jié)果表明:螺桿轉(zhuǎn)子的打磨深度隨著主氣缸壓力的增加而增加,隨著砂帶旋轉(zhuǎn)速度的增加先增大后減小,隨著進(jìn)給速度和磨削時(shí)間的增大而減小。采用線性激光測(cè)量?jī)x對(duì)螺桿轉(zhuǎn)子打磨前、后的輪廓進(jìn)行測(cè)量解決了復(fù)雜曲面廓形難以測(cè)量的問(wèn)題。