行星式平面研磨法在卡尺生产中的应用

2013-05-14范良成

计量技术 2013年11期

范良成

(浙江台州奥卡斯变速箱制造有限公司,台州 318017)

0 引言

国家标准GB/T 1214.1—1996规定，游标卡尺采用碳钢、工具钢制造时，其主要测量面的最低硬度为664HV(≈58HRC)；采用不锈钢制造时为551HV(≈52.5HRC)；计量检定规程JJG 30—2002规定，分度值(分辨力)为0.02mm的卡尺，外量爪测量面表面粗糙度最大允许值为Ra0.20μm，测量范围0～1000mm卡尺外量爪测量面的平面度公差为0.003mm。对于一支质量上乘的卡尺来说，合并两测量爪时应无目力可见的间隙。因此，卡尺两外量面的研磨(俗称平口)就成了卡尺装配时的关键工序(参看图1)。通常平面研磨时，为了保证质量和提高效率，应将研磨平板进行压砂。所谓压砂就是先将少许硬脂均匀涂抹在压砂平板表面，然后倒上用汽油泡好的金刚砂，等汽油挥发后再滴入适量的混合油(煤油和变压器油按3:1的比例混合)，并将其涂匀于平板表面，再通过两平板相互对研，在一定压力下将磨粒压入平板表面，该平板也叫嵌砂研磨平板。该平板应具有组织均匀、结构致密、无砂眼气孔和疏松等缺陷，并且具有上砂容易、砂粒分布均匀丰富、砂粒嵌入牢固、切削性能强及表面光洁、耐磨性好的优点。选用高磷球墨铸铁、高磷低金属球墨铸铁，硬度可根据粗、精研要求而定，一般在HB 130～250之间。经压砂平板精研后的工件，表面纹路细密、光泽，尺寸精度可控制在1μm之内，粗糙度可达Ra0.02～0.04μm。而未经压砂的平板在研磨时，其研磨砂是“浮砂”，研磨质量和效率远不及压砂平板。对于游标卡尺外量面的研磨而言，如何将“砂”又好又快地压入研磨块，使之成为一块嵌砂效果良好的研磨块，具有一定的技术难度。本文就此方面的技术问题展开讨论，以供大家参考。

图1

1 压砂运动轨迹线

1.1 轨迹线的要求

起初，我们使用手工方法进行压砂。由于推拉力不均匀或推拉速度不恒定，使砂子的排列顺序被打乱，造成砂子分布不均，而且手工压砂，劳动强度大，对操作者技能要求高，质量不稳定。后来有人提出自制一台压砂机，以解决矛盾，其工作原理如图2所示。研磨块以角速度ω绕圆心O旋转，在上、下研压盘的压力下将磨粒压入研磨块表面。该机构的运动过于简单，研磨块上任意一点的运动轨迹为圆，而且A至B点间各点的线速度各不相同，造成上、下研压盘的不均匀磨损。通过实践，此方法获得的研磨块，其精度和压砂效果都不理想。实际上，压砂对轨迹线的要求与研磨运动相似，即轨迹应能保证研磨块表面上各点均有相同的(或近似的)被研压条件。对于卡尺研磨块要求：研磨块上各点的行程须一样，以获得良好的平面性；压砂运动力求平稳，尽量避免曲率过大的转角；研磨块运动应遍及整个研压盘表面，以利研压盘均匀磨损；尽量不出现周期性重复情况，如无法避免，应设法获取最长轨迹周期。

图2

1.2 各种轨迹线的比较及选用

压砂常用的运动轨迹有直线、正弦曲线、“8”字线、外摆线和内摆线等。考虑到压砂设备结构的合理性、适用性及压砂效果等因素，决定选用短幅内摆线。行星机构的运动可获得内摆线轨迹，原理如图3所示。

内齿圈固定不动，太阳轮以角速度ω1围绕圆心O1定轴旋转，行星轮在以角速度ω2绕圆心O2自转的同时，还以角速度ω3绕圆心O1公转。行星轮上A点的运动轨迹是复杂的内摆线，其定义、特性、参数方程及曲线图，如图4所示。在图3中，当偏心距E=0，即A点与O2重合时，A点轨迹为圆；当E=d/2时(d为行星轮分度圆直径)，A点的轨迹为普通内摆线；当E>d/2时，A点的轨迹为长幅内摆线；当E0时，A点的轨迹为短幅内摆线。由图4可知，普通内摆线，靠近基圆部分过于“陡峭”，且有“急回”特性，运动平稳性较差，导致平面的平行度不好；长幅内摆线在短时间内连续“大回转”，运动特性也不够理想，而且P″点离圆心O1点较远，会导致行星轮的转矩加大；相比较而言，短幅内摆线比较柔和、流畅，离圆心O1也较近，避免了以上不足。因此，压砂运动轨迹线选用短幅内摆线。

图3

1.3 轨迹周期重复性问题

如图3的行星机构，设太阳轮齿数zA=15，内齿圈齿数zB=105，行星轮齿数zC=45，模数m=1,偏心距E=13，太阳轮按图示方向转动。当行星轮自转7转时，正好绕太阳轮公转3转，A点的轨迹如图5所示。若太阳轮继续转动，点A的运动轨迹就与原来的重合。点A的运动轨迹是一条交错而封闭的曲线，经1→2→3→4→5→6→7→1，完成一个周期运动。每个周期内，行星轮自转转数NZ和公转转数NG的计算公式如下：

定义与特性滚动圆O1在基圆O内部相切滚动,滚动圆上某点P(或圆外P″,圆内P')的轨迹。参数方程x=(a-b)cosθ+lcosb-abθ()y=(a-b)sinθ+lsinb-abθ()备注a———基圆半径b———滚圆半径θ———公转角θ1———自转角θ1=a-bbθl=θ1P,当l=b,为普通摆线Γl>b,为长幅摆线Γ2l

(1)

(2)

式中，LCM(zC,zB)为zC与zB的最小公倍数。

图5

由于该机构无法避免周期重复性问题，因此需设法获取最长的轨迹重合周期。轨迹重合周期愈长，研压盘的磨损就愈均匀，设备的使用寿命就愈长，被压砂的研磨块精度就愈高。文献[2]指出，要获得最长的轨迹重合周期，就必须使行星轮和固定内齿圈二者的齿数无公因数，该文总结出了3种研磨机的最佳数据组合方案。我们在设计改装压砂机行星机构时，选用了其中1种。

2 设计实例

改装后的行星轮系运动关系如图3所示，其中太阳轮齿数zA=19，内齿圈齿数zB=59，行星轮齿数zC=20，模数m=3,压力角a=20°，偏心距E=18。由式(1)、(2)可计算出一个周期运动中，行星轮自转转数NZ=59转，公转转数NG=20转，A点的运动轨迹如图6所示，改装的压砂机传动原理如图7所示。电动机的转矩通过蜗轮蜗杆副、安全离合器传给太阳轮，3个行星轮围绕太阳轮公转，隔离盘在3根偏心轴的作用下，做复杂的压砂运动，某一研磨块圆心B点的轨迹成网状，如图7所示(A-A剖)。压砂时，须施加压力给上研压盘，使研磨块上下压砂平面承受一定的压力(约0.2×105Pa)，以利于将磨粒压入研磨块表面，上研压盘不能随研磨块的移动而作圆周运动，即圆周方向是静止的；下研压盘与床身固定在一起。

图6

图7

3 压砂过程

压砂前，把研磨块放到高精度平面磨床上，将需压砂的两平面磨至以下要求：平面度公差0.003mm，表面粗糙度Ra0.20μm。对于研压盘还需用油石打磨一下，目的是把上次压砂时，压入研压盘的金刚砂去除掉，油石的粒度须比金刚砂大一号。开始压砂时，研磨块的线速度约40mm/s，此时须防止研磨块和研压盘间的混合油及砂子被挤出。随着时间的推移，研磨块的推力会逐渐加大，研磨块的线速度应随着推力的增加而降低。当推力达到最大值时，研磨块的线速度约20mm/s。如果还继续压砂，那么力就会逐渐减小。这是因为研磨块表面的嵌砂已经达到了饱和状态，应该停止压砂而没有停止，致使砂子互相研磨变钝打滑，切削力逐渐下降。压砂过久还会导致研磨块温度升高，砂子被研脱落，使得压砂过“老”。如何控制“火候”，读者可根据本厂的实际情况，参考有关资料进一步优化。研磨块的推力达到最大时压砂运动应停止，此功能可通过调整安全离合器来实现。研磨块线速度的变化，可通过时间继电器、双速电机来实现，有条件的工厂可考虑利用可编程逻辑控制器PLC来控制。