高强度绞丝管滚筒抛光机设计

张 宁，李艳琦

(福建工程学院机械与汽车工程学院，福州 350108)

高强度绞丝管滚筒抛光机设计

张 宁，李艳琦

(福建工程学院机械与汽车工程学院，福州 350108)

结合行业发展及社会实际需求，在对高强度绞丝管的制造工艺进行分析的基础上，开发了针对高强度绞丝管滚筒的抛光设备，确定了高强度绞丝管滚筒的粗抛、精抛装备结构，并进行了优化设计，对关键部件进行了尺寸设计与校核。实践证明：该抛光设备运行稳定，产品成型质量高。

高强度绞丝管;抛光机;结构设计

塑料管从20世纪40年代开始使用，具有重量轻、耐腐蚀、水流阻力小、节约能源、安装简便且快捷等优点，但强度、刚性、抗冲击性等远不如金属管。目前，国内研发出一种新型高强度塑料管(高强度绞丝管)［1-4］，由塑料树脂和绞丝等制造而成，可克服金属管和塑料管的不足，是集两者优点于一身的新型管材。该新型高强度塑料管已广泛用于建筑给排水、饮用水管道以及采暖、化工、石油、天然气输送等领域。

高强度绞丝管产品是通过加热玻纤并缠绕在高强度绞丝管滚筒(模具)上，通过脱模等一系列工序生产出来的。高强度绞丝管滚筒(模具)安装在龙门铣床的工作台上，并在龙门铣头上安装角度头，衔接抛光轮速度转向与龙门铣头的动力头转向装置，支撑抛光轮的抛光架安装在角度头的螺栓衔接部分。这样既能保证抛光架的支撑和转动，还易于安装及拆卸。本文针对高强度绞丝管滚筒的抛光需求设计了一种抛光设备。

1 高强度绞丝管滚筒的抛光机设计因素

在塑料模具加工中所说的抛光与其他行业中所要求的表面抛光有很大的不同，塑料模具加工以机械抛光为主。由于目前机械抛光主要是靠人工完成，所以抛光技术是影响抛光质量的主要原因。除此之外，抛光质量还与模具材料、抛光前的表面状况、热处理工艺等有关。另外，钢材中的各种夹杂物和气孔也都不利于抛光。

抛光的工艺分为粗抛和精抛2部分。粗抛的机架结构设计较为复杂，根据砂带机的工作原理，需考虑以下因素：

1)安装位置要求。砂轮机不能安装在正对附近设备及操作人员或经常有人过往的地方。如果因厂房地形的限制不能设置专用的砂轮机房，则应在砂轮机正面装设1.8 m高度的防护挡板，并且要求挡板牢固可靠。

2)砂带轮的平衡要求。在砂轮高速旋转时，砂带轮的不平衡会引起振动，加快主轴轴承的磨损，严重时会造成砂轮的破裂，甚至导致事故的发生。所以主动轴与从动轴要保证其平衡，这是此设计的重点，亦是难点。

3)砂带机的防护罩。防护罩是砂带机最主要的防护装置，其作用是当砂带轮在工作中因故破坏时，能有效地罩住砂带轮碎片，保证人员的安全。砂带轮防护罩的开口角度在主轴水平面以上，不允许超过65°。防护罩的安装应牢固可靠，不得随意拆卸或丢弃不用。当防护罩在主轴水平面以上开口大于等于30°时，必须设挡屑屏板，以遮挡磨削飞屑，避免伤及操作人员。它安装于防护罩开口正端，宽度应大于砂轮防护罩宽度，并且应牢固地固定在防护罩上。砂轮圆周表面与挡板的间隙应大于6 mm。

4)砂带机的工件托架要求。托架是砂带机常用的附件之一，砂带机应设置可调托架，即主动轴是固定的，而从动轴设置为可调，以便装卸砂带，砂带轮与托架之间的距离最大不应超过3 mm。

2 抛光机的结构设计

高强度绞丝管制备时，将玻璃纤维与聚丙烯等塑料以一定比例缠绕滚筒绕自身水平轴匀速转动，来回交叉缠绕，达到所需厚度，再经冷却脱模。滚筒(模具)作为高强度绞丝管制备过程重要的组成部分，其本身必须达到使用的工艺要求。滚筒修圆工装专为滚筒加工而设计。滚筒加工时，将滚筒(模具)固定于工装支撑架上，其一端用电动机通过齿轮传动带动滚筒(模具)转动。整个装置固定于龙门铣床上，将滚筒不圆处铣圆，再用抛光机将其抛光滑，达到使用要求。

2.1 抛光过渡转向选用的机床附件

抛光工作在龙门铣床上操作进行。因为龙门铣头上有电机，能带动铣头旋转。抛光滚筒工作的方向和铣头工作转向不一致，所以考虑选用角度头。机床安上角度头后，刀具旋转中心线可以与主轴旋转中心线成一定角度加工工件。使用角度头无需改变机床结构就可以增大其加工范围和适应性，使一些用传统方法难以完成的加工得以实现，并能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率。本文选取AHA系列横向角度头(侧铣头)。如图1所示，本体采用FCD60-FCD65球状石墨铸铁，该材料刚性强，加工稳定，适用于中、轻切削。夹持刀具种类、尺寸多，采用ER32和ER40型式可涵盖大部分加工应用。

2.2 结构初步建模

通过角度头螺钉连接的部位固定砂带机托架，主动轴固定，从动轴通过滑槽移动可调，以便装卸砂带(抛光过程较复杂，要经常更换砂带)。如何保证主动轴和从动轴的平行度是设计的难点。因为在铣床的电机高速旋转时，抛光时产生的振动会使从动轴发生偏动，导致抛光效果差。所以在设计托架即抛光架时，要能承受从动轴工作时的受力引起的偏动，保证一定的强度和稳定性。初步设计的结构如图2和图3所示。

图1 AHA系列横向角度头及尺寸

图2 粗抛的抛光机结构初步建模

图3 粗抛的抛光机结构

2.3 确定抛光机的设计基本方案并进行整体优化

粗抛时的工作状态如图4所示。工作时，手轮靠在圆柱销上，从动轴靠槽面和弹簧的弹力固定。手轮是凸轮和手柄的焊接件，通过销轴固定在抛光架上。通过转动手轮，使从动轴在滑槽内移动。当手轮凸轮的凹槽部分与从动轴的圆柱面接触时，机构自锁，这时就可以换砂带了。采用手轮部件能够使操作非常省力。

与初步建模的结构图相比，优化结构图增加了结构的稳定性，同时更能保证主动轴与从动轴的平行性，而且结构部件更为简单。初步方案是把弹簧放在导杆外，导杆结构细长，设计上的稳定性不够，另外负载在抛光架上的零件小又多，结构较为复杂，而且抛光架的可调机构是通过调节手柄使从动轴沿着滑槽运动。因克服弹簧的弹力做功不容易实现预想的效果，且费力，所以改用凸轮机构作为可调机构。

图4 粗抛的抛光机优化结构

2.4 精抛时的抛光机结构设计

抛光机通过旋转研磨盘或抛光盘来平滑并抛光漆面，以除去微小的漆面缺陷，提高光亮度。目前抛光机所用的抛光盘主要有3种：羊毛盘、粗质海绵盘和柔软海绵盘。其中羊毛盘和粗质海绵盘用于中度抛光研磨，而柔软海绵盘的抛光面大都做成凹凸有序的波浪形，有利于精细抛光。抛光作业时需要区分使用抛光盘。精抛时，抛光轮与法兰盘联接后应先进行平衡调试，砂轮整形修整后或工作中发现不平衡时应重新调试至平衡。转盘速度可适当提高。抛光时间以抛掉粗抛的损伤层时为宜。精抛抛光机优化前后的结构如图5和图6所示。

图5 精抛抛光机结构

图6 精抛抛光机优化结构

3 抛光机零部件参数计算

3.1 轴的设计计算与校验

本文采用扭转强度条件进行轴设计计算。轴的材料：主动轴为40Cr，从动轴为45#。铣床的电动机选用伺服电动机，主轴电动机为Y132M-4-B3，7.5 W，380 V，1 450 r/min。依计算公式得：

3.2 弹簧的力学性能校核

圆柱螺旋压缩弹簧的稳定性、强度和共振的验算：

1)压缩弹簧稳定性验算。对于高径比较大的压缩弹簧，当轴向载荷达到一定值时就会产生侧向弯曲而失去稳定性。为了保证使用稳定，高径比b=H0/D应满足下列要求：

① 两端固定b≤5.3;

②一端固定另一端回转b≤3.7;

③ 两端回转≤2.6。

当高径比b大于上述数值时，按下式进行验算

式中：Pc为弹簧的临界载荷(N);CB为不稳定系数，从图7中查取;P'为弹簧刚度(N/mm);Pn为最大工作载荷(N)。

查机械设计手册，选用圆柱螺旋压缩弹簧YA 2x16x65 GB/T 2089—1994，b=H0/D=65/16=4.062 5≤5.3。该弹簧属于两端固定，符合本产品设计的要求。

圆柱螺旋压缩弹簧是装在抛光架的圆孔中，其圆孔与圆柱螺旋压缩弹簧之间的间隙要求如表1所示。

表1 导杆、导套与弹簧内(外)直径的间隙值

查取间隙值为2～3 mm，而圆孔直径是21 mm，圆柱螺旋压缩弹簧的外径是18.5 mm，所以间隙值为21-18.5=2.5 mm(满足2～3 mm要求)。

图7 不稳定系数

2)强度验算。对于受循环载荷的重要弹簧(Ⅰ、Ⅱ类)应进行疲劳强度验算。受循环载荷次数少或所受循环载荷的变化幅度小时，应进行静强度验算。当两者不易区别时，要同时进行2种强度的验算。

表2 高优质钢丝、不锈钢丝、铍青铜和硅青铜循环载荷下的剪切强度τ0

静强度验算：

式中：τa为弹簧材料的屈服极限，碳素弹簧钢丝取 τs=0.42σB，硅锰合金簧丝取 τs=0.51τB;SP为许用安全系数，与疲劳强度验算的选取相同。

因为弹簧(材料是65Mn)在本产品中受循环载荷次数少，且所受循环载荷的变化幅度小，所以进行静强度验算：

式中：根据文献［5］、表 2，τa为 0.5σB;根据文献［5］、表3，σB=1 650。验算合格。

3)共振验算。对高速运转中承受循环载荷的弹簧需进行共振验算。验算公式为：

式中：f为弹簧的自振频率(Hz);fτ为强迫机械振动频率(Hz);d为弹簧材料直径(mm);D为弹簧中径(mm);n为弹簧有效圈数。

对于减振弹簧，按下式进行验算：

式中：g为重力加速度，g=9.8×10-3mm/s2;P'为弹簧刚度(N/mm);W为载荷(N)。

主轴的结构设计和强度校核计算及弹簧的力学性能校核计算结果表明：抛光机能够满足使用要求。

4 结束语

本文所设计的抛光机结构解决了抛光机橡胶轮与铝轮之间的不平衡问题，有效避免了砂轮高速旋转时引起的振动，减少了不平衡导致的主轴轴承的磨损。试验证明：所设计的抛光设备在高强度绞丝管生产过程中运行稳定，粗抛时能够有效地保证主动轴和从动轴的平行关系，使得抛光机工作平稳。加工的高强度绞丝管产品外观和表面质量等参数达到设计要求。

［1］ 潘元平.一种耐用高强度塑料管［P］.中国专利：201210311299.3，2013-01-09.

［2］ 陆琴.高强度塑料管［P］.中国专利：201220381966.0，2013-03-13.

［3］ 武科金.一种高强度新型塑料管件［P］.中国专利：201310211041.0，2013-09-04.

［4］ 苏国中.高强度塑料管［P］.中国专利：201010299344.9，2011-05-11.

［5］ 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.

Polishing Machine for High Strength Ground Wire

ZHANG Ning，LI Yan-qi
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China)

Combined with the requirements of the development of industry and social demands，a polishing machine which can produce the high strength fiber tube is designed on the basis of a detailed analysis of the manufacturing process of high-strength twisted wire tube.Rough cast，fine polishing equipment structure of the high-strength twisted wire tube roller is identified.This paper optimized the structure through check key parts.The polishing equipment can be operated stably，and the quality of the product is stable through practice.

high strength fiber tube;polishing machine;structure design

TH12

A

1674-8425(2014)04-0037-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.04.008

2014-01-25

国家自然科学基金资助项目(501305079);福建省自然科学基金资助项目(2013J01168);福建工程学院科研发展基金资助项目(GY-Z11075)

张宁(1963—)，男，福建人，高级工程师，主要从事机械设计及理论、材料加工系统等方面研究。

张宁，李艳琦.高强度绞丝管滚筒抛光机设计［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2014(4)：37-41.

format：ZHANG Ning，LI Yan-qi.Polishing Machine for High Strength Ground Wire［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：37-41.

(责任编辑 刘 舸)