车床砂带抛磨绿色工艺的研究*

2014-09-15孙千里沈鑫刚范进桢邬镇波耿金良

机电工程 2014年2期

关键词：砂带磨头车床

孙千里，沈鑫刚，范进桢，邬镇波，耿金良

（1.宁波职业技术学院海天学院，浙江宁波 315800； 2.海托模具制造有限公司，浙江宁波 315800）

0 引言

砂带磨削和研抛是一种比较传统且得到广泛应用的加工方法，其应用范围近年来得到很大扩展。

在国外，该工艺从上世纪60年代起步，现在已发展到较高水平，工业发达国家中，砂带磨削占磨削的比例近50%［1-2］。

国内对砂带磨削、抛光的机理及应用也有了一定研究。例如:潘复生等［3］对砂带磨削金属材料机理进行了研究；吴昌林等对［4］铝合金轮毂曲面砂带磨削方法进行了研究；黄云等［5-7］对砂带磨床模块化设计、采用开式砂带进行曲轴轴颈研磨进行了系统研究；张菊霞等［8-9］对砂带磨削的研究集中在螺旋桨叶片砂带的数控抛磨方面。

虽然以上研究的侧重点各不相同，但就其所采用的砂带磨削装置而言，都包含了主动轮、张紧轮和导轮、接触轮等主要组成部分。《机械加工工艺手册》中总结的30种闭式砂带磨削类型也表明了这一点［10］。换句话说，无论采用哪种砂带磨削类型，均离不开电机对砂带的驱动。

受DK150型钢材捆扎机依靠摩擦轮驱动来实现送带、收带启发［11］，本研究所提出的车床用砂带磨削装置，去除传统砂带磨头的电机部件，以工件的旋转作为唯一的动力来源，以达到简化结构、降低成本、减少能耗的目的。该方法尚未见载于文献，是砂带磨削和研抛工艺的新尝试。

1 砂带抛磨绿色工艺的原理

1.1 工件对砂带同步驱动的设想及验证

查文献［9］可知，各种传统砂带磨头的工作原理、主要尺寸及参数的计算与带传动基本相同。分别列举外圆及内圆磨头结构如图1所示。

图1 砂带磨头结构

本研究提出，在上述磨头中，工件可以视为带传动的组成部分。在拆除电机的情况下，旋转的工件可以充当主动轮的作用，实现带的传动。以图1（a）为例，拆除电机后，以旋转的工件充当主动轮的传动情况如图2所示。

图2 工件充当主动轮的砂带传动

本研究通过实验对以上设想进行了验证。

宁波海托模具制造有限公司的车床用砂带磨头如图3所示，笔者切断电机电源后进行实验。

工件在一定的主轴转速下旋转，让砂带压紧工件，砂带在工件驱动下传动。本研究用手持式红外线测速仪记录砂带的线速度，且改变主轴转速，重复实验，所得数据如表1所示。

表1 实验结果及计算

实验结果表明，忽略实验误差，工件与砂带的线速度基本一致，这意味着工件完全可以充当主动轮的作用，实现对砂带的同步驱动。

1.2 砂带磨削或研抛工作的形成

当工件对砂带同步驱动时，工件与砂带的相对速度为零，不能形成切削。与此相反，如果工件旋转，砂带静止，则形成了切削工作，但砂带的磨损位置集中，整条砂带的使用寿命低。理想的情况是，工件与砂带既有合理的速度差，以保证产生切削工作，又要保证砂带的匀速移动，使整条砂带的磨损均匀，使用寿命延长。

因此，在工件对砂带同步驱动的基础上，为了形成有效的砂带磨削或研抛工作，应采取以下措施:

（1）应对砂带施加一定的阻尼，降低砂带的线速度，使工件与砂带之间形成足够的速度差；

（2）为了稳定砂带的速度，应保证整个砂带传动链的有足够大的转动惯量。

1.3 与传统的砂带抛磨工艺的比较

与传统的砂带抛磨工艺的比较情况如表2所示。

表2 本研究工艺与传统砂带抛磨工艺的比较

2 车床用无电机砂带磨头的设计

2.1 磨头的结构组成

车床用抛磨光轴砂带磨头如图4所示。

图4 车床砂带磨头

支持座3为“L”形，侧面是磨头各功能零部件的安装基准面，底面是磨头在车床刀架上的安装基准面。支架10连同安装其上的两个张紧轮1一起，可以沿支持座3上的导向槽作整体前、后移动，前、后位置由张紧螺母6通过丝杠调节。导轮4可以增大砂带对张紧轮1及惯性轮5的包角。

风动阻尼7组件主要包含单向节流阀、壳体、叶轮、传动轴等部分，其中叶轮、传动轴与惯性轮5同轴。通高压气后，在叶轮上形成与惯性轮5旋转方向相反的扭矩，该扭矩通过传动轴、平键作用于惯性轮5上，对砂带的传动起阻尼作用。阻尼的大小由气压决定，可通过单向节流阀调节。

2.2 磨头结构特点

磨头结构主要特点如下:

（1）整体尺寸较小，可以像车刀一样安装在车床刀架上使用；由于尺寸小，携带方便，可以作为车床附件存放，拓宽车床的工艺范围。

（2）增大辅轮5的转性惯量，作为惯性轮，平稳砂带2的线速度。

（3）风动阻尼7只要接通机床的高压气源就能使用，使用条件简单，调节方便，环保。

（4）采用自由式砂带磨削方式，能适用于比较大直径范围的零件加工。

3 工艺实施举例

本研究以抛光材料为45钢（硬度28-32HRC）的活塞杆为例，说明该工艺研究的实施，活塞杆零件图如图5所示。零件抛光前表面粗糙度Ra 6.3～3.2，留余量0.05 mm～0.08 mm，经抛光后达到图样要求。

图5 活塞杆零件图

3.1 砂带及切削参数选择

根据生产经验，本研究选择GXK51-P320布基氧化铝砂带。切削速度为2 m/s，忽略砂带移动速度，可折算出工件转速为1 300 r/min。

3.2 磨头安装与调整

磨头安装与调整步骤如下:

（1）松开张紧轮支架10的锁紧螺钉9，调节螺母6，使支架10缩回，按图4所示安装砂带，调节螺母6，以手感判断，砂带初步张紧后锁紧支架10。

（2）以三爪卡盘与尾座顶尖组合安装工件。

（3）将砂带磨头安装到车床刀架上，接通高压气（此时应关闭单向节流阀）。注意调整磨头方向，使砂带前端面与主轴回转中心平行。启动主轴，工件以1 300 r/min旋转，移动中溜板，将砂带压紧工件，使砂带被工件同步驱动。（注意，砂带最终张紧力应控制在60 N～80 N/10 mm，实际工作中多凭手感经验判断。）

（4）调节单向节流阀，增大阻尼，使砂带最终以极缓慢的速度移动，砂带进入抛光工作。

（5）自动走刀，使砂带沿工件轴向移动，完成抛光。

3.3 加工结果分析

经多个批次的生产证明，零件采用本研究提出的工艺所完成的抛光后，表面粗糙度能达到图样要求。零件抛光前、后对比如图6所示。

图6 零件抛光前后对比

4 结束语

本研究介绍了一种车床砂带抛磨工艺，以及基于该工艺设计的砂带磨头。研究结果表明，利用工件的旋转及惯性轮与阻尼的辅助作用，驱动砂带缓慢移动，能成功完成砂带磨削和研抛工作。笔者所设计的无电机砂带磨头体积小，结构简单，携带方便，可作为车床附件，有效地扩大车床的工艺范围。该工艺节能环保，是绿色加工工艺的一种新尝试。

该工艺局限于车床上应用，并且笔者在工程实践过程中发现，砂带磨头还应在有效控制砂带压力、防砂带跑偏、提高风动阻尼的响应速度等方面进一步改善设计。

（References）:

［1］王先逵.精密复合加工技术是提升数控机床核心竞争力的有效途径［J］.机床与液压，2011，39（20）:1-7.

［2］赵有科，王永清.PDP砂轮机的研发创新设计［J］.机械，2012，39（2）:44-49.

［3］王维朗，潘复生.砂带磨削金属材料的工艺及机理研究［D］.重庆:重庆大学材料与工程学院，2006.

［4］杨宝成，吴昌林.铝合金轮毂复杂曲面砂带磨削方法研究［D］.武汉:华中科技大学机械与工程学院，2007.

［5］程光杰，黄云，张美，等.砂带磨床模块化设计方法的研究与应用［J］.工具技术，2012，46（6）:27-30.

［6］肖贵坚，黄云，黄智，等.超声振动砂带研磨曲轴主轴颈实验研究［J］.机械科学与技术，2011，30（1）:92-97.

［7］张磊，黄云，王亚杰，等.曲轴连杆颈砂带随动研抛机理及工艺研究［J］.机械科学与技术，2011，30（12）:1995-2202.

［8］石璟，张秋菊.六轴联动叶片砂带抛磨中接触轮姿态的确定［J］.机械科学与技术，2010，29（2）:196-200.

［9］吴广领，张秋菊.六轴四联动数控系统曲面加工可行性分析［J］.机械科学与技术，2012，31（8）:1329-1333.

［10］王先逵.机械加工工艺手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.