基于外圆磨床的大学生创新设计能力培养

基于外圆磨床的大学生创新设计能力培养

具有创新设计能力是机械类大学生的基本要求。大学生在学校通过现有的资源提高其创新设计能力尤为重要，机床作为机械加工的母机，机床精密和可靠性对机械产品的质量极其重要。上海理工大学机械学院磨削重点实验室有着丰富的经验和庞大的机床资源，本文结合大学生毕业设计的要求，提出在外圆磨床进行改进设计方法，该方法设计了一种半刚性的新型磨削工具，以提高磨床的加工精度，通过这样的实践来锻炼和提高学生的创新设计能力。

外圆磨床半刚性磨具装置总体结构设计

外圆磨床半刚性磨具装置主要是在原有MG1432A精密磨床进行改造设计的，所设计的外圆磨床半刚性磨具装置的总体结构简图如图1所示

从以上示意图可以知道，修整装置其组成结构包括修整工具、轮轴、轴承、座杆、支座、悬吊杆、试件、头架、尾架、顶尖、电机等，其中修整工具由变频电机通过皮带带动转动，工件的转动通过头架伺服电机带动拨杆，接着带动拨盘，进而带动试件的转动。采用伺服电机控制头架转动，具有便于实现闭环控制，提高头架的精度较高和传动的平稳性等优点。

图1　外圆磨床半刚性磨具装置的总体结构简图

图2　外圆磨床半刚性磨结构简图

半刚性磨具的结构设计

半刚性磨削工具装置中工具的设计是本课题研究的重点部分之一，也是采用此方法提高精度的一个创新点，结合现有的高精密磨床MG4312A，将其改进并作为试验平台，本课题所设计的磨削工具的结构原理简图如图2所示，由外层到内层分别为硬质磨粒或研磨块层、塑料聚合薄膜、半刚性材料层、刚性基体层四部分组成。

使用的半刚性磨削工具的制作方法为：塑料薄膜由热真空塑料制备，半刚性层材料选用橡胶或非牛顿流体，与刚型环固接，氯乙烯橡胶将刚性环和塑料薄膜连接， 金刚石或研磨块粘接在塑料薄膜的外侧。磨具则通过螺栓安装研磨轴相连。这种修整工具通过塑料薄膜使得磨削过程中能够有一定的刚性，而且通过橡胶的弹性保持对自由曲面完全附着。塑料薄膜的一端连接硬质磨粒或研磨块，另一端和半刚性层相连接，橡胶层则依附着刚性盘。一般来说，半刚性层是用热补偿法将其固定在铝制的刚性基体上。

该设计的目的是保证加工过程中，半刚性磨具能完全符合在工件的表面，且各部分压力不同，可在磨具上增加压力控制装置，通过控制压力进行修整，以达到表面波峰部分去除量大，波谷部分小，最终提高工件轮廓的精度和表面粗超度。

橡胶是作为半刚性材料最广泛的原材料，其硬度和密度不相同，表面形状各式各样。选用热真空成型塑料附在羊皮纸表面制备塑料薄膜。且塑料层厚度要足够才能使磨削块在加工过程中跟磨削区域完全附和，同时保证一定的磨削力。

图3　半刚性磨具压力控制装置结构图

半刚性磨具压力控制装置的结构设计

半刚性磨削工具与试件修整中是一个连续的过程，为了提高精度，对试件轮廓波峰部分进行大的去除量，对波谷部分进行小去除，需要控制磨削工具与试件修整时的接触压力，为了达到控制修整过程中磨具与试件相对压力的目的，根据现有的设备条件，设计了半刚性磨具压力控制装置方法，半刚性磨具压力控制装置的基本结构如图3所示。

装置底座固定在MG1432A精密磨床导轨上，座杆1和底座通过螺纹2连接，支座左右对称，螺纹连接在座杆的顶端，两端分别连悬吊杆3，使得悬吊杆对磨削工具的压力稳定、平均的压在研修轮上，悬吊杆的前端有悬挂孔，用于悬挂重物，可根据到支座连接处中心的距离和到研修轮接触的距离，利用杠杆原理算出二者的比之关系，进而可以控制悬挂重物的多少来控制施加在研修轮上的正压力。而在悬挂重物的选择上最简单的方式可以添加砝码，此方法的优点原理简单、价格低廉；缺点是操作繁杂，且精确度不好控制。

半刚性修整装置头架控制系统的设计

将现有高精密磨床MG1432A的头架部分进行重新设计，同时尽可能的利用现有的设备条件，主要改造以下两部分：

（1）头架的改造在原有头架主轴的基础上，更换伺服电机或者够用力矩电机来实现，以便于实现闭环控制，提高头架的精度较高和传动的平稳性。

（2）在头架主轴前端加同步带轮和编码器。同步齿形带可以实现减速传动，皮带具有弹性，传动平稳、噪音少，改造的成本也较低。编码器作为头架的转速和角位移检测装置，具有结构简单、成本低，方便改造的优点。

改造后头架可进行的控制改变工件转速修整方法：

（1）定义

调整好并稳定修整工具的参数，修整工具对工件的压力不变，压力是通过位移的来实现，修整工具转速不变，根据回转类零件的圆度轨迹，来改变构架工件的转速，按照轮廓的高低调整修整时间，实现工件形状误差的修整。

（2）基本理论

1）高点高去除，高点低速度。假设工件顺时针转动，当刀具和工件的接触点正值工件的高点，这时工件的速度比较慢，以使工件该高点处具有较多的材料去除量。

2）低点少去除，低点高速度。当工件从高点逐渐转到与修整工具接触的低点时，这时工件的速度慢慢变快，以使工件该低点处具有较少的材料去除量。

3）快慢结合，逐渐过渡。在有高到低和有低到高的速度变化时，在电机控制条件许可的情况下，兼顾速度的细分和变化的渐进性，可以满足高出来的地方多去除，低的地方少去除，兼顾曲线光顺性，提高工件形状精度。

（3）算法实现

1）参数初始化：等角度采集数据，确定圆度检测分度角度α和数据采集点个数n，n=360/α。设置工件转动极大角速度ωmax，极小角速度ωmin。

2）轮廓数据采集：圆度测量之前，标记好0°位置。用圆度仪半径变化测量法测量工件圆弧圆度误差，令分度回转中心和工件两端中心孔确定的中心重合，以保证测量的工件圆弧轮廓数据和工件修整加工时的轮廓具有一致性。

结语

基于外圆磨床半刚性磨具方法是一种为实现工件精度和表面粗超度的磨削过程，它利用弹性材料粘接磨粒层作用于工件表面，并通过头架系统控制工件转动速度，和压力调节装置控制修整过程中的法向压力，达到去除工件表面材料的目的，实现工件轮廓精度的提高。

本文主要从外圆磨床半刚性磨具装置总体结构设计、半刚性磨具的结构设计、半刚性磨具压力控制装置的结构设计、半刚性修整装置头架控制系统的设计四个方面进行创新设计。机械类大学生参与到四个创新设计的整个过程，可以更为全面地提高学生创新设计能力。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.002