李茂龍

(湖南鋼球廠，湖南 岳陽 414000)

3MH4930等非框架結(jié)構(gòu)光球機(jī)的轉(zhuǎn)動和固定頭架托盤平面在工作時(shí)承受較大載荷，運(yùn)行一段時(shí)間后其相對位置精度會發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)床操作困難，影響鋼球的加工質(zhì)量、效率和成本。因此，下文以3MH4930光球機(jī)為例，對光球機(jī)頭架托盤平面位置精度的變化進(jìn)行了分析。

1 光球機(jī)工作時(shí)受力分析

1.1 光球加工過程

鋼球光球加工用設(shè)備3MH4930光球機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。光球加工過程中鋼球一方面隨光球轉(zhuǎn)動板繞轉(zhuǎn)動中心公轉(zhuǎn)，另一方面繞其自身與光球板溝槽接觸狀況產(chǎn)生的不斷變化的瞬軸自轉(zhuǎn)。當(dāng)鋼球毛坯剛進(jìn)入光球板溝槽時(shí)，只有環(huán)帶或兩極的某處最大可能先與光球板溝槽產(chǎn)生接觸與擠壓使接觸處受到切削，鋼球毛坯在光球板溝槽中的滾動又不斷產(chǎn)生新的接觸和擠壓并受到新的切削。正常情況下，鋼球毛坯每轉(zhuǎn)動一周受到一次切削后，產(chǎn)生一條相對應(yīng)的切削帶，與光球板溝槽的接觸吻合性趨好一次。但剛開始受到切削的鋼球毛坯得到的切削帶一般多為不規(guī)則且不連續(xù)的切削帶，在經(jīng)過進(jìn)入到離開光球板溝槽的往復(fù)切削后，最終使鋼球毛坯每進(jìn)出一次光球板溝槽得到一條較連續(xù)的切削帶，實(shí)現(xiàn)鋼球毛坯與光球板溝槽的較好吻合。

1—轉(zhuǎn)動頭架；2，5—托盤；3—轉(zhuǎn)動板；4—固定板；6—固定頭架；7—床身

1.2 光球時(shí)鋼球的受力分析

如圖1建立坐標(biāo)系，光球機(jī)的主軸中心線方向?yàn)閤軸，縱向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸。光球加工時(shí)，若轉(zhuǎn)動頭架座內(nèi)的油缸沿x軸方向給轉(zhuǎn)動頭架托盤、轉(zhuǎn)動光球板施加壓力為P，則壓力P分散施加于光球板溝槽中的每一鋼球毛坯上，再傳遞給固定光球板、固定頭架托盤。而壓力P分散傳遞給光球板溝槽中每一顆鋼球毛坯的分力大小和分布非常復(fù)雜。

(1)由于還未受到光球加工的鋼球毛坯(特別是冷鐓毛坯)偏離理想球體形狀較大，當(dāng)鋼球毛坯進(jìn)入光球板溝槽后其某局部一周每受到一次切削，被切削部分對應(yīng)的偏離量則減小一次，隨后每一周受到一次切削所對應(yīng)的偏離量減小速度依次減緩，直至鋼球毛坯相對理想球體形狀的偏離量符合工藝要求。通常情況下，鋼球毛坯的光球板溝槽接觸處的形狀偏離理想球體形狀越大，則其接觸處的變形就越大，鋼球毛坯在光球板溝槽中滾動時(shí)產(chǎn)生的尖劈效應(yīng)越明顯，相應(yīng)受到的壓力也越大，反之則相反。綜上，每個(gè)鋼球毛坯在剛進(jìn)入光球溝槽時(shí)受到的壓力大多較大，隨著其滾動至出球口，所受壓力逐漸減小。

(2)每一鋼球毛坯是隨機(jī)進(jìn)入每條光球板溝槽的，鋼球毛坯與光球板溝槽任一接觸處的形狀嚴(yán)格說是不能確定的，光球加工初期的鋼球毛坯更是如此，因此，同一鋼球毛坯沒有完全相同受力的時(shí)候，同一光球板溝槽處也沒有完全相同受力的時(shí)候。

(3)當(dāng)鋼球毛坯精度逐步達(dá)到工藝要求時(shí)，在光球板溝槽中的每個(gè)鋼球毛坯的受力差異逐漸減小。

1.3 光球板受力分析

1.3.1 光球板某一區(qū)間內(nèi)所受作用力分布

圖2 固定光球板示意圖

光球板溝槽中的鋼球毛坯某一瞬時(shí)沿x軸方向傳遞固定光球板區(qū)間所受作用力的分布如圖3所示。

圖3 固定光球板區(qū)間受力分布

1.3.2 光球板所受合力

(1)

在鋼球毛坯進(jìn)入光球板溝槽進(jìn)行光球加工的初期，有PⅠ+PⅡPⅡ+PⅢ，PⅣ>PⅢ>PⅡ>PⅠ。此時(shí)對應(yīng)的合力P出現(xiàn)的峰值最高，變化最大。其作用點(diǎn)位于y軸的下方，z軸的右方，此時(shí)球毛坯精度越差，合力P峰值就越高，合力作用點(diǎn)離y軸和z軸的距離越大。當(dāng)不斷受到切削使其精度漸漸提高時(shí)，則每個(gè)鋼球毛坯的受力pi(i=1，2，3…，n)的變化減小且向平均受力的方向趨近，其合力P的變化也相應(yīng)減小且向恒量趨近。合力的作用點(diǎn)向y軸的上方，z軸的左方移動。

2 光球機(jī)頭架托盤平面位置精度的變化

圖4 固定光球板所受合力P的平移圖

2.1 合力P作用下光球機(jī)頭架托盤平面產(chǎn)生的相對角位移

光球機(jī)轉(zhuǎn)動和固定頭架托盤上分別固定著轉(zhuǎn)動和固定光球板，其抗彎剛度大，自身引起的變形予以忽略，將轉(zhuǎn)動頭架系統(tǒng)、機(jī)床床身、固定頭架系統(tǒng)分別用件1、件2、件3表示，并將光球機(jī)機(jī)架簡化為圖5所示機(jī)構(gòu)。合力P傳遞給固定頭架托盤的作用點(diǎn)用A表示，反作用至轉(zhuǎn)動頭架的作用點(diǎn)用B表示。如圖1所建坐標(biāo)系，依據(jù)力學(xué)原理可求出件1過B點(diǎn)且垂直于z軸的截面，與件3過A點(diǎn)且垂直于z軸的截面，在合力P的作用下繞平行于y軸的軸線旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的相對角位移θy。光球機(jī)件1，2，3在合力P的作用下，其彎矩方程分別為：

M(z1)=Pz1(0≤z1≤h)，

M(z2)=Ph(0≤z2≤l)，

M(z3)=P(h-z3) (0≤z3≤h)。

在A，B點(diǎn)各加一單位力偶(圖5b)，則光球機(jī)件1，2，3在單位力偶作用下其彎矩方程分別為：

圖5 光球機(jī)簡化后的剛架及受力圖

若件1，2，3的相應(yīng)截面對中性軸的慣性矩分別為J1，J2，J3，材料的彈性模量為E，則依莫爾積分可知：

(2)

光球機(jī)的轉(zhuǎn)動頭架、床身、固定頭架的相應(yīng)截面的形狀和尺寸是隨x1，x2，x3變化而變化的，因此，J1，J2，J3分別為x1，x2，x3的函數(shù)，若將J1，J2，J3視為常量，則有：

(3)

若J1=J2，則：

(4)

由(4)式可以看出：h越小,則θy就越小。由于在現(xiàn)有機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下,l>h,J2

2.2 附加力偶M2作用下光球機(jī)頭架托盤平面產(chǎn)生的相對角位移

(5)

(6)

若Jρ1=Jρ2,則有：

(7)

(8)

.3 合力P作用下光球機(jī)托盤平面產(chǎn)生的永久性相對角位移

角位移θy和θz隨P和M2的變化而變化，若正在工作的光球機(jī)立刻停止，此刻測得轉(zhuǎn)動頭架過B點(diǎn)且垂直于z軸的截面與固定頭架過A點(diǎn)且垂直于z軸的截面繞平行于y軸的軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的固有相對角位移βy0，及繞平行于z軸的軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的固有相對角位移βz0,這種狀態(tài)稱為光球機(jī)當(dāng)時(shí)的固有狀態(tài)，則交變合應(yīng)力P某瞬時(shí)峰值超過光球機(jī)當(dāng)時(shí)的固有狀態(tài)所決定的某一數(shù)值時(shí)，則此刻產(chǎn)生的角位移θy，θz使上述兩截面分別形成了兩個(gè)相對應(yīng)的新的永久性相對角位移，這里用βyi，βzi表示。此后，兩截面在上述基礎(chǔ)上又產(chǎn)生新一輪與合力P、附加力偶M2相對應(yīng)的兩方面的相對角位移，并如上述又適時(shí)產(chǎn)生相對應(yīng)的兩方面的永久性相對角位移，于是使永久性相對角位移不斷迭加，即：

(9)

(10)

2.4 合力P作用下光球機(jī)托盤平面產(chǎn)生的永久性相對水平位移

δx1=Rsinβyt(1+sinα)

(11)

δx2=Rsinβzt(1+cosα)

(12)

據(jù)(11)式，(12)式可得出轉(zhuǎn)動與固定托盤頭架平面上半徑為R的圓周上對應(yīng)點(diǎn)之間分別產(chǎn)生的永久性相對水平位移δx1，δx2的曲線分別為圖6a、圖6b，總的永久性相對水平位δx的曲線見圖6c，與實(shí)測結(jié)果基本吻合。

δx=δx1+δx2

(13)

圖6 托盤平面產(chǎn)生的永久性相對水平位移曲線

3 光球機(jī)頭架托盤平面位置精度的修復(fù)

修復(fù)光球機(jī)轉(zhuǎn)動和固定頭架托盤平面間產(chǎn)生的永久性相對水平位移時(shí)，常規(guī)的修復(fù)方法需對機(jī)床進(jìn)行解體，然后對床身、頭架托盤平面采用相應(yīng)較大的加工設(shè)備進(jìn)行銑、車或鏜加工，對床身與頭架之間的定位部位與構(gòu)件需進(jìn)行重新配制，在大多情況下機(jī)床地基整體或局部需要重新?lián)v制，工程量較大，修復(fù)時(shí)間較長，所需費(fèi)用較高，且一般小型的鋼球廠自身尚不具這種修復(fù)能力。因此，介紹一種更加科學(xué)，成本較低的修復(fù)方法——光球機(jī)自助修復(fù)法。

該方法設(shè)計(jì)制造一自助鏜刀架對頭架托盤進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖7所示，自助鏜刀架結(jié)構(gòu)如圖8所示。自動鏜刀架固定于光球機(jī)轉(zhuǎn)動頭架托盤上，橫進(jìn)刀碰塊支架配裝到操作者一側(cè)的床身上，電動機(jī)的支架配裝在光球機(jī)電動機(jī)及減速機(jī)的機(jī)架上。當(dāng)自助鏜刀架工作時(shí)，視載荷大小一般可不將光球機(jī)主電動機(jī)與減速機(jī)分離，但一定要確使主電動機(jī)處于斷電狀態(tài)。工作時(shí)通過調(diào)節(jié)調(diào)頻器的頻率，選擇合適的自助鏜刀架轉(zhuǎn)速；通過調(diào)整自助鏜刀架上的橫進(jìn)刀機(jī)構(gòu)與碰塊支架相關(guān)件之間的位置，選擇鏜刀合適的橫向進(jìn)給量；通過調(diào)整相關(guān)旋鈕或直接調(diào)整鏜刀的縱向位置，選擇鏜刀合適的吃刀深度，對固定頭架托盤平面由外向內(nèi)進(jìn)行鏜加工，當(dāng)鏜刀需要由內(nèi)側(cè)返回外側(cè)時(shí)，則將鏜刀架停穩(wěn)在合適的操作位置，安上專用手柄，通過手工操作完成。反復(fù)多次鏜削，達(dá)到修復(fù)固定頭架托盤平面相對位置精度的目的。另外，在進(jìn)行鏜削時(shí)，要調(diào)整刀具的角度，使修整固定頭架托盤平面時(shí)不傷到固定頭架托盤定位凸臺定位的有效部分。而固定頭架托盤定位凸臺的修復(fù)，則可借助鏜刀找出凸臺現(xiàn)時(shí)中心位置，采用一般的機(jī)械修理方法進(jìn)行修復(fù)。

1—Y160M2-8電動機(jī)；2，4—皮帶輪；3，6—皮帶；5—減速機(jī)；7—32221軸承；8—51272軸承；9—轉(zhuǎn)動頭架托盤；10—自助鏜刀架；11—固定頭架托盤

1—托盤；2—下拖板；3—上拖板；4—螺母；5—絲桿；6—棘爪；7—棘輪；8—鏜刀；9—刀排

采用此種自助修復(fù)方法對光球機(jī)頭架托盤平面位置精度修復(fù)的效果主要取決于3個(gè)方面：(1)光球機(jī)主軸承51272，32221的精度狀況，以及32221軸承的軸向游隙調(diào)整狀況；(2)自助鏜刀架拖板系統(tǒng)的精度；(3)自助鏜加工的工藝控制。

4 結(jié)束語

對非框架結(jié)構(gòu)類光球機(jī)頭架托盤平面位置精度的變化進(jìn)行的初步理論分析，可為機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、有關(guān)參數(shù)的優(yōu)化、鋼球毛坯形狀的改善、光球工藝的改進(jìn)等方面提供參考。針對光球機(jī)頭架托盤平面產(chǎn)生的位置精度變化而采取的自動鏜刀架加工修復(fù)方法，可以為用戶在這面的修復(fù)提供多元選擇。