范良成

(浙江臺州奧卡斯變速箱制造有限公司,臺州 318017)

0 引言

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1214.1—1996規(guī)定，游標(biāo)卡尺采用碳鋼、工具鋼制造時，其主要測量面的最低硬度為664HV(≈58HRC)；采用不銹鋼制造時為551HV(≈52.5HRC)；計量檢定規(guī)程JJG 30—2002規(guī)定，分度值(分辨力)為0.02mm的卡尺，外量爪測量面表面粗糙度最大允許值為Ra0.20μm，測量范圍0～1000mm卡尺外量爪測量面的平面度公差為0.003mm。對于一支質(zhì)量上乘的卡尺來說，合并兩測量爪時應(yīng)無目力可見的間隙。因此，卡尺兩外量面的研磨(俗稱平口)就成了卡尺裝配時的關(guān)鍵工序(參看圖1)。通常平面研磨時，為了保證質(zhì)量和提高效率，應(yīng)將研磨平板進(jìn)行壓砂。所謂壓砂就是先將少許硬脂均勻涂抹在壓砂平板表面，然后倒上用汽油泡好的金剛砂，等汽油揮發(fā)后再滴入適量的混合油(煤油和變壓器油按3:1的比例混合)，并將其涂勻于平板表面，再通過兩平板相互對研，在一定壓力下將磨粒壓入平板表面，該平板也叫嵌砂研磨平板。該平板應(yīng)具有組織均勻、結(jié)構(gòu)致密、無砂眼氣孔和疏松等缺陷，并且具有上砂容易、砂粒分布均勻豐富、砂粒嵌入牢固、切削性能強(qiáng)及表面光潔、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)。選用高磷球墨鑄鐵、高磷低金屬球墨鑄鐵，硬度可根據(jù)粗、精研要求而定，一般在HB 130～250之間。經(jīng)壓砂平板精研后的工件，表面紋路細(xì)密、光澤，尺寸精度可控制在1μm之內(nèi)，粗糙度可達(dá)Ra0.02～0.04μm。而未經(jīng)壓砂的平板在研磨時，其研磨砂是“浮砂”，研磨質(zhì)量和效率遠(yuǎn)不及壓砂平板。對于游標(biāo)卡尺外量面的研磨而言，如何將“砂”又好又快地壓入研磨塊，使之成為一塊嵌砂效果良好的研磨塊，具有一定的技術(shù)難度。本文就此方面的技術(shù)問題展開討論，以供大家參考。

圖1

1 壓砂運(yùn)動軌跡線

1.1 軌跡線的要求

起初，我們使用手工方法進(jìn)行壓砂。由于推拉力不均勻或推拉速度不恒定，使砂子的排列順序被打亂，造成砂子分布不均，而且手工壓砂，勞動強(qiáng)度大，對操作者技能要求高，質(zhì)量不穩(wěn)定。后來有人提出自制一臺壓砂機(jī)，以解決矛盾，其工作原理如圖2所示。研磨塊以角速度ω繞圓心O旋轉(zhuǎn)，在上、下研壓盤的壓力下將磨粒壓入研磨塊表面。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過于簡單，研磨塊上任意一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為圓，而且A至B點(diǎn)間各點(diǎn)的線速度各不相同，造成上、下研壓盤的不均勻磨損。通過實踐，此方法獲得的研磨塊，其精度和壓砂效果都不理想。實際上，壓砂對軌跡線的要求與研磨運(yùn)動相似，即軌跡應(yīng)能保證研磨塊表面上各點(diǎn)均有相同的(或近似的)被研壓條件。對于卡尺研磨塊要求：研磨塊上各點(diǎn)的行程須一樣，以獲得良好的平面性；壓砂運(yùn)動力求平穩(wěn)，盡量避免曲率過大的轉(zhuǎn)角；研磨塊運(yùn)動應(yīng)遍及整個研壓盤表面，以利研壓盤均勻磨損；盡量不出現(xiàn)周期性重復(fù)情況，如無法避免，應(yīng)設(shè)法獲取最長軌跡周期。

圖2

1.2 各種軌跡線的比較及選用

壓砂常用的運(yùn)動軌跡有直線、正弦曲線、“8”字線、外擺線和內(nèi)擺線等?？紤]到壓砂設(shè)備結(jié)構(gòu)的合理性、適用性及壓砂效果等因素，決定選用短幅內(nèi)擺線。行星機(jī)構(gòu)的運(yùn)動可獲得內(nèi)擺線軌跡，原理如圖3所示。

內(nèi)齒圈固定不動，太陽輪以角速度ω1圍繞圓心O1定軸旋轉(zhuǎn)，行星輪在以角速度ω2繞圓心O2自轉(zhuǎn)的同時，還以角速度ω3繞圓心O1公轉(zhuǎn)。行星輪上A點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是復(fù)雜的內(nèi)擺線，其定義、特性、參數(shù)方程及曲線圖，如圖4所示。在圖3中，當(dāng)偏心距E=0，即A點(diǎn)與O2重合時，A點(diǎn)軌跡為圓；當(dāng)E=d/2時(d為行星輪分度圓直徑)，A點(diǎn)的軌跡為普通內(nèi)擺線；當(dāng)E>d/2時，A點(diǎn)的軌跡為長幅內(nèi)擺線；當(dāng)E0時，A點(diǎn)的軌跡為短幅內(nèi)擺線。由圖4可知，普通內(nèi)擺線，靠近基圓部分過于“陡峭”，且有“急回”特性，運(yùn)動平穩(wěn)性較差，導(dǎo)致平面的平行度不好；長幅內(nèi)擺線在短時間內(nèi)連續(xù)“大回轉(zhuǎn)”，運(yùn)動特性也不夠理想，而且P″點(diǎn)離圓心O1點(diǎn)較遠(yuǎn)，會導(dǎo)致行星輪的轉(zhuǎn)矩加大；相比較而言，短幅內(nèi)擺線比較柔和、流暢，離圓心O1也較近，避免了以上不足。因此，壓砂運(yùn)動軌跡線選用短幅內(nèi)擺線。

圖3

1.3 軌跡周期重復(fù)性問題

如圖3的行星機(jī)構(gòu)，設(shè)太陽輪齒數(shù)zA=15，內(nèi)齒圈齒數(shù)zB=105，行星輪齒數(shù)zC=45，模數(shù)m=1,偏心距E=13，太陽輪按圖示方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)行星輪自轉(zhuǎn)7轉(zhuǎn)時，正好繞太陽輪公轉(zhuǎn)3轉(zhuǎn)，A點(diǎn)的軌跡如圖5所示。若太陽輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，點(diǎn)A的運(yùn)動軌跡就與原來的重合。點(diǎn)A的運(yùn)動軌跡是一條交錯而封閉的曲線，經(jīng)1→2→3→4→5→6→7→1，完成一個周期運(yùn)動。每個周期內(nèi)， 行星輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)NZ和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)NG的計算公式如下：

定義與特性 滾動圓O1在基圓O內(nèi)部相切滾動,滾動圓上某點(diǎn)P(或圓外P″,圓內(nèi)P')的軌跡。參數(shù)方程x=(a-b)cosθ+lcosb-abθ()y=(a-b)sinθ+lsinb-abθ()備注a———基圓半徑b———滾圓半徑θ———公轉(zhuǎn)角θ1———自轉(zhuǎn)角θ1=a-bbθl=θ1P,當(dāng)l=b,為普通擺線Γl>b,為長幅擺線Γ2l

(1)

(2)

式中，LCM(zC,zB)為zC與zB的最小公倍數(shù)。

圖5

由于該機(jī)構(gòu)無法避免周期重復(fù)性問題，因此需設(shè)法獲取最長的軌跡重合周期。軌跡重合周期愈長，研壓盤的磨損就愈均勻，設(shè)備的使用壽命就愈長，被壓砂的研磨塊精度就愈高。文獻(xiàn)[2]指出，要獲得最長的軌跡重合周期，就必須使行星輪和固定內(nèi)齒圈二者的齒數(shù)無公因數(shù)，該文總結(jié)出了3種研磨機(jī)的最佳數(shù)據(jù)組合方案。我們在設(shè)計改裝壓砂機(jī)行星機(jī)構(gòu)時，選用了其中1種。

2 設(shè)計實例

改裝后的行星輪系運(yùn)動關(guān)系如圖3所示，其中太陽輪齒數(shù)zA=19，內(nèi)齒圈齒數(shù)zB=59，行星輪齒數(shù)zC=20，模數(shù)m=3,壓力角a=20°，偏心距E=18。由式(1)、(2)可計算出一個周期運(yùn)動中，行星輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)NZ=59轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)NG=20轉(zhuǎn)，A點(diǎn)的運(yùn)動軌跡如圖6所示，改裝的壓砂機(jī)傳動原理如圖7所示。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過蝸輪蝸桿副、安全離合器傳給太陽輪，3個行星輪圍繞太陽輪公轉(zhuǎn)，隔離盤在3根偏心軸的作用下，做復(fù)雜的壓砂運(yùn)動，某一研磨塊圓心B點(diǎn)的軌跡成網(wǎng)狀，如圖7所示(A-A剖)。壓砂時，須施加壓力給上研壓盤，使研磨塊上下壓砂平面承受一定的壓力(約0.2×105Pa)，以利于將磨粒壓入研磨塊表面，上研壓盤不能隨研磨塊的移動而作圓周運(yùn)動，即圓周方向是靜止的；下研壓盤與床身固定在一起。

圖6

圖7

3 壓砂過程

壓砂前，把研磨塊放到高精度平面磨床上，將需壓砂的兩平面磨至以下要求：平面度公差0.003mm，表面粗糙度Ra0.20μm。對于研壓盤還需用油石打磨一下，目的是把上次壓砂時，壓入研壓盤的金剛砂去除掉，油石的粒度須比金剛砂大一號。開始壓砂時，研磨塊的線速度約40mm/s，此時須防止研磨塊和研壓盤間的混合油及砂子被擠出。隨著時間的推移，研磨塊的推力會逐漸加大，研磨塊的線速度應(yīng)隨著推力的增加而降低。當(dāng)推力達(dá)到最大值時，研磨塊的線速度約20mm/s。如果還繼續(xù)壓砂，那么力就會逐漸減小。這是因為研磨塊表面的嵌砂已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，應(yīng)該停止壓砂而沒有停止，致使砂子互相研磨變鈍打滑，切削力逐漸下降。壓砂過久還會導(dǎo)致研磨塊溫度升高，砂子被研脫落，使得壓砂過“老”。如何控制“火候”，讀者可根據(jù)本廠的實際情況，參考有關(guān)資料進(jìn)一步優(yōu)化。研磨塊的推力達(dá)到最大時壓砂運(yùn)動應(yīng)停止，此功能可通過調(diào)整安全離合器來實現(xiàn)。研磨塊線速度的變化，可通過時間繼電器、雙速電機(jī)來實現(xiàn)，有條件的工廠可考慮利用可編程邏輯控制器PLC來控制。

4 結(jié)束語

測量面的研磨質(zhì)量是衡量該量具質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本人多年從事游標(biāo)卡尺等計量器具的生產(chǎn)，深知一種好的工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的提升有著相當(dāng)大的促進(jìn)作用，希望本文方法對卡尺或其他量具企業(yè)工作者有一定的參考價值。

[1] 路瑞軍.修理量塊用的平板壓砂及解決問題的方法 [J].計量技術(shù)，2003(5)：56-57

[2] 劉宜國.行星研磨機(jī)的最佳數(shù)據(jù)組合[J].機(jī)械1986,13(6)：20-23

[3] 孟少農(nóng)，主編.機(jī)械加工工藝手冊 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991