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        球面瓦外球面加工方法的改進(jìn)

        2013-12-18 02:26:12□□
        建材技術(shù)與應(yīng)用 2013年2期
        關(guān)鍵詞:回轉(zhuǎn)窯球面裝夾

        □□

        (中材裝備集團(tuán)有限公司,北京 100102)

        引言

        回轉(zhuǎn)窯、球磨機(jī)等是水泥廠的主機(jī)設(shè)備,而支承裝置是這些設(shè)備的重要零部件,支承裝置要承受設(shè)備回轉(zhuǎn)部分和物料在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中或靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)上百上千噸的載荷,且工作環(huán)境惡劣。因此,要求支承裝置運(yùn)轉(zhuǎn)必須可靠、平穩(wěn),以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

        支承裝置所用的軸承為滑動(dòng)軸承,它由軸承座、球面瓦、瓦襯等組成?;剞D(zhuǎn)窯支承點(diǎn)多,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)窯體產(chǎn)生軸向竄動(dòng),因此要求滑動(dòng)軸承具有良好的承載和自動(dòng)調(diào)心的能力。而球面瓦是滑動(dòng)軸承的關(guān)鍵零件,其加工精度直接影響到回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)。球面瓦的加工精度主要取決于機(jī)加工方法及工藝水平。

        本文重點(diǎn)論述了對(duì)回轉(zhuǎn)窯球面瓦外球面加工工藝方法的改進(jìn),改進(jìn)后提高了球面瓦的加工效率,并使球面瓦的加工精度符合設(shè)計(jì)和使用要求。

        1 球面瓦外球面加工方法簡(jiǎn)述

        1.1 球面瓦結(jié)構(gòu)

        回轉(zhuǎn)窯的支承裝置是由托輪、托輪軸、軸承及底座等組成的,軸承為滑動(dòng)軸承,由軸承座、球面瓦、瓦襯、軸承蓋等組成。

        圖1所示為球面瓦結(jié)構(gòu),其外表面為球面,是一個(gè)半球面體的零件,球面直徑尺寸較大,與帶有內(nèi)球面的軸承座配合,形成可承載及自動(dòng)調(diào)心的軸承組。

        1.2 球面瓦外球面的加工方法

        加工球面零件多采用車削的方法,幾種典型的球面車削工藝方法如下。

        (1)雙手控制法。零件數(shù)量較少時(shí)或單件球面零件,可以采用雙手控制法進(jìn)行車削。就是用雙手同時(shí)搖動(dòng)中、小拖板,通過(guò)中、小拖板的合成運(yùn)動(dòng),車出所要求的球面,此法只適用于加工較小尺寸的球面。

        圖1 回轉(zhuǎn)窯球面瓦

        (2)機(jī)械靠模法??磕7ㄜ囅魇且揽寇嚨陡鶕?jù)靠模的形狀平行移動(dòng)車出所需表面形狀的一種方法。適合于小批量、大尺寸零件的車削加工,但是這種方法的車削精度較低,車削外球面時(shí)所產(chǎn)生的球形誤差較大。

        (3)成形車刀法。采用成形刀車削外球面時(shí),以切入式方法加工工件,要求成形刀刃口與被加工表面母線形狀一致。車刀刃口的缺陷直接影響加工表面的精度,需要有專用的刀具刃磨設(shè)備,成本高,難以車削尺寸較大的零件。

        (4)旋風(fēng)車削法。要保證加工精度必須保證刀具的運(yùn)行軌跡與球面的任何瞬時(shí)都重合,這使得切削裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜,刀具在切削過(guò)程中的磨損會(huì)產(chǎn)生加工誤差,不適合加工大尺寸的外球面零件。

        (5)用數(shù)控機(jī)床加工。采用數(shù)控車床加工球面雖然能達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)的尺寸要求,但數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴致使成本增加。

        2 改進(jìn)前球面瓦的外球面加工

        由于球面瓦尺寸較大及加工設(shè)備條件限制等原因,我公司對(duì)外球面的加工一直是采用1.25m以上的立式車床,采用機(jī)械靠模車削法(簡(jiǎn)稱靠模法)加工。

        2.1 靠模車削加工方法及特點(diǎn)

        根據(jù)球面瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在加工時(shí)將兩塊球面瓦組合成一體裝夾,形成一個(gè)整體,其主要目的一是球面瓦容易裝夾及找正;二是加工面連續(xù)切削,提高了刀具的使用壽命;三是便于球徑測(cè)量。其加工方法如圖2所示。

        圖2 機(jī)械靠模法加工球面示意圖

        球面是一種成形運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)曲面,它是由工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與刀具成形運(yùn)動(dòng)合成加工而成??磕\囅鞣ㄊ擒嚨兑揽磕0宓哪P突∶嫫叫幸苿?dòng)進(jìn)給,刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡與模型弧線相同,從而車出與模型弧線尺寸相同的球面。

        靠模法主要有以下特點(diǎn):

        (1)被加工球面的形狀(指母線形狀)由靠模板確定,其位置尺寸則由刀具與靠模的相對(duì)位置確定,因此每進(jìn)刀加工出的表面,其母線是半徑相同的弧,但中心O的位置不同(如圖3所示),只有當(dāng)加工到預(yù)定尺寸時(shí)才成為正確的球面。

        圖3 加工面母線變化

        (2)由于進(jìn)給時(shí)刀架作平動(dòng),故實(shí)際進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)將隨時(shí)變化(如圖4所示)。

        2.2 靠模法存在的問(wèn)題

        在實(shí)際工作中,用靠模法加工球面瓦的外球面,其零件合格率只有30%左右,生產(chǎn)效率低。加工表面光潔度差,球面的形位誤差大,橢圓度為0.5~1.0mm,位置度公差為0.5~1mm。造成這些問(wèn)題的原因有以下幾個(gè)方面:

        2.2.1 靠模法加工球面的特點(diǎn),決定了加工表面質(zhì)量差、精度低

        圖4 靠模法的切削特點(diǎn)

        (1)切削時(shí)刀具實(shí)際進(jìn)給量的變化,致使加工表面留下的殘留面積不一致,造成整個(gè)加工表面的粗糙度不一致,影響了表面質(zhì)量。切削角度的隨時(shí)改變,引起切削力變化,誘發(fā)刀刃自激振動(dòng),致使表面粗糙度數(shù)值增大,光潔度下降,影響表面質(zhì)量。

        (2)切削時(shí)進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)的隨時(shí)變化,必然引起切削力的變化。由于該加工裝置剛性不足,刀桿的彈性變形量隨切削力的改變而變化,引起刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變,加工表面的形狀(母線形狀)產(chǎn)生偏差,造成球面形狀誤差,降低了球面精度。

        2.2.2 工藝系統(tǒng)對(duì)加工表面精度的影響

        (1)由于靠模板模型弧面的加工誤差,產(chǎn)生球面的形狀誤差。

        (2)工件及靠模板在機(jī)床上裝夾,它們之間的相對(duì)位置誤差,造成球面瓦的位置誤差。

        (3)刀桿系統(tǒng)裝夾時(shí),若找正不準(zhǔn)確,刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡形成的平面不與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸線重合,造成球面的橢圓度,這是引起球面形狀誤差的重要原因之一。

        2.2.3 其他原因

        (1)滾輪與靠模之間的摩擦引起的磨損,造成滾輪中心的運(yùn)動(dòng)軌跡變化直接影響到球面的形狀精度。

        (2)由于工藝系統(tǒng)剛性差,因而切削進(jìn)給量、切削深度的取值很小,延長(zhǎng)了切削時(shí)間,造成生產(chǎn)效率低。

        2.3 球面瓦的質(zhì)量對(duì)其使用的影響

        (1)如果球面瓦的外球面形狀誤差大,與軸承座的內(nèi)球面不能很好地配合,將產(chǎn)生“夾幫”或“漏縫”,如圖5所示。內(nèi)外球面不能均勻地接觸,無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由調(diào)心,球面瓦所承受的巨大載荷不能均勻地分布在軸承座上,容易造成球面瓦的破壞。

        圖5 球面瓦與軸承座配合不良

        (2)如果球面瓦表面光潔度低,與內(nèi)球面配合時(shí),兩表面間的摩擦力增大,對(duì)滑動(dòng)軸承的自動(dòng)調(diào)心極為不利,會(huì)加劇襯瓦的磨損,并容易造成燒瓦事故。

        (3)如果外球面形狀誤差大,在裝配時(shí)將加大刮研修配的工作量,增加勞動(dòng)強(qiáng)度。若刮研量過(guò)大,可能造成裝配后的各組滑動(dòng)軸承之間的中心高度不一致,將直接影響設(shè)備的安裝質(zhì)量,使設(shè)備留下事故的隱患。

        (4)如果球面的橢圓度誤差大,很難刮研修配成形,造成零件報(bào)廢,增加生產(chǎn)成本。

        (5)若球面誤差大,靠刮研修配而成,最終的球面尺寸與設(shè)計(jì)尺寸不符,給更換配件造成困難。

        綜上所述,采用機(jī)械靠模法加工外球面存在很多不足,球面質(zhì)量難以保證,生產(chǎn)效率低。因此,應(yīng)采用一種精度高、效率高的加工外球面的方法來(lái)取代機(jī)械靠模法。

        3 改進(jìn)的外球面加工方法——銑削法

        我們知道,球面的包絡(luò)線由圓組成,根據(jù)這一特性,可以對(duì)球面瓦外球面的加工方法進(jìn)行改進(jìn),采用銑削法加工外球面。

        3.1 銑削法加工原理及特點(diǎn)

        球面銑削法是根據(jù)平面與球面相截的截面形狀是圓,圓圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)形成包絡(luò)面為球面這個(gè)原理,所得到的一種加工方法。刀刃與工件同時(shí)繞相交的兩軸線回轉(zhuǎn),刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓,與球面的某一個(gè)截形圓重合,截形圓把旋轉(zhuǎn)的工件包絡(luò)成一個(gè)球面。兩軸線的交點(diǎn)就是球心。切削加工中工件的回轉(zhuǎn)是進(jìn)給運(yùn)動(dòng),刀具的旋轉(zhuǎn)是主運(yùn)動(dòng)。

        銑削法加工球面具有以下特點(diǎn):

        (1)每次進(jìn)刀加工出的表面是半徑不相等的球面,球面的球心位置始終不變。

        (2)進(jìn)給時(shí)刀架繞定軸等速回轉(zhuǎn),實(shí)際進(jìn)給量、切削角度等切削參數(shù)均保持不變。

        3.2 銑削法加工外球面的工藝裝置

        根據(jù)銑削法的加工機(jī)理,設(shè)計(jì)制作了加工外球面的工藝裝置,如圖6所示。外球面加工是將工藝裝置裝夾在精度較高的龍門銑床上進(jìn)行。

        圖6 銑削法加工球面瓦

        組成加工裝置的零件,一部分選用的是通用標(biāo)準(zhǔn)件如回轉(zhuǎn)工作臺(tái),另一些是設(shè)計(jì)制作的刀盤、胎具等。刀盤裝夾在龍銑床側(cè)銑頭的主軸上,刀盤的直徑比球面寬度大5~10mm。供球面瓦旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝夾在銑床的工作平臺(tái)上,回轉(zhuǎn)臺(tái)上固定裝夾有一胎具,以便于球面瓦的定位裝夾。刀具回轉(zhuǎn)軸線與工件回轉(zhuǎn)軸線相交,是通過(guò)移動(dòng)銑床工作平臺(tái)找正來(lái)實(shí)現(xiàn)?;剞D(zhuǎn)臺(tái)是機(jī)床通用夾具,因此其精度很高,它的旋轉(zhuǎn)可采用手動(dòng),也可采用機(jī)械傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)是由附加設(shè)置在銑床工作平臺(tái)上的傳動(dòng)裝置來(lái)完成。傳動(dòng)裝置由電機(jī)、三角帶、減速器、聯(lián)軸器等組成,通過(guò)聯(lián)軸器與回轉(zhuǎn)臺(tái)的輸入軸相聯(lián)。

        3.3 球面瓦加工工藝步驟

        3.3.1 球面瓦的端面、外圓、內(nèi)孔加工

        球面瓦的端面、外圓、內(nèi)孔在車床上加工。

        3.3.2 工件裝夾、機(jī)床調(diào)整、刀具裝夾。

        (1)將回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及傳動(dòng)裝置等在銑床工作平臺(tái)上裝夾找正。

        (2)校正銑床側(cè)銑頭,使主軸線與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)平行,然后將其主軸線調(diào)整到球面的中心高度。

        (3)將裝夾球面瓦的胎具與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)定位緊固,然后將一對(duì)球面瓦裝夾,用胎具連接緊固。

        (4)移動(dòng)銑床工作平臺(tái),調(diào)整兩回轉(zhuǎn)軸線使其相交,調(diào)整后記錄銑床工作平臺(tái)的標(biāo)尺刻度,以備以后調(diào)整用。

        (5)裝夾刀盤,刀盤上的兩把刀要對(duì)稱一致。

        (6)粗加工。若加工表面出現(xiàn)網(wǎng)狀刀紋,則可繼續(xù)加工。否則要微調(diào)銑床工作平臺(tái),直至出現(xiàn)網(wǎng)狀刀紋。

        3.3.3 切削加工參數(shù)的選定

        (1)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速:灰鑄鐵的進(jìn)給量一般選擇為:0.2~0.4mm。

        (2)切削深度:取0.5~5mm。

        (3)銑削速度:取60~110m/min。

        3.4 銑削法加工外球面的優(yōu)點(diǎn)

        與靠模法比較,采用銑削法加工球面有以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)由銑削法加工球面的特點(diǎn)所決定,球面的加工質(zhì)量好,粗糙度Ra一般為1.6~6.4μm,符合設(shè)計(jì)圖紙的要求。

        (2)銑削法加工裝置的剛性增加,切削效率提高兩倍多。

        (3)工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,選用標(biāo)準(zhǔn)件多,加工制作的工裝夾具相對(duì)減少,因而降低了工藝系統(tǒng)的積累誤差,使球面形位的精度提高。位置度為球Φ0.1mm以內(nèi)。

        (4)加工裝置的裝夾找正相對(duì)比較方便,可采用試切法找正兩回轉(zhuǎn)軸線使其相交。提高了球面精度,橢圓度一般在0.05mm以內(nèi)。

        綜上所述,采用銑削法加工的球面質(zhì)量明顯優(yōu)于靠模法,加工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求,生產(chǎn)效率提高。

        3.5 加工中應(yīng)注意的問(wèn)題

        (1)裝夾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)時(shí),應(yīng)盡量靠近側(cè)銑頭,避免銑頭主軸伸出過(guò)長(zhǎng)而降低工藝系統(tǒng)的剛性。

        (2)刀盤上刀桿長(zhǎng)度不要太長(zhǎng),以免降低刀盤剛性,產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。

        (3)兩把刀的刀頭幾何形狀、尺寸要磨削一致,使刀盤受力均勻。

        (4)球面裝夾時(shí),要保持兩塊球面瓦的加工基準(zhǔn)一致,以減小誤差。

        (5)加工中要注意回轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)向,使工件承受垂直向下的切削力,避免由于回轉(zhuǎn)臺(tái)卡盤與底盤間的軸承間隙,引起卡盤和工件的跳動(dòng)。

        3.6 誤差分析及消除方法

        3.6.1 誤差分析

        球面瓦產(chǎn)生形位誤差的因素較多,主要有以下幾種:對(duì)刀誤差δ刀,銑頭主軸徑向跳動(dòng)誤差δ主,工件安裝及系統(tǒng)誤差δ裝,回轉(zhuǎn)臺(tái)主軸徑向跳動(dòng)誤差δ臺(tái),這些因素引起的球面瓦形位誤差為δ:

        δ=δ刀+δ主+δ臺(tái)+δ裝

        (1)

        上述誤差有時(shí)是相互重疊的,有時(shí)則不一定重疊,因此應(yīng)盡量減小各種誤差。

        3.6.2 誤差消除方法

        在球面瓦的形位誤差δ中,δ主和δ臺(tái)是由所選用的機(jī)床及回轉(zhuǎn)臺(tái)的精度決定的,選用精度高的機(jī)床及回轉(zhuǎn)臺(tái)用于加工,這兩個(gè)誤差很小,對(duì)球面誤差的影響不大。對(duì)于δ裝,主要取決于工藝裝置本身的加工精度及安裝夾緊工件時(shí)的調(diào)整,因此提高工裝胎具的制作精度,裝夾時(shí)仔細(xì)校正,可以大大降低δ裝。對(duì)于δ刀,在粗加工時(shí)可略大些,但在精加工時(shí)必須仔細(xì)找正,可使用百分表等進(jìn)行找正,使銑刀旋轉(zhuǎn)中心重合,這樣就可以加工出符合圖紙要求的球面瓦。

        3.7 銑削法加工存在的不足

        (1)球面瓦的孔及外球面的加工需在兩種機(jī)床上完成,加大了工藝的復(fù)雜程度,增加了轉(zhuǎn)運(yùn)吊裝等環(huán)節(jié)。

        (2)加工裝置復(fù)雜,準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)。

        (3)要求操作工人的技術(shù)水平高。

        銑削法的經(jīng)濟(jì)效益分析

        雖然銑削法存在不足,但它的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)球面瓦機(jī)加工的成品合格率由30%提高到接近100%。我公司每年加工各類球面瓦60塊左右,而每報(bào)廢1塊球面瓦的損失近1 800元,改進(jìn)后每年可減少損失近10萬(wàn)元。

        (2)加工效率提高兩倍多。節(jié)約工時(shí),減少人工費(fèi),加工每塊球面瓦節(jié)電50kW·h,每年節(jié)電近1 000kW·h。

        (3)減少了球面瓦人工刮研時(shí)間,每塊球面瓦節(jié)約工時(shí)近15h,每年節(jié)約人工費(fèi)近8 000元。

        (4)由于球面瓦加工精度提高,延長(zhǎng)了使用壽命,減少了水泥廠配件的儲(chǔ)備,具有良好的社會(huì)效益。

        4 結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)幾年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)積累,我公司對(duì)球面瓦外球面加工工藝持續(xù)進(jìn)行改進(jìn),以滿足不同產(chǎn)品的制造需求?,F(xiàn)根據(jù)銑削法加工外球面的原理,設(shè)計(jì)制作了專用的外球面加工設(shè)備,用于各類球面瓦的加工。實(shí)踐證明,采用銑削法加工球面瓦外球面是成功的,不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率,而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,值得推廣應(yīng)用。

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