孫千里,沈鑫剛,范進(jìn)楨,包開華,耿金良
(1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海天學(xué)院,浙江 寧波 315800;2.寧波普利特精密機(jī)械有限公司,浙江 寧波 315800)
通常認(rèn)為,砂帶磨削是在一定裝置上,利用高速旋轉(zhuǎn)的砂帶切除工件表面余量和進(jìn)行磨削拋光的一種加工工藝[1]。與砂輪磨削相比,砂帶磨削有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),例如:利用砂帶的撓性和卷曲變形,實(shí)現(xiàn)了橢圓孔的倒角加工[2];針對(duì)不銹鋼鏟形狀不規(guī)則,應(yīng)用砂帶磨削,變手工操作為自動(dòng)化作業(yè),保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性[3]。另外,精密砂帶振動(dòng)磨削和研拋技術(shù)是解決制造技術(shù)中工藝難題的重要手段之一[4]。
《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》為磨削各種材料推薦了不同的砂帶速度[5],例如:鋁的砂帶磨削速度為22 m/s~28 m/s,黃銅/青銅的砂帶磨削速度為25 m/s~30 m/s,碳鋼的砂帶磨削速度為20 m/s~25 m/s等。學(xué)者李代建[6]為砂帶精磨工藝推薦的砂帶線速度是28 m/s;羅剛、劉瑞杰、華崇略等人[7-9]的研究也采用了相近的砂帶速度。
可查文獻(xiàn)中僅見廖萍等人[10]設(shè)計(jì)的砂帶拋光設(shè)備選用約2 m/s的磨削線速度。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,常采用較低的砂帶磨削速度(或較低的砂帶與工件的相對(duì)線速度),通常為2 m/s~5 m/s左右。
本研究通過(guò)工程試驗(yàn)及實(shí)際加工,驗(yàn)證砂帶低速拋磨的可行性。
砂帶磨削是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,影響零件拋光質(zhì)量的因素很多,本研究主要從砂帶粒度、磨削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量、工件材料四方面進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),以確定各個(gè)參數(shù)對(duì)零件拋光質(zhì)量的影響。本研究的試驗(yàn)條件如表1所示。
表1 砂帶磨削的試驗(yàn)條件
試驗(yàn)在生產(chǎn)用砂帶磨頭上進(jìn)行。為滿足試驗(yàn)條件的需要,將砂帶磨頭進(jìn)行了一定改造:首先,加裝變頻器,以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需要的三級(jí)轉(zhuǎn)速(由于砂帶磨頭采用三相異步電機(jī),僅1 440 r/min一級(jí)額定轉(zhuǎn)速);其次,為了使砂帶線速度最大達(dá)到20 m/s,將主動(dòng)輪直徑從原來(lái)的Φ65 mm增大到Φ280 mm。試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。
基于上述分析,可確定正交試驗(yàn)的因素水平,如表2所示。
選用L9(34)正交表,試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。
圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
表2 正交試驗(yàn)因素水平
表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果
表3中某因素所在列的極差,反映了該因素水平波動(dòng)時(shí)粗糙度值的變動(dòng)幅度。極差越大,說(shuō)明該因素對(duì)粗糙度值的影響越大,根據(jù)極差大小,可以判斷各因素對(duì)工件磨削表面粗糙度影響的主次順序。從表3中數(shù)據(jù)可知,砂帶粒度、磨削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量、工件材料四因素對(duì)應(yīng)的極差分別為2.593、0.693、0.478、0.958,且2.593>0.958>0.693>0.478,因此該試驗(yàn)選擇的4個(gè)工藝參數(shù)中,對(duì)表面粗糙度影響最大的是砂帶粒度,其影響遠(yuǎn)大于其他三因素,其次是工件材料,影響最小的是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。所以,當(dāng)工件材料已知的情況下,用砂帶進(jìn)行拋光,保證表面粗糙度要求的關(guān)鍵在于選擇合適的砂帶粒度。這意味著,只要砂帶的粒度選擇合理,選用較低的砂帶磨削速度是可行的。
型芯零件圖如圖2所示。金龍魚5 L油胚12腔注胚模具的型芯,材料為3Cr13,經(jīng)真空淬火后,硬度為HRC45-48,型芯成型工作表面的粗糙度要求Ra0.4。
圖2 型芯零件圖
該零件由圓柱、圓錐、圓弧、內(nèi)孔等表面組成,尺寸精度不超過(guò)IT6級(jí),通過(guò)精車就可以達(dá)到要求,成型面也不復(fù)雜,可以在數(shù)控車床上完成加工,但成型面的表面粗糙度要求非常高,必須經(jīng)過(guò)拋光才能達(dá)到。工藝過(guò)程如表4所示。
成型面拋光工序是型芯機(jī)械加工工藝過(guò)程中的難點(diǎn)。
在沒(méi)有專用拋光設(shè)備的情況下,在普通車床上拋光,主軸轉(zhuǎn)速為1 300 r/min~2 000 r/min,所拋外圓直徑不超過(guò)Φ40,則砂帶拋光時(shí)與工件的相對(duì)速度不超過(guò)4.2 m/s,屬于低速拋光。
此時(shí),比較方便的方法是手持砂帶拋光。生產(chǎn)中常將砂帶用手持式電磨夾持進(jìn)行拋光。具體做法如圖3所示:將砂紙裁成4 cm~5 cm寬的砂帶,砂面朝外,左端卡在手持式電磨輸出軸頭部的槽中,然后以順時(shí)針?lè)较蚓沓删?,啟?dòng)電磨,使砂帶卷正轉(zhuǎn),與工件待拋光表面接觸,進(jìn)行拋光。當(dāng)砂帶卷的外層砂粒磨損到失去拋光功能時(shí),撕去舊砂紙,露出新鮮砂紙,繼續(xù)拋光。
為了達(dá)到理想的拋光效果,整個(gè)拋光過(guò)程需更換從粗到細(xì)共4種不同粒度的砂紙,最后,將羊毛球裝在電磨上,輔以鉆石膏進(jìn)行上光,完成全部拋光工作。工序內(nèi)容如表5所示。
表4 型芯機(jī)械加工工藝過(guò)程
經(jīng)過(guò)5個(gè)工步的拋光,成型面達(dá)到了令人滿意的鏡面效果,完成拋光后的型芯成品如圖4所示。
圖3 手持式砂帶拋光示意圖
圖4 完成拋光后的型芯成品
表5 拋光工序內(nèi)容
砂帶磨削正交試驗(yàn)結(jié)果表明,砂帶粒度對(duì)零件拋磨后的表面粗糙度的影響遠(yuǎn)大于砂帶磨削速度的影響,是拋磨工藝中需要主要考慮的因素。因此,在生產(chǎn)條件不允許采用較高砂帶磨削速度的場(chǎng)合時(shí),只要進(jìn)行合理地工序設(shè)計(jì),選用合適的砂帶粒度,即使采用較低的砂帶速度拋光,同樣可以取得良好的拋光效果。筆者列舉的砂帶低速拋光案例證實(shí)了這一點(diǎn)。本研究旨在說(shuō)明砂帶低速拋磨的可行性。
另外,在正交試驗(yàn)中,還有很多因素沒(méi)有納入考察,如拋磨時(shí)的走刀次數(shù)、磨削壓力、采用順磨或逆磨對(duì)拋光效果的差異等,這些因素對(duì)拋磨的影響有待于下一步進(jìn)行研究。
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