胡俊義，張峻霞，傅 旻

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

從上世紀(jì)90 年代初開始，我國不銹鋼餐具產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展，不銹鋼餐具出口規(guī)模迅速擴(kuò)大，至今已出口至全球六大洲100 多個(gè)國家和地區(qū).目前全國現(xiàn)有600 多家不銹鋼餐具生產(chǎn)企業(yè)[1]，其規(guī)模大小不一，技術(shù)水平也參差不齊.進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造，保證不銹鋼餐具的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，是當(dāng)前不銹鋼餐具企業(yè)亟需解決的問題.

拋光是不銹鋼餐具制造的重要工序.對(duì)不銹鋼餐具進(jìn)行拋光處理可以提高餐具的耐腐蝕性、光潔度并獲得裝飾性外觀[3].餐具的拋光是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工藝過程，而餐具的拋光質(zhì)量直接影響到餐具成品的合格率.國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)大多采用需要人工完成進(jìn)給動(dòng)作的半自動(dòng)拋光設(shè)備，與國外的全自動(dòng)拋光設(shè)備相比不僅生產(chǎn)效率低而且拋光質(zhì)量的穩(wěn)定性也無法保證.近幾年，部分企業(yè)在消化吸收國外先進(jìn)拋光技術(shù)的基礎(chǔ)上開始設(shè)計(jì)制造針對(duì)旋轉(zhuǎn)曲面拋光的自動(dòng)化拋光設(shè)備[2]，而對(duì)平面拋光的自動(dòng)化設(shè)備的研究較少.不銹鋼餐具毛坯的拋光屬于平面拋光，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，實(shí)現(xiàn)該工序的自動(dòng)化將會(huì)為企業(yè)節(jié)省大量的人力成本，因此針對(duì)中小型餐具加工企業(yè)研發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的全自動(dòng)平面拋光設(shè)備是非常適時(shí)和必要的.

本文根據(jù)紅進(jìn)不銹鋼制品有限公司生產(chǎn)餐具的拋光的工藝要求，以五工位餐具拋光機(jī)為例，設(shè)計(jì)了針對(duì)平面餐具毛坯粗磨的餐具拋光機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng).

1 餐具拋光工藝分析

1.1 餐具的拋光

餐具的機(jī)械拋光工序主要分為粗磨、中磨和細(xì)磨：粗磨是使用砂料對(duì)粗糙的餐具毛坯表面進(jìn)行處理，除銹打砂、去除宏觀的不平整表面；中磨是在粗磨的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加工，去除粗磨的磨痕，使餐具表面進(jìn)一步平整；細(xì)磨則可以使餐具達(dá)到理想的光亮度，是餐具出廠前的最后一道工序.本文設(shè)計(jì)主要是針對(duì)餐具的粗磨，即對(duì)沖壓得到的平板類餐具毛坯進(jìn)行初始的表面處理.

1.2 餐具的粗磨

在粗磨階段需要按照工藝要求選用不同的拋光輪和拋光蠟進(jìn)行多次拋光：對(duì)刀叉類餐具毛坯分別通過120#～180#黑剛玉粗砂、240#～280#的海南砂細(xì)砂和切削力較強(qiáng)的紫蠟[4]三次拋光即可達(dá)到除銹打砂、去除宏觀不平整表面的目的.

不銹鋼餐具在磨削過程中的磨削量受拋光時(shí)間、拋光輥速度、進(jìn)給速度以及徑向進(jìn)給量[5](切入深度)的影響.根據(jù)加工工藝要求，通過調(diào)節(jié)拋光時(shí)間即可調(diào)整餐具毛坯的磨削量.

2 主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 餐具拋光機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)拋光要求和工序過程可知，不銹鋼餐具的粗磨階段主要有上料、黑剛玉粗砂拋光、海南砂細(xì)砂拋光、紫蠟拋光、卸料5 個(gè)過程，5 個(gè)過程依次進(jìn)行.設(shè)計(jì)了餐具毛坯在各工位之間自動(dòng)完成轉(zhuǎn)位和進(jìn)給動(dòng)作，即在人工上料后，工件依次自動(dòng)轉(zhuǎn)至黑剛玉粗砂拋光、海南砂細(xì)砂拋光、紫蠟拋光等工位，最后到達(dá)卸料工位，在重力作用下完成卸料.各工位間采用流水線作業(yè)方式，考慮到廠房空間有限，采用環(huán)形布局.不銹鋼餐具拋光機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

不銹鋼餐具拋光機(jī)由可實(shí)現(xiàn)分度和進(jìn)給的傳送機(jī)構(gòu)以及布置在外圍的3 個(gè)拋光打蠟機(jī)構(gòu)組成.餐具拋光機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括分度底盤和橫縱向(沿底盤徑向?yàn)榭v向，垂直于底盤為橫向)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，分度底盤在電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)橫縱向進(jìn)給小車在5 個(gè)工位間傳送，進(jìn)給小車在餐具拋光過程中實(shí)現(xiàn)橫向和縱向進(jìn)給，夾頭是用于夾持扁平的不銹鋼餐具毛坯.拋光打蠟機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)餐具毛坯的平面拋光以及拋光過程中拋光蠟的涂抹.

餐具拋光動(dòng)作流程如圖2 所示.拋光過程分為5個(gè)工位：工位Ⅰ為上料工位，夾頭汽缸動(dòng)作，使夾頭打開便于上料，擺動(dòng)小車不動(dòng)作，上料完成后，夾持著工件的夾頭在橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下隨分度底盤一起順時(shí)針做間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到下一工位；工位Ⅱ(粗砂拋光)、工位Ⅲ(細(xì)砂拋光)、工位Ⅳ(紫蠟拋光)為磨削工位，在該工位夾頭汽缸夾緊，擺動(dòng)小車通過前后左右的往復(fù)擺動(dòng)配合拋光機(jī)的拋光作業(yè)；工位Ⅴ為下料工位，夾頭汽缸動(dòng)作，夾頭張開，工件由于重力作用自動(dòng)完成卸料.

圖1 餐具拋光機(jī)總體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Overall structure of polishing machine

圖2 餐具拋光動(dòng)作流程圖Fig.2 Flow chart of polishing machine action

餐具拋光機(jī)的運(yùn)行過程由PLC 控制，5 個(gè)均布在底盤上的橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)底盤的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)間歇式分度傳動(dòng)，餐具在夾頭的夾持下隨著橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)在各工位間傳送.餐具通過橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)上夾料夾頭的夾持，伴隨橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，在固定的拋光機(jī)砂輪的作用下實(shí)現(xiàn)粗磨加工.在實(shí)際加工過程中，可根據(jù)不同加工需求調(diào)節(jié)橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程以及拋光砂輪機(jī)與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的位置.運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ工位的拋光時(shí)間需預(yù)先設(shè)定.加工過程中只需要一位工人進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及待加工餐具毛坯的輔助上料工作.

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

餐具拋光機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示.為了實(shí)現(xiàn)餐具在5 個(gè)工位間的轉(zhuǎn)換，要求底盤能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)停比可調(diào)的分度間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用變頻電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，通過對(duì)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制工位間的轉(zhuǎn)換速度，通過對(duì)電機(jī)的啟停控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)停比的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各工位拋光時(shí)間的調(diào)節(jié).主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括分度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、中心軸組件、立柱支撐機(jī)構(gòu)和定位鎖緊機(jī)構(gòu).

圖3 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Overall design of polishing machine

2.2.1 分度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

分度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是主傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，能夠?qū)崿F(xiàn)間歇分度傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)有很多，例如分度凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、針輪機(jī)構(gòu)、齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)等[6].雖然這些機(jī)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的間歇式轉(zhuǎn)動(dòng)，但是無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)停比可調(diào)的分度傳動(dòng)，不滿足餐具拋光的工藝要求.因此，采用YVP變頻調(diào)速電機(jī)，經(jīng)帶傳動(dòng)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器，再通過一對(duì)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)從而帶動(dòng)上底盤的分度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其機(jī)構(gòu)簡圖見圖4.

圖4 分度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of dividing transmission structure

根據(jù)工作臺(tái)的承重(1,000,kg)和最大回轉(zhuǎn)速度(5,r/min)，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選擇電機(jī)功率為1.5,kW，電機(jī)參數(shù)見表1.

表1 電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of the main motor

餐具拋光機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比為225，其中變頻電機(jī)與減速器之間的帶傳動(dòng)減速比為1.5，蝸輪蝸桿減速器減速比為30，直齒圓柱齒輪的減速比為5.由此可計(jì)算得到小齒輪的輸入轉(zhuǎn)速為

輸入功率約為

式中：p0為電機(jī)功率；1η 為帶傳動(dòng)效率；2η 為蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)效率.

小齒輪傳遞扭矩為

大齒輪傳遞扭矩為

經(jīng)過分析計(jì)算，該力矩能夠滿足回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在工作過程中的轉(zhuǎn)位動(dòng)作要求，電機(jī)功率的選擇合理.

2.2.2 中心軸組件

餐具拋光機(jī)的底座支撐著可回轉(zhuǎn)的上底盤，同時(shí)又與傳動(dòng)部件相連，為上底盤的回轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，底座由小底盤和中心軸組件構(gòu)成，如圖5 所示.小底盤與下底盤采用螺栓連接；傳動(dòng)系統(tǒng)固定板焊接在肋板上，為電機(jī)減速器動(dòng)力系統(tǒng)提供安裝平臺(tái)；中心軸設(shè)計(jì)成階梯軸以便于軸上零件的布置，中心軸的下部開有圓孔且設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，以便于電氣及控制線路的布置.

2.2.3 立柱支撐機(jī)構(gòu)

餐具拋光機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的上底盤直徑設(shè)計(jì)為1,500,mm，在上底盤的邊緣均布了5 個(gè)質(zhì)量約為100,kg 的進(jìn)給小車部件，系統(tǒng)由于自重引起的變形將影響到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性從而影響到餐具的拋光質(zhì)量.因此，在底盤的邊緣設(shè)計(jì)輔助支撐機(jī)構(gòu)來減小變形量.該支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：(1)支撐點(diǎn)與上底盤下表面始終保持接觸，這樣才能起到承重的作用；(2)支撐點(diǎn)與上底盤下表面之間有沿著底盤圓周方向的相對(duì)滑動(dòng)，這是由底盤的工作特點(diǎn)決定的.

圖5 中心軸組件Fig.5 Component of central axis

設(shè)計(jì)的立柱支撐機(jī)構(gòu)見圖6.通過調(diào)節(jié)螺母可改變立柱組件的高度，保證在安裝及使用過程中輥?zhàn)由媳砻媸冀K與底盤下表面接觸；通過定位桿的限位作用保證圓柱輥?zhàn)拥那芯€方向與底盤旋轉(zhuǎn)的切線方向保持一致；圓柱輥?zhàn)佑缮顪锨蜉S承和軸承套組成，其中軸承套采用45 號(hào)鋼表面淬火，使其表面硬度達(dá)到45～50,HRC，提高軸承套的耐磨性且可更換，從而提高部件中其他零件的使用壽命.立柱支撐機(jī)構(gòu)共有5組，均布在底盤上.

圖6 立柱支撐機(jī)構(gòu)Fig.6 Pillar support institutions

2.2.4 定位鎖緊機(jī)構(gòu)

上底盤在停止時(shí)由于慣性可能會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，并且拋光機(jī)在對(duì)餐具進(jìn)行磨削加工時(shí)對(duì)餐具有一定的作用力，該作用力通過夾頭和進(jìn)給小車傳導(dǎo)到底盤上從而引起底盤在磨削工位時(shí)的晃動(dòng)，進(jìn)而影響到餐具的拋光質(zhì)量.因此設(shè)計(jì)了圖7 所示的由頂尖和固定在上底盤下表面的頂尖座組成的定位鎖緊機(jī)構(gòu).該機(jī)構(gòu)一方面能夠在豎直方向上提供頂尖和頂尖座的結(jié)合力，另一方面還能保證頂尖在工作過程中保持良好的導(dǎo)向定位；與此同時(shí)，當(dāng)上底盤的擺動(dòng)作用力超過閾值時(shí)，為防止燒壞底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)和保護(hù)定位鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的安全銷會(huì)斷裂，從而起到對(duì)電機(jī)和其他部件的保護(hù)作用.

圖7 鎖緊機(jī)構(gòu)Fig.7 Locking mechanism

2.3 上底盤厚度選擇及支撐效果分析

上底盤作為進(jìn)給小車的工作平面，其運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和支撐剛度直接關(guān)系到餐具拋光機(jī)能否滿足加工工藝要求.因此對(duì)該零件進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其強(qiáng)度和變形進(jìn)行計(jì)算.

上底盤在靜止?fàn)顟B(tài)下受到來自5 個(gè)質(zhì)量約為100,kg 的進(jìn)給小車的重力作用，會(huì)引起上底盤變形，最大變形量位于上底盤的外邊緣.經(jīng)測(cè)試，當(dāng)上底盤外邊緣的變形量大于0.05,mm 時(shí)，將會(huì)對(duì)餐具的加工質(zhì)量造成影響，不能達(dá)到餐具拋光的工藝標(biāo)準(zhǔn).

在有限元分析過程中對(duì)上底盤的結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行了適當(dāng)簡化，將進(jìn)給小車的重力簡化為位于大盤上對(duì)應(yīng)位置的平板上施加的等效作用力，邊緣的支撐機(jī)構(gòu)簡化為在對(duì)應(yīng)位置豎直方向上向下的位移約束，如圖8 所示.

圖8 上底盤的簡化有限元模型Fig.8 Simplified finite element model of the upper plate

在相同的受力載荷條件下，分別對(duì)外邊緣有無立柱支撐機(jī)構(gòu)、不同上底盤厚度時(shí)上底盤的變形量進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9 和圖10.

圖9 有邊緣支撐和無邊緣支撐時(shí)24,mm厚上底盤的變形Fig.9 Deformation of the 24,mm upper plate with support and without support

圖10 不同厚度的上底盤在相同載荷下的變形量Fig.10 Deformation of different upper plates under the same load

由圖9 和圖10 的對(duì)比可以看出：分布在邊緣的立柱支撐機(jī)構(gòu)能夠有效地減小底盤的最大變形量；隨著上底盤厚度的增加，其變形量也明顯減小；當(dāng)板厚超過30,mm 時(shí)，無需邊緣的立柱支撐也能夠滿足大盤的剛度要求，但是隨著底盤厚度的增加，其自重也會(huì)增加，從而增大了整個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的慣性，不利于對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制.

通過圖10 還可得出：在有邊緣支撐的情況下，當(dāng)板厚達(dá)到16,mm 時(shí)，繼續(xù)增加厚度對(duì)上底盤邊緣變形量的影響較小，因此上底盤的厚度選擇16,mm.

3 結(jié)語

本文在分析不銹鋼餐具拋光工藝的基礎(chǔ)上，以五工位餐具拋光機(jī)為例提出了餐具拋光機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.通過仿真分析確定了工作臺(tái)的支撐形式及上底盤厚度，在此基礎(chǔ)上針對(duì)餐具拋光機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).經(jīng)樣機(jī)運(yùn)行，測(cè)得工作臺(tái)邊緣的跳動(dòng)公差在拋光工藝所允許的范圍內(nèi)，加工的餐具表面滿足粗磨的工藝要求.

設(shè)計(jì)的拋光機(jī)由1 名工人輔助上料就能夠完成多工位餐具拋光加工，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了餐具拋光的自動(dòng)化，與半自動(dòng)化拋光相比可節(jié)省2/3 的人力成本.本傳動(dòng)系統(tǒng)是針對(duì)具體企業(yè)部分餐具的工藝要求設(shè)計(jì)的，對(duì)于其他需要不同加工工序的餐具產(chǎn)品，改變部分結(jié)構(gòu)的尺寸即可實(shí)現(xiàn)更多工位的餐具加工.

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