錢紀明，俞家林

QIAN Ji-ming1 , YU Jia-lin2

（1.紹興市科技信息研究院，紹興 312000；2.紹興市家度彈簧機械有限公司，紹興 312000）

0 引言

彈簧是許多行業(yè)的通用零件，量大面廣，尤其是壓縮彈簧，應用領域最為廣泛，且絕大部分壓縮彈簧，尤其是大線徑壓縮彈簧、高精度壓縮彈簧的端面都需要經(jīng)磨削加工?，F(xiàn)有技術的立式或臥式磨簧機，通常是磨盤定軸旋轉(zhuǎn)，磨盤上只有四分之一左右的彈簧位于兩個砂輪之間參與磨削，同時參與磨削的彈簧數(shù)量少、產(chǎn)量低[1]。而且，砂輪磨削端面的內(nèi)外徑處很快會出現(xiàn)傾斜。為保證彈簧磨削精度要求，就必須經(jīng)常對砂輪磨削平面進行修平處理，既浪費時間，又增加了生產(chǎn)成本[1]。

重視彈簧端面磨削技術的研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的先進彈簧端面磨床對提升我國彈簧制造業(yè)水平顯得尤為迫切。為此，我們研發(fā)了一種彈簧雙端面整盤磨削技術，并已成功應用該技術開發(fā)了精密高效數(shù)控磨簧機，攻克了磨削大線徑、高垂直精度的彈簧時，經(jīng)常需要修割砂輪平面、磨頭主軸受力狀態(tài)差等一系列技術難題。

1 彈簧雙端面整盤磨削技術原理

圓柱螺旋壓縮彈簧的端面磨床大多數(shù)采用圓盤式徑向轉(zhuǎn)動送料進給結構。而我們研究創(chuàng)立了一種砂輪作軸向進給運動、整盤彈簧同時在砂輪平面上進行磨削、每個彈簧都在砂輪內(nèi)外徑之間移動的雙端面磨削技術，而且實現(xiàn)了磨削彈簧的整盤式送料和卸料。其主要技術原理如圖1所示。需加工的彈簧放入送料磨盤3中呈徑向均布的一系列孔中，在具有磨盤擺動和磨盤平行移動的組合機構作用下，固定在平動連桿上的送料磨盤3平動擺入上砂輪1和下砂輪4之間，上砂輪1作向下的進給運動，平動連桿上的送料磨盤3作跡點軌跡為圓的平動運動，工件彈簧2作緩慢自轉(zhuǎn)，三者綜合作用使砂輪磨損均勻，能持久保持高的砂輪平面度，從而持久保持磨削的高精度。同時，還可調(diào)節(jié)平動連桿上送料磨盤運動軌跡圓的直徑，實現(xiàn)砂輪平面的自動修磨。

圖1 彈簧雙端面整盤磨削技術原理圖

2 彈簧雙端面整盤磨削技術及其實現(xiàn)方式

2.1 以曲柄搖桿機構實現(xiàn)送料磨盤的擺入與擺出

如圖2所示，齒輪19通過連桿銷18與連桿17鉸聯(lián)，連桿17的另一端通過搖桿銷16與搖桿15鉸聯(lián)，搖桿15固定安裝在搖軸14上，搖軸14有軸承支承，搖軸14的頂端固定聯(lián)接了齒輪箱13，磨盤10固定聯(lián)接在平動連桿11上，彈簧工件7放入磨盤10的孔中。

工作時，電機轉(zhuǎn)動通過減速箱，帶動齒輪19轉(zhuǎn)動，通過連桿銷18→連桿17→搖桿銷16，帶動搖桿15擺動，從而通過箱體13實現(xiàn)磨盤10整體擺入和擺出上砂輪8、下砂輪9之間的目的。具體設計中，充分利用曲柄搖桿機構的死點特性，將磨盤10擺入、擺出的停留位置設定在曲柄搖桿機構的兩個死點位置，有效地滿足了磨盤10擺入、擺出的停留位置要求。

圖2 磨盤擺入砂輪箱的組合機構圖

2.2 以平行雙曲柄四連桿機構實現(xiàn)磨盤上跡點的平面圓周運動

如圖2所示，小齒輪1與兩個滑座齒輪2相嚙合，兩個滑座齒輪2與兩根滑座軸3用平鍵聯(lián)接，兩根滑座軸3上端的滑座內(nèi)分別設置了兩根滑塊軸6（滑塊軸6的軸心線與滑座軸3的軸心線平行，兩軸心線間的距離就是平行雙曲柄四連桿機構的曲柄長度a，曲柄長度a可通過螺栓螺母組件12調(diào)節(jié)，工作時兩曲柄長度必須調(diào)節(jié)為等長），兩根滑塊軸6上分別套裝了軸承座5，連桿11套裝在兩個軸承座5上（連桿11的兩個軸承座孔中心距離與兩個滑座軸3的軸心線距離相等，與前述的兩等長曲柄共同構成一個平行四邊形）[1]。上述結構組成了曲柄長度可以調(diào)節(jié)的平行雙曲柄四桿機構。在連桿11的延伸位置上固定聯(lián)接了磨盤10，磨盤10上設計了一個以磨盤中心為圓心，直徑為砂輪平面中徑尺寸的中心圓，彈簧工件7放在這個中心圓上的一系列孔中。

工作時，電機轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器帶動小齒輪1與兩個滑座軸齒輪2嚙合轉(zhuǎn)動，又帶動兩根滑座軸3轉(zhuǎn)動，最后帶動兩根滑塊軸6分別圍繞各自的滑座軸3的軸心線轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軌跡分別是一個以平行雙曲柄四桿機構的曲柄長度a為半徑的圓，實現(xiàn)連桿11作軌跡為圓的平動運動，與連桿11固定連接的磨盤10上各彈簧工件7的移動軌跡也為同樣大小的圓[1]。圖3為磨盤（送料盤）平行雙曲柄機構原理圖。設計計算中，這個圓的直徑尺寸2a與彈簧工件7的直徑尺寸2r之和等于砂輪有效磨削面的內(nèi)外半徑之差，即：

其中，a為平行雙曲柄四桿機構的曲柄長度；

R為彈簧工件外徑；

R1為砂輪磨削平面外徑；

R2為砂輪磨削平面內(nèi)徑。

這樣設計的效果是，由于磨盤10在上下砂輪之間不停地作小范圍的圓弧形平動，使彈簧工件7在上下砂輪的內(nèi)外徑之間作往返移動，并且上砂輪作向下的軸向進給運動，使得上下砂輪的整個端面都同時參與磨削，而且砂輪內(nèi)外徑的磨削量大小相同，從而實現(xiàn)砂輪平面內(nèi)外徑處的均勻磨損[1]。

在彈簧雙端面磨削實踐中，即使由于某種原因出現(xiàn)了砂輪平面的不平，還可以通過調(diào)節(jié)螺栓螺母組件12調(diào)節(jié)平行雙曲柄四桿機構的曲柄長度（調(diào)節(jié)時須保證兩曲柄長度同時等量調(diào)節(jié)），實現(xiàn)砂輪平面的自動修整[1]。

圖3 磨盤（送料盤）平行雙曲柄機構原理圖

2.3 以內(nèi)外側磨削力差實現(xiàn)工件彈簧的自轉(zhuǎn)

砂輪在高速轉(zhuǎn)動下磨削彈簧，彈簧工件端面內(nèi)外側點的線速度不同，選擇合理的砂輪幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)速以及進給量，磨削平面上內(nèi)外側磨削力差能使彈簧產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)彈簧工件在自轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行磨削。

3 與現(xiàn)有彈簧雙端面磨削技術的比較優(yōu)勢

3.1 現(xiàn)有彈簧雙端面磨削技術。

現(xiàn)有彈簧雙端面數(shù)控磨簧機，大多數(shù)采用磨盤定軸轉(zhuǎn)動機構，磨盤軸設置在砂輪圓周外，磨盤360°旋轉(zhuǎn)，將彈簧依次送入上下磨頭砂輪面間進行磨削，同時參加磨削的彈簧只有整盤彈簧數(shù)量的四分之一左右，效率低。磨削過程中，彈簧從砂輪外徑處進入砂輪內(nèi)徑處，再從砂輪內(nèi)徑處轉(zhuǎn)到砂輪外徑處。而磨頭作連續(xù)進給作運動，當彈簧工件從砂輪外徑處進入兩砂輪平面之間的過程中，先接觸砂輪外徑處。此時彈簧磨削量大、壓縮變形量大、砂輪磨削力大、砂輪軸所受彎矩大，導致砂輪平面外徑處的磨損大；當彈簧工件進入砂輪內(nèi)徑處時，磨削量已很小、壓縮變形量小、砂輪磨削力小、砂輪軸所受彎矩小，砂輪平面內(nèi)徑處磨損也較小。這樣，砂輪平面就出現(xiàn)傾斜不平，影響磨削彈簧的垂直度[1]。為了保證磨削彈簧的垂直精度，需經(jīng)常檢測砂輪面的磨損程度，修割砂輪平面度，并通過上下砂輪磨損補償電機調(diào)整砂輪高度，保持上下磨頭砂輪面的間距不變。

目前，國內(nèi)外磨簧機存在的主要問題有：1）砂輪磨損不均勻，經(jīng)常需要修割砂輪平面；2）由于是非對稱磨削，主軸既受扭矩、軸向力的作用，又受大彎矩的作用，主軸受力狀況不理想，繞度變形大，影響磨削精度；3）未能實現(xiàn)全封閉磨削，操作不夠安全，工作環(huán)境灰塵多[2]。

3.2 彈簧雙端面整盤磨削技術與現(xiàn)有技術的比較優(yōu)勢

與現(xiàn)有技術相比較，應用該彈簧雙端面整盤磨削技術的數(shù)控磨簧機具有如下優(yōu)點：

1）優(yōu)化了彈簧端面磨削的進給方式。用曲柄搖桿機構實現(xiàn)送料磨盤整體擺入與擺出上、下砂輪之間，磨削時，磨盤軸與砂輪軸共線；上砂輪作向下的進給運動。實現(xiàn)了整盤彈簧同時在上、下砂輪平面間的對稱磨削，優(yōu)化了彈簧端面磨削的進給方式，砂輪主軸的受力狀態(tài)好，實現(xiàn)了磨削彈簧兩端面工作原理的創(chuàng)新。

2）解決了砂輪平面不均勻磨損的共性技術難題。在磨削開始時，砂輪和彈簧端面接觸的瞬間，砂輪相對彈簧作軸向進給運動，同時，磨盤中彈簧端面上每個跡點在砂輪內(nèi)、外徑間作軌跡為圓的平面運動，砂輪內(nèi)、外徑之間的磨粒參與磨削的機會是均等的，砂輪內(nèi)、外徑之間呈均勻磨損狀態(tài)。因此，可持久保持砂輪的平面精度，不需要修割砂輪平面。攻克了磨削大線徑、高垂直精度彈簧時，需要經(jīng)常修割砂輪平面的關鍵共性技術難題。而且，即使出現(xiàn)砂輪平面精度不符合要求的情況，還可以采用調(diào)節(jié)曲柄長度或者改變曲柄轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)動速度的方式，邊磨削邊自動修磨砂輪平面度。

3）提高了彈簧磨床的精度耐久性。上砂輪作向下的進給運動時，整盤彈簧同時與砂輪平面接觸并參與對稱磨削，磨削時的合成磨削力使主軸幾乎只受到軸向力和扭矩作用，而不受彎矩作用，砂輪主軸幾乎不存在彎曲變形，從根本上改善了砂輪主軸的受力狀態(tài)，使得砂輪主軸能持久保持高的運動精度，從而持久保持磨削彈簧的高精度，解決了大線徑彈簧端面磨床精度保持性低的共性技術問題。

4）簡化了高精度彈簧的制造工藝。由于是整盤彈簧同時參與磨削，即使是大線徑彈簧，只要砂輪軸向進給量選擇合理，較高精度要求的彈簧也能一次磨削成形。改變了生產(chǎn)較高精度以上彈簧通常需要經(jīng)過“粗磨—校正—精磨”的傳統(tǒng)工序，實現(xiàn)了較高垂直度彈簧的一次磨削成型。

5）大大提高了生產(chǎn)效率。首先是磨削效率大大提高。由于整盤彈簧同時在砂輪平面上磨削，與國內(nèi)外現(xiàn)有數(shù)控磨簧機通常只有四分之一盤彈簧同時被磨削相比，其生產(chǎn)效率成倍提高。其次是卸料效率大大提高?？稍趦蓚雀靼惭b一套磨盤擺動機構，交替進行磨削、卸料；而且，實現(xiàn)了磨后整盤彈簧的瞬間卸料，提高了彈簧工件的卸料效率[2]。

6）改善了彈簧端面磨床的操作環(huán)境。采用磨盤擺動機構和砂輪箱門自動開閉機構，可設置防塵罩，實現(xiàn)整盤彈簧的全封閉磨削，既安全、又環(huán)保。解決了磨削灰塵污染導致操作環(huán)境惡劣的共性技術問題[2]。

4 結束語

應用該項彈簧雙端面整盤磨削技術研發(fā)的精密高效數(shù)控磨簧機，解決了國內(nèi)外現(xiàn)有的磨簧機存在的砂輪磨損不均勻、主軸受大彎矩作用繞度變形大、工作環(huán)境灰塵多等關鍵共性問題，經(jīng)多家用戶使用驗證，達到了設計要求，特別適用于大線徑磨簧機，具有較強的市場競爭力，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]俞家林,黃花麗,俞度,等.磨簧機的磨盤平行移動機構:中國,201110158483.4,中國,201120198846.2[P].

[2]俞家林,黃花麗,俞度,等.雙端面立式磨床的磨盤擺動機構:中國,201120422055.3[P].