秦立慶

（福州大學(xué)，福建 福州 350108）

行星式研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)

秦立慶

（福州大學(xué)，福建 福州 350108）

研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)、磨盤(pán)、磨盤(pán)連接接頭、主體支架、工件夾緊盤(pán)和供液系統(tǒng)組成。在LZM-6B研磨拋光機(jī)工作過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)影響擺動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)影響加載均勻性。研磨拋光液的均勻性對(duì)拋光的質(zhì)量也有很大的影響。本文從拋光機(jī)的主體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾具和供應(yīng)系統(tǒng)等方面，介紹改造行星式研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

研磨拋光機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 行星式研磨拋光機(jī)的主體結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

（1）主體結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)。因?yàn)閽伖獗P(pán)以及與之連接的主軸組件都放在工作臺(tái)面上，所以要求其具有保持平面精度的能力，否則將造成拋光盤(pán)傾斜，最終使兩拋光盤(pán)不能很好地適應(yīng)，工件受力不均勻，產(chǎn)生較大的尺寸誤差和平面誤差。綜上所述，必須采用尺寸穩(wěn)定性優(yōu)越的材料作為工作臺(tái)表面材料。花崗巖比鑄鐵的穩(wěn)定性優(yōu)越，熱膨脹系數(shù)低，對(duì)振動(dòng)的衰減能力強(qiáng)，硬度高，耐磨性好，不生銹。因此把原來(lái)的鑄鐵床身改造為花崗巖工作臺(tái)的床身，使機(jī)床能夠始終保持高精度。本課題是對(duì)現(xiàn)有的LZM-6B拋光機(jī)進(jìn)行改造，使其能符合氧化鋯、氧化鋁等高硬度材料研磨拋光的加工要求。由于被加工材料的硬度比普通材料要高，需要使用超硬磨料，并且需要使用較高的加工負(fù)載來(lái)達(dá)到一定的材料去除率。因此，有必要改進(jìn)現(xiàn)有的懸臂結(jié)構(gòu)。考慮到機(jī)器本身的尺寸，我們決定把現(xiàn)有的懸臂結(jié)構(gòu)改造為龍門結(jié)構(gòu)，以提高其剛度。

龍門結(jié)構(gòu)的材料選擇：如果采用角鋼結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，容易造成扭曲；采用工字鋼，則外形不夠美觀；為了達(dá)到穩(wěn)定性和美觀性，決定使用槽鋼。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。龍門結(jié)構(gòu)的兩根垂直柱和橫梁被焊接在一起，以增加整個(gè)支架的剛度。

考慮到上磨盤(pán)需要經(jīng)常拆卸和清洗，立柱的高度跟原來(lái)的高度相比有所增加，高度定為900mm。考慮橫梁需要保留一定的操作空間，長(zhǎng)度定為460mm。在梁的中心挖一個(gè)孔槽，使連接軸通過(guò)，加載氣缸使用螺栓固定在龍門鋼框架結(jié)構(gòu)的頂部，通過(guò)連接軸把加載氣缸和上磨盤(pán)連接在一起。龍門架選擇的普通槽鋼橫截面形狀及各部位的尺寸如圖2所示。經(jīng)過(guò)多次的計(jì)算，決定采用20a號(hào)熱軋普通槽鋼作為龍門結(jié)構(gòu)的材料。

圖1 龍門結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

（2）橫梁的強(qiáng)度、剛度校核。一般機(jī)械部件，如果強(qiáng)度條件達(dá)到要求，則剛度條件一般也可以達(dá)到要求。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，剛度要求往往處于從屬地位。然而在超精密研拋機(jī)中，上研磨盤(pán)支撐結(jié)構(gòu)需要非常好的剛度，這時(shí)剛度條件則是首要條件。在機(jī)械加工過(guò)程中，往往要對(duì)撓度和轉(zhuǎn)角進(jìn)行一定的限制，例如切削機(jī)床的主軸撓度過(guò)大，將直接影響其加工的精度；傳動(dòng)軸在其支座處轉(zhuǎn)角過(guò)大，則其軸承會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的磨損等。一般情況下?lián)隙群娃D(zhuǎn)角取值如下：

[W/L]=1/50000～ 1/10000；

[θ]=0．005 ～ 0．001rad。

因?yàn)槌苎心伖鈾C(jī)要求具有高剛度，所以撓度取上限值1/10000。下面將對(duì)橫梁的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。

（1）強(qiáng)度校核。橫梁的受力情況如圖3。由圖可知：

橫梁和立柱間的彎矩圖如圖4。由圖可知：

通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中槽型鋼部分，可知：

圖2 截面圖

圖3 橫梁的受力簡(jiǎn)圖

圖4 彎矩分析簡(jiǎn)圖

故所選擇的龍門式結(jié)構(gòu)材料滿足強(qiáng)度要求。

（2）剛度校核

即所選擇的龍門式結(jié)構(gòu)材料滿足剛度要求。有實(shí)際結(jié)構(gòu)也可以證明，使用20a號(hào)熱軋普通槽鋼構(gòu)建的龍門結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)的要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有效降低了研磨拋光過(guò)程中的擺動(dòng)。

2 行星式研磨拋光機(jī)的連接機(jī)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

（1）連接機(jī)構(gòu)改造設(shè)計(jì)。因氣缸頂柱的旋轉(zhuǎn)速度為60r/min,精度要求較高,所以應(yīng)選擇調(diào)心球軸承,軸承型號(hào)代碼為“1”,頂柱的直徑為φ35,故軸承的內(nèi)徑代碼為“7”。綜上所述，軸承代碼為“1207”，具體參數(shù)如表1所示。

表1 1207軸承的參數(shù)

（2）調(diào)心球軸承校核。當(dāng)氣缸的頂部下降時(shí)，頂柱通過(guò)軸承向下研磨盤(pán)施加壓力；當(dāng)氣缸的頂部上升時(shí)，頂柱通過(guò)軸承提起上研磨盤(pán)。其最大的軸向載荷徑向載荷可忽略不計(jì)。

許用動(dòng)載荷 C=12．4kN。

式中，P為當(dāng)量動(dòng)載荷，N；L為額定壽命，106；ε為壽命指數(shù)，球軸承取3。，

圖5 疲勞曲線

因?yàn)?C額≥ C實(shí)際。

故1207調(diào)心球軸承滿足疲勞極限要求，能在獲得調(diào)心性能的同時(shí)承受軸向載荷。

3 行星式研磨拋光機(jī)的夾具改造設(shè)計(jì)

（1）傳統(tǒng)行星式拋光夾具。在磨削加工過(guò)程中，由于加工壓力和摩擦的影響，容易造成工件的跑位，甚至引起跑離工作臺(tái)的現(xiàn)象。因此，需要設(shè)計(jì)一款即能夠承受工作載荷，又能夠保持工件夾具，提高研磨拋光過(guò)程的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步改善加工的質(zhì)量。

（2）行星式研磨拋光夾具的結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)夾具為整體行星式拋光夾具，拋光新工件時(shí)，由于尺寸的變化，導(dǎo)致工件不能配合原有的夾具，尤其是工件尺寸的變化大的工件，根本無(wú)法使用，這時(shí)就必須要重新制作夾具。為此，建議采用組合夾具，如圖6所示。在齒輪的中間切出一個(gè)正八邊形夾槽?？紤]到拋光液的腐蝕和重復(fù)使用，行星齒輪采用高耐腐蝕的40Cr材料制成，而八邊形夾具由于其強(qiáng)度低，故采用易于加工的環(huán)氧樹(shù)脂制成。因此，加工不同尺寸的工件時(shí)，只要制作一個(gè)新的八邊形環(huán)氧樹(shù)脂夾具，不需要重新設(shè)計(jì)行星齒輪，在保證拋光質(zhì)量的前提，節(jié)省生產(chǎn)夾具成本和時(shí)間。

圖6 夾具的改造

（3）行星齒輪強(qiáng)度校核。在磨削和拋光過(guò)程中，工件夾在上下磨盤(pán)中間，行星輪是由內(nèi)圈和中心輪的嚙合驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)工件進(jìn)行自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。行星輪會(huì)承受一定載荷，所以需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于行星齒輪的工作環(huán)境是半封閉，其主要失效形式是疲勞斷裂，所以只要校核其輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度即可。

LZM-6B行星研拋機(jī)的上磨盤(pán)在磨削和拋光過(guò)程中，通過(guò)加壓缸施加壓力。

最大壓力值為F1=800N

上磨盤(pán)的體積V=0．003030m3

使用材料為HT200

密度ρ=7000kg / m3

上研磨盤(pán)的所受的總壓力為：

以每個(gè)夾具中有3個(gè)30mm×30mm的工件為例，一臺(tái)拋光機(jī)一次性可安裝5個(gè)行星輪，即每次可同時(shí)加工工件數(shù)15個(gè)，每個(gè)工件平均受到的壓力67．47N。摩擦系數(shù)都在1以內(nèi)，所以每個(gè)工件所受的最大摩擦力為67．47N。依據(jù)工件和行星輪的中心距，因此行星輪所受最大阻力矩T=3×67．47N×0．035m=7．08N·m。

根據(jù)輪齒齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核公式：

查得相關(guān)數(shù)據(jù)如表2。

表2 齒輪相關(guān)彎曲疲勞參數(shù)

行星輪夾具的齒輪模數(shù)為m=2，因此得出結(jié)論：

故所選擇的40Cr制成的夾具滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要從以下方面對(duì)行星式研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行了改造：將原有的鑄鐵床身改為花崗石的工作臺(tái)面；將原來(lái)的單臂式結(jié)構(gòu)改進(jìn)為龍門式箱體結(jié)構(gòu)。選用107調(diào)心球軸承，連接氣缸活塞桿與上拋光盤(pán)，使其具有自動(dòng)調(diào)心性能。制作出了一種通用夾具來(lái)代替專用夾具。

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TG580.692

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