馬質(zhì)璞 王 偉 張 抗 劉宏偉

(①南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系， 河南 南陽 473000； ②南陽理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 河南 南陽 473000)

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，各種光學(xué)元件需求量與日俱增，由此對元件加工的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求也越來越高。雖然目前非球面加工工藝發(fā)展迅速，成為當(dāng)今研究熱點，但是非球面加工難度大、價格昂貴，所以傳統(tǒng)球面光學(xué)元件加工的地位也不容忽視，并且對效率和精度提出了更高的要求。

為實現(xiàn)這一要求，部分資金雄厚的大型企業(yè)選擇引進(jìn)國外的自動化磨削設(shè)備，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大且價格不菲，動輒數(shù)十萬乃至數(shù)百萬元，最重要的是核心技術(shù)秘而不宣，維護(hù)起來比較麻煩。

按照“工件加工需求分析—總體方案設(shè)計—3D結(jié)構(gòu)設(shè)計—主體結(jié)構(gòu)有限元分析—設(shè)計結(jié)果”的思路,介紹一種立式球面銑磨機(jī)厚度控制裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。

該裝置采用模塊化創(chuàng)新設(shè)計，拋棄了傳統(tǒng)銑磨機(jī)的手柄與彈簧聯(lián)動控制的方式，也未采用時下流行的高成本的伺服電動機(jī)與滾珠絲杠副的方式，而是采用氣壓缸與柔性機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式，成本低且易于大量推廣。

1 工件加工需求分析

1.1 加工工藝分析

球面銑磨成型原理[2]，如圖1所示。

球面的曲率半徑為R，磨輪的中徑為Dm，磨輪的刃口曲率半徑為r，金剛石磨輪刃口通過工件頂點，磨輪軸線和工件軸線相交于O點，兩軸夾角為α；球面曲率半徑的大小與兩軸的夾角α有關(guān)。當(dāng)磨具選定后，中徑Dm和刃口半徑r為定值。

磨輪繞自身軸高速旋轉(zhuǎn)，工件繞自身軸低速轉(zhuǎn)動，這種運動軌跡包絡(luò)面就形成球面。調(diào)節(jié)不同的α角，即可加工出不同曲率半徑R的球面。

R與α的關(guān)系如下：

其中，凸面取“+”號，凹面取“-”號。

1.2 傳統(tǒng)銑磨機(jī)厚度控制裝置的缺點

以占據(jù)球面銑磨市場半壁江山的XM-18臥式球面銑磨機(jī)(圖2)為例，傳統(tǒng)的球面銑磨機(jī)的厚度控制裝置借助彈簧拉力進(jìn)行進(jìn)給，由工人手動操作。工件軸內(nèi)裝有彈簧驅(qū)動的芯桿，當(dāng)工件軸退回時，工件軸自動停止，夾頭松開。

加工工件的尺寸通過調(diào)整磨輪軸和工件軸的位置來實現(xiàn)，其表面粗糙度可以通過設(shè)置計時器控制粗精磨時間來達(dá)到。此類設(shè)備，加工精度取決于操作工人的熟練程度及個人狀態(tài)[3]，另由于人為因素容易出現(xiàn)破邊或工件碎裂現(xiàn)象，報廢率較高，由于工件主軸水平布置，精度受到重力因素影響。

2 設(shè)計方案

本文設(shè)計一臺用于立式銑磨機(jī)的磨削厚度控制裝置。立式銑磨機(jī)比臥式銑磨機(jī)有著不可比擬的優(yōu)勢：工件軸鉛垂布置，使精度不受重力影響；夾具水平放置，這樣尺寸可以做得更大，可以加工更加大型的工件；便于全自動化改進(jìn)。

2.1 參數(shù)要求

厚度控制裝置的技術(shù)參數(shù)要求如表1所示。

表1 厚度控制裝置技術(shù)參數(shù)

項目數(shù)值行程/mm70軸向跳動量/mm≤0003轉(zhuǎn)速/(r/min)18～22主軸精度/mm≤0003定位精度/μm5重量/kg≤50

2.2 設(shè)計原則

(1)精度先行，兼顧效率

在設(shè)計時必須保證嚴(yán)格的精度，因此對于裝置的設(shè)計必須優(yōu)先考慮精度[4]；對于球面光學(xué)元件，加工步驟簡單，批量化成為常態(tài)，效率就是第一生產(chǎn)力，因此提高效率也要作為目標(biāo)之一。

(2)結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度

因為要保持足夠的精度，加工時要保證工件進(jìn)給的直線度和跳動度，裝置的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性必須要保障。

(3)成本低廉

因為本裝置針對的都是中小型企業(yè)，并且以技術(shù)改造為主，所以成本因素也亟需考慮，因此在設(shè)計時力求結(jié)構(gòu)簡單且盡量采取標(biāo)準(zhǔn)件。

2.3 總體方案

立式銑磨機(jī)中的厚度控制裝置是關(guān)鍵部件，因為它包含了工件進(jìn)給和厚度控制兩個功能，其性能的高低直接影響到工件的質(zhì)量和加工的效率[5]。

為了實現(xiàn)高效率的加工效果，我們選用氣壓缸來控制工件的上下快速運動，這樣可以縮短大量的空行程時間，使工件快速到達(dá)加工位。

因為氣壓缸活塞的運動方式快速且穩(wěn)定性差，所以我們在設(shè)備上加裝一套柔性進(jìn)給機(jī)構(gòu)，柔性機(jī)構(gòu)由一個液壓阻尼器[6]和相關(guān)的調(diào)整設(shè)備構(gòu)成，可以消除升降氣缸壓力的波動[7]所導(dǎo)致對工件夾具的沖擊,使其平穩(wěn)地上升,防止工件的損壞,把工件的運動變成勻速的緩慢的進(jìn)給運動保證磨削質(zhì)量。

升降氣缸上裝有旋鈕可以調(diào)節(jié)壓力的大小,使升降氣缸的壓力保持適度,即可避免鏡片的破碎[8],保證磨削的正常進(jìn)行。

裝置可以通過設(shè)置的進(jìn)給補(bǔ)償機(jī)構(gòu)對磨削砂輪的磨損進(jìn)行補(bǔ)償[9],基本消除了人為因素引起的誤差，因此能可靠地保證鏡片磨削厚度尺寸的精度,同時具有結(jié)構(gòu)簡單,制作調(diào)整方便,造價低廉等優(yōu)點。

該裝置的工件軸部分來源于老式的球面銑磨機(jī)，這樣可以極大地降低成本，裝置的主體部分選用Q235結(jié)構(gòu)鋼。

3 厚度控制裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理

3.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖3所示，整個裝置由上滑套13通過螺栓連接在銑磨機(jī)的箱體上。升降氣缸1通過螺栓連接在氣缸固定板2上，15為氣壓缸壓力調(diào)整螺母。氣缸固定板上有四根氣缸固定拉桿4，拉桿與電動機(jī)固定板7固定連接，電動機(jī)固定板7下方裝有帶驅(qū)動電動機(jī)的30減速器5，上方固定連接四根滑套拉桿9，滑套拉桿上方與下滑套10固定連接。30減速器5通過花鍵與工件轉(zhuǎn)軸相連，工件轉(zhuǎn)軸頂端為工件夾頭14。氣缸1的活塞桿與凸字型的氣缸頂板3固定連接，氣缸頂板3上端用螺紋連接三根頂桿6，這三根頂桿6與電動機(jī)固定板7滑動連接，可以通過電動機(jī)固定板7上的小孔垂直滑動。三根頂桿6頂部與夾板8固定連接，夾板8與工件轉(zhuǎn)軸套相連，其一側(cè)裝有液壓速度控制器16和主調(diào)整螺栓。下滑套10上裝有副調(diào)整螺栓和微調(diào)旋鈕及鎖定螺母。

3.2 工作原理

開機(jī)之前，旋動調(diào)節(jié)主調(diào)整螺母和副調(diào)整螺母，調(diào)整夾具上升到最大空行程高度,然后啟動驅(qū)動電動機(jī)和升降氣缸,夾具上升并使工件與磨頭接觸,隨后使夾具下降，調(diào)整微調(diào)旋鈕，調(diào)定至需要加工的深度。

開始加工時，氣缸活塞桿上升，使工件快速到達(dá)加工位，隨后在液壓減速控制器的作用下，工件緩緩上升，直至達(dá)到最終厚度。

升降氣缸的進(jìn)氣管上設(shè)置壓力傳感器和調(diào)壓閥,便于通過調(diào)整升降氣缸的壓力使控制升降氣缸的壓力保持適度,即可避免工件的破碎,保證磨削的正常進(jìn)行。

當(dāng)工件磨削至設(shè)定厚度時,夾具即上升至限定的最高高度，壓力繼電器得電并停止上升,隨后在時間繼電器的控制下保持8～10 s的光刀時間以達(dá)到規(guī)定的粗糙度，然后自動下降到原始位置，工件即磨削完成。

取下工件后，就可以進(jìn)行下一個工作循環(huán)。在鏡片磨削一定數(shù)量后，硬質(zhì)玻璃鏡片粗磨、半精磨數(shù)量一般在50件左右后會因磨頭砂片的磨損而導(dǎo)致磨削鏡片厚度超差[10],因而需要結(jié)合理論推算或?qū)嶒灉y量的確定,對進(jìn)給限位及補(bǔ)償機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,即將微調(diào)旋鈕轉(zhuǎn)動一定角度,對砂輪磨損進(jìn)行補(bǔ)償。

4 主體結(jié)構(gòu)有限元分析

為了對該裝置的強(qiáng)度和形變進(jìn)行校核，這里應(yīng)用SolidWorks的Simulation功能對其主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[11]。

4.1 模型建立

建立有限元模型時,對總的實體模型作如下簡化[12]：

(1)刪去功能件和非承載構(gòu)件。這些構(gòu)件僅為滿足結(jié)構(gòu)或使用上的要求而設(shè)計,并非根據(jù)強(qiáng)度的要求而設(shè)計,例如電動機(jī)、減速器、液壓緩沖裝置、調(diào)整螺母等。這些構(gòu)件對機(jī)床結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形影響都較小,因此在建模時將其忽略。

(2)部分構(gòu)件上的圓弧過渡簡化為直角過渡,工藝上需要的倒角,拔模斜度等都一概刪去,這樣是為了提高劃分網(wǎng)格的精度和建模速度。

(3)對于一些構(gòu)件上的孔、凹槽、翻邊在截面形狀特性等效的基礎(chǔ)上盡量簡化,對截面特性影響不大的特征直接予以忽略。

4.2 材料選擇

該裝置的主體部分選用Q235結(jié)構(gòu)鋼，單元對應(yīng)的彈性模量為E=2.1×1011Pa2，泊松比P=0.28,密度為ρ=7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa。

4.3 算例生成

4.3.1 連接方式

簡化后的厚度控制裝置共有11個零件組成，分別是主軸滑套、電動機(jī)固定板、升降氣缸固定板、4根主軸滑套拉桿和4根主軸氣缸固定拉桿，連接方式選擇螺紋固定連接[13]。

4.3.2 固定方式

因為該裝置通過滑套與銑磨機(jī)箱體由螺栓固定連接，所以選擇滑套上表面作為基準(zhǔn)面來固定幾何體[14]。

4.3.3 外部載荷

裝置主體結(jié)構(gòu)采取左右對稱布置，除了工件軸的轉(zhuǎn)動外，僅有升降氣壓缸推動相關(guān)零件上下移動，不存在切向力，主軸滑套部分負(fù)責(zé)承載著整個裝置的重量(≤50 kg)，因此最大外部載荷即為所受重力490 N。

4.4 分析結(jié)果

計算結(jié)果如圖6、7所示。

由圖6～7可以得出以下兩個結(jié)論[15]：

(1)該裝置所受到最大的應(yīng)力是6.551 5 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度，因此該裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

(2)該裝置的最大位移為0.001 95 mm,小于設(shè)計要求的0.003 mm,完全滿足精度要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計并未采用當(dāng)下國內(nèi)主流的數(shù)控與步進(jìn)電動機(jī)結(jié)合的設(shè)計方法，力圖從當(dāng)下實際情況出發(fā)，對大量落后的產(chǎn)能進(jìn)行改造。經(jīng)過加裝該裝置后可以使主軸精度提高到0.003mm，效率提高3倍以上，

該款銑磨機(jī)厚度控制裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，成本低，可以作為一個單獨模塊加裝在傳統(tǒng)球面銑磨機(jī)上(如圖8所示)，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度，具有十分廣闊的市場。

對于我國保有量巨大的傳統(tǒng)球面銑磨機(jī)市場來說，可以用最小的投資獲得最高效的產(chǎn)出，并且技術(shù)都不必受制于人。如此一來，既響應(yīng)了國家淘汰落后產(chǎn)能的目標(biāo)，又實現(xiàn)了升級現(xiàn)有設(shè)備，提高生產(chǎn)效率的目的，是廣大中小企業(yè)首選，經(jīng)濟(jì)效益及社會效益顯著。

[1]周旭升,戴一帆,李圣怡,等.非球面加工機(jī)床的設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2004(5):55-57.

[2]蔡立，耿素杰，付秀華.光學(xué)零件加工技術(shù)[M].長春：兵器工業(yè)出版社，2005:100-106.

[3]莊仲禹.球面玻璃銑磨加工的面形誤差分析[J].光學(xué)技術(shù)，1990(3):31-37.

[4]王敏敏.銑磨機(jī)加工誤差分析與研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[5]王貴林，李圣怡，戴一帆.光學(xué)非球面復(fù)合加工機(jī)床的設(shè)計與精度分析[J].中國機(jī)械工程，2004，15(1):99-102.

[6]李文浩,蘭明濤,劉建偉.淺談阻尼器在機(jī)械模塊中的安裝[J].工業(yè)技術(shù)，2017(6):163-163.

[7]趙俊龍,張志新,郭正剛,等.往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸壓力模擬曲線提取[J].振動、測試與診斷,2009(1):79-82,120.

[8]王明海,張樞南,鄭耀輝,等.單晶硅超精密切削的刀具磨損試驗研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2017(5):133-136.

[9]彭利榮,馬占龍,王高文,等. 超薄光學(xué)元件精密加工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國光學(xué),2015(6):964-970.

[10]朱躍偉,張家梁,鄭小虎,等. 高速磨削砂輪磨損對磨削表面質(zhì)量的影響研究[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2015(3):138-141.

[11]SolidWorks 公司.Solid Works Simulation 高級教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[12]魏艷春.XM18球面銑磨機(jī)的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[13]陳永當(dāng)，鮑志強(qiáng)，任慧娟，等.基于 SolidWorks Simulation 的產(chǎn)品設(shè)計有限元分析[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012(9):177-179.

[14]馮立浩. 基于 Solid Works Simulation 的隨車起重機(jī)吊臂有限元分析[J].機(jī)械工程師，2011(5) :51-54.

[15]蔡慧林,戴建強(qiáng),席晨飛.基于SolidWorks的應(yīng)力分析和運動仿真的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2008(1):92-94.