非框架結構光球機頭架托盤平面位移分析

李茂龍

(湖南鋼球廠，湖南 岳陽 414000)

3MH4930等非框架結構光球機的轉動和固定頭架托盤平面在工作時承受較大載荷，運行一段時間后其相對位置精度會發生變化，嚴重時甚至會造成機床操作困難，影響鋼球的加工質量、效率和成本。因此，下文以3MH4930光球機為例，對光球機頭架托盤平面位置精度的變化進行了分析。

1 光球機工作時受力分析

1.1 光球加工過程

鋼球光球加工用設備3MH4930光球機結構簡圖如圖1所示。光球加工過程中鋼球一方面隨光球轉動板繞轉動中心公轉，另一方面繞其自身與光球板溝槽接觸狀況產生的不斷變化的瞬軸自轉。當鋼球毛坯剛進入光球板溝槽時，只有環帶或兩極的某處最大可能先與光球板溝槽產生接觸與擠壓使接觸處受到切削，鋼球毛坯在光球板溝槽中的滾動又不斷產生新的接觸和擠壓并受到新的切削。正常情況下，鋼球毛坯每轉動一周受到一次切削后，產生一條相對應的切削帶，與光球板溝槽的接觸吻合性趨好一次。但剛開始受到切削的鋼球毛坯得到的切削帶一般多為不規則且不連續的切削帶，在經過進入到離開光球板溝槽的往復切削后，最終使鋼球毛坯每進出一次光球板溝槽得到一條較連續的切削帶，實現鋼球毛坯與光球板溝槽的較好吻合。

1—轉動頭架；2，5—托盤；3—轉動板；4—固定板；6—固定頭架；7—床身

1.2 光球時鋼球的受力分析

如圖1建立坐標系，光球機的主軸中心線方向為x軸，縱向為y軸，豎向為z軸。光球加工時，若轉動頭架座內的油缸沿x軸方向給轉動頭架托盤、轉動光球板施加壓力為P，則壓力P分散施加于光球板溝槽中的每一鋼球毛坯上，再傳遞給固定光球板、固定頭架托盤。而壓力P分散傳遞給光球板溝槽中每一顆鋼球毛坯的分力大小和分布非常復雜。

(1)由于還未受到光球加工的鋼球毛坯(特別是冷鐓毛坯)偏離理想球體形狀較大，當鋼球毛坯進入光球板溝槽后其某局部一周每受到一次切削，被切削部分對應的偏離量則減小一次，隨后每一周受到一次切削所對應的偏離量減小速度依次減緩，直至鋼球毛坯相對理想球體形狀的偏離量符合工藝要求。通常情況下，鋼球毛坯的光球板溝槽接觸處的形狀偏離理想球體形狀越大，則其接觸處的變形就越大，鋼球毛坯在光球板溝槽中滾動時產生的尖劈效應越明顯，相應受到的壓力也越大，反之則相反。綜上，每個鋼球毛坯在剛進入光球溝槽時受到的壓力大多較大，隨著其滾動至出球口，所受壓力逐漸減小。

(2)每一鋼球毛坯是隨機進入每條光球板溝槽的，鋼球毛坯與光球板溝槽任一接觸處的形狀嚴格說是不能確定的，光球加工初期的鋼球毛坯更是如此，因此，同一鋼球毛坯沒有完全相同受力的時候，同一光球板溝槽處也沒有完全相同受力的時候。

(3)當鋼球毛坯精度逐步達到工藝要求時，在光球板溝槽中的每個鋼球毛坯的受力差異逐漸減小。

1.3 光球板受力分析

1.3.1 光球板某一區間內所受作用力分布

圖2 固定光球板示意圖

光球板溝槽中的鋼球毛坯某一瞬時沿x軸方向傳遞固定光球板區間所受作用力的分布如圖3所示。

圖3 固定光球板區間受力分布

1.3.2 光球板所受合力

(1)

在鋼球毛坯進入光球板溝槽進行光球加工的初期，有PⅠ+PⅡPⅡ+PⅢ，PⅣ>PⅢ>PⅡ>PⅠ。此時對應的合力P出現的峰值最高，變化最大。其作用點位于y軸的下方，z軸的右方，此時球毛坯精度越差，合力P峰值就越高，合力作用點離y軸和z軸的距離越大。當不斷受到切削使其精度漸漸提高時，則每個鋼球毛坯的受力pi(i=1，2，3…，n)的變化減小且向平均受力的方向趨近，其合力P的變化也相應減小且向恒量趨近。合力的作用點向y軸的上方，z軸的左方移動。

2 光球機頭架托盤平面位置精度的變化

圖4 固定光球板所受合力P的平移圖

2.1 合力P作用下光球機頭架托盤平面產生的相對角位移

光球機轉動和固定頭架托盤上分別固定著轉動和固定光球板，其抗彎剛度大，自身引起的變形予以忽略，將轉動頭架系統、機床床身、固定頭架系統分別用件1、件2、件3表示，并將光球機機架簡化為圖5所示機構。合力P傳遞給固定頭架托盤的作用點用A表示，反作用至轉動頭架的作用點用B表示。如圖1所建坐標系，依據力學原理可求出件1過B點且垂直于z軸的截面，與件3過A點且垂直于z軸的截面，在合力P的作用下繞平行于y軸的軸線旋轉所產生的相對角位移θy。光球機件1，2，3在合力P的作用下，其彎矩方程分別為：

M(z1)=Pz1(0≤z1≤h)，

M(z2)=Ph(0≤z2≤l)，

M(z3)=P(h-z3) (0≤z3≤h)。

在A，B點各加一單位力偶(圖5b)，則光球機件1，2，3在單位力偶作用下其彎矩方程分別為：

圖5 光球機簡化后的剛架及受力圖

若件1，2，3的相應截面對中性軸的慣性矩分別為J1，J2，J3，材料的彈性模量為E，則依莫爾積分可知：

(2)

光球機的轉動頭架、床身、固定頭架的相應截面的形狀和尺寸是隨x1，x2，x3變化而變化的，因此，J1，J2，J3分別為x1，x2，x3的函數，若將J1，J2，J3視為常量，則有：

(3)

若J1=J2，則：

(4)

由(4)式可以看出：h越小,則θy就越小。由于在現有機床結構參數情況下,l>h,J2

2.2 附加力偶M2作用下光球機頭架托盤平面產生的相對角位移

(5)

(6)

若Jρ1=Jρ2,則有：

(7)

(8)

.3 合力P作用下光球機托盤平面產生的永久性相對角位移

角位移θy和θz隨P和M2的變化而變化，若正在工作的光球機立刻停止，此刻測得轉動頭架過B點且垂直于z軸的截面與固定頭架過A點且垂直于z軸的截面繞平行于y軸的軸線旋轉產生的固有相對角位移βy0，及繞平行于z軸的軸線旋轉產生的固有相對角位移βz0,這種狀態稱為光球機當時的固有狀態，則交變合應力P某瞬時峰值超過光球機當時的固有狀態所決定的某一數值時，則此刻產生的角位移θy，θz使上述兩截面分別形成了兩個相對應的新的永久性相對角位移，這里用βyi，βzi表示。此后，兩截面在上述基礎上又產生新一輪與合力P、附加力偶M2相對應的兩方面的相對角位移，并如上述又適時產生相對應的兩方面的永久性相對角位移，于是使永久性相對角位移不斷迭加，即：

(9)

(10)

2.4 合力P作用下光球機托盤平面產生的永久性相對水平位移

δx1=Rsinβyt(1+sinα)

(11)

δx2=Rsinβzt(1+cosα)

(12)

據(11)式，(12)式可得出轉動與固定托盤頭架平面上半徑為R的圓周上對應點之間分別產生的永久性相對水平位移δx1，δx2的曲線分別為圖6a、圖6b，總的永久性相對水平位δx的曲線見圖6c，與實測結果基本吻合。

δx=δx1+δx2

(13)

圖6 托盤平面產生的永久性相對水平位移曲線

3 光球機頭架托盤平面位置精度的修復

修復光球機轉動和固定頭架托盤平面間產生的永久性相對水平位移時，常規的修復方法需對機床進行解體，然后對床身、頭架托盤平面采用相應較大的加工設備進行銑、車或鏜加工，對床身與頭架之間的定位部位與構件需進行重新配制，在大多情況下機床地基整體或局部需要重新搗制，工程量較大，修復時間較長，所需費用較高，且一般小型的鋼球廠自身尚不具這種修復能力。因此，介紹一種更加科學，成本較低的修復方法——光球機自助修復法。

該方法設計制造一自助鏜刀架對頭架托盤進行修復，修復機結構如圖7所示，自助鏜刀架結構如圖8所示。自動鏜刀架固定于光球機轉動頭架托盤上，橫進刀碰塊支架配裝到操作者一側的床身上，電動機的支架配裝在光球機電動機及減速機的機架上。當自助鏜刀架工作時，視載荷大小一般可不將光球機主電動機與減速機分離，但一定要確使主電動機處于斷電狀態。工作時通過調節調頻器的頻率，選擇合適的自助鏜刀架轉速；通過調整自助鏜刀架上的橫進刀機構與碰塊支架相關件之間的位置，選擇鏜刀合適的橫向進給量；通過調整相關旋鈕或直接調整鏜刀的縱向位置，選擇鏜刀合適的吃刀深度，對固定頭架托盤平面由外向內進行鏜加工，當鏜刀需要由內側返回外側時，則將鏜刀架停穩在合適的操作位置，安上專用手柄，通過手工操作完成。反復多次鏜削，達到修復固定頭架托盤平面相對位置精度的目的。另外，在進行鏜削時，要調整刀具的角度，使修整固定頭架托盤平面時不傷到固定頭架托盤定位凸臺定位的有效部分。而固定頭架托盤定位凸臺的修復，則可借助鏜刀找出凸臺現時中心位置，采用一般的機械修理方法進行修復。

1—Y160M2-8電動機；2，4—皮帶輪；3，6—皮帶；5—減速機；7—32221軸承；8—51272軸承；9—轉動頭架托盤；10—自助鏜刀架；11—固定頭架托盤

1—托盤；2—下拖板；3—上拖板；4—螺母；5—絲桿；6—棘爪；7—棘輪；8—鏜刀；9—刀排

采用此種自助修復方法對光球機頭架托盤平面位置精度修復的效果主要取決于3個方面：(1)光球機主軸承51272，32221的精度狀況，以及32221軸承的軸向游隙調整狀況；(2)自助鏜刀架拖板系統的精度；(3)自助鏜加工的工藝控制。

4 結束語

對非框架結構類光球機頭架托盤平面位置精度的變化進行的初步理論分析，可為機床結構的改進、有關參數的優化、鋼球毛坯形狀的改善、光球工藝的改進等方面提供參考。針對光球機頭架托盤平面產生的位置精度變化而采取的自動鏜刀架加工修復方法，可以為用戶在這面的修復提供多元選擇。