高強度絞絲管滾筒拋光機設計

張 寧，李艷琦

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108)

高強度絞絲管滾筒拋光機設計

張 寧，李艷琦

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108)

結合行業發展及社會實際需求，在對高強度絞絲管的制造工藝進行分析的基礎上，開發了針對高強度絞絲管滾筒的拋光設備，確定了高強度絞絲管滾筒的粗拋、精拋裝備結構，并進行了優化設計，對關鍵部件進行了尺寸設計與校核。實踐證明：該拋光設備運行穩定，產品成型質量高。

高強度絞絲管;拋光機;結構設計

塑料管從20世紀40年代開始使用，具有重量輕、耐腐蝕、水流阻力小、節約能源、安裝簡便且快捷等優點，但強度、剛性、抗沖擊性等遠不如金屬管。目前，國內研發出一種新型高強度塑料管(高強度絞絲管)［1-4］，由塑料樹脂和絞絲等制造而成，可克服金屬管和塑料管的不足，是集兩者優點于一身的新型管材。該新型高強度塑料管已廣泛用于建筑給排水、飲用水管道以及采暖、化工、石油、天然氣輸送等領域。

高強度絞絲管產品是通過加熱玻纖并纏繞在高強度絞絲管滾筒(模具)上，通過脫模等一系列工序生產出來的。高強度絞絲管滾筒(模具)安裝在龍門銑床的工作臺上，并在龍門銑頭上安裝角度頭，銜接拋光輪速度轉向與龍門銑頭的動力頭轉向裝置，支撐拋光輪的拋光架安裝在角度頭的螺栓銜接部分。這樣既能保證拋光架的支撐和轉動，還易于安裝及拆卸。本文針對高強度絞絲管滾筒的拋光需求設計了一種拋光設備。

1 高強度絞絲管滾筒的拋光機設計因素

在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業中所要求的表面拋光有很大的不同，塑料模具加工以機械拋光為主。由于目前機械拋光主要是靠人工完成，所以拋光技術是影響拋光質量的主要原因。除此之外，拋光質量還與模具材料、拋光前的表面狀況、熱處理工藝等有關。另外，鋼材中的各種夾雜物和氣孔也都不利于拋光。

拋光的工藝分為粗拋和精拋2部分。粗拋的機架結構設計較為復雜，根據砂帶機的工作原理，需考慮以下因素：

1)安裝位置要求。砂輪機不能安裝在正對附近設備及操作人員或經常有人過往的地方。如果因廠房地形的限制不能設置專用的砂輪機房，則應在砂輪機正面裝設1.8 m高度的防護擋板，并且要求擋板牢固可靠。

2)砂帶輪的平衡要求。在砂輪高速旋轉時，砂帶輪的不平衡會引起振動，加快主軸軸承的磨損，嚴重時會造成砂輪的破裂，甚至導致事故的發生。所以主動軸與從動軸要保證其平衡，這是此設計的重點，亦是難點。

3)砂帶機的防護罩。防護罩是砂帶機最主要的防護裝置，其作用是當砂帶輪在工作中因故破壞時，能有效地罩住砂帶輪碎片，保證人員的安全。砂帶輪防護罩的開口角度在主軸水平面以上，不允許超過65°。防護罩的安裝應牢固可靠，不得隨意拆卸或丟棄不用。當防護罩在主軸水平面以上開口大于等于30°時，必須設擋屑屏板，以遮擋磨削飛屑，避免傷及操作人員。它安裝于防護罩開口正端，寬度應大于砂輪防護罩寬度，并且應牢固地固定在防護罩上。砂輪圓周表面與擋板的間隙應大于6 mm。

4)砂帶機的工件托架要求。托架是砂帶機常用的附件之一，砂帶機應設置可調托架，即主動軸是固定的，而從動軸設置為可調，以便裝卸砂帶，砂帶輪與托架之間的距離最大不應超過3 mm。

2 拋光機的結構設計

高強度絞絲管制備時，將玻璃纖維與聚丙烯等塑料以一定比例纏繞滾筒繞自身水平軸勻速轉動，來回交叉纏繞，達到所需厚度，再經冷卻脫模。滾筒(模具)作為高強度絞絲管制備過程重要的組成部分，其本身必須達到使用的工藝要求。滾筒修圓工裝專為滾筒加工而設計。滾筒加工時，將滾筒(模具)固定于工裝支撐架上，其一端用電動機通過齒輪傳動帶動滾筒(模具)轉動。整個裝置固定于龍門銑床上，將滾筒不圓處銑圓，再用拋光機將其拋光滑，達到使用要求。

2.1 拋光過渡轉向選用的機床附件

拋光工作在龍門銑床上操作進行。因為龍門銑頭上有電機，能帶動銑頭旋轉。拋光滾筒工作的方向和銑頭工作轉向不一致，所以考慮選用角度頭。機床安上角度頭后，刀具旋轉中心線可以與主軸旋轉中心線成一定角度加工工件。使用角度頭無需改變機床結構就可以增大其加工范圍和適應性，使一些用傳統方法難以完成的加工得以實現，并能減少工件重復裝夾，提高加工精度和效率。本文選取AHA系列橫向角度頭(側銑頭)。如圖1所示，本體采用FCD60-FCD65球狀石墨鑄鐵，該材料剛性強，加工穩定，適用于中、輕切削。夾持刀具種類、尺寸多，采用ER32和ER40型式可涵蓋大部分加工應用。

2.2 結構初步建模

通過角度頭螺釘連接的部位固定砂帶機托架，主動軸固定，從動軸通過滑槽移動可調，以便裝卸砂帶(拋光過程較復雜，要經常更換砂帶)。如何保證主動軸和從動軸的平行度是設計的難點。因為在銑床的電機高速旋轉時，拋光時產生的振動會使從動軸發生偏動，導致拋光效果差。所以在設計托架即拋光架時，要能承受從動軸工作時的受力引起的偏動，保證一定的強度和穩定性。初步設計的結構如圖2和圖3所示。

圖1 AHA系列橫向角度頭及尺寸

圖2 粗拋的拋光機結構初步建模

圖3 粗拋的拋光機結構

2.3 確定拋光機的設計基本方案并進行整體優化

粗拋時的工作狀態如圖4所示。工作時，手輪靠在圓柱銷上，從動軸靠槽面和彈簧的彈力固定。手輪是凸輪和手柄的焊接件，通過銷軸固定在拋光架上。通過轉動手輪，使從動軸在滑槽內移動。當手輪凸輪的凹槽部分與從動軸的圓柱面接觸時，機構自鎖，這時就可以換砂帶了。采用手輪部件能夠使操作非常省力。

與初步建模的結構圖相比，優化結構圖增加了結構的穩定性，同時更能保證主動軸與從動軸的平行性，而且結構部件更為簡單。初步方案是把彈簧放在導桿外，導桿結構細長，設計上的穩定性不夠，另外負載在拋光架上的零件小又多，結構較為復雜，而且拋光架的可調機構是通過調節手柄使從動軸沿著滑槽運動。因克服彈簧的彈力做功不容易實現預想的效果，且費力，所以改用凸輪機構作為可調機構。

圖4 粗拋的拋光機優化結構

2.4 精拋時的拋光機結構設計

拋光機通過旋轉研磨盤或拋光盤來平滑并拋光漆面，以除去微小的漆面缺陷，提高光亮度。目前拋光機所用的拋光盤主要有3種：羊毛盤、粗質海綿盤和柔軟海綿盤。其中羊毛盤和粗質海綿盤用于中度拋光研磨，而柔軟海綿盤的拋光面大都做成凹凸有序的波浪形，有利于精細拋光。拋光作業時需要區分使用拋光盤。精拋時，拋光輪與法蘭盤聯接后應先進行平衡調試，砂輪整形修整后或工作中發現不平衡時應重新調試至平衡。轉盤速度可適當提高。拋光時間以拋掉粗拋的損傷層時為宜。精拋拋光機優化前后的結構如圖5和圖6所示。

圖5 精拋拋光機結構

圖6 精拋拋光機優化結構

3 拋光機零部件參數計算

3.1 軸的設計計算與校驗

本文采用扭轉強度條件進行軸設計計算。軸的材料：主動軸為40Cr，從動軸為45#。銑床的電動機選用伺服電動機，主軸電動機為Y132M-4-B3，7.5 W，380 V，1 450 r/min。依計算公式得：

3.2 彈簧的力學性能校核

圓柱螺旋壓縮彈簧的穩定性、強度和共振的驗算：

1)壓縮彈簧穩定性驗算。對于高徑比較大的壓縮彈簧，當軸向載荷達到一定值時就會產生側向彎曲而失去穩定性。為了保證使用穩定，高徑比b=H0/D應滿足下列要求：

① 兩端固定b≤5.3;

②一端固定另一端回轉b≤3.7;

③ 兩端回轉≤2.6。

當高徑比b大于上述數值時，按下式進行驗算

式中：Pc為彈簧的臨界載荷(N);CB為不穩定系數，從圖7中查取;P'為彈簧剛度(N/mm);Pn為最大工作載荷(N)。

查機械設計手冊，選用圓柱螺旋壓縮彈簧YA 2x16x65 GB/T 2089—1994，b=H0/D=65/16=4.062 5≤5.3。該彈簧屬于兩端固定，符合本產品設計的要求。

圓柱螺旋壓縮彈簧是裝在拋光架的圓孔中，其圓孔與圓柱螺旋壓縮彈簧之間的間隙要求如表1所示。

表1 導桿、導套與彈簧內(外)直徑的間隙值

查取間隙值為2～3 mm，而圓孔直徑是21 mm，圓柱螺旋壓縮彈簧的外徑是18.5 mm，所以間隙值為21-18.5=2.5 mm(滿足2～3 mm要求)。

圖7 不穩定系數

2)強度驗算。對于受循環載荷的重要彈簧(Ⅰ、Ⅱ類)應進行疲勞強度驗算。受循環載荷次數少或所受循環載荷的變化幅度小時，應進行靜強度驗算。當兩者不易區別時，要同時進行2種強度的驗算。

表2 高優質鋼絲、不銹鋼絲、鈹青銅和硅青銅循環載荷下的剪切強度τ0

靜強度驗算：

式中：τa為彈簧材料的屈服極限，碳素彈簧鋼絲取 τs=0.42σB，硅錳合金簧絲取 τs=0.51τB;SP為許用安全系數，與疲勞強度驗算的選取相同。

因為彈簧(材料是65Mn)在本產品中受循環載荷次數少，且所受循環載荷的變化幅度小，所以進行靜強度驗算：

式中：根據文獻［5］、表 2，τa為 0.5σB;根據文獻［5］、表3，σB=1 650。驗算合格。

3)共振驗算。對高速運轉中承受循環載荷的彈簧需進行共振驗算。驗算公式為：

式中：f為彈簧的自振頻率(Hz);fτ為強迫機械振動頻率(Hz);d為彈簧材料直徑(mm);D為彈簧中徑(mm);n為彈簧有效圈數。

對于減振彈簧，按下式進行驗算：

式中：g為重力加速度，g=9.8×10-3mm/s2;P'為彈簧剛度(N/mm);W為載荷(N)。

主軸的結構設計和強度校核計算及彈簧的力學性能校核計算結果表明：拋光機能夠滿足使用要求。

4 結束語

本文所設計的拋光機結構解決了拋光機橡膠輪與鋁輪之間的不平衡問題，有效避免了砂輪高速旋轉時引起的振動，減少了不平衡導致的主軸軸承的磨損。試驗證明：所設計的拋光設備在高強度絞絲管生產過程中運行穩定，粗拋時能夠有效地保證主動軸和從動軸的平行關系，使得拋光機工作平穩。加工的高強度絞絲管產品外觀和表面質量等參數達到設計要求。

［1］ 潘元平.一種耐用高強度塑料管［P］.中國專利：201210311299.3，2013-01-09.

［2］ 陸琴.高強度塑料管［P］.中國專利：201220381966.0，2013-03-13.

［3］ 武科金.一種高強度新型塑料管件［P］.中國專利：201310211041.0，2013-09-04.

［4］ 蘇國中.高強度塑料管［P］.中國專利：201010299344.9，2011-05-11.

［5］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.

Polishing Machine for High Strength Ground Wire

ZHANG Ning，LI Yan-qi
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China)

Combined with the requirements of the development of industry and social demands，a polishing machine which can produce the high strength fiber tube is designed on the basis of a detailed analysis of the manufacturing process of high-strength twisted wire tube.Rough cast，fine polishing equipment structure of the high-strength twisted wire tube roller is identified.This paper optimized the structure through check key parts.The polishing equipment can be operated stably，and the quality of the product is stable through practice.

high strength fiber tube;polishing machine;structure design

TH12

A

1674-8425(2014)04-0037-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.04.008

2014-01-25

國家自然科學基金資助項目(501305079);福建省自然科學基金資助項目(2013J01168);福建工程學院科研發展基金資助項目(GY-Z11075)

張寧(1963—)，男，福建人，高級工程師，主要從事機械設計及理論、材料加工系統等方面研究。

張寧，李艷琦.高強度絞絲管滾筒拋光機設計［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2014(4)：37-41.

format：ZHANG Ning，LI Yan-qi.Polishing Machine for High Strength Ground Wire［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：37-41.

(責任編輯 劉 舸)