金屬槽筒螺旋槽主動仿形拋光機的研制

于永民 李 峰

(①中原工學院，河南 鄭州450007;②中原工學院信息商務學院，河南 鄭州450007)

傳統的拋光，是以被加工工件的原有表面為基準的“自為基準”的加工工藝，這種加工方式實際上也是對被加工工件原有表面形狀的仿形加工。由于復雜曲面的仿形較難實現，所以，目前對于復雜曲面拋光仍然以人工操作為主［1-3］。

槽筒是絡筒機的關鍵零件，為了實現錐形筒子絡紗時的等速和等密度卷繞，需要在槽筒的圓柱表面上加工出左右旋往復式大導程、變螺距、變旋轉角以及變深度的錐形螺旋溝槽(如圖1 所示)。由于槽筒溝槽表面曲率非常復雜，所以目前國內對金屬槽筒溝槽的拋光，普遍采用人工操作的方式，不但勞動強度大、效率低、勞動環境差，而且拋光表面易燒傷，型面精度和表面完整性難以保證，同時受到工人技術等級和熟練程度的影響，加工質量不穩定［4-6］。

為了實現槽筒機械化自動拋光，對槽筒的設計曲線和結構特點進行了研究，提出“主動”仿形的概念和拋光方法。并根據“主動”仿形的原理研制了“主動仿形”拋光機，不但實現了槽筒機械化自動拋光，而且還解決了金屬槽筒生產周期長、表面一致性差、質量不穩定等問題，同時也為其他零件的自動拋光提供了一種思路和方法。

1 零件分析

圖2 為某型號槽筒的結構示意圖。材質為合金鑄鋼。整體外形是直徑94 mm 的空心圓柱，表面上有2圈(標準型)左右旋往復式大導程、變螺距、變旋轉角以及變深度的錐形螺旋溝槽。由于螺旋溝槽形狀和結構非常復雜，機械加工較難實現，所以采用精密鑄造的方式把螺旋溝槽鑄造成型。按照加工工藝，端面、外圓、孔等結構已經加工完成，對螺旋溝槽的拋光要求是Ra≤0.4 μm 其溝槽設計曲線是介于正弦曲線和指數曲線之間的一種折中曲線，該曲線展開形似一條直線段［7-9］，如圖3 所示。

2 整體方案設計

所謂“主動仿形”，就是被加工工件的表面“主動”向設計曲線的仿形。其基本原理是:以原設計曲線為基準，通過對槽筒運動系統的控制與調整，合成出符合設計要求的槽筒溝槽的虛擬曲線;通過對游離態磨料運動控制，使其形成按照合成虛擬曲線軌跡運動的磨料流，以實現對被加工工件表面形狀進行仿形拋光。

2.1 槽筒溝槽曲線的主動仿形

螺旋運動是由一個旋轉運動與一個直線運動所合成。在傳統的機床中采用齒輪閉環傳動，它們之間存在著嚴格的速比關系，即工件回轉一周，軸向直線位移一個導程(螺距)。然而如果采用非閉環傳動，分別控制直線運動和旋轉運動，就可以在槽筒表面上形成符合設計要求的變螺距、變旋轉角度的虛擬螺旋線軌跡。

圖4 為主動仿形自動拋光機的拋光原理圖。工件在主軸箱的帶動下旋轉(轉速為n)，同時又與主軸箱一起在曲柄連桿機構的帶動下往復運動(速度為P)，因此槽筒(工件)外圓上某一點的運動軌跡就是一個螺距與(P/N)的比值相關的螺旋線，運動速度就是P與n 的合成。當槽筒繞中心線旋轉，同時又沿軸向運動時，其外圓上某一點的運動軌跡就是一個螺旋線。調整旋轉與軸向運動的比值，就可以得到一個與槽筒的設計溝槽曲線相一致的運動軌跡，從而實現仿形。

2.2 磨料螺旋流的仿形與拋光

圖4 工件在主軸箱的帶動下旋轉(轉速為n)，同時又與主軸箱一起在曲柄連桿機構的帶動下往復運動(速度為P);料筒在回轉機構帶動下使料筒中的介質(磨球)一同旋轉(轉速為N)，形成平面環流;當工件在旋轉的料筒中作螺旋運動時，磨球與螺旋溝槽表面發生碰撞而改變運動方向，在一定的運動關系條件下，形成與虛擬曲線契合但沿槽筒螺旋溝槽表面相對運動的磨料流，從而實現槽筒工件表面的仿形磨削拋光。

由于磨料流是按照虛擬曲線的軌跡運動的，所以，其拋光的結果，是現有表面形狀對運動曲線(虛擬曲線)的仿形。即:實現了現有表面形狀對設計曲線的仿形拋光。

3 硬件設計

如圖4 所示為主動仿形拋光機結構示意圖。曲柄連桿機構及驅動電動機安裝在門架上，電動機通過皮帶帶動曲柄連桿機構，并把電動機的旋轉運動變為上下往復直線運動;主軸箱通過連桿安裝在曲軸上，工件用夾具安裝在主軸箱伸出主軸上，電動機帶動曲柄連桿使主軸箱和工件一起上下運動;電動機通過PLC 控制和調速，控制工件上下運動頻率和速度;主軸箱裝有電動機，帶動安裝在主軸上工件旋轉，電動機通過PLC控制和調速。

主軸箱懸掛在曲軸上，曲軸由兩根立柱支撐，在立柱的兩側安裝有滾動軸承作為主軸箱的剛性支撐并沿立柱導軌上下運動，以免振動影響拋光效果。

主軸箱采用齒輪和鏈輪多級傳動，主軸箱伸出多根主軸，可以一次裝夾多個工件。工件通過夾具在主軸上剛性連接，以保證拋光效率和拋光質量。

下部為一個裝有光整介質的料筒，料筒有單獨電動機驅動，在回轉機構帶動下，相對主軸反向回轉，主軸和料筒都具有正、反轉功能。

拋光加工時，工件用夾具安裝在主軸上，在主軸箱的帶動下自轉，同時又與主軸箱一起在曲柄連桿機構的帶動下在料筒內的光整介質中上、下運動;料筒在回轉機構帶動下，相對主軸反向回轉，主軸和料筒都具有正、反轉功能。3 臺電動機由PLC 集中控制，形成合適的運動關系，使槽筒的運動合成出符合設計要求的虛擬曲線;使游離態磨料形成按照合成虛擬曲線軌跡運動的磨料流，以實現主動仿形拋光。

4 控制系統及軟件設計

如圖5、6 所示分別是槽筒(工件)“主動仿形”拋光機的控制系統圖和軟件設計框圖。

(1)啟動電源后，PLC 上電，人機界面上電，PLC與人機界面互相通訊。

(2)通過人機界面設定驅動電動機旋轉圈數、主軸箱旋轉時間、料筒電動機旋轉時間。

(3)按動控制按鈕，PLC 控制程序啟動，曲軸電動機變頻器、主軸箱電動機變頻器啟動、料筒電動機變頻器同時啟動，使曲軸電動機、主軸箱電動機、料筒電動機按照不同的速度、不同的方向旋轉。

(4)曲軸電動機旋轉到設定圈數，主軸箱電動機、料筒電動機旋轉到設定時間3 臺電動機停止運動。

5 結語

(1)主動仿形拋光機實現了自動化無人操作，設備運行穩定，拋光質量高。解決了金屬槽筒生產周期長、表面一致性差、質量不穩定等問題，與人工拋光相比節約了成本，而且改善了工作環境和條件。同時，也為類似零件實現自動拋光提供了一種新的思路和方法。

(2)以原設計曲線為基準進行仿形拋光，其理論誤差較小，同時，還可以對前期的制造誤差進行適量修正。拋光后的導紗實驗結果表明，以理論曲線進行仿形拋光，其效果優于人工仿形拋光。

(3)設備主要運動參數:主軸轉速為:0～60 r/min;正、反轉;主軸箱上下運動頻率為:0～30 Hz;料筒轉速為:0～35 r/min，正、反轉。

(4)磨料的運動和切削不但與運動速度有關，而且還與磨料的種類、磨球大小，磨料粒度以及潤滑液等多種因素有關。所以，要在計算參數基礎上，調整料筒和工件的回轉運動與主軸箱(工件)上下運動之間的速度配合關系，才能使本設備的拋光效果達到最佳狀態。

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