叉軸式滾磨光整加工實現高端鋁輪拋光的裝備研發*

劉國濤 呂 彤 姜豪增 王立達 李文輝 楊勝強

(①太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；②廊坊市北方天宇機電技術有限公司，河北 廊坊 065000；③精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

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叉軸式滾磨光整加工實現高端鋁輪拋光的裝備研發*

劉國濤①②③呂 彤②姜豪增②王立達②李文輝①③楊勝強①②③

(①太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；②廊坊市北方天宇機電技術有限公司，河北 廊坊 065000；③精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

面向高端鋁輪轂表面拋光的實際需求，在分析多種鋁輪轂拋光加工工藝的基礎上，明確提出研發叉軸式滾磨拋光高端鋁輪轂成套裝備的思路。依據叉軸式滾磨光整加工基本原理及基礎實驗，提出了多參數可調的實驗裝置總體設計方案，明確了實驗裝置的工作過程，在選定5個可調控結構參數、運動參數的情況下，進行了L16(45)正交實驗，綜合評價了5個結構參數、運動參數的影響情況，確定了設備研發的參數優選范圍，從工程應用角度出發，提出并實施了多軸集成鋁輪拋光成套裝備方案，重點闡述了多軸集成鋁輪拋光設備及其組成部分的研發實踐。

叉軸式滾磨光整加工；高端鋁輪轂；拋光

鋁輪轂以其散熱性好、重量輕、精度高、外觀美等優點逐漸取代鋼輪轂越來越受汽車生產廠家的青睞，尤其在當前，高檔、頂級車型均采用拋光鋁輪轂，其全球需求量正逐步增加，是國際知名品牌汽車企業跨國采購的重點零件之一。拋光鋁輪轂相比普通鋁輪轂增加了拋光工序，即在鑄/鍛造成形后先進行拋光處理，再進行涂裝。通過拋光處理的輪轂不但外觀美觀，而且可以改善輪轂的耐磨損、抗疲勞、耐腐蝕等使用性能[1]，并且直接影響下一道涂裝工序的質量[2]，所以拋光工藝越來越受到重視。目前常見的鋁合金輪轂拋光方式有人工打磨拋光、機械打磨拋光、化學拋光、滾磨光整拋光等。國內外大部分企業輪轂拋光方式以人工打磨拋光為主。人工打磨拋光步驟一般是毛坯噴丸(表面粗糙度在Ra9～10 μm左右)、開砂(180目→320目→400目→600目，表面粗糙度在Ra0.2 μm左右)、拋光(1 200目，表面粗糙度可達Ra0.08～0.1 μm)。其中拋光步驟難度最大，耗時最多，需要依賴熟練的手工拋光工人。人工拋光勞動強度高，生產效率低，拋光質量不穩定、一致性差，且打磨過程會產生大量粉塵直接危害人體，而且當粉塵密度過高時會引起爆炸，如2014年發生在江蘇昆山的輪轂拋光車間特大爆炸事故，危害相當嚴重。這種落后的生產方式已經無法適應高端鋁輪轂多輪輻化、個性化的發展趨勢。而機械打磨拋光[3-4]如砂帶拋光、滾輪拋光都無法解決復雜輪型表面拋光均勻性問題。化學拋光[5]會產生腐蝕坑、桔皮狀波紋，而且效率低，也無法穩定達到拋光要求。滾磨光整拋光是一種新型加工工藝，也被用于鋁輪拋光，旋振復合式滾磨加工[6]對輪轂端面中心孔和窗口處的光整效果較差，加工效率低，一致性差；1999年，楊勝強等[1，7-10]提出的叉軸式強力滾磨光整加工方法，在可調的實驗裝置上進行了輪盤類工件綜合基礎實驗，并針對某型號鋼輪轂進行工程實驗，加工后輪轂表面光亮照人，各邊口毛刺去掉，兩處焊縫均光滑無痕跡，加工效率較高，且綜合成本較低。本文從鑄造高端鋁輪轂經600目開砂后直接叉軸式滾磨拋光到成品的工程化應用研發為出發點，重點闡述實驗裝置組成、設備參數優化實驗和工程化應用的裝備研發相關問題，確定了工程應用的叉軸式滾磨拋光鋁輪成套裝備方案。

1 叉軸式滾磨光整的鋁輪拋光實驗裝置及加工過程

1.1 總體設計

考慮到實驗裝置用于設備結構參數和設備運動參數綜合摸索的目的，在全面考慮可調參數、可調范圍的基礎上選擇相對簡單的結構來實現。叉軸式滾磨光整實現鋁輪拋光實驗裝置的組成如圖1所示，總體結構由支撐框架、升降機構、四維位置可調機頭及其傳動機構、三爪卡盤機構、料箱、料箱回轉機構等6大部分組成。

升降機構位于支撐框架內的上半部，可以實現與其固定連接的四維位置可調機頭及其傳動機構的同步升降，從而實現被加工鋁輪轂從裝卸位到加工位或從加工位到裝卸位的移動。

四維位置可調機頭及其傳動機構與升降機構連接，升降機構固定連接件上設有導軌滑塊和絲杠螺母機構可以實現機頭的水平平移，用于調整機頭相對料箱的偏心距L，初始值為600 mm、調整范圍為0～300 mm；同時設有側向分級調整機構，用于調節鋁輪軸線與磨塊理想回轉運動切線方向的夾角θ1，調控范圍為-20°～20°、調整間隔為5°；還設有俯仰分級調整機構，用于調節鋁輪軸線與水平面的傾角θ2，調控范圍為0°～45°、調整間隔為5°；主軸傳動機構通過減速器和齒輪傳動可實現主軸旋轉，主軸轉速變頻可調，50 Hz時轉速n1為40 r/min。

三爪卡盤機構裝在機頭主軸前端，由支架、三爪組成，支架用于連接機頭主軸和三爪，三爪可以調節徑向位置，滿足不同大小輪轂的裝卡，裝卡范圍為17～21英寸。

料箱為圓形豎直開口滾筒，內壁直徑2 500 mm、深度700 mm，料箱回轉機構采用標準轉盤軸承及相應的動力驅動機構，料箱固定在料箱回轉機構上，料箱轉速變頻可調，50 Hz時轉速n2為30 r/min。

1.2 實驗裝置工作過程及加工機理

實驗裝置使用前首先在料箱中裝入特定形狀、特定材質的滾拋磨塊及液體介質(水和磨液)，其中滾拋磨塊(本實驗采用2500目白剛玉磨料的燒結型磨塊，球形直徑3 mm)裝入量以靜態平面距離料箱上邊沿220 mm，水的加入量以基本淹沒滾拋磨塊并保證加工過程中不甩出，同時添加鋁硅合金材質的專用磨液[11]，約為水重量的3%～5%左右；之后依據實驗設計要求調整好結構參數L值和θ1、θ2角，設置好主軸轉速n1和滾筒轉速n2相應的變頻可控頻率，其中料箱單向回轉、主軸以90 s交替正反向回轉；將實驗鋁輪裝在三爪卡盤上，通過操作升降機構使鋁輪加工端面的中心位置處在滾拋磨塊靜態平面位置，此時被加工鋁輪的回轉軸線與料箱回轉軸線成交叉狀態。

加工過程中滾拋磨塊與鋁輪被加工表面間產生一定的相對運動速度，考慮到滾拋磨塊自身質量的存在，滾拋磨塊對鋁輪被加工表面產生一定的作用力。在力和相對運動的作用下，滾拋磨塊對鋁輪被加工表面會產生不同程度的碰撞作用、滾壓作用、擠壓作用以及滑擦和刻劃的微量磨削作用[12]，滾磨加工后工件表面的毛刺、銳邊和微觀高峰會被磨塊折斷、碾平和磨去，從而改變工件表面的微觀幾何形貌，綜合達到去除微細毛刺、倒圓修銳，細化表面粗糙度等效果。同時，輪轂表面在磨塊撞擊力、擠壓力和磨削力的作用下，表面層的金屬將發生一定程度的彈性和塑性變形，從而改變鋁輪表層的應力狀態，獲得均勻的壓應力，提高表面顯微硬度和細化表層的金屬組織，從而改善鋁輪表層的物理機械性能。

省委第十巡視組對省民族宗教委黨組巡視整改情況進行滿意度測評和實地檢查 11月7日，根據省委巡視工作領導小組安排，省委第十巡視組組長楊榮新、副組長施傳革一行六人，對省民族宗教委黨組巡視整改情況進行滿意度測評和實地檢查。委黨組班子成員、副巡視員、機關和委屬單位主要負責人及群眾代表共95人參加了巡視整改滿意度測評大會，省委統戰部副部長、省民族宗教委黨組書記李四明向大會通報了巡視整改工作情況，省委第十巡視組楊榮新組長就此次測評及實地檢查進行了動員和說明，省民族宗教委干部群眾現場對巡視整改情況滿意度進行投票。會后，巡視組對機關和委屬單位整改情況進行了實地檢查。

2 實驗裝置結構參數及運動參數優化實驗

2.1 實驗方案設計

實驗選用輪型為19英寸多幅鋁輪，表面狀態為經過600目開砂并高壓水清洗處理，其表面粗糙度值平均為Ra0.2 μm，這樣待加工表面是在平整度保證的基礎上進行，實驗指標選定為表面粗糙度Ra值。

參考基礎實驗[8]、理論分析[10]結果和使用實驗裝置進行的大量摸索性實驗判定，篩選確定了5個主要影響加工效果的因素，分別為主軸轉速n1、料箱轉速n2、機頭相對料箱中心的偏心距L、機頭側角θ1、機頭傾角θ2。采用正交試驗方法[13]，對每個因素設置4個水平進行實驗，5因素4水平正交實驗取值參數如表1。

表1 5因素4水平正交實驗取值參數

因素水平n1/(r/min)n2/(r/min)L/mmθ1θ2ABCDE12020600-20°0°23025700-10°15°340308000°30°4503590010°45°

2.2 實驗結果及分析

根據正交實驗設計，按L16(45)正交方案進行實驗。正交實驗方案及實驗結果如表2所示。表中K1、K2、K3、K4對應行的5個數，分別為5因素4水平所對應的粗糙度數值之和；σ1、σ2、σ3、σ4分別為K1、K2、K3、K4除以4后的平均數；R為極差，即同一因素最大平均數與最小平均數的差值。

表2 正交實驗方案及實驗結果

因素實驗號ABCDE實驗指標Ra/μm1111110.1662122220.1253133330.0984144440.1455212340.1516221430.1497234120.0918243210.1419313420.14210324310.11911331240.11812342130.13513414230.13914423140.12415432410.10816441320.127K1/μm0.5340.5980.5600.5160.534K2/μm0.5320.5170.5190.5230.485K3/μm0.5140.4150.5050.4950.521K4/μm0.4980.5480.4940.5440.538σ1(K1/4)/μm0.1340.1500.1400.1290.134σ2(K2/4)/μm0.1330.1290.1300.1310.121σ3(K3/4)/μm0.1290.1040.1260.1240.130σ4(K4/4)/μm0.1250.1370.1240.1360.135R極差/μm0.0090.0460.0160.0120.014優化方案A4B3C4D3E2

由表2可知，依據極差R的差異，5個因素對600目開砂后輪轂表面粗糙度影響由強到弱排序為B>C>E>D>A，同時得到本次正交實驗的優化方案為A4B3C4D3E2，而本次正交實驗過程中實際的最佳結果是實驗號7，對應的具體方案為A2B3C4D1E2，進一步說明因素A(n1)和因素D(θ1)各水平參數對實驗指標影響程度較小。為進一步優化方案，在A4B3C4D3E2方案基礎上，對5因素的水平值范圍進一步實施細化實驗，最終得出可工程化的設備參數范圍為：機頭轉速(n1)45～55 r/min，鋁輪拋光時端面輪心所對應位置磨塊理想的線速度(由料箱轉速n2和偏心距L協同實現)為2.2～2.8 m/s，機頭側角為-10°～10°，機頭傾角為15°～25°。

2.3 表面紋理分析

不同參數情況下進行拋光后，分別選取實驗指標最佳的實驗號7和料箱轉速、偏心距、機頭傾角水平值較大但實驗指標不佳的實驗號4的樣輪，用GE-5數碼觀測儀放大60倍觀察輪轂表面紋理與拋光前輪轂表面紋理進行對比，如圖2所示。

圖2a為600目開砂后鋁輪拋光前表面紋理狀態，從圖中可以清晰的看到人工開砂留下的磨痕紋道，圖2b、2c分別為兩種不同拋光條件下鋁輪表面的紋理狀態，其中圖2b中鋁輪表面粗糙度值Ra0.091 μm，粗糙度值明顯減小，磨塊對鋁輪表面綜合作用留下的痕跡較少。這是因為磨塊相對鋁輪線速度適中，機頭傾角適合，磨塊能強制有效地穿越輪輻，鋁輪表面紋理得到顯著改善。而圖2c中鋁輪表面粗糙度值Ra0.145 μm，可以看到鋁輪表面出現小麻坑，這是因為磨塊相對鋁輪線速度偏大，加工時磨塊具有較大的動能，與鋁輪接觸撞擊后表面發生塑性變形，因此鋁輪表面留下許多小麻坑，導致粗糙度值增大，并且隨著時間的增加，鋁輪表面小麻坑會越來越多，尤其是鋁輪中心處與邊緣處會出現明顯的差異，邊緣處會出現過磨現象。

3 工程應用的成套裝備研發分析

充分考慮拋光加工過程的效率、成本、安全、環保等工程化應用實際需求，結合實驗裝置研發及實驗參數優化結論，研發了多軸集成鋁輪拋光成套裝備，具體工程過程示意圖如圖3所示。實現鋁輪大批量從打磨到涂裝過程的自動轉運，采用自動物料轉運系統，該系統由輥道傳輸機構組成，位于多軸集成鋁輪拋光設備四周，承接打磨、高壓清洗、檢驗、涂裝等工序。考慮到鋁輪打磨后殘留在表面的鋁粉進入拋光工序會污染磨液以及鋁輪拋光后表面會殘留鋁屑和磨粉，分別在拋光工序前后進行高壓水清洗。

多軸集成鋁輪拋光設備研發以滿足批量加工為目標，在實驗裝置的基礎上，適當增大料箱直徑，使其可容納多個機頭同時進行加工。料箱與料箱回轉驅動機構位于底座中心，4個機頭圍繞料箱均勻布置，并通過獨立立柱與底座連接。每個機頭通過機械傳動可以將鋁輪在裝卸位和加工位之間移動，考慮到要最大限度縮短裝卸時間，通過PLC程序控制使得每個機頭可以獨立控制，這樣1個工位裝卸的同時，其余3工位還在繼續拋光加工。

依據上述研發思路，多軸集成鋁輪拋光設備必備的核心部件除料箱及料箱回轉機構外還包括：氣動三爪夾具系統、機頭復合轉位系統、水循環過濾系統、高速抽吸及清洗篩選系統。

3.1 氣動三爪夾具系統

為了實現一人裝卸鋁輪，裝夾方式為腳踏開關控制氣動三爪夾具機構，氣動三爪夾具機構應用三連桿機構自鎖原理，參照三爪卡盤結構設計，由支架機構、連桿自鎖機構、氣缸拉桿機構、可調夾具，腳踏開關組成。支架機構用于連接機頭主軸和安裝、定位連桿自鎖機構的作用；連桿自鎖機構由三組在圓周方向均勻分布的水平連桿、中間連桿、夾具連桿構成自鎖結構，水平連桿與氣缸桿連接，通過氣缸的伸縮帶動夾具連桿實現開合動作；可調夾具與夾具連桿連接，每套夾具可以調整徑向位置，用于不同大小鋁輪的裝夾。腳踏開關可以控制氣動電磁閥換向，從而控制氣缸實現伸縮動作。

3.2 機頭復合轉位系統

為了實現鋁輪在裝卸位和加工位之間空間立體轉位，采用機頭復合轉位方式，即包括水平旋轉機構和俯仰機構。水平旋轉機構底座下端面固定在立柱上，上

端面與俯仰機構通過標準轉盤軸承相連，通過制動電動機驅動，實現水平旋轉；俯仰機構底座下端面與轉盤軸承相連，上端面固定有可做俯仰動作的橫梁體，橫梁體轉軸通過聯軸器與制動電動機相連實現俯仰動作，橫梁體前端與機頭相連，后端與主軸驅動電動機相連，中間通過十字軸聯軸器將動力傳遞給機頭主軸，實現主軸旋轉。該系統在每個位置上均安裝有接近開關，通過PLC程序控制檢測每個位置，使旋轉、俯仰動作可以有序進行。

3.3 水循環過濾系統

考慮到批量拋光會產生不少的包括鋁屑和磨粉的混合液體，必須有水循環過濾系統。該系統可以將過濾后的混合液體利用高壓水泵泵入上水管路并輸送到位于料箱側壁上方的上水管噴頭流進料箱，與滾拋磨塊一起參與拋光，拋光過程中液體通過料箱側壁的篦子進入下方環槽形接水盤，接水盤連接下水管路并進入地下由污水池和凈水池構成的液體池。混合液通過污水池的沉淀、過濾生成循環水，由凈水池上的高壓水泵泵入上水管循環使用。

3.4 高速抽吸及清洗篩選系統

考慮到批量拋光會產生不少的鋁屑和磨粉不斷沉積到料箱底部以及側壁，與不參與拋光的磨塊混在一起，甚至形成板結。采用高速抽吸及清洗篩選系統分步驟進行處理，首先通過高速磨塊抽吸機定期將磨塊抽出料箱，高速磨塊抽吸機簡單的說是一臺大功率真空負壓泵，它可以快速將料箱內的磨塊抽到一個固定容器里，其次通過磨塊清洗篩選機將板結的磨塊進行清洗并篩選，磨塊清洗篩選機簡單的說是一種密閉式圓形振動篩，在篩蓋上裝有高壓水噴管，將磨塊倒進篩中，通過振動和高壓水沖洗以達到徹底清理鋁屑和磨粉的目的。經篩選后的磨塊再重新抽吸回料箱。

4 結語

本文所述成套裝備已在某大型輪轂生產企業高端鋁輪拋光工序中實際應用，并得到高端鋁輪車型企業的高度認同。成套裝備的使用，部分替代了落后的人工拋光生產方式，與原人工拋光方式相比，拋光質量穩定、加工效率提高數十倍。圖4為使用成套裝備成批實施鋁輪拋光前后效果對比照片。

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Equipment R&D for polishing the outer surface of advanced aluminum wheel with crossed axis barrel finishing

LIU Guotao①②③, LV Tong②, JIANG Haozeng②, WANG Lida②, LI Wenhui①③, YANG Shengqiang①②③

(①School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, CHN;②Langfang Beifang Tianyu Mechanical and Electrical Technology Co., Ltd., Langfang 065000, CHN;③Shanxi Key Laboratory of Precision Machining, Taiyuan 030024, CHN)

In order to meet the requirement of polishing advanced aluminum wheel, the crossed axis barrel finishing equipment to polish aluminum wheel was proposed clearly based on analyzing different processing technics for aluminum wheel polishing. According to the basic principle and experiment of crossed axis barrel finishing, the whole design scheme of experiment installation was made with adjustable parameters. After the explicit experimental process was determined and 5 adjustable parameters for structure and motion were selected, L16(45) experiment was conducted and the effect levels of these parameters were evaluated comprehensively. Eventually, the optimization regions for device parameters were made. The aluminum wheel polishing plan with integrated-axis of equipment was proposed and conducted in the aspect of engineering application. At last, the development practice for aluminum wheel polishing with integrated-axis and its components were highlighted.

crossed axis barrel finishing; advanced aluminum wheel; polishing

* 國家自然科學基金項目( U1510118) ; 山西省科技攻關項目( 2015031011 - 3) ; 教育部高等學校博士學科點專項科研基金( 20131402110002)

TH69

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.017

劉國濤，男，1985年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向為精密表面光整加工。

(編輯 汪 藝)

2016-08-01)

161124