陶瓷活塞桿表面拋光裝置研究與應(yīng)用*

賴鵬彬,李 嫄,何貴禮

(1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣東 韶關(guān) 512100;2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000;3.韶關(guān)液壓件廠有限公司,廣東 韶關(guān) 512026)

1 技術(shù)背景

陶瓷活塞桿表面一般為熱噴涂陶瓷涂層,是在鋼質(zhì)基體上等離子噴涂Al2O3+TiO2或Cr2O3++TiO2陶瓷復(fù)合粉末,它具有質(zhì)脆、與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低、涂層薄等特點(diǎn)[1-2]。在其機(jī)械加工工藝過程中,磨削及拋光處理是最重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過調(diào)查,目前拋光處理常見的方法是讓陶瓷活塞桿利用普通車床設(shè)備的卡盤及頂尖裝夾,做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動,附著有金剛石微粉的細(xì)紋砂紙貼在一個具有圓弧凹槽的頂塊上,操作工人利用棍棒杠桿施加一定的人力使細(xì)紋砂紙與陶瓷活塞桿表面擠壓接觸,進(jìn)行拋光處理。市面上有一種砂帶拋光機(jī),通過卷輪帶動砂帶移動對外圓表面進(jìn)行擠壓拋光,其通用性及機(jī)動性較好,但由于陶瓷涂層耐高溫、高耐磨、高耐蝕的物理特性[3-4]及砂帶的擠壓力不足,而不能適用于陶瓷涂層表面的加工工藝要求,加工質(zhì)量也難以達(dá)到技術(shù)要求。

上述常見的拋光處理方法在加工過程中,需要操作人員親自持續(xù)施力,使砂紙與陶瓷活塞桿表面接觸。顯然,施加力的大小難以控制和統(tǒng)一,表面接觸拋光也只能分段進(jìn)行。因此,切削力的大小不同及加工表面的不連續(xù),會造成陶瓷活塞桿表面粗糙度不均勻不美觀,甚至?xí)绊憲U外圓的形位精度,加工質(zhì)量難以保證;再者,上述嚴(yán)重依賴操作人員的加工方法,不僅勞動強(qiáng)度過大,而且效率也很低,更不能提供可借鑒的統(tǒng)一的工藝參數(shù)。

針對上述加工方案的不足,根據(jù)其加工工藝特點(diǎn)提出一種更優(yōu)的解決方案——設(shè)計一種拋光裝置建立在普通車床的小滑板上(替換車床原有的刀架),對陶瓷活塞桿表面施以可以量化的、可以自由移動的彈簧擠壓力進(jìn)行拋光處理。

2 技術(shù)方案

本加工方案依托在普通車床上實(shí)施,主要相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)由車床(床身、床鞍、中滑板、小滑板)[5]、過渡底座、中心高調(diào)整墊片及拋光裝置等組成。參照拋光裝置與車床的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(見圖1)解讀陶瓷活塞桿表面拋光處理的技術(shù)方案如下。

1)車床床身為普通車床原有結(jié)構(gòu),利用其床鞍及中滑板使拋光裝置與陶瓷活塞桿預(yù)設(shè)一個適當(dāng)?shù)南鄬ξ恢?通過拋光裝置里面的壓緊調(diào)節(jié)組件,輸出所需的壓縮力,使圓弧頂板組件圓弧面上的砂紙與做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的陶瓷外圓表面接觸。

2)砂紙與加工外圓表面之間可以盛放一定量的、必要的金剛石微粉及其他物質(zhì)。

3)車床的床鞍、小滑板可以根據(jù)位置需要機(jī)動或手動帶動拋光裝置縱向移動(即陶瓷活塞桿的軸線方向),中滑板、壓緊調(diào)節(jié)組件根據(jù)壓縮力的需要可以預(yù)設(shè)位置及調(diào)整壓縮力大小。

4)圓弧頂板可以根據(jù)陶瓷活塞桿的直徑大小設(shè)計成若干個不同尺寸規(guī)格的型號,與之相匹配。

5)圓弧頂板組件與過渡底座之間插裝不同數(shù)量的高度調(diào)節(jié)墊片,可以使不同規(guī)格的圓弧頂板與不同直徑的陶瓷活塞桿在拋光處理時有適當(dāng)?shù)闹行母叨群褪芰c(diǎn)。

3 拋光裝置結(jié)構(gòu)

拋光裝置主要由調(diào)節(jié)螺桿、彈簧、彈簧力標(biāo)尺、圓弧頂板、圓弧頂板導(dǎo)軌及砂紙等組成。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 重要零件——彈簧的確定

1)彈簧材料的確定。

彈簧材料選取常用材料彈簧鋼65Mn。

2)彈簧壓力的確定。

彈簧壓力決定了拋光磨削壓力,參考砂帶磨削外圓的工藝參數(shù),磨削接觸壓力(即彈簧的負(fù)荷)為F=50～300 N[6-7]。取彈簧的工作載荷為Fn=300 N,根據(jù)圓柱壓縮螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)關(guān)系式,測定彈簧特性時應(yīng)加的最大載荷,即彈簧的試驗(yàn)載荷

FS≥1.25Fn=1.25×300=375 (N)

(1)

3)彈簧的主要標(biāo)準(zhǔn)尺寸確定。

裝置采用的彈簧為圓柱螺旋壓縮彈簧,其部分特征及代號如圖3[8]所示。

圖3 圓柱螺旋壓縮彈簧

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋壓縮彈簧(兩端圈并緊磨平或鍛平型)的尺寸及參數(shù),選取彈絲直徑d=4.5 mm,其他參數(shù)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋壓縮彈簧(兩端圈并緊磨平或鍛平型)的尺寸及參數(shù)

根據(jù)有效圈數(shù)系列及拋光裝置空間結(jié)構(gòu),選取有效圈數(shù)n=9。

則變形量:

fS=17.7×9=159.3 (mm)

(2)

自由高度:

H0=(n+2)d+fS=
(10.5+2)×4.5+159.3=208.8 (mm)

(3)

計算值按GB/T 1358圓柱螺旋彈簧尺寸系列推薦的尺寸圓整,取H0=200 mm[9]。

彈簧標(biāo)記:YA 4.5×55×200-2左GB/T 2089—94 B級-D-Zn。

3.2 主要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與作用

1)調(diào)節(jié)螺桿與螺桿鎖緊螺母。根據(jù)彈簧壓緊調(diào)節(jié)的作用,螺桿采用梯形螺紋牙型,同時采用鎖緊螺母鎖緊螺桿,提高加工時的穩(wěn)定性。

2)彈簧。彈簧外形尺寸及彈簧系數(shù)應(yīng)根據(jù)加工擠壓力的范圍設(shè)計。

3)彈簧力標(biāo)尺。通過彈簧壓縮量及彈簧力公式F=kΔx計算,轉(zhuǎn)換標(biāo)尺位置標(biāo)記和確定拋光活塞桿表面的擠壓力。

4)圓弧頂板。圓弧面設(shè)計需要承載一定量的金剛石微粉,及考慮添加操作的方便性。

5)圓弧頂板導(dǎo)軌。確定圓弧頂板擠壓移動方向垂直于活塞桿中心線,圓弧頂板弧面(砂紙)與活塞桿面相切接觸,圓弧頂板在導(dǎo)軌上的移動行程有一定的彈性空間。

6)過渡底座與連接螺栓組件。整個拋光裝置建立在車床小滑板上,應(yīng)拆掉車床原有的刀架部分,根據(jù)刀架的安裝結(jié)構(gòu)來設(shè)計過渡底座的安裝位置及選用連接螺栓組件。

4 實(shí)施過程及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 過程準(zhǔn)備

1)加工設(shè)備準(zhǔn)備。選用機(jī)床型號C6140剛性較好的車床,拆除原機(jī)床刀架部分,由組裝好的拋光裝置替代,過渡底座連接,高度調(diào)節(jié)墊片將匹配好的圓弧頂板處于合適位置,連接螺栓組件安裝牢固。

2)加工材料準(zhǔn)備。800目以下的砂紙、金剛石微粉W0.25[10-11]、羊毛氈、煤油、刷子等。

3)加工零件準(zhǔn)備。根據(jù)陶瓷活塞桿的整體加工工藝過程,在拋光前一道工序應(yīng)進(jìn)行精磨加工,表面粗糙度要求達(dá)到Ra0.8 μm,保持原有定位基準(zhǔn)精度。

4)加工零件安裝。陶瓷活塞桿由三爪卡盤及頂尖“一夾一頂”或“兩頂針”安裝[12],千分表驗(yàn)證找正,防止夾傷碰上重要表面。

5)零件技術(shù)分析。由于活塞桿本身有著嚴(yán)格的加工工藝要求,如尺寸精度、直線度、表面粗糙度等均需得到嚴(yán)格的控制[13],針對陶瓷活塞桿拋光處理工序,其需要達(dá)到圓度0.005 mm、圓柱度0.010 mm、表面粗糙度≤Ra0.25 μm,陶瓷涂層面外觀不能有碰傷、劃痕等缺陷是基本要求,而且色澤應(yīng)均勻光亮。

4.2 拋光過程實(shí)施

利用拋光裝置加工陶瓷活塞桿桿面,詳細(xì)的加工方法如下。

1)陶瓷活塞桿及拋光裝置在車床上正確安裝后,砂紙通過夾緊件固定在圓弧頂板上。

2)車床主軸未做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動前,通過車床床鞍縱向移動使拋光裝置至陶瓷活塞桿軸向方向需要拋光的初步位置,通過車床中滑板橫向移動使拋光裝置向陶瓷活塞桿徑向方向靠近,與桿面輕輕接觸,彈簧有2～3 mm的預(yù)壓縮量。

3)車床主軸以900～1 400 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,通過車床小滑板或車床床鞍的縱向進(jìn)給運(yùn)動[14],確定拋光裝置在陶瓷活塞桿需要加工范圍的行程位置,同時進(jìn)行預(yù)拋光處理。

4)順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿,推動彈簧頂板向右移動,同時進(jìn)一步壓縮彈簧,通過調(diào)節(jié)螺桿的手柄位右側(cè)界面在彈簧力標(biāo)尺的位移確定彈簧力的大小,在彈簧力的作用下使導(dǎo)向環(huán)推動圓弧頂板、砂紙等組件沿著圓弧頂板導(dǎo)軌的導(dǎo)槽向陶瓷活塞桿加工面施加擠壓力,逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿則效果相反。

5)通過螺桿鎖緊螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺桿,確定穩(wěn)定的、明確的拋光切削力。

6)陶瓷活塞桿與砂紙涂上相應(yīng)的潤滑劑,重復(fù)類比步驟3的操作,根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整擠壓力及主軸轉(zhuǎn)速,進(jìn)行砂紙粗拋光處理。

7)拆下砂紙,換裝上一定厚度的羊毛氈,羊毛氈面上蘸上少量含金剛石微粉的煤油,重復(fù)類比步驟3的操作,根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整擠壓力及主軸轉(zhuǎn)速,對桿面進(jìn)行精拋光處理。

8)根據(jù)桿面的加工質(zhì)量,羊毛氈面上多次添加少量含金剛石微粉的煤油,重復(fù)對桿面進(jìn)行精拋光處理,直至桿面加工質(zhì)量符合要求。

9)車床中滑板反向移動,使拋光裝置脫離陶瓷活塞桿,拋光裝置操作完畢。

5 拋光效果

5.1 拋光實(shí)例

采用桿外圓直徑90 mm的活塞桿做拋光試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 拋光試驗(yàn)結(jié)果

活塞桿陶瓷表面粗糙度的技術(shù)要求

5.2 拋光裝置應(yīng)用前后對比

圖4a和圖4b分別為傳統(tǒng)工藝與拋光裝置拋光陶瓷活塞桿外圓的實(shí)物圖。在具體的加工過程中,由于不同的拋光擠壓力、桿面硬度等各種復(fù)雜因素,會適當(dāng)調(diào)整加工工藝參數(shù),使桿面質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。但根據(jù)結(jié)果比較,拋光裝置所拋光的質(zhì)量更好些。

a) 傳統(tǒng)工藝拋光

b) 拋光裝置拋光圖4 活塞桿拋光實(shí)物圖

根據(jù)整個加工工藝過程,下述主要從經(jīng)濟(jì)效益等方面對2種方案進(jìn)行主觀比較,具體分析如圖5所示。

圖5 活塞桿外圓拋光方案能效對比

6 結(jié)語

根據(jù)實(shí)物加工的拋光效果,桿面的表面粗糙度、圓度、圓柱度及直線度均能符合圖樣要求。主要技術(shù)參數(shù)——表面粗糙度能達(dá)到Ra(0.1～0.4) μm[15],色澤均勻光亮;雖然圓度、圓柱度及直線度主要由拋光處理的前工序決定,但是根據(jù)彈簧結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),該拋光裝置具有修復(fù)圓度、圓柱度及直線度的功能。

除了上述能效外,該拋光裝置還具有如下有益效果。

1)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,適用范圍廣,具有“以車代磨”的功能特點(diǎn),特別適用于空間受限、砂帶磨難以實(shí)施的桿外圓拋光,尤其是表面進(jìn)行過硬化處理的外圓。

2)拋光切削力通過彈簧機(jī)構(gòu)及彈簧標(biāo)尺可以量化。

3)加工工藝參數(shù)可復(fù)原,數(shù)據(jù)可積累,操作過程及技術(shù)要求可實(shí)現(xiàn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化[16]。

4)加工質(zhì)量相比較于傳統(tǒng)的加工方法有所提高且相對穩(wěn)定。

5)操作方便,效率提高,大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度[17],給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6)能為企業(yè)或同行業(yè)在類似桿外圓加工中提供一定的參考。