車床砂帶拋磨綠色工藝的研究*

孫千里，沈鑫剛，范進楨，鄔鎮波，耿金良

（1.寧波職業技術學院 海天學院，浙江 寧波 315800； 2.海托模具制造有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引 言

砂帶磨削和研拋是一種比較傳統且得到廣泛應用的加工方法，其應用范圍近年來得到很大擴展。

在國外，該工藝從上世紀60年代起步，現在已發展到較高水平，工業發達國家中，砂帶磨削占磨削的比例近50%［1-2］。

國內對砂帶磨削、拋光的機理及應用也有了一定研究。例如:潘復生等［3］對砂帶磨削金屬材料機理進行了研究；吳昌林等對［4］鋁合金輪轂曲面砂帶磨削方法進行了研究；黃云等［5-7］對砂帶磨床模塊化設計、采用開式砂帶進行曲軸軸頸研磨進行了系統研究；張菊霞等［8-9］對砂帶磨削的研究集中在螺旋槳葉片砂帶的數控拋磨方面。

雖然以上研究的側重點各不相同，但就其所采用的砂帶磨削裝置而言，都包含了主動輪、張緊輪和導輪、接觸輪等主要組成部分。《機械加工工藝手冊》中總結的30種閉式砂帶磨削類型也表明了這一點［10］。換句話說，無論采用哪種砂帶磨削類型，均離不開電機對砂帶的驅動。

受DK150型鋼材捆扎機依靠摩擦輪驅動來實現送帶、收帶啟發［11］，本研究所提出的車床用砂帶磨削裝置，去除傳統砂帶磨頭的電機部件，以工件的旋轉作為唯一的動力來源，以達到簡化結構、降低成本、減少能耗的目的。該方法尚未見載于文獻，是砂帶磨削和研拋工藝的新嘗試。

1 砂帶拋磨綠色工藝的原理

1.1 工件對砂帶同步驅動的設想及驗證

查文獻［9］可知，各種傳統砂帶磨頭的工作原理、主要尺寸及參數的計算與帶傳動基本相同。分別列舉外圓及內圓磨頭結構如圖1所示。

圖1 砂帶磨頭結構

本研究提出，在上述磨頭中，工件可以視為帶傳動的組成部分。在拆除電機的情況下，旋轉的工件可以充當主動輪的作用，實現帶的傳動。以圖1（a）為例，拆除電機后，以旋轉的工件充當主動輪的傳動情況如圖2所示。

圖2 工件充當主動輪的砂帶傳動

本研究通過實驗對以上設想進行了驗證。

寧波海托模具制造有限公司的車床用砂帶磨頭如圖3所示，筆者切斷電機電源后進行實驗。

工件在一定的主軸轉速下旋轉，讓砂帶壓緊工件，砂帶在工件驅動下傳動。本研究用手持式紅外線測速儀記錄砂帶的線速度，且改變主軸轉速，重復實驗，所得數據如表1所示。

表1 實驗結果及計算

實驗結果表明，忽略實驗誤差，工件與砂帶的線速度基本一致，這意味著工件完全可以充當主動輪的作用，實現對砂帶的同步驅動。

1.2 砂帶磨削或研拋工作的形成

當工件對砂帶同步驅動時，工件與砂帶的相對速度為零，不能形成切削。與此相反，如果工件旋轉，砂帶靜止，則形成了切削工作，但砂帶的磨損位置集中，整條砂帶的使用壽命低。理想的情況是，工件與砂帶既有合理的速度差，以保證產生切削工作，又要保證砂帶的勻速移動，使整條砂帶的磨損均勻，使用壽命延長。

因此，在工件對砂帶同步驅動的基礎上，為了形成有效的砂帶磨削或研拋工作，應采取以下措施:

（1）應對砂帶施加一定的阻尼，降低砂帶的線速度，使工件與砂帶之間形成足夠的速度差；

（2）為了穩定砂帶的速度，應保證整個砂帶傳動鏈的有足夠大的轉動慣量。

1.3 與傳統的砂帶拋磨工藝的比較

與傳統的砂帶拋磨工藝的比較情況如表2所示。

表2 本研究工藝與傳統砂帶拋磨工藝的比較

2 車床用無電機砂帶磨頭的設計

2.1 磨頭的結構組成

車床用拋磨光軸砂帶磨頭如圖4所示。

圖4 車床砂帶磨頭

支持座3為“L”形，側面是磨頭各功能零部件的安裝基準面，底面是磨頭在車床刀架上的安裝基準面。支架10連同安裝其上的兩個張緊輪1一起，可以沿支持座3上的導向槽作整體前、后移動，前、后位置由張緊螺母6通過絲杠調節。導輪4可以增大砂帶對張緊輪1及慣性輪5的包角。

風動阻尼7組件主要包含單向節流閥、殼體、葉輪、傳動軸等部分，其中葉輪、傳動軸與慣性輪5同軸。通高壓氣后，在葉輪上形成與慣性輪5旋轉方向相反的扭矩，該扭矩通過傳動軸、平鍵作用于慣性輪5上，對砂帶的傳動起阻尼作用。阻尼的大小由氣壓決定，可通過單向節流閥調節。

2.2 磨頭結構特點

磨頭結構主要特點如下:

（1）整體尺寸較小，可以像車刀一樣安裝在車床刀架上使用；由于尺寸小，攜帶方便，可以作為車床附件存放，拓寬車床的工藝范圍。

（2）增大輔輪5的轉性慣量，作為慣性輪，平穩砂帶2的線速度。

（3）風動阻尼7只要接通機床的高壓氣源就能使用，使用條件簡單，調節方便，環保。

（4）采用自由式砂帶磨削方式，能適用于比較大直徑范圍的零件加工。

3 工藝實施舉例

本研究以拋光材料為45鋼（硬度28-32HRC）的活塞桿為例，說明該工藝研究的實施，活塞桿零件圖如圖5所示。零件拋光前表面粗糙度Ra 6.3～3.2，留余量0.05 mm～0.08 mm，經拋光后達到圖樣要求。

圖5 活塞桿零件圖

3.1 砂帶及切削參數選擇

根據生產經驗，本研究選擇GXK51-P320布基氧化鋁砂帶。切削速度為2 m/s，忽略砂帶移動速度，可折算出工件轉速為1 300 r/min。

3.2 磨頭安裝與調整

磨頭安裝與調整步驟如下:

（1）松開張緊輪支架10的鎖緊螺釘9，調節螺母6，使支架10縮回，按圖4所示安裝砂帶，調節螺母6，以手感判斷，砂帶初步張緊后鎖緊支架10。

（2）以三爪卡盤與尾座頂尖組合安裝工件。

（3）將砂帶磨頭安裝到車床刀架上，接通高壓氣（此時應關閉單向節流閥）。注意調整磨頭方向，使砂帶前端面與主軸回轉中心平行。啟動主軸，工件以1 300 r/min旋轉，移動中溜板，將砂帶壓緊工件，使砂帶被工件同步驅動。（注意，砂帶最終張緊力應控制在60 N～80 N/10 mm，實際工作中多憑手感經驗判斷。）

（4）調節單向節流閥，增大阻尼，使砂帶最終以極緩慢的速度移動，砂帶進入拋光工作。

（5）自動走刀，使砂帶沿工件軸向移動，完成拋光。

3.3 加工結果分析

經多個批次的生產證明，零件采用本研究提出的工藝所完成的拋光后，表面粗糙度能達到圖樣要求。零件拋光前、后對比如圖6所示。

圖6 零件拋光前后對比

4 結束語

本研究介紹了一種車床砂帶拋磨工藝，以及基于該工藝設計的砂帶磨頭。研究結果表明，利用工件的旋轉及慣性輪與阻尼的輔助作用，驅動砂帶緩慢移動，能成功完成砂帶磨削和研拋工作。筆者所設計的無電機砂帶磨頭體積小，結構簡單，攜帶方便，可作為車床附件，有效地擴大車床的工藝范圍。該工藝節能環保，是綠色加工工藝的一種新嘗試。

該工藝局限于車床上應用，并且筆者在工程實踐過程中發現，砂帶磨頭還應在有效控制砂帶壓力、防砂帶跑偏、提高風動阻尼的響應速度等方面進一步改善設計。

（References）:

［1］王先逵.精密復合加工技術是提升數控機床核心競爭力的有效途徑［J］.機床與液壓，2011，39（20）:1-7.

［2］趙有科，王永清.PDP砂輪機的研發創新設計［J］.機械，2012，39（2）:44-49.

［3］王維朗，潘復生.砂帶磨削金屬材料的工藝及機理研究［D］.重慶:重慶大學材料與工程學院，2006.

［4］楊寶成，吳昌林.鋁合金輪轂復雜曲面砂帶磨削方法研究［D］.武漢:華中科技大學機械與工程學院，2007.

［5］程光杰，黃 云，張 美，等.砂帶磨床模塊化設計方法的研究與應用［J］.工具技術，2012，46（6）:27-30.

［6］肖貴堅，黃 云，黃 智，等.超聲振動砂帶研磨曲軸主軸頸實驗研究［J］.機械科學與技術，2011，30（1）:92-97.

［7］張 磊，黃 云，王亞杰，等.曲軸連桿頸砂帶隨動研拋機理及工藝研究［J］.機械科學與技術，2011，30（12）:1995-2202.

［8］石 璟，張秋菊.六軸聯動葉片砂帶拋磨中接觸輪姿態的確定［J］.機械科學與技術，2010，29（2）:196-200.

［9］吳廣領，張秋菊.六軸四聯動數控系統曲面加工可行性分析［J］.機械科學與技術，2012，31（8）:1329-1333.

［10］王先逵.機械加工工藝手冊［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［11］沈鑫剛，孫千里，康善存.DK150型咬合成型鋼材捆扎機氣動系統的設計［J］.機床與液壓，2010，38（2）:67-69.