鑄件澆冒口砂輪自適應切割 *

王維信, 孟廣耀, 王 哲, 孫英暖

(青島理工大學 機械與汽車工程學院, 山東 青島266520)

鑄件澆注完成后，要用切割機對其澆冒口進行切割。國外現已有較先進的自動澆冒口砂輪切割機，但造價昂貴[1-2]。我國是熔模鑄造及加工應用大國，但整體技術水平偏低。國內企業普遍使用熔模鑄造技術生產不同種類的小型機械零部件，并對其鑄件澆冒口進行去除及后期打磨、拋光等[3-4]，生產的小型機械零部件種類少、批量大，屬于典型的少品種大批量熔模鑄造產品[5]。目前企業多用手動式砂輪切割機來切割脫模后的鑄件澆冒口，雖然成本低但存在自動化程度低、勞動強度大、切割效率低、切割過程不穩定和需要有大量經驗的人員操作等問題[8]。與此同時，無論是國外的還是國內的澆冒口加工設備，都只是單純地利用高速旋轉的砂輪對鑄件澆冒口進行去除，沒有考慮切割過程中砂輪的磨損會改變其切割位置，以及這種改變對砂輪使用壽命和工件加工質量的影響等問題。

基于此，對砂輪自適應切割方法進行研究，確定砂輪最佳切割點，并通過進給方式對砂輪的磨損量進行補償，保證砂輪一直在最佳切割點對鑄件的澆冒口進行切割，以獲得穩定的鑄冒口切割質量。

1 砂輪切割裝置設計及切割點補償

在切割過程中，砂輪存在某個最佳切入角度所對應的切割點，即砂輪的最佳切割點。利用砂輪最佳切割點對鑄件澆冒口進行切割，可有效提高其切割質量和切割效率，減少砂輪的磨損。但切割過程中因砂輪不斷磨損，最佳切割點的位置也會改變，需要通過計算獲得新的最佳切割點位置，再利用砂輪機的進給補償來保證切割位置始終是砂輪最佳切割點位置。

1.1 切割裝置基本構成

新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置由機械系統和控制系統2部分組成：機械系統包括切割組件、自動進給組件、測量組件；控制系統采用西門子S7-1200 PLC控制。切割裝置如圖1所示。

圖1 新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置

砂輪驅動電機通過皮帶傳動帶動砂輪旋轉，當砂輪接觸鑄件澆冒口時，皮帶的彈性可以減緩其產生的沖擊和振動載荷，保證傳動的穩定性；砂輪過載時，皮帶會打滑，可防止砂輪在較大的切割應力作用下崩壞。鑄件澆冒口具體切割過程如下：

第1步，通過螺桿和螺紋孔的相互配合將切割機滑臺電機轉子的轉動轉變成直線運動，驅動切割機滑臺做水平方向的進給運動，當切割機滑臺到達指定位置時，切割機滑臺電機停止轉動，滑臺鎖死。

第2步，滑臺在初始位置(圖1所示位置)時，液壓缸推桿收縮，砂輪完成一次鑄件澆冒口的切割。

第3步，液壓缸推桿伸長，帶動轉動機架回到初始位置，紅外測徑儀對砂輪的半徑進行測量得到其磨損量并將其反饋給控制系統。控制系統根據磨損量大小計算出進給量以對磨損量作出補償，為下一次砂輪切割鑄件澆冒口做準備。

第4步，通過夾具滑臺的進給，切除鑄件組另一側的澆冒口。

第5步，鑄件兩側澆冒口都被切除后，夾具旋轉180°，對另外一個新的鑄件組重復澆冒口的切除工作。

夾具電機和切割機滑臺電機都選用伺服電機，通過絲杠的螺距能夠得到電機每轉動一圈滑臺移動的距離，根據鑄件澆冒口之間的間距和測量到的砂輪直徑，控制端發出脈沖信號控制電機轉動一定的角度而帶動滑臺移動相應的距離。液壓推桿控制范圍需要大于鑄件澆冒口的寬度，且用伺服閥和伺服液壓缸控制，并利用光柵尺準確測量液壓推杠的移動距離。

1.2 砂輪磨損量補償

砂輪每進行一次切割都會產生一定量的磨損，且砂輪的磨損量與切割速度、切割力、鑄件的硬度、塑性和其他外界因素等有關，同時無法保證砂輪每次切割后的磨損量都相同。如果砂輪切割機只在某個固定的位置不斷地進行切割，當磨損到一定程度時會導致砂輪切割不到鑄件澆冒口，而任意量的向前進給也可能會導致砂輪崩碎。

1.2.1 構建經驗模型

對多個不同直徑砂輪和不同切入角的鑄件澆冒口切割進行試驗，測量的砂輪磨損量取平均值，切削試驗數據如表1所示。

表1的數據表明：對同一直徑的砂輪，其直徑磨損量最小的切入角度都為30°，也就是說砂輪最佳切割位置對應的就是砂輪切入角為30°時的位置。砂輪磨損后會導致砂輪切割機在相同的位置再次下壓切割時，最佳切割點位置發生改變，因此，需要根據砂輪的磨損量對切割位置進行適當的調整。

砂輪切割機切割示意圖如圖2所示。 圖2中的鑄件組相鄰澆冒口之間的橫向間距為b，縱向間距為a，砂輪圓心距轉動副支點的距離為R，砂輪繞轉動副旋轉的角度為θ，此時砂輪高度降低h。為了保證砂輪的切割點為最佳切割點，移動副需向后移動距離h1。則有：

(1)

(2)

聯立式(1)、式(2)可得R、θ、h、h1之間的函數關系：

(3)

表1 切削試驗數據

圖2 砂輪切割機切割示意圖

砂輪切割機每次下壓切斷一個澆冒口后，液壓推桿就回到初始位置，然后用紅外測徑儀對砂輪直徑進行測量。

1.2.2 砂輪進給算法

砂輪磨損如圖3所示，砂輪半徑減小了r。為了補償砂輪的磨損，保證下一次的切割點仍為最佳切割點，需要砂輪切割機沿X軸正方向進給q，沿Y軸正方向進給p：

q=r×sin30°

(4)

p=r×cos30°

(5)

如果砂輪切割機切割完澆冒口1之后再切割澆冒口2(圖2)，這時需同時考慮砂輪的磨損量和模具上澆

圖3 砂輪磨損Fig. 3 Wear of grinding wheel

冒口的位置：

q=r×sin30°-h1

(6)

p=r×cos30°+a

(7)

如果砂輪切割機切割完澆冒口1之后再切割澆冒口3，則：

q=r×sin30°+b

(8)

p=r×cos30°

(9)

如果砂輪切割機切割完澆冒口1之后再切割澆冒口4，則：

q=r×sin30°+b-h1

(10)

p=r×cos30°+a

(11)

因此，要切割圖2中的4個澆冒口，只需根據砂輪的磨損量和鑄件組澆冒口之間的位置關系，按照上述公式依次進給，就可實現4個澆冒口的順序切除。

切割時的邏輯為：(1)初始化。采集砂輪切割機和鑄件澆冒口的位置信息，保證在切割運動開始之前處于初始位置；(2)狀態判斷。對第一個澆冒口進行切割，根據液壓推桿的受力情況判斷是否切斷，動作完成后液壓推桿回到初始位置；(3)位置補償。紅外測徑儀對砂輪的磨損量進行測量，根據進給公式進行最佳切割點補償；(4)循環執行。重復上述過程，直到鑄件組一側的澆冒口全部被切除。然后夾具轉動換向，再重復上述切割過程，切除另一側的全部澆冒口。

2 運動學仿真

為了驗證新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置自動進給方案的合理性和可行性，以工廠生產的小型支架鑄件組為例，在Adams軟件中建立運動模型并進行運動學仿真驗證[9]。

2.1 Adams模型建立

鑄件澆冒口切割裝置由多個移動副和轉動副組成，各個部件之間的運動關系較為復雜。因此，在SolidWorks中建立鑄件澆冒口切割裝置的三維實體模型并將其保存為模型文件，然后運行Adams軟件將模型文件導入其中。從SolidWorks軟件中直接導入到Adams軟件中的每一個零件都是一個單元體，在運動學仿真過程中可以通過布爾操作把具有相同運動趨勢的零部件看作一個整體運動的構件，如圖4所示。

在Adams軟件中，需要對各個運動構件的材料屬性進行定義，之后才能進行后續的運動學仿真。圖4中的三維模型各個部件的命名和材料屬性如表2所示。

圖4 Adams中的三維模型

表2 模型命名和材料屬性

2.2 笛卡爾坐標系和約束建立

為了更加方便清楚地描述各個運動單元的運動情況，可以在三維模型中建立笛卡爾坐標系。令切割機滑臺運動的方向為X軸方向，夾具滑臺運動的方向為Z軸方向，液壓缸推桿運動的方向為Y軸方向，建立如圖5所示的坐標系，該坐標系可以在三維空間內形象地描述鑄件澆冒口砂輪切割裝置的運動軌跡。

分析鑄件澆冒口砂輪切割裝置各個運動部件之間的運動關系，需建立各運動副模型及其約束關系，如圖6所示，具體約束信息如表3 所示。

圖5 笛卡爾坐標系圖6 運動副建立Fig. 5 Cartesian coordinate systemFig. 6 Movement pair establishment

表3 模型約束

2.3 Adams運動學仿真及結果分析

為了實現砂輪切割機對鑄件澆冒口的切割動作，對運動副JOINT_4、JOINT_11、JOINT_12 和JOINT_6分別施加如表4所示的驅動。

設默認時間單位為s。根據建立的運動參考坐標系得到鑄件澆冒口切割裝置的仿真運動軌跡，如圖7所示。圖7中的各圖分別表示在第2、6、12和24 s時捕捉到的砂輪切割裝置狀態。

為了更好地觀察砂輪切割鑄件澆冒口仿真過程中的運動細節和進給補償變化，延長仿真時間，通過整個時間段下砂輪切割機對小型支架鑄件澆冒口的切割過程運動學仿真，可以看出其機構運動能滿足空間中各個澆冒口的去除條件。

表4 運動副的驅動

(a)t=2 s(b)t=6 s(c)t=12 s(d)t=24 s圖7 運動軌跡Fig. 7 Movement track

圖8為切割機滑臺位移變化曲線。從圖8可以看出：在時間段[0，2] s內，切割機滑臺以勻速向前進給，完成對第1個澆冒口的切割；在時間段(2，10] s內，切割機滑臺向后移動一定距離后保持位置不變，砂輪下壓切除下方的第2個鑄件澆冒口；在時間段(10，13] s內，切割機滑臺向前進給一定距離后位置不變，砂輪下壓切除第3個鑄件澆冒口；在時間段(13，20] s內，切割機滑臺向后移動一定距離后保持位置不變，砂輪下壓切除最后方的第4個鑄件澆冒口；在(20，24] s內切割機滑臺回到初始位置并保持不變，為鑄件組另一側澆冒口的切除做準備。因此，砂輪切割機在每次切割之前都要實現一定位移量的進給，位移變化程度相對緩和，沒有明顯的波動；而在其他時間段內，位移曲線保持不變，滿足砂輪切割機進給平穩、切割過程中位置固定不變的要求。

圖8 位移變化曲線 Fig. 8 Displacement curve

圖9為液壓缸推桿轉動角速度的Z軸分量曲線。從圖9可以看出：在[0，2] s內，在切割機滑臺的作用下對第1個鑄件澆冒口進行切割，液壓缸推桿保持不變，轉動角速度為0；在(2，10] s內，液壓推桿收縮，帶動砂輪完成第2個鑄件澆冒口的切割動作后回到原點，轉動角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到負最大值，最后減小為0；在(10，13] s內，根據砂輪磨損量，液壓桿收縮對切割點進行補償，完成對第3個鑄件澆冒口的切割動作后液壓桿回到原點，轉動角速度雖小，但也有先反向增大、再正向增大、最后減小為0的過程；在(13，20] s內，液壓推桿收縮，帶動砂輪完成第4個鑄件澆冒口的切割動作，然后回到原點，轉動角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到負最大值，最后減小為0；在(20，24] s內，液壓推桿保持不動，為鑄件組另一側澆冒口的切除做準備。每次切割動作完成后液壓推桿都要上升超過原點，經過測徑儀的數據采集之后再返回原點。圖9中切割鑄件組澆冒口時角速度會產生一定程度的變化，其余時間角速度則基本保持不變，沒有明顯的波動，滿足砂輪切割鑄件澆冒口時速度穩定的要求。

圖9 液壓缸推桿轉動角速度的Z軸分量

圖10為3個驅動的速度變化曲線。圖10中3個驅動的速度隨時間變化的趨勢基本相似。以驅動MOTION_5為例，在[0，2] s內，切割機滑臺驅動以較快的速度達到最大值，帶動切割機完成第1個鑄件澆冒口的切除； 在(2，10] s內，在驅動力的作用下切割機滑臺向后移動一定的距離并固定，完成對第2 個鑄件澆冒口的切除；在(10，13] s內，驅動力在作用時間內迅速變化，形成驅動速度變化波峰，配合砂輪完成第3個鑄件澆冒口的切除；在(13，20] s內，切割機滑臺驅動產生變化，滑臺向后移動一小段距離，驅動變化相對緩慢，配合砂輪完成第4個鑄件澆冒口的切除；在(20，24] s內，產生驅動速度波峰，切割機滑臺回到初始位置。在整個切割過程中，各個驅動反應迅速，沒有微小的起伏和突變，切割機的補償進給運動平穩，能夠滿足實際的加工需求，驗證了機械結構設計和補償進給公式的正確性。

圖10 3個驅動的速度變化曲線 Fig. 10 Speed curves of three drives

3 結論

(1)針對目前國內鑄造行業中仍在使用的手動砂輪機切割鑄件澆冒口勞動強度大、效率低等問題，研究了鑄件澆冒口的砂輪最佳切割點自適應切割方法。

(2)通過鑄件切割過程中砂輪磨損量的變化，推導了自動進給補償砂輪磨損量的位移公式，保證了砂輪始終在最佳切割點位置對鑄件澆冒口進行切割。

(3)利用Adams軟件對新型鑄造零件砂輪切割裝置進行運動學仿真，設計的砂輪切割機在切割過程中能夠有效實現澆冒口的切除；同時，切割過程中的位移、速度變化相對平穩，沒有劇烈波動，證實了鑄件澆冒口砂輪自適應切割方法的可行性。