外圆抛光机的设计与应用

李秋丽，张兰生

(中国铁路丰桥桥梁有限公司，北京 100070)*

外圆抛光机的设计与应用

李秋丽，张兰生

(中国铁路丰桥桥梁有限公司，北京 100070)*

根据工件的特点，紧密联系生产实际，设计出一种经济实惠的外圆加工抛光设备.通过反复比较设计方案，采用了水平进给、有心外圆抛光的方法，确定抛光机由橡胶导向轮，抛光轮，蜗轮减速器，万向旋转径向进给滑台，变频器，横向移动的直线导轨，电机等等主要部件组成.实际应用效果和市场成套抛光设备相比，结构简单、造价低廉、维修率低，在节省了人力、财力的情况下，大大提高了生产效率.此设计对不同材质不同尺寸的外圆抛光加工方案的选择具有一定的借鉴作用.

机械设计;外圆抛光;自动进给

0 引言

中国铁路丰桥桥梁有限公司北京分公司承揽了清华同方公司成套安检设备制作业务，共有三种不同型号，均为出口欧洲高附加值产品，加工精度要求高，生产任务紧.怎样在利润最大化的前提下，按时保质保量的完成供货任务，占据更大市场，已成为各个生产厂家普遍面临的一个艰巨的课题.分公司专门成立了攻关小组对设备加工工艺进行了详细的探讨和研究，确定设备外箱的喷塑加工和辊道表面抛光处理为重要工序，后者由于加工量大、加工费用高，为重中之重.三种设备分别有34根Ф87 mm×1 430 mm、40和42根Ф87 mm×1 730 mm外圆轴，材质Q235，加工精度要求Ra 3.2 μm，能否保质保量高效完成抛光加工，直接影响到整台设备的加工成本和交货期，也成为企业是否盈利的关键.目前分公司无外圆磨床等抛光设备，而且成套设备价格昂贵，急需自主研制成本低廉且加工精度满足生产要求的新式抛光机.

1 抛光机的设计原理

针对安检设备所需辊道的形式尺寸及表面光洁度要求，本设计采用了水平进给、有心外圆抛光方法.根据该产品结构特点，采用此加工方法更能保证其产品质量要求.

1.1 设计思想

工件在高速旋转的抛光轮和低速旋转的导向轮之间，被动做旋转运动和轴向移动(如图1所示).工件旋转，当导向轮做径向进给接触到工件时，工件在导向轮的摩擦力作用下便产生与导向轮反方向的旋转.

图1 抛光机加工示意

工件抛光，当继续径向移动导向轮时，此时导向轮将推动已旋转的工件接触高速旋转的抛光轮，抛光轮由此对工件表面进行磨削加工.工件水平自动轴向移动.当抛光轮、工件和导向轮三个回转体的轴线在一个平面时，工件只能做旋转运动，不能产生轴向移动.为达到工件轴向移动的效果，根据力学原理，改变导向轮轴向角度，使导向轮的轴线与工件的轴线形成一夹角α(如图2所示).当工件受到导向轮给的径向力，同时也受到由径向力而产生的轴向水平分力，工件在水平分力的作用下边旋转边做轴向移动，从而完成整个工件的抛光加工.

图2 工件受力分析

通过受力分析图知:工件同时受到两端轴承座反向水平分力，基本在导轨上保持匀速移动.调节α的大小可工件的轴向移动速度.

1.2 设计构成

该设计主要构成部分为:橡胶导向轮，抛光轮，蜗轮减速器，万向旋转径向进给滑台，变频器，抛光轴，横向移动的直线导轨，滑块，电机，机架平台等.

1.3 工作原理

抛光轮通过抛光轴皮带轮与电机相联做旋转运动，导轮通过减速器、联轴器与电机相联并固定在万向旋转径向进给滑台座上.抛光轮与导向轮之间装置一可横向移动的直线导轨，在导轨上布置2个移动滑块，工件两段固定在移动滑块上，使工件能够在直线导轨上往复移动.当操纵滑台上的进给手柄时，导轮接触工件，工件开始旋转，继续进给接触抛光轮，抛光轮旋转时对工件进行表面磨削加工.同时，工件做轴向移动，从而完成工件的抛光工作.

2 抛光机各组成部分的选用

(1)抛光轮电机的选用

考虑前道工序车加工后的表面粗糙度及非不锈钢渗锌后的表面杂质，结合抛光轮转速要求(2 400 r/min)，电机选用 Y100L-2 4.0 kW.

(2)导向轮电机、减速器和变频器的选用

导向轮旋转速度较低(0～45 r/min)，且只一方向旋转，为方便联接采用WXJ80 40∶1蜗轮减速器，电机选用Y802-4 0.75 kW.

考虑工件原始表面质量不一致性较大，故需要控制轴向进给速度.导向轮转速决定工件的轴向移动速度.利用变频器控制导向轮转速(0～45 r/min)，采用 Sumitomo AF-3000，1.5 kW 变频器.

(3)直线导轨、滑块的选用

考虑抛光加工的稳定性，导轨采用34GCr15的滚动导轨，滑块上配装滚动轴承.

(4)抛光轮的选用

采用先粗抛，后精抛的工艺，粗抛时采用Ф250 mm、粒度60～300目的综刚玉千叶轮;精抛时采用Ф250 mm的600目尼龙轮.

3 抛光机的特点和优点

(1)自动进给，有心外圆抛光

当抛光轮以转速n1旋转时，工件就有与抛光轮相同的线速度回转的趋势，由于同时受到导向轮摩擦力对工件的制约作用，结果使工件以接近于导向轮线速度(导向轮线速度远低于抛光轮)回转，从而在抛光轮和工件之间形成很大的速度差，由此产生磨削作用.改变导向轮的角度以及调节变频器，也可以调整工件的轴向行进速度.安装时，可通过调节导向轮轴线与水平面上的夹角α来改变工件的前进方向及速度.以工件为研究对象进行受力分析(见图2)，当导向轮轴线与水平面的夹角调整为α时，导向轮的径向与抛光轮的径向之间也为α，可知，当导向轮的速度不变时，导向轮轴线与水平面的夹角α由零不断增大时，sinα值不断增大，工件随支撑架水平移动的速度也随之增大.

工作时，工件的中心必须高于导向轮和抛光轮的中心连线，使工件与抛光轮、导轮间的接触点不在工件同一直径上，从而使工件上某些凸起表面在多次转动中能逐次磨圆，避免磨出棱圆形工件.实践证明:工件中心越高，越易获得较高圆度，磨圆过程也越快，但是工件中心高出的距离也不能太大，否则导向轮对工件的向上垂直分力有可能引起工件跳动，从而影响加工表面质量.一般取h=(0.15～0.25)d，d为工件直径.

(2)选用优质刚玉橡胶轮做导向轮

本次设计采用的导向轮是北京华城砥砺砂轮有限责任公司(原北京砂轮厂)出品的优质刚玉橡胶导向轮.一般砂轮由磨料和粘接剂组成，磨料一般有碳化硅、刚玉、金刚石、立方氮化硼等.粘接剂有树脂、陶瓷、黄铜等.采用较硬的刚玉橡胶轮做导向的好处在于耐磨性，增大摩擦力，避免丢转情况发生.

(3)工件装卡简便容易

工件装卡时，只需将轴两端部轴托放入滑块轴承孔中即可，无需调整找正.

4 抛光机主要参数

经过现场反复试验及比对抛光效果，确定抛光机各技术参数如下:

(1)导向轮转速:0～45 r/min;

(2)重量:200 kg;

(3)主电机功率:4 kW;

(4)导向轮电机功率:0.75 kW;

(5)电压:220 V;

(6)抛光轮直径:250 mm;

(7)抛光轮转速:2 400 r/min;

(8)外形尺寸:800 mm×900 mm×4 000 mm;

(9)加工直径:60 mm≤Ф≤100 mm;

(10)加工长度:≤1 800 mm;

(11)表面光洁度:Ra≤1.6 μm;

(12)加工精度:0.05 mm.

5 抛光机操作规程

(1)适用范围

本规程适用加工直径范围60～100 mm，长度小于1 800 mm，圆柱形碳钢、不锈钢待抛光件，加工后表面光洁度可达到Ra 1.6 μm.

(2)操作规程

①操作者必须熟悉本设备的结构、性能、操作系统、传动系统、防护装置、润滑部位、电气等基本知识、使用方法;②上机操作前按规定戴好劳动防护用品，女工必须将头发压入工作帽内，切削时戴好防护眼镜及口罩;③开车前检查各操纵及按钮位置、各传动部位和防护罩、限位装置应牢固可靠、千叶轮及橡胶轮是否牢固可靠、电气保护接零是否可靠等，按规定部位和油量进行班前润滑加油;④检查和加油后，操作者开车低速空转3～5 min，检查机床运行有无异常声响，各部位润滑情况，润滑油位情况，操纵手柄及按钮是否灵敏，安装在导轨上的限位装置，运动是否正常可靠;⑤加工操作时精神要集中，严禁和他人谈话，严禁自动走刀离岗，严禁在防护罩上摆放任何物品，严禁拆除防护罩打磨工件.不准随意拆除限位装置，不准在导轨及工作台上放置多余物品，不准私装多余装置，离开机床时必须停车，时间长时应关闭电源;⑥装卡千叶轮以及橡胶轮应牢固可靠，并随时注意有无松动;⑦装卡千叶轮后，应拧紧防护罩上的螺栓;⑧工作中操作者的头部不允许过于靠近防护罩观察加工情况，安全距离大于200 mm;⑨应根据工件和千叶轮的外形尺寸，选择适当的进给速度及进给量，严禁快速进给.开始加工工件时，以每次导向轮、工件、千叶轮三者刚接触时的位置为零位，继续摇动手柄，保证径向进给量约为1 mm(12格=0.96 mm)，抛光机操作规程严禁进给量过大，确保千叶轮过渡磨损;⑩加工不同材质的工件，导向轮选择不同的转速，加工不锈钢件时，应选择“36”字样的速度;加工渗锌件时，应选择“43”字样的速度;粗抛可调高速度，精抛应相应降低速度;（11）工作时，操作者必须站在千叶轮抛光方向侧面，防止千叶轮脱落伤人;（12）工作时，工件在导向轮的作用下停止向前移动，严禁直接用手推动工件;（13）观测工件时，必须先停车，再观测工件;（14）需重复抛光工件时，必须先退刀，使工件脱离千叶轮而又不接触橡胶轮，轻推工件与限位装置一起至开始位置;（15）清理抛光脏物时，一定要用专用工具，加工时抛光脏物堆积过多，应及时停车清理，严禁在机床工作中清理抛光脏物;（16）装卡过程中，必须先停车，直到千叶轮及橡胶轮的速度为零时，工件方可从平行于导轨方向装卡入限位装置，并用拉伸弹簧固定限位装置，保证工件在抛光中不脱离限位装置;（17）机床发生故障或有异常声响时，应及时停车检查和处理.无法处理时，及时报维修人员处理，处理后填写设备日常维修记录.所有电气故障严禁操作者处理;（18）加工结束或下班后，应按照保养要求清理脏物，彻底擦拭设备、导轨、工作台.涂油保养，填写设备运转台时记录;（19）保养内容:彻底擦拭设备，彻底清理抛光脏物，检查润滑油和杂质沉淀情况.

6 应用效果及结论

采用普通磨床进行抛光效率较低，速度慢，费用费时间，且一台无心外圆磨床市场售价在25万元左右.以Ф87 mm×1 430 mm辊道表面抛光处理为例.利用外圆磨床进行精磨加工，从上料到加工完毕一根需用2小时，需用专业技术人员进行操作，人工费需用50元(按200元/天、每天8小时计算)，按照整台安检设备需用34根计算，共计人工费用1 700元.

采用自制抛光机直接制造成本2万元，直接节省设备费用23万元.加工效率高，操作简便，人工成本低，劳产率高，从上料到抛光完毕一根仅需10～15分钟，普通工人就能操作，仅用人工费用3.75元(按120元/天、每天8小时计算)，整台安检设备需用34根计算，共计人工费用127.5元.每台安检设备最少节省直接人工费用1572.5元.

本外圆抛光机的使用切实解决了公司面临的实际问题，从加工精度和交货期方面都很好满足了客户需要，为公司承揽同类加工业务提供了技术和成本上的保证.此设计具备新颖性、创造性和实用性的特点，我公司据此进行了自主知识产权的申请，并顺利获得国家专利.这种抛光机就地取材选用常规设备，结构简单，造价低廉，维修费用低，在节省了人力、财力的情况下，大大提高了生产效率.对于外圆抛光加工，具有非常好的推广和应用价值.

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B

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.026

1673-9590(2014)03-0111-04

2013-10-16

李秋丽(1980－)，女，工程师，学士，主要从事机械设计与制造的研究

E-mail:itisme0006@aliyun.com.

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