铸件浇冒口砂轮自适应切割 *

王维信, 孟广耀, 王 哲, 孙英暖

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院, 山东 青岛266520)

铸件浇注完成后，要用切割机对其浇冒口进行切割。国外现已有较先进的自动浇冒口砂轮切割机，但造价昂贵[1-2]。我国是熔模铸造及加工应用大国，但整体技术水平偏低。国内企业普遍使用熔模铸造技术生产不同种类的小型机械零部件，并对其铸件浇冒口进行去除及后期打磨、抛光等[3-4]，生产的小型机械零部件种类少、批量大，属于典型的少品种大批量熔模铸造产品[5]。目前企业多用手动式砂轮切割机来切割脱模后的铸件浇冒口，虽然成本低但存在自动化程度低、劳动强度大、切割效率低、切割过程不稳定和需要有大量经验的人员操作等问题[8]。与此同时，无论是国外的还是国内的浇冒口加工设备，都只是单纯地利用高速旋转的砂轮对铸件浇冒口进行去除，没有考虑切割过程中砂轮的磨损会改变其切割位置，以及这种改变对砂轮使用寿命和工件加工质量的影响等问题。

基于此，对砂轮自适应切割方法进行研究，确定砂轮最佳切割点，并通过进给方式对砂轮的磨损量进行补偿，保证砂轮一直在最佳切割点对铸件的浇冒口进行切割，以获得稳定的铸冒口切割质量。

1 砂轮切割装置设计及切割点补偿

在切割过程中，砂轮存在某个最佳切入角度所对应的切割点，即砂轮的最佳切割点。利用砂轮最佳切割点对铸件浇冒口进行切割，可有效提高其切割质量和切割效率，减少砂轮的磨损。但切割过程中因砂轮不断磨损，最佳切割点的位置也会改变，需要通过计算获得新的最佳切割点位置，再利用砂轮机的进给补偿来保证切割位置始终是砂轮最佳切割点位置。

1.1 切割装置基本构成

新型铸件浇冒口砂轮切割装置由机械系统和控制系统2部分组成：机械系统包括切割组件、自动进给组件、测量组件；控制系统采用西门子S7-1200 PLC控制。切割装置如图1所示。

图1 新型铸件浇冒口砂轮切割装置

砂轮驱动电机通过皮带传动带动砂轮旋转，当砂轮接触铸件浇冒口时，皮带的弹性可以减缓其产生的冲击和振动载荷，保证传动的稳定性；砂轮过载时，皮带会打滑，可防止砂轮在较大的切割应力作用下崩坏。铸件浇冒口具体切割过程如下：

第1步，通过螺杆和螺纹孔的相互配合将切割机滑台电机转子的转动转变成直线运动，驱动切割机滑台做水平方向的进给运动，当切割机滑台到达指定位置时，切割机滑台电机停止转动，滑台锁死。

第2步，滑台在初始位置(图1所示位置)时，液压缸推杆收缩，砂轮完成一次铸件浇冒口的切割。

第3步，液压缸推杆伸长，带动转动机架回到初始位置，红外测径仪对砂轮的半径进行测量得到其磨损量并将其反馈给控制系统。控制系统根据磨损量大小计算出进给量以对磨损量作出补偿，为下一次砂轮切割铸件浇冒口做准备。

第4步，通过夹具滑台的进给，切除铸件组另一侧的浇冒口。

第5步，铸件两侧浇冒口都被切除后，夹具旋转180°，对另外一个新的铸件组重复浇冒口的切除工作。

夹具电机和切割机滑台电机都选用伺服电机，通过丝杠的螺距能够得到电机每转动一圈滑台移动的距离，根据铸件浇冒口之间的间距和测量到的砂轮直径，控制端发出脉冲信号控制电机转动一定的角度而带动滑台移动相应的距离。液压推杆控制范围需要大于铸件浇冒口的宽度，且用伺服阀和伺服液压缸控制，并利用光栅尺准确测量液压推杠的移动距离。

1.2 砂轮磨损量补偿

砂轮每进行一次切割都会产生一定量的磨损，且砂轮的磨损量与切割速度、切割力、铸件的硬度、塑性和其他外界因素等有关，同时无法保证砂轮每次切割后的磨损量都相同。如果砂轮切割机只在某个固定的位置不断地进行切割，当磨损到一定程度时会导致砂轮切割不到铸件浇冒口，而任意量的向前进给也可能会导致砂轮崩碎。

1.2.1 构建经验模型

对多个不同直径砂轮和不同切入角的铸件浇冒口切割进行试验，测量的砂轮磨损量取平均值，切削试验数据如表1所示。

表1的数据表明：对同一直径的砂轮，其直径磨损量最小的切入角度都为30°，也就是说砂轮最佳切割位置对应的就是砂轮切入角为30°时的位置。砂轮磨损后会导致砂轮切割机在相同的位置再次下压切割时，最佳切割点位置发生改变，因此，需要根据砂轮的磨损量对切割位置进行适当的调整。

砂轮切割机切割示意图如图2所示。 图2中的铸件组相邻浇冒口之间的横向间距为b，纵向间距为a，砂轮圆心距转动副支点的距离为R，砂轮绕转动副旋转的角度为θ，此时砂轮高度降低h。为了保证砂轮的切割点为最佳切割点，移动副需向后移动距离h1。则有：

(1)

(2)

联立式(1)、式(2)可得R、θ、h、h1之间的函数关系：

(3)

表1 切削试验数据

图2 砂轮切割机切割示意图

砂轮切割机每次下压切断一个浇冒口后，液压推杆就回到初始位置，然后用红外测径仪对砂轮直径进行测量。

1.2.2 砂轮进给算法

砂轮磨损如图3所示，砂轮半径减小了r。为了补偿砂轮的磨损，保证下一次的切割点仍为最佳切割点，需要砂轮切割机沿X轴正方向进给q，沿Y轴正方向进给p：

q=r×sin30°

(4)

p=r×cos30°

(5)

如果砂轮切割机切割完浇冒口1之后再切割浇冒口2(图2)，这时需同时考虑砂轮的磨损量和模具上浇

图3 砂轮磨损Fig. 3 Wear of grinding wheel

冒口的位置：

q=r×sin30°-h1

(6)

p=r×cos30°+a

(7)

如果砂轮切割机切割完浇冒口1之后再切割浇冒口3，则：

q=r×sin30°+b

(8)

p=r×cos30°

(9)

如果砂轮切割机切割完浇冒口1之后再切割浇冒口4，则：

q=r×sin30°+b-h1

(10)

p=r×cos30°+a

(11)

因此，要切割图2中的4个浇冒口，只需根据砂轮的磨损量和铸件组浇冒口之间的位置关系，按照上述公式依次进给，就可实现4个浇冒口的顺序切除。

切割时的逻辑为：(1)初始化。采集砂轮切割机和铸件浇冒口的位置信息，保证在切割运动开始之前处于初始位置；(2)状态判断。对第一个浇冒口进行切割，根据液压推杆的受力情况判断是否切断，动作完成后液压推杆回到初始位置；(3)位置补偿。红外测径仪对砂轮的磨损量进行测量，根据进给公式进行最佳切割点补偿；(4)循环执行。重复上述过程，直到铸件组一侧的浇冒口全部被切除。然后夹具转动换向，再重复上述切割过程，切除另一侧的全部浇冒口。

2 运动学仿真

为了验证新型铸件浇冒口砂轮切割装置自动进给方案的合理性和可行性，以工厂生产的小型支架铸件组为例，在Adams软件中建立运动模型并进行运动学仿真验证[9]。

2.1 Adams模型建立

铸件浇冒口切割装置由多个移动副和转动副组成，各个部件之间的运动关系较为复杂。因此，在SolidWorks中建立铸件浇冒口切割装置的三维实体模型并将其保存为模型文件，然后运行Adams软件将模型文件导入其中。从SolidWorks软件中直接导入到Adams软件中的每一个零件都是一个单元体，在运动学仿真过程中可以通过布尔操作把具有相同运动趋势的零部件看作一个整体运动的构件，如图4所示。

在Adams软件中，需要对各个运动构件的材料属性进行定义，之后才能进行后续的运动学仿真。图4中的三维模型各个部件的命名和材料属性如表2所示。

图4 Adams中的三维模型

表2 模型命名和材料属性

2.2 笛卡尔坐标系和约束建立

为了更加方便清楚地描述各个运动单元的运动情况，可以在三维模型中建立笛卡尔坐标系。令切割机滑台运动的方向为X轴方向，夹具滑台运动的方向为Z轴方向，液压缸推杆运动的方向为Y轴方向，建立如图5所示的坐标系，该坐标系可以在三维空间内形象地描述铸件浇冒口砂轮切割装置的运动轨迹。

分析铸件浇冒口砂轮切割装置各个运动部件之间的运动关系，需建立各运动副模型及其约束关系，如图6所示，具体约束信息如表3 所示。

图5 笛卡尔坐标系图6 运动副建立Fig. 5 Cartesian coordinate systemFig. 6 Movement pair establishment

表3 模型约束

2.3 Adams运动学仿真及结果分析

为了实现砂轮切割机对铸件浇冒口的切割动作，对运动副JOINT_4、JOINT_11、JOINT_12 和JOINT_6分别施加如表4所示的驱动。

设默认时间单位为s。根据建立的运动参考坐标系得到铸件浇冒口切割装置的仿真运动轨迹，如图7所示。图7中的各图分别表示在第2、6、12和24 s时捕捉到的砂轮切割装置状态。

为了更好地观察砂轮切割铸件浇冒口仿真过程中的运动细节和进给补偿变化，延长仿真时间，通过整个时间段下砂轮切割机对小型支架铸件浇冒口的切割过程运动学仿真，可以看出其机构运动能满足空间中各个浇冒口的去除条件。

表4 运动副的驱动

(a)t=2 s(b)t=6 s(c)t=12 s(d)t=24 s图7 运动轨迹Fig. 7 Movement track

图8为切割机滑台位移变化曲线。从图8可以看出：在时间段[0，2] s内，切割机滑台以匀速向前进给，完成对第1个浇冒口的切割；在时间段(2，10] s内，切割机滑台向后移动一定距离后保持位置不变，砂轮下压切除下方的第2个铸件浇冒口；在时间段(10，13] s内，切割机滑台向前进给一定距离后位置不变，砂轮下压切除第3个铸件浇冒口；在时间段(13，20] s内，切割机滑台向后移动一定距离后保持位置不变，砂轮下压切除最后方的第4个铸件浇冒口；在(20，24] s内切割机滑台回到初始位置并保持不变，为铸件组另一侧浇冒口的切除做准备。因此，砂轮切割机在每次切割之前都要实现一定位移量的进给，位移变化程度相对缓和，没有明显的波动；而在其他时间段内，位移曲线保持不变，满足砂轮切割机进给平稳、切割过程中位置固定不变的要求。

图8 位移变化曲线 Fig. 8 Displacement curve

图9为液压缸推杆转动角速度的Z轴分量曲线。从图9可以看出：在[0，2] s内，在切割机滑台的作用下对第1个铸件浇冒口进行切割，液压缸推杆保持不变，转动角速度为0；在(2，10] s内，液压推杆收缩，带动砂轮完成第2个铸件浇冒口的切割动作后回到原点，转动角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到负最大值，最后减小为0；在(10，13] s内，根据砂轮磨损量，液压杆收缩对切割点进行补偿，完成对第3个铸件浇冒口的切割动作后液压杆回到原点，转动角速度虽小，但也有先反向增大、再正向增大、最后减小为0的过程；在(13，20] s内，液压推杆收缩，带动砂轮完成第4个铸件浇冒口的切割动作，然后回到原点，转动角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到负最大值，最后减小为0；在(20，24] s内，液压推杆保持不动，为铸件组另一侧浇冒口的切除做准备。每次切割动作完成后液压推杆都要上升超过原点，经过测径仪的数据采集之后再返回原点。图9中切割铸件组浇冒口时角速度会产生一定程度的变化，其余时间角速度则基本保持不变，没有明显的波动，满足砂轮切割铸件浇冒口时速度稳定的要求。

图9 液压缸推杆转动角速度的Z轴分量

图10为3个驱动的速度变化曲线。图10中3个驱动的速度随时间变化的趋势基本相似。以驱动MOTION_5为例，在[0，2] s内，切割机滑台驱动以较快的速度达到最大值，带动切割机完成第1个铸件浇冒口的切除； 在(2，10] s内，在驱动力的作用下切割机滑台向后移动一定的距离并固定，完成对第2 个铸件浇冒口的切除；在(10，13] s内，驱动力在作用时间内迅速变化，形成驱动速度变化波峰，配合砂轮完成第3个铸件浇冒口的切除；在(13，20] s内，切割机滑台驱动产生变化，滑台向后移动一小段距离，驱动变化相对缓慢，配合砂轮完成第4个铸件浇冒口的切除；在(20，24] s内，产生驱动速度波峰，切割机滑台回到初始位置。在整个切割过程中，各个驱动反应迅速，没有微小的起伏和突变，切割机的补偿进给运动平稳，能够满足实际的加工需求，验证了机械结构设计和补偿进给公式的正确性。

图10 3个驱动的速度变化曲线 Fig. 10 Speed curves of three drives

3 结论

(1)针对目前国内铸造行业中仍在使用的手动砂轮机切割铸件浇冒口劳动强度大、效率低等问题，研究了铸件浇冒口的砂轮最佳切割点自适应切割方法。

(2)通过铸件切割过程中砂轮磨损量的变化，推导了自动进给补偿砂轮磨损量的位移公式，保证了砂轮始终在最佳切割点位置对铸件浇冒口进行切割。

(3)利用Adams软件对新型铸造零件砂轮切割装置进行运动学仿真，设计的砂轮切割机在切割过程中能够有效实现浇冒口的切除；同时，切割过程中的位移、速度变化相对平稳，没有剧烈波动，证实了铸件浇冒口砂轮自适应切割方法的可行性。