基于外圓磨床的大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)

具有創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力是機(jī)械類大學(xué)生的基本要求。大學(xué)生在學(xué)校通過現(xiàn)有的資源提高其創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力尤為重要，機(jī)床作為機(jī)械加工的母機(jī)，機(jī)床精密和可靠性對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量極其重要。上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院磨削重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和龐大的機(jī)床資源，本文結(jié)合大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，提出在外圓磨床進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，該方法設(shè)計(jì)了一種半剛性的新型磨削工具，以提高磨床的加工精度，通過這樣的實(shí)踐來鍛煉和提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

外圓磨床半剛性磨具裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外圓磨床半剛性磨具裝置主要是在原有MG1432A精密磨床進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的，所設(shè)計(jì)的外圓磨床半剛性磨具裝置的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示

從以上示意圖可以知道，修整裝置其組成結(jié)構(gòu)包括修整工具、輪軸、軸承、座桿、支座、懸吊桿、試件、頭架、尾架、頂尖、電機(jī)等，其中修整工具由變頻電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，工件的轉(zhuǎn)動(dòng)通過頭架伺服電機(jī)帶動(dòng)撥桿，接著帶動(dòng)撥盤，進(jìn)而帶動(dòng)試件的轉(zhuǎn)動(dòng)。采用伺服電機(jī)控制頭架轉(zhuǎn)動(dòng)，具有便于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高頭架的精度較高和傳動(dòng)的平穩(wěn)性等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　外圓磨床半剛性磨具裝置的總體結(jié)構(gòu)簡圖

圖2　外圓磨床半剛性磨結(jié)構(gòu)簡圖

半剛性磨具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半剛性磨削工具裝置中工具的設(shè)計(jì)是本課題研究的重點(diǎn)部分之一，也是采用此方法提高精度的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的高精密磨床MG4312A，將其改進(jìn)并作為試驗(yàn)平臺(tái)，本課題所設(shè)計(jì)的磨削工具的結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖2所示，由外層到內(nèi)層分別為硬質(zhì)磨?；蜓心K層、塑料聚合薄膜、半剛性材料層、剛性基體層四部分組成。

使用的半剛性磨削工具的制作方法為：塑料薄膜由熱真空塑料制備，半剛性層材料選用橡膠或非牛頓流體，與剛型環(huán)固接，氯乙烯橡膠將剛性環(huán)和塑料薄膜連接， 金剛石或研磨塊粘接在塑料薄膜的外側(cè)。磨具則通過螺栓安裝研磨軸相連。這種修整工具通過塑料薄膜使得磨削過程中能夠有一定的剛性，而且通過橡膠的彈性保持對(duì)自由曲面完全附著。塑料薄膜的一端連接硬質(zhì)磨粒或研磨塊，另一端和半剛性層相連接，橡膠層則依附著剛性盤。一般來說，半剛性層是用熱補(bǔ)償法將其固定在鋁制的剛性基體上。

該設(shè)計(jì)的目的是保證加工過程中，半剛性磨具能完全符合在工件的表面，且各部分壓力不同，可在磨具上增加壓力控制裝置，通過控制壓力進(jìn)行修整，以達(dá)到表面波峰部分去除量大，波谷部分小，最終提高工件輪廓的精度和表面粗超度。

橡膠是作為半剛性材料最廣泛的原材料，其硬度和密度不相同，表面形狀各式各樣。選用熱真空成型塑料附在羊皮紙表面制備塑料薄膜。且塑料層厚度要足夠才能使磨削塊在加工過程中跟磨削區(qū)域完全附和，同時(shí)保證一定的磨削力。

圖3　半剛性磨具壓力控制裝置結(jié)構(gòu)圖

半剛性磨具壓力控制裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半剛性磨削工具與試件修整中是一個(gè)連續(xù)的過程，為了提高精度，對(duì)試件輪廓波峰部分進(jìn)行大的去除量，對(duì)波谷部分進(jìn)行小去除，需要控制磨削工具與試件修整時(shí)的接觸壓力，為了達(dá)到控制修整過程中磨具與試件相對(duì)壓力的目的，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備條件，設(shè)計(jì)了半剛性磨具壓力控制裝置方法，半剛性磨具壓力控制裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

裝置底座固定在MG1432A精密磨床導(dǎo)軌上，座桿1和底座通過螺紋2連接，支座左右對(duì)稱，螺紋連接在座桿的頂端，兩端分別連懸吊桿3，使得懸吊桿對(duì)磨削工具的壓力穩(wěn)定、平均的壓在研修輪上，懸吊桿的前端有懸掛孔，用于懸掛重物，可根據(jù)到支座連接處中心的距離和到研修輪接觸的距離，利用杠桿原理算出二者的比之關(guān)系，進(jìn)而可以控制懸掛重物的多少來控制施加在研修輪上的正壓力。而在懸掛重物的選擇上最簡單的方式可以添加砝碼，此方法的優(yōu)點(diǎn)原理簡單、價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是操作繁雜，且精確度不好控制。

半剛性修整裝置頭架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將現(xiàn)有高精密磨床MG1432A的頭架部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能的利用現(xiàn)有的設(shè)備條件，主要改造以下兩部分：

（1）頭架的改造在原有頭架主軸的基礎(chǔ)上，更換伺服電機(jī)或者夠用力矩電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，以便于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高頭架的精度較高和傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

（2）在頭架主軸前端加同步帶輪和編碼器。同步齒形帶可以實(shí)現(xiàn)減速傳動(dòng)，皮帶具有彈性，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音少，改造的成本也較低。編碼器作為頭架的轉(zhuǎn)速和角位移檢測(cè)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低，方便改造的優(yōu)點(diǎn)。

改造后頭架可進(jìn)行的控制改變工件轉(zhuǎn)速修整方法：

（1）定義

調(diào)整好并穩(wěn)定修整工具的參數(shù)，修整工具對(duì)工件的壓力不變，壓力是通過位移的來實(shí)現(xiàn)，修整工具轉(zhuǎn)速不變，根據(jù)回轉(zhuǎn)類零件的圓度軌跡，來改變構(gòu)架工件的轉(zhuǎn)速，按照輪廓的高低調(diào)整修整時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工件形狀誤差的修整。

（2）基本理論

1）高點(diǎn)高去除，高點(diǎn)低速度。假設(shè)工件順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)毒吆凸ぜ慕佑|點(diǎn)正值工件的高點(diǎn)，這時(shí)工件的速度比較慢，以使工件該高點(diǎn)處具有較多的材料去除量。

2）低點(diǎn)少去除，低點(diǎn)高速度。當(dāng)工件從高點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)到與修整工具接觸的低點(diǎn)時(shí)，這時(shí)工件的速度慢慢變快，以使工件該低點(diǎn)處具有較少的材料去除量。

3）快慢結(jié)合，逐漸過渡。在有高到低和有低到高的速度變化時(shí)，在電機(jī)控制條件許可的情況下，兼顧速度的細(xì)分和變化的漸進(jìn)性，可以滿足高出來的地方多去除，低的地方少去除，兼顧曲線光順性，提高工件形狀精度。

（3）算法實(shí)現(xiàn)

1）參數(shù)初始化：等角度采集數(shù)據(jù)，確定圓度檢測(cè)分度角度α和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)n，n=360/α。設(shè)置工件轉(zhuǎn)動(dòng)極大角速度ωmax，極小角速度ωmin。

2）輪廓數(shù)據(jù)采集：圓度測(cè)量之前，標(biāo)記好0°位置。用圓度儀半徑變化測(cè)量法測(cè)量工件圓弧圓度誤差，令分度回轉(zhuǎn)中心和工件兩端中心孔確定的中心重合，以保證測(cè)量的工件圓弧輪廓數(shù)據(jù)和工件修整加工時(shí)的輪廓具有一致性。

結(jié)語

基于外圓磨床半剛性磨具方法是一種為實(shí)現(xiàn)工件精度和表面粗超度的磨削過程，它利用彈性材料粘接磨粒層作用于工件表面，并通過頭架系統(tǒng)控制工件轉(zhuǎn)動(dòng)速度，和壓力調(diào)節(jié)裝置控制修整過程中的法向壓力，達(dá)到去除工件表面材料的目的，實(shí)現(xiàn)工件輪廓精度的提高。

本文主要從外圓磨床半剛性磨具裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半剛性磨具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半剛性磨具壓力控制裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、半剛性修整裝置頭架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。機(jī)械類大學(xué)生參與到四個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，可以更為全面地提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.002