張 濤, 盧燦華, 朱 培

(豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司,河南 南陽(yáng) 473264)

刀具用金剛石/立方氮硼復(fù)合片(以下稱超硬刀具復(fù)合片)是由金剛石/立方氮化硼(以下稱超硬材料)與硬質(zhì)合金襯底在高壓高溫條件下燒結(jié)而成。這種材料具有超硬材料的硬度與耐磨性,又由于硬質(zhì)合金襯底的存在而具有優(yōu)越的耐沖擊性,是一種優(yōu)良的復(fù)合材料[1]。是制造切削刀具和耐磨工具的理想材料。

超硬刀具復(fù)合片生產(chǎn)中,超硬材料在金屬屏蔽杯中分布的均勻性和一致性對(duì)復(fù)合片超硬材料層密度的均勻性影響較大,而超硬材料層密度的均勻性是保證超硬刀具復(fù)合片質(zhì)量的關(guān)鍵。目前超硬刀具復(fù)合片正朝著規(guī)格尺寸大型化、質(zhì)量?jī)?yōu)化、性能均勻化、形狀結(jié)構(gòu)多樣化發(fā)展[2]。由于大直徑超硬刀具復(fù)合片的超硬材料層面積大,且超硬材料層厚度較薄,這給超硬材料在金屬屏蔽杯中的刮平造成一定難度。目前,該工序國(guó)內(nèi)企業(yè)多是通過(guò)人工操作完成,生產(chǎn)中必須由專人裝模、專人稱料、專人刮平[3]。由于人工手動(dòng)操作的不穩(wěn)定性,很難滿足在刮平過(guò)程中均勻性、一致性要求,從而導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量較低,工作效率低,生產(chǎn)成本較高。

1 設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

針對(duì)手工刮平存在的不足,通過(guò)研究超硬材料在金屬屏蔽杯中的分布特性,設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刮平的設(shè)備。

1.2 工作原理

升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),齒輪軸與齒條嚙合傳動(dòng),將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為豎直方向的直線運(yùn)動(dòng),齒條帶動(dòng)燕尾滑塊做上下直線運(yùn)動(dòng),進(jìn)而由燕尾滑塊通過(guò)支板帶動(dòng)刮料裝置做上下直線運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)間接帶動(dòng)刮料刀片在豎直方向上的上下直線運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)定位旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn),進(jìn)而間接帶動(dòng)定位套和金屬屏蔽杯旋轉(zhuǎn)。刮料刀片的上下直線運(yùn)動(dòng)和金屬屏蔽杯旋轉(zhuǎn)的共同作用,外加金屬屏蔽杯旋轉(zhuǎn)時(shí)超硬材料產(chǎn)生的切向離心力,共同實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬屏蔽杯中的超硬材料進(jìn)行刮平。

1.3 主要結(jié)構(gòu)

刮平設(shè)備由升降系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、振料系統(tǒng)、支架、控制系統(tǒng)和人機(jī)界面觸摸屏等組成。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 刮平設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1 升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)由支座、升降裝置和刮料裝置組成。

支座套設(shè)在階梯軸上,支座與階梯軸之間通過(guò)壓緊螺母和防轉(zhuǎn)螺釘Ⅰ進(jìn)行固定連接,壓緊螺母用于限制支座沿階梯軸的軸向移動(dòng),壓緊螺母位于支座的上方且與階梯軸上端螺紋連接;防轉(zhuǎn)螺釘Ⅰ用于限制支座繞階梯軸的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),防轉(zhuǎn)螺釘Ⅰ橫向穿入支座的中部且支座防轉(zhuǎn)螺釘?shù)穆菁y端與階梯軸的圓周面抵接。

升降裝置包括升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪軸、齒條、燕尾滑塊和呈倒L型的支板。升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在支座的后側(cè)且沿前后方向布置,升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪軸傳動(dòng)連接,齒輪軸與齒條嚙合傳動(dòng)且?guī)?dòng)齒條沿豎直方向移動(dòng),齒條固定在燕尾滑塊的左側(cè),燕尾滑塊固定在支板的豎板左側(cè)面上,燕尾滑塊與支座上的燕尾槽滑動(dòng)連接。

刮料裝置包括沿豎直方向布置的導(dǎo)向套和刮料桿。導(dǎo)向套固定在支板的橫板右部,且導(dǎo)向套的下端貫穿橫板右部,刮料桿的上端貫穿導(dǎo)向套,刮料桿的下端設(shè)有刮料刀片,刮料刀片通過(guò)緊固螺釘固定在刮料桿的下端,刮料桿的上端與導(dǎo)向套之間通過(guò)限位螺母和防轉(zhuǎn)螺釘Ⅱ進(jìn)行固定連接,限位螺母用于限制刮料桿沿刮料桿的軸向移動(dòng),限位螺母位于導(dǎo)向套的上方且與刮料桿上端螺紋連接;防轉(zhuǎn)螺釘Ⅱ用于限制刮料桿的轉(zhuǎn)動(dòng),防轉(zhuǎn)螺釘Ⅱ橫向穿入導(dǎo)向套的中部且防轉(zhuǎn)螺釘Ⅱ的螺紋端與刮料桿的圓周面抵接。

其升降過(guò)程:升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),齒輪軸與齒條嚙合傳動(dòng),將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為豎直方向的直線運(yùn)動(dòng),齒條帶動(dòng)燕尾滑塊做上下直線運(yùn)動(dòng),進(jìn)而由燕尾滑塊通過(guò)支板帶動(dòng)刮料裝置做上下直線運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)間接帶動(dòng)刮料刀片在豎直方向上的上下直線運(yùn)動(dòng)。

1.4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)固定在支架的右部,轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括沿豎直方向布置的旋轉(zhuǎn)裝置、軸承座和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī),軸承座固定在支架上方,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在支架下方。

旋轉(zhuǎn)裝置位于刮料裝置的正下方,旋轉(zhuǎn)裝置包括沿豎直方向布置的定位套、金屬屏蔽杯和定位旋轉(zhuǎn)體,定位套的下端卡設(shè)在定位旋轉(zhuǎn)體上端卡槽內(nèi),定位套、金屬屏蔽杯和定位旋轉(zhuǎn)體之間相對(duì)固定,定位套、金屬屏蔽杯和定位旋轉(zhuǎn)體均與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng),定位套設(shè)有階梯型中心通孔,階梯型中心通孔的上部直徑小于下部直徑,金屬屏蔽杯的開口朝上且靠金屬屏蔽杯自身的彈性變形卡設(shè)在階梯型中心通孔的下部,金屬屏蔽杯的底面與定位套的下端面位于同一水平面內(nèi),定位套和金屬屏蔽杯均位于刮料刀片的正下方,刮料刀片的長(zhǎng)度L比金屬屏蔽杯的內(nèi)徑小0.2～0.8 mm。定位旋轉(zhuǎn)體外形呈T型,包括位于上部的盤體及與盤體下端面中心固定連接的軸體,盤體位于軸承座的上方且盤體下端面與軸承座的上端面抵接,軸體貫穿軸承座,軸體通過(guò)軸承與軸承座滾動(dòng)連接,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與軸體下端傳動(dòng)連接。

其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程:旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)定位旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn),進(jìn)而間接帶動(dòng)定位套和金屬屏蔽杯旋轉(zhuǎn)。

1.4.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是對(duì)升降系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和振料系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制的總系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括升降系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)用的變頻器以及其他電器元件,可控制振料系統(tǒng)頻率的大小、驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)停止及正反轉(zhuǎn),還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)控制,使升降系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)獲得各種不同的速度,最大程度上滿足開發(fā)和研制多種不同粒度物料刮平的工藝要求。

2 刮平設(shè)備的應(yīng)用

2.1 金屬屏蔽杯的轉(zhuǎn)速

由于金屬屏蔽杯的轉(zhuǎn)速影響超硬材料在金屬屏蔽杯中的分布情況,金屬屏蔽杯轉(zhuǎn)速過(guò)高,將會(huì)使物料在切向離心力的作用下,向金屬屏蔽杯外側(cè)聚集,將導(dǎo)致金屬屏蔽杯外圈的物料密度增加,內(nèi)圈密度降低,內(nèi)外圈密度不均勻?qū)⒂绊懏a(chǎn)品的性能;金屬屏蔽杯轉(zhuǎn)速過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致刮平效率低下,研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的刮平設(shè)備,金屬屏蔽杯的轉(zhuǎn)速一般為50～80 r/min。

2.2 刮料刀片的進(jìn)給量

超硬材料刮平時(shí),刮料刀片的進(jìn)給量太小,刮平效率較低;刮料刀片的進(jìn)給量太大,對(duì)物料沖擊較大,易造成物料“飛濺”現(xiàn)象。因此合理選擇刮料刀片的進(jìn)給量,對(duì)于提高物料刮平質(zhì)量和刮平效率有著十分重要的作用。對(duì)于不同粒度的物料,所需的刮料刀片的進(jìn)給量也不盡相同,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定合理的進(jìn)給量,一般情況,物料粒度越細(xì),進(jìn)給量越小;物料粒度越粗,進(jìn)給量越大,研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的刮平設(shè)備,刮料刀片的進(jìn)給量一般為0.1～0.8 mm/r。

2.3 物料的振動(dòng)頻率

在物料被裝到金屬屏蔽杯中后,物料處于自然堆積狀態(tài),由于物料堆積過(guò)程中存在拱橋、團(tuán)聚等現(xiàn)象,簡(jiǎn)單的刮平動(dòng)作不能使物料達(dá)到均勻分布的狀態(tài)[4]。因此,在物料刮平操作時(shí),使用振動(dòng)系統(tǒng)將金屬屏蔽杯中自然堆積的物料進(jìn)行塌料及密實(shí),由于振動(dòng)頻率及振動(dòng)時(shí)間會(huì)直接影響物料在金屬屏蔽杯中孔隙率的大小。振動(dòng)頻率較高或振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),將導(dǎo)致物料出現(xiàn)分離、匯集、偏析等現(xiàn)象,振動(dòng)頻率較低或振動(dòng)時(shí)間較短對(duì)物料起不到塌料及密實(shí)作用,造成物料在金屬屏蔽杯中的不均勻分布,研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的刮平設(shè)備,振動(dòng)頻率的范圍為2～10 Hz,振動(dòng)時(shí)間的范圍為5～10 s。

2.4 刮平設(shè)備的操作

超硬材料在刮平操作時(shí),必須根據(jù)各種物料不同的粒度特性,適時(shí)調(diào)整刮平操作工藝參數(shù),獲得最佳的刮平效果。其刮平操作步驟如下:

(1)將金屬屏蔽杯按口朝上的方向卡入定位套中心通孔的下部,使金屬屏蔽杯底面與定位套的下端面在豎直方向上的間距偏差小于或等于0.05 mm。

(2)按設(shè)定重量稱取物料,將稱取的物料倒入金屬屏蔽杯內(nèi),接著將裝有物料的金屬屏蔽杯與定位套一起放入自動(dòng)刮平設(shè)備的定位旋轉(zhuǎn)體上端卡槽內(nèi)并被固定。

(3)根據(jù)物料的粒度規(guī)格設(shè)定刮料刀片的進(jìn)給量,刮料刀片的下移分為上階段的快速下移和下階段的慢速下移,兩個(gè)階段的分界處位于金屬屏蔽杯內(nèi)物料上方1～3 mm處,根據(jù)刮料刀片的快速下移速度和慢速下移速度,設(shè)定升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同階段相對(duì)應(yīng)的快轉(zhuǎn)速和慢轉(zhuǎn)速;根據(jù)刮料刀片的慢速下移速度,設(shè)定旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速,在刮料刀片快速下移的上階段和慢速下移的下階段中旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速均不變;刮料刀片的進(jìn)給量為刮料刀片的慢速下移速度與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的比值,當(dāng)粒度≤10 μm時(shí),進(jìn)給量為0.1～0.2 mm/r,當(dāng)10<粒度≤30 μm時(shí),進(jìn)給量為0.2～0.5 mm/r,當(dāng)30<粒度≤50μm時(shí),進(jìn)給量為0.5～0.8 mm/r,當(dāng)粒度>50時(shí),進(jìn)給量為0.5～0.8 mm/r。

(4)啟動(dòng)自動(dòng)刮平設(shè)備,升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)先開啟,在刮料刀片快速下移過(guò)程中,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟,按照第(3)步設(shè)定的轉(zhuǎn)速控制升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直至物料刮平。

(5)待物料刮平后,升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)刮料刀片快速上移至第一定位套上方10～12 mm處,升降驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反轉(zhuǎn)速度提前設(shè)定;在刮料刀片開始上移時(shí),旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),然后取下裝有被刮平物料的金屬屏蔽杯。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)研究超硬材料在金屬屏蔽杯中的分布特性,設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刮平的設(shè)備,大大提高了物料在金屬屏蔽杯中分布的均勻性、一致性,實(shí)現(xiàn)了金屬屏蔽杯中物料的自動(dòng)化刮平,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了工作效率,提高了產(chǎn)品性能。

(2) 該設(shè)備能夠根據(jù)各種物料不同的粒度特性,實(shí)現(xiàn)變工況多參數(shù)的工藝操作滿足開發(fā)和研制多種不同粒度物料刮平的工藝要求。