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球面珩磨应用于高速包缝机主轴加工,优于研磨方法!

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  • 2019-12-23
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为了控制和提高工件加工表面的精度,往往会采用超精密加工、珩磨、研磨等方法作为最终加工工序。而在研磨与珩磨这两项加工方法之间,走在技术前沿的航空航天工业已提出以珩磨代替研磨,可避免研磨带来的压砂效应、变质层问题,以确保产品的可靠性。它们的技术特点有何不同,为何球面加工时珩磨比研磨更加合适?下面就通过对比分析和应用案例来解答。

研磨与珩磨的定义

1.研磨

利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒,通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工(如切削加工)。

研磨可用于加工各种金属和非金属材料,加工的表面形状有平面,内、外圆柱面和圆锥面,凸、凹球面,螺纹,齿面及其他型面。加工精度可达IT5~1级,表面粗糙度可达Ra0.63~0.01微米。

2.珩磨(又称镗磨)

利用镶嵌在珩磨头上的油石(又称珩磨条)对精加工表面进行的精整加工。主要加工直径5~500毫米甚至更大的各种圆柱孔,孔深与孔径之比可达10或更大。在一定条件下,也可加工平面、外圆面、球面、齿面等。

珩磨头外周镶有2~10根长度约为孔长1/3~3/4的油石,在珩孔时既旋转运动又往返运动,同时通过珩磨头中的弹簧或液压控制而均匀外涨,所以与孔表面的接触面积较大,加工效率较高。珩磨后孔的尺寸精度为 IT7~4 级,表面粗糙度可达Ra0.32~0.04微米。

珩磨加工工艺特点

珩磨工艺是磨削加工的一种特殊形式,其本质是低速磨削,也是一种高效的光整加技术,是一种提高工件尺寸精度,几何形状精度和低表面粗糙度的有效方法,其特点是:

1.表面质量好,珩磨后工件表面为交叉网纹,有利于工件润滑油的存储及油膜的保持, 有较高的表面支承率(实际有效接触面积比)。

2.珩磨速度底,由于珩磨条与工件是面接触磨粒,平均磨削压力小,因此工件的发热量小,工件表面无热损伤和变质层。

3.珩磨加工面几乎无“夹砂”和挤压硬质层现象,由于磨床砂轮切削压力大,砂轮和工件是线接触,有着较高的相对速度,因而会在局部区域产生高温,会导致工件表面组织结构的永久性破坏(烧伤);研磨夹砂是由于工件和研具、磨粒在一定压力下的相对运动,在压力的作用下,磨料颗粒通过压力和运动会镶嵌进工件表面,从而造成了夹砂。镶嵌于工件表面的磨料颗粒就会划伤或者磨损其配合的工件表面,影响了工件和整个产品的使用寿命。有时甚至会脱落,造成其组件“咬死”,使整个产品不能正常工作。

球面珩磨加工原理

球面珩磨的工作过程是:球形工件通过工装夹在主轴上,并以一定的速度自转,磨头通过柔性联轴器与磨头电机连接,磨头以一定的转速旋转,磨头电机固定在摆臂上,随摆臂以一定的频率摆动。

为了减小摆轴与磨头电机、磨具(油石)分别与球心不同轴度对加工精度的影响,珩磨头采用柔性联轴器浮动连接(和普通珩磨机相同),以联轴器孔为导向,珩磨时,珩磨头园周上的磨粒与球面上的高点相互干涉,一方面磨粒将球面上的高点磨去,使工件逐渐趋于“标准球”,另一方面球面也相应地使磨粒尖角或整个磨粒破损式脱落,使油石(磨头)得到修整产生的接触刃带与球面吻合。

再由于珩磨头(油石)在珩磨工件过程中,既旋转又做往复摆动,使工件表面形成交叉的螺旋线网纹轨迹。

由于每一次往复摆动行程时间内珩磨头(油石)的转速并非整数,每次行程间珩磨头相对错开一定位置,这样复杂的运动使磨粒在球面运动轨迹不重复,球面每一点磨削机会相等,这时工件球面和油石刃带面不断产生新的干涉点,又不断把干涉点磨去,如此循环,使球面和珩磨头(油石)的接触面积不断增长,相互干涉作用和切削作用不断减弱,球面质量不断提高,逐渐完成球面的珩磨。

球面研磨与珩磨加工对比分析

1.球面研磨属于游离磨料加工,在加工过程中,游离磨料容易嵌进工件表面不易发现,形成夹砂,这对球形工件是致命缺陷;球面珩磨是属于固结磨料加工,固结磨料就是通过结合剂把磨料结合在一起,因此基本不存在嵌砂和夹砂现象;球面研磨过程中,磨料处于游离状态,磨料同时对研具和工件进行“划擦”和“耕犁”,属于“软切削”,因此加工效率低;球面珩磨过程中,磨料相对位置固定,磨料露出的部分对工件表面进行“划擦”和“耕犁”,属于“硬切削”,因此加工效率可以达到研磨的十倍以上。

2.研具和磨料研磨球面时,磨料运动轨迹复杂而不重复,存在随机性,虽然可以获得极低的表面粗糙度值,但对于球面来说不易获得较高的轮廓度;珩磨球面时,磨料的轨迹均匀而固定,一直在高点切削,有利于提高球面的轮廓度。

目前球面珩磨技术应用范围比较少,航空航天、气体半球动压马达使用比较多,特别是在航空航天工业已明确提出以珩磨代替研磨,以避免研磨带来的压砂效应、变质层问题,以确保产品的可靠性。在航空零件加工中,对有高精度配合要求的表面或对偶件工作面已明确提出不允许研磨。用珩磨替代传统的研磨,解决了传统精密研磨的压砂效应、表面变质层问题,提高了加工效率、由于节省了研磨剂从而降低了生产成本,解决了精密研磨清洗难、环境污染和有害健康的问题。

包缝机主轴零件球面对比试验

1.试验目的:主轴连杆组件是包缝机最关键核心部件,对于能否提高包缝机的速度和缝纫性能起到至关作用。试验的目的就是找到并提高包缝机包缝机主轴组件加工和装配精度。

2.试验方法:弯针连杆和主轴球头对研,线切割割掉球头测量。

3.测量工具,杠杆千分尺,光学轮廓仪,10倍放大镜。

4.主轴样本零件采集:河北某公司加工的EX5200主轴组件(配铝连杆);浙江台州加工的A、B、C三家公司加工的EX5200主轴组件;757珩磨球主轴组件。

5.试验结果(球头均为实物测量)

1)河北EX5200主轴球头的轮廓度在0.003-0.004左右,球头表面粗糙度应在Ra0.4-0.6左右,有水纹,弯针连杆与球面的接触面积在60%左右,在对研时有微小的压沙现象。

2)浙江台州A公司生产的757主轴球头轮廓度在0.005到0.006,粗糙度Ra0.4-0.8,弯针连杆与主轴球面的接触面积在40%--50%,明显看出中间接触痕迹较重,由于其没有研磨,不存在压沙现象。

3)台州B公司生产的757主轴球头轮廓度在0.004-0.005左右,C公司的主轴球头轮廓度0.006,这两家由于球头研磨加工,粗糙度比较好,都达到Ra0.2以上。装配弯针连杆后,B公司的主轴球接触面积在60%,而C公司的主轴球接触面积为40-50%左右,由于这两家公司的主轴都是研磨加工,都有大量的压沙现象出现。

4)我们利用珩磨工艺对EX5200主轴球头进行试制,完工后主轴球面轮廓度不超过0.00026(全球面),粗糙度在Ra0.05以下,装配弯针连杆后,接触面积在80%以上,没有压沙现象出现;在7000分/转(实际转速)的转速下连续跑合200小时后用红外线测温仪测量球体表面温度仅为摄氏45°-50°(室温:25摄氏度);且跑合后零件球面磨损只有0.001左右。

6.原因分析

在上述测试中,用弯针连杆和主轴直接对研,球面进行研磨处理的三家公司生产的主轴均有部分黑色物质渗出,经分析,应当是研磨膏对工件表面的破坏即压沙效应,使主轴高速运转时铜(铝)弯针连杆会造成松动。没有进行研磨处理的757主轴组件因为直接磨出,因此没有黑色的物质出现,但由于其轮廓度、粗糙度达不到要求,加上弯针连杆孔的轮廓度明显大于主轴球面轮廓度,使两球面接触面积小于60%,虽然装配时感觉很轻,但长时间跑合测试后出现弯针松动现象。因此改变主轴球头最后光整加工才是做好超高速包缝机的关键所在。目前只能满足757系列包缝机的较低转速(5000试缝)的要求。

球面珩磨在工业缝纫机中的应用

高速工业缝纫机是服装企业进行服装生产的主要设备,由于生产效率的提高,对缝纫机的转速要求不断提高,使得要求缝纫机内部零件特别是精密运动零件的精度需要有质的提升。而主轴等关键零件的质量对缝纫机转速的提升起到关键性的作用。

笔者从2015开始研究球面珩磨机在高速包缝机主轴(EX5200)生产中的实际应用,解决了工装夹具和包缝机主轴球面两端在珩磨中的影响,使其珩磨加工后的轮廓度小于0.001毫米,Ra小于0.05微米。

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