砂带磨削在普通车床上的应用研究 - 文章

砂带磨削在普通车床上的应用研究

作者：李虹田宝俊边秋梅

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摘　要：目的　研究砂带磨削在普通车床上的应用。方法　根据砂带磨削的原理、特点，设计了砂带磨削装置，并通过试验证明了其工艺效果。结果　在车床上采用砂带磨削装置对细长轴零件进行精加工，能有效地降低表面粗糙度，提高加工精度。结论　该工艺为机床的改造提供了一种有效途径。
关键词：砂带；砂带磨削；车床；应用

The Application of Abrasive Belt Grinding to the Ordinary Lathes

LI Hong，TIAN Bao-jun，BIAN Qiu-mei
(Dept. of Mechanical Engineering，North China Institute of Technology，Taiyuan 030051，China)

Abstract：Aim　To research the application of the abrasive belt grinding on the lathe. Methods　According to the principle and characters of abrasive belt grinding，a special device has been designed. Results　On the lathe，precision machining of long and thin shafts with coated abrasive belt grinding device is realized. It can effectively reduce the surface roughness of workpieces and increase the machining precision. The technological advantage has been proved. Conclusion　An effective way to reform the ordinary lathe as a grinding machine is provided.
Key words：abrasive belts；abrasive belt grinding；lathes；application

目前，对单件小批量细长轴、大尺寸和重型零件的精加工缺乏相应的精加工机床，特别是中小型企业，因资金有限，不可能为此专门购置相应的精加工机床，所以笔者建议采用砂带磨削技术改造普通车床，实现普通机床加工高质量零件。

1　砂带磨削原理和特点

砂带是一种由磨料、柔软基体和粘结剂制成的带状磨具，其切削功能主要由粘附在柔软基体上的磨粒来完成[1]。砂带磨削则是根据工件的几何形状，用相应的接触方式使砂带与工件表面相接触，并产生相对摩擦，从而进行磨削和抛光的一种冷态磨削方式。开式和闭式砂带的磨削原理和装置简图分别如图1，图2 所示。

1电机；2放带轮；3箱体；4收带轮；5拖板；6刀架；7工件；8砂带系统；9减速器
图 1　开式砂带磨削原理和装置

1主动轮；2连杆；3张紧轮；4工件；5接触轮；6砂带；7电机轴
图2　闭式砂带磨削原理和装置

开式砂带磨削采用成卷的砂带，电机经减速机构带动收带轮作极缓慢的转动，带动砂带作缓慢的移动。砂带由接触轮压向工件，通过工件作高速回转实现对工件表面的磨削加工。由于砂带缓慢的移动，磨粒不断投入磨削，磨削效果一致性好，所以，多用于精密和超精密加工。

闭式砂带磨削采用环形砂带，通过接触轮与张紧轮张紧，由电机传动主动轮带动砂带作高速回转，同时工件作回转运动，砂带头架作纵向及横向进给，实现对工件的磨削加工。砂带磨损后更换新砂带。闭式砂带磨削由于砂带高速回转易发热且噪声大，所以磨削质量不及开式砂带磨削方式；但闭式砂带磨削效率高，适宜粗加工、半精加工及精加工。

砂带磨削具有以下主要特点：

(1) 与砂轮磨削相比，它是用砂带作为磨削工具，而砂带一般只有一层磨粒，加工中无需修磨，在磨粒钝化后只需将其更换便可。这不仅使设备简单、操作方便，而且更能保证高的生产率。
(2) 砂带磨削所使用的砂带是一种涂附磨具，采用静电植砂方式制作，利用高压静电吸附原理，使经过精选的磨粒能按自身长轴方向定向排列，且分布均匀，因而其等高性好。磨粒锋刃朝外，较之砂轮具有较好的容屑和排屑条件，从而可长时间地保证高的工效及稳定的加工质量。
(3) 砂带磨削属弹性磨削，与砂轮磨削相比，其径向抗力小，磨削温度低，所以工件不易变形，表面不易出现过烧、裂纹等缺陷，具有较好的表面质量。
(4) 从经济效益来说，与砂轮磨削相比较，砂带磨削装置结构简单、制造容易、设备价格低，特别是利用前一工序的现有设备加上砂带磨削装置，对工件进行磨削和抛光加工，不仅节省了设备购置费用，而且节省了大量的工件搬运、装夹和调整工时，因此砂带磨削工艺具有明显的经济效益。

2　砂带磨削装置

为了对上述原理进行实验论证和研究，笔者设计了一个砂带磨头(见图 1，图 2)，将其装夹在 CM6125 车床的横拖板上，可以随车床横拖板作纵向和横向进给运动，很好地解决了细长轴磨削加工问题，其车床上的布置如图 3 所示。

图 3　砂带磨削装置布置俯视示意图

该装置的显著特点是集开式磨削与闭式磨削于一体，可根据加工需要自由地选用这两种磨削方式之一。开式砂带磨削装置(见图 1)由电机、减速器、放带轮、收带轮和接触轮组成，可实现开式砂带磨削；闭式砂带磨削装置是在开式砂带磨削的基础上，拆掉减速系统、收带轮和放带轮，然后将电机水平转 90°，在其输出轴上装一主动轮，再增加一个张紧轮，用来张紧砂带，由主动轮、张紧轮和接触轮构成闭式砂带磨削装置(见图 2)。两种磨削方式各有优点：开式砂带磨削时砂带一次性使用，砂带由收带轮带动连续缓慢地运动，使切削部位的砂粒一直保持新鲜锋利，可使工件各不同部位的表面质量均匀一致，但 Ra 值稍大；而闭式砂带磨削时，砂带高速旋转，循环使用，随着磨削时间的增加，砂带磨粒磨损导致加工表面质量均匀一致性差，但具有一定的抛光作用，Ra 值小。

在该装置中，砂带接触轮系统是核心结构。接触轮在砂带磨削中不仅要支承砂带，承受磨削压力，有时还兼作驱动轮传递动力和运动，其设计制造精度及运动精度都会通过砂带影响加工质量、效率及工作可靠性，因此接触轮系统的设计极为重要。接触轮采用光滑型接触轮，其外表面是一层橡胶，可采用热补法或其它方法将其固定在轮毂上，使其牢固地成为一体。根据工件精度和表面粗糙度的不同要求，选择不同硬度的橡胶材料。另外，在砂带磨削中，接触轮与工件以直线形式接触进行磨削和抛光。当接触轮与工件轴线不平行时不仅会导致加工误差，降低砂带的利用率，同时容易产生砂带跑偏现象，因此作者将接触轮系统设计为两个方向可调偏结构(见图 4)。当旋转微调螺钉副 5 时，接触轮轴 2 可在 XOZ 面内摆动，实现该方向调偏；当旋转接触轮支架 6 下的一对球头螺钉 1 时，可使支架 6 绕螺栓 7 在 XOY 面摆动，实现该方向调偏。

图4　调偏机构

3　砂带磨削实验和效果

在 CM6125 车床的横拖板上装夹砂带磨削装置，对直径 (10～50) mm，长径比 7～20 的细长轴进行砂带磨削。首先利用 CM6125 车床对工件进行粗车、半精车和精车，然后用砂带磨头进行磨削加工，降低表面粗糙度，提高加工精度。工件装夹是通过前后顶尖来实现的，前顶尖采用死顶尖由拨盘带动，尾顶尖采用活顶尖。

实验方案采用正交实验[5]和单因素对比实验。正交实验中以影响工件表面粗糙度值最大的因素即工件转速、纵向进给度和磨削深度 3 个参数作为正交试验的 3 个因素，因素水平如表 1 所示。为了在更多的磨削条件下选择较好的磨削工艺参数，安排了 9 组正交试验，采用 L9(3⁴)表头设计安排实验。表 2 为 L9(3⁴) 正交表及数据处理，表 3 为方差分析。

表1　因素水平表

因素水平	f/(mm^.r^-1)	n_W/(r^.min^-1)	a_p/mm
1	0.05(f₁)	400(nW₁)	0.05(a_p1)
2	0.02(f₂)	1 000(nW₂)	0.08(a_p2)
3	0.1(f₃)	800(nW₃)	0.07(a_p3)

表 2　正交表及数据处理

实验号	因素	a_p	f		n_W	目标表面粗糙度y_i /μm
实验号	列号	1	2	3	4	目标表面粗糙度y_i /μm
1		1	1	1	1	1.44
2		1	2	2	2	1.00
3		1	3	3	3	1.20
4		2	1	2	3	1.44
5		2	2	3	1	1.04
6		2	3	1	2	1.04
7		3	1	3	2	1.16
8		3	2	1	3	1.00
9		3	3	2	1	1.12
Ⅰ_j		3.64	4.04	3.48	3.6	G=∑y_i =10.44 G²=108.993 6
Ⅱ_j		3.52	3.04	3.56	3.2
Ⅲ_j		3.28	3.36	3.4	3.64
R²_j=Ⅰ²_j+Ⅱ²_j+Ⅲ²_j		36.398	36.853	36.344	36.449 6	CT=G²/9=12.110 4
R²_j/3		12.133	12.284	12.114 7	12.149 9
S_j=R²_j/3-CT		0.022 4	0.173 9	0.004 27	0.039 5

表 3　方差分析

方差来源	SSD	N(自由度)	V(方差)	F(方差比)	置信限	显著性
a_p	0.022 4	2	0.011 2	5.246	F_0.1(2，2)=9	一般
f	0.173 9	2	0.086 9	40.73	F_0.01(2，2)=99	显著
n_W	0.039 5	2	0.019 7	9.24	F_0.05(2，2)=19	一般
e	0.004 27	2	0.002 1

正交实验综合考察了磨削用量对磨削加工表面粗糙度的影响，单因素对比实验则分别考察了不同砂带速度、纵向进给速度、工件转速、磨削深度、接触轮硬度等对砂带磨削表面粗糙度的影响。实验时，当考察某因素的影响时，就改变该因素水平，而将其它因素的水平固定。
实验结果：

(1) 正交实验中[2]，所考察的 3 个影响表面粗糙度的因素中，纵向进给量 (f) 的影响最大，工件转速 (nW) 次之，设定切深 (ap) 影响最小；
(2) 合理的开式磨削参数为[2]：nW=1 000 r/min，nS=3 r/min(砂带转速)，ap=0.07 mm，f=0.02 mm/r；
(3)合理的闭式磨削参数为[2]：nW=250 r/min，nS=300 r/min，ap=0.07 mm，f=0.2 mm/r；
(4)该工艺达到的技术指标为[3，4]：表面粗糙度 Ra(0.32～0.68) μm，尺寸精度 IT5～IT7，圆度 (5～7) 级。

4　结　论

实验证明，普通车床装夹砂带磨削装置，用于磨削细长轴类零件，可以降低表面粗糙度，提高加工精度，尤其在降低表面粗糙度方面效果更加明显。同时，由于用较低的资金投入加工出了高质量的工件，因而该工艺具有明显的经济效益。这种尝试为改造普通车床、拓宽其用途取得了有益的经验，并提供了一种有效的途径。

李虹(1966-)，女，讲师，硕士。从事专业：机械制造。
李虹（华北工学院机械工程系，山西太原 030051）
田宝俊（华北工学院机械工程系，山西太原 030051）
边秋梅（华北工学院机械工程系，山西太原 030051）

参考文献：
[1]　李伯民. 实用磨削技术
[2]　李虹. 细长轴砂带磨抛工艺研究
[3]　李虹. 砂带磨抛细长轴精度研究
[4]　李虹. 细长轴砂带磨抛表面粗糙度研究
[5]　杨惠莲. 误差理论与实验设计(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/2/2005)


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