張 寧，李艷琦

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108)

高強度絞絲管滾筒拋光機設(shè)計

張 寧，李艷琦

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108)

結(jié)合行業(yè)發(fā)展及社會實際需求，在對高強度絞絲管的制造工藝進行分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對高強度絞絲管滾筒的拋光設(shè)備，確定了高強度絞絲管滾筒的粗拋、精拋裝備結(jié)構(gòu)，并進行了優(yōu)化設(shè)計，對關(guān)鍵部件進行了尺寸設(shè)計與校核。實踐證明：該拋光設(shè)備運行穩(wěn)定，產(chǎn)品成型質(zhì)量高。

高強度絞絲管;拋光機;結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料管從20世紀40年代開始使用，具有重量輕、耐腐蝕、水流阻力小、節(jié)約能源、安裝簡便且快捷等優(yōu)點，但強度、剛性、抗沖擊性等遠不如金屬管。目前，國內(nèi)研發(fā)出一種新型高強度塑料管(高強度絞絲管)［1-4］，由塑料樹脂和絞絲等制造而成，可克服金屬管和塑料管的不足，是集兩者優(yōu)點于一身的新型管材。該新型高強度塑料管已廣泛用于建筑給排水、飲用水管道以及采暖、化工、石油、天然氣輸送等領(lǐng)域。

高強度絞絲管產(chǎn)品是通過加熱玻纖并纏繞在高強度絞絲管滾筒(模具)上，通過脫模等一系列工序生產(chǎn)出來的。高強度絞絲管滾筒(模具)安裝在龍門銑床的工作臺上，并在龍門銑頭上安裝角度頭，銜接拋光輪速度轉(zhuǎn)向與龍門銑頭的動力頭轉(zhuǎn)向裝置，支撐拋光輪的拋光架安裝在角度頭的螺栓銜接部分。這樣既能保證拋光架的支撐和轉(zhuǎn)動，還易于安裝及拆卸。本文針對高強度絞絲管滾筒的拋光需求設(shè)計了一種拋光設(shè)備。

1 高強度絞絲管滾筒的拋光機設(shè)計因素

在塑料模具加工中所說的拋光與其他行業(yè)中所要求的表面拋光有很大的不同，塑料模具加工以機械拋光為主。由于目前機械拋光主要是靠人工完成，所以拋光技術(shù)是影響拋光質(zhì)量的主要原因。除此之外，拋光質(zhì)量還與模具材料、拋光前的表面狀況、熱處理工藝等有關(guān)。另外，鋼材中的各種夾雜物和氣孔也都不利于拋光。

拋光的工藝分為粗拋和精拋2部分。粗拋的機架結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復雜，根據(jù)砂帶機的工作原理，需考慮以下因素：

1)安裝位置要求。砂輪機不能安裝在正對附近設(shè)備及操作人員或經(jīng)常有人過往的地方。如果因廠房地形的限制不能設(shè)置專用的砂輪機房，則應在砂輪機正面裝設(shè)1.8 m高度的防護擋板，并且要求擋板牢固可靠。

2)砂帶輪的平衡要求。在砂輪高速旋轉(zhuǎn)時，砂帶輪的不平衡會引起振動，加快主軸軸承的磨損，嚴重時會造成砂輪的破裂，甚至導致事故的發(fā)生。所以主動軸與從動軸要保證其平衡，這是此設(shè)計的重點，亦是難點。

3)砂帶機的防護罩。防護罩是砂帶機最主要的防護裝置，其作用是當砂帶輪在工作中因故破壞時，能有效地罩住砂帶輪碎片，保證人員的安全。砂帶輪防護罩的開口角度在主軸水平面以上，不允許超過65°。防護罩的安裝應牢固可靠，不得隨意拆卸或丟棄不用。當防護罩在主軸水平面以上開口大于等于30°時，必須設(shè)擋屑屏板，以遮擋磨削飛屑，避免傷及操作人員。它安裝于防護罩開口正端，寬度應大于砂輪防護罩寬度，并且應牢固地固定在防護罩上。砂輪圓周表面與擋板的間隙應大于6 mm。

4)砂帶機的工件托架要求。托架是砂帶機常用的附件之一，砂帶機應設(shè)置可調(diào)托架，即主動軸是固定的，而從動軸設(shè)置為可調(diào)，以便裝卸砂帶，砂帶輪與托架之間的距離最大不應超過3 mm。

2 拋光機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

高強度絞絲管制備時，將玻璃纖維與聚丙烯等塑料以一定比例纏繞滾筒繞自身水平軸勻速轉(zhuǎn)動，來回交叉纏繞，達到所需厚度，再經(jīng)冷卻脫模。滾筒(模具)作為高強度絞絲管制備過程重要的組成部分，其本身必須達到使用的工藝要求。滾筒修圓工裝專為滾筒加工而設(shè)計。滾筒加工時，將滾筒(模具)固定于工裝支撐架上，其一端用電動機通過齒輪傳動帶動滾筒(模具)轉(zhuǎn)動。整個裝置固定于龍門銑床上，將滾筒不圓處銑圓，再用拋光機將其拋光滑，達到使用要求。

2.1 拋光過渡轉(zhuǎn)向選用的機床附件

拋光工作在龍門銑床上操作進行。因為龍門銑頭上有電機，能帶動銑頭旋轉(zhuǎn)。拋光滾筒工作的方向和銑頭工作轉(zhuǎn)向不一致，所以考慮選用角度頭。機床安上角度頭后，刀具旋轉(zhuǎn)中心線可以與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成一定角度加工工件。使用角度頭無需改變機床結(jié)構(gòu)就可以增大其加工范圍和適應性，使一些用傳統(tǒng)方法難以完成的加工得以實現(xiàn)，并能減少工件重復裝夾，提高加工精度和效率。本文選取AHA系列橫向角度頭(側(cè)銑頭)。如圖1所示，本體采用FCD60-FCD65球狀石墨鑄鐵，該材料剛性強，加工穩(wěn)定，適用于中、輕切削。夾持刀具種類、尺寸多，采用ER32和ER40型式可涵蓋大部分加工應用。

2.2 結(jié)構(gòu)初步建模

通過角度頭螺釘連接的部位固定砂帶機托架，主動軸固定，從動軸通過滑槽移動可調(diào)，以便裝卸砂帶(拋光過程較復雜，要經(jīng)常更換砂帶)。如何保證主動軸和從動軸的平行度是設(shè)計的難點。因為在銑床的電機高速旋轉(zhuǎn)時，拋光時產(chǎn)生的振動會使從動軸發(fā)生偏動，導致拋光效果差。所以在設(shè)計托架即拋光架時，要能承受從動軸工作時的受力引起的偏動，保證一定的強度和穩(wěn)定性。初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖1 AHA系列橫向角度頭及尺寸

圖2 粗拋的拋光機結(jié)構(gòu)初步建模

圖3 粗拋的拋光機結(jié)構(gòu)

2.3 確定拋光機的設(shè)計基本方案并進行整體優(yōu)化

粗拋時的工作狀態(tài)如圖4所示。工作時，手輪靠在圓柱銷上，從動軸靠槽面和彈簧的彈力固定。手輪是凸輪和手柄的焊接件，通過銷軸固定在拋光架上。通過轉(zhuǎn)動手輪，使從動軸在滑槽內(nèi)移動。當手輪凸輪的凹槽部分與從動軸的圓柱面接觸時，機構(gòu)自鎖，這時就可以換砂帶了。采用手輪部件能夠使操作非常省力。

與初步建模的結(jié)構(gòu)圖相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時更能保證主動軸與從動軸的平行性，而且結(jié)構(gòu)部件更為簡單。初步方案是把彈簧放在導桿外，導桿結(jié)構(gòu)細長，設(shè)計上的穩(wěn)定性不夠，另外負載在拋光架上的零件小又多，結(jié)構(gòu)較為復雜，而且拋光架的可調(diào)機構(gòu)是通過調(diào)節(jié)手柄使從動軸沿著滑槽運動。因克服彈簧的彈力做功不容易實現(xiàn)預想的效果，且費力，所以改用凸輪機構(gòu)作為可調(diào)機構(gòu)。

圖4 粗拋的拋光機優(yōu)化結(jié)構(gòu)

2.4 精拋時的拋光機結(jié)構(gòu)設(shè)計

拋光機通過旋轉(zhuǎn)研磨盤或拋光盤來平滑并拋光漆面，以除去微小的漆面缺陷，提高光亮度。目前拋光機所用的拋光盤主要有3種：羊毛盤、粗質(zhì)海綿盤和柔軟海綿盤。其中羊毛盤和粗質(zhì)海綿盤用于中度拋光研磨，而柔軟海綿盤的拋光面大都做成凹凸有序的波浪形，有利于精細拋光。拋光作業(yè)時需要區(qū)分使用拋光盤。精拋時，拋光輪與法蘭盤聯(lián)接后應先進行平衡調(diào)試，砂輪整形修整后或工作中發(fā)現(xiàn)不平衡時應重新調(diào)試至平衡。轉(zhuǎn)盤速度可適當提高。拋光時間以拋掉粗拋的損傷層時為宜。精拋拋光機優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示。

圖5 精拋拋光機結(jié)構(gòu)

圖6 精拋拋光機優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3 拋光機零部件參數(shù)計算

3.1 軸的設(shè)計計算與校驗

本文采用扭轉(zhuǎn)強度條件進行軸設(shè)計計算。軸的材料：主動軸為40Cr，從動軸為45#。銑床的電動機選用伺服電動機，主軸電動機為Y132M-4-B3，7.5 W，380 V，1 450 r/min。依計算公式得：

3.2 彈簧的力學性能校核

圓柱螺旋壓縮彈簧的穩(wěn)定性、強度和共振的驗算：

1)壓縮彈簧穩(wěn)定性驗算。對于高徑比較大的壓縮彈簧，當軸向載荷達到一定值時就會產(chǎn)生側(cè)向彎曲而失去穩(wěn)定性。為了保證使用穩(wěn)定，高徑比b=H0/D應滿足下列要求：

① 兩端固定b≤5.3;

②一端固定另一端回轉(zhuǎn)b≤3.7;

③ 兩端回轉(zhuǎn)≤2.6。

當高徑比b大于上述數(shù)值時，按下式進行驗算

式中：Pc為彈簧的臨界載荷(N);CB為不穩(wěn)定系數(shù)，從圖7中查取;P'為彈簧剛度(N/mm);Pn為最大工作載荷(N)。

查機械設(shè)計手冊，選用圓柱螺旋壓縮彈簧YA 2x16x65 GB/T 2089—1994，b=H0/D=65/16=4.062 5≤5.3。該彈簧屬于兩端固定，符合本產(chǎn)品設(shè)計的要求。

圓柱螺旋壓縮彈簧是裝在拋光架的圓孔中，其圓孔與圓柱螺旋壓縮彈簧之間的間隙要求如表1所示。

表1 導桿、導套與彈簧內(nèi)(外)直徑的間隙值

查取間隙值為2～3 mm，而圓孔直徑是21 mm，圓柱螺旋壓縮彈簧的外徑是18.5 mm，所以間隙值為21-18.5=2.5 mm(滿足2～3 mm要求)。

圖7 不穩(wěn)定系數(shù)

2)強度驗算。對于受循環(huán)載荷的重要彈簧(Ⅰ、Ⅱ類)應進行疲勞強度驗算。受循環(huán)載荷次數(shù)少或所受循環(huán)載荷的變化幅度小時，應進行靜強度驗算。當兩者不易區(qū)別時，要同時進行2種強度的驗算。

表2 高優(yōu)質(zhì)鋼絲、不銹鋼絲、鈹青銅和硅青銅循環(huán)載荷下的剪切強度τ0

靜強度驗算：

式中：τa為彈簧材料的屈服極限，碳素彈簧鋼絲取 τs=0.42σB，硅錳合金簧絲取 τs=0.51τB;SP為許用安全系數(shù)，與疲勞強度驗算的選取相同。

因為彈簧(材料是65Mn)在本產(chǎn)品中受循環(huán)載荷次數(shù)少，且所受循環(huán)載荷的變化幅度小，所以進行靜強度驗算：

式中：根據(jù)文獻［5］、表 2，τa為 0.5σB;根據(jù)文獻［5］、表3，σB=1 650。驗算合格。

3)共振驗算。對高速運轉(zhuǎn)中承受循環(huán)載荷的彈簧需進行共振驗算。驗算公式為：

式中：f為彈簧的自振頻率(Hz);fτ為強迫機械振動頻率(Hz);d為彈簧材料直徑(mm);D為彈簧中徑(mm);n為彈簧有效圈數(shù)。

對于減振彈簧，按下式進行驗算：

式中：g為重力加速度，g=9.8×10-3mm/s2;P'為彈簧剛度(N/mm);W為載荷(N)。

主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核計算及彈簧的力學性能校核計算結(jié)果表明：拋光機能夠滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計的拋光機結(jié)構(gòu)解決了拋光機橡膠輪與鋁輪之間的不平衡問題，有效避免了砂輪高速旋轉(zhuǎn)時引起的振動，減少了不平衡導致的主軸軸承的磨損。試驗證明：所設(shè)計的拋光設(shè)備在高強度絞絲管生產(chǎn)過程中運行穩(wěn)定，粗拋時能夠有效地保證主動軸和從動軸的平行關(guān)系，使得拋光機工作平穩(wěn)。加工的高強度絞絲管產(chǎn)品外觀和表面質(zhì)量等參數(shù)達到設(shè)計要求。

［1］ 潘元平.一種耐用高強度塑料管［P］.中國專利：201210311299.3，2013-01-09.

［2］ 陸琴.高強度塑料管［P］.中國專利：201220381966.0，2013-03-13.

［3］ 武科金.一種高強度新型塑料管件［P］.中國專利：201310211041.0，2013-09-04.

［4］ 蘇國中.高強度塑料管［P］.中國專利：201010299344.9，2011-05-11.

［5］ 濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計［M］.8版.北京：高等教育出版社，2006.

Polishing Machine for High Strength Ground Wire

ZHANG Ning，LI Yan-qi
(School of Mechanical and Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Combined with the requirements of the development of industry and social demands，a polishing machine which can produce the high strength fiber tube is designed on the basis of a detailed analysis of the manufacturing process of high-strength twisted wire tube.Rough cast，fine polishing equipment structure of the high-strength twisted wire tube roller is identified.This paper optimized the structure through check key parts.The polishing equipment can be operated stably，and the quality of the product is stable through practice.

high strength fiber tube;polishing machine;structure design

TH12

A

1674-8425(2014)04-0037-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.04.008

2014-01-25

國家自然科學基金資助項目(501305079);福建省自然科學基金資助項目(2013J01168);福建工程學院科研發(fā)展基金資助項目(GY-Z11075)

張寧(1963—)，男，福建人，高級工程師，主要從事機械設(shè)計及理論、材料加工系統(tǒng)等方面研究。

張寧，李艷琦.高強度絞絲管滾筒拋光機設(shè)計［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2014(4)：37-41.

format：ZHANG Ning，LI Yan-qi.Polishing Machine for High Strength Ground Wire［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：37-41.

(責任編輯 劉 舸)