郭慶平

(山西經(jīng)緯化纖機(jī)械股份有限公司,山西 晉中 030601)

0 引言

微型沖頭是沖制化纖噴絲頭微孔的重要刀具，直接影響噴絲頭上微孔加工的精度。由于噴絲微孔直徑最小為0.04 mm、最大為0.25 mm，其加工刀具沖頭材質(zhì)特殊、精度高、加工難度大。

1 微型沖頭

1.1 分類(lèi)

微型沖頭在工序中使用時(shí)，頭道沖孔使用頭道沖頭，二、三道沖孔及修孔時(shí)分別使用二、三道沖頭及修孔沖頭。不同類(lèi)型的沖頭因材質(zhì)和使用環(huán)境不同，其加工方式也不同。

1.2 材質(zhì)

頭道沖頭采用直徑為1.5 mm的鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金YG11C棒料，硬度為85 HRA～87 HRA，硬度高、加工難度大。二、三道沖頭通常用φ1.2 mm×40 mm的70鋼或GCr15鋼棒料，加工好的沖針硬度為58 HRC～62 HRC；或采用粉末冶金制造的W6Mo5Cr4V3Co8高性能高速鋼制成φ1.2 mm×40 mm的棒料，硬度不小于65 HRC。

1.3 結(jié)構(gòu)

1.3.1 頭道沖頭

頭道沖頭一般為圓錐形，如圖1所示。其錐形角與噴絲微孔的錐形角相同，長(zhǎng)度與要加工坯料厚度一致，并且測(cè)量位置的尺寸要保證噴絲微孔的直徑和長(zhǎng)度。頭道沖頭的表面粗糙度Ra值一般要達(dá)到0.2 μm，才能保證沖孔不斷針或少斷針，使沖出的錐形噴絲微孔表面光滑。根據(jù)錐形噴絲微孔的要求不同，頭道沖頭的錐形部分可加工為圓錐形、圓弧形、雙曲線形等。

圖1 頭道沖頭結(jié)構(gòu)

1.3.2 二、三道沖頭

二、三道沖頭由圓錐、圓柱、圓錐組成，如圖2所示。其圓錐部的角度應(yīng)小于頭道沖頭的角度，才能保證在二、三道沖孔時(shí)不擠壓成形的錐孔；圓柱部分是二、三道沖頭的關(guān)鍵工作部分，直接影響噴絲微孔直孔的尺寸、孔形和表面粗糙度；圓錐尖部分根據(jù)頭道孔為二、三道沖孔預(yù)留余量調(diào)整形狀和大小。

圖2 二、三道沖頭結(jié)構(gòu)

2 沖頭制造工藝的發(fā)展

原來(lái)加工噴絲頭微孔用的沖頭是在半自動(dòng)設(shè)備上依靠手工制造，不僅生產(chǎn)效率較低，而且加工精度難以保證。最早的頭道沖頭采用CoCrWMo合金與焊條熔煉澆鑄后作為沖頭材料與鋼絲焊接，然后手工粗、精磨成型；后期采用進(jìn)口鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金棒料，在顯示器屏幕上放大進(jìn)行車(chē)削加工、手工拋光。二、三道沖頭的加工則是將φ1.2 mm的鋼絲棒料粗車(chē)成錐形，熱處理后裝在夾頭上，用投影儀放大沖頭圖形，通過(guò)比對(duì)加工的方法對(duì)沖頭進(jìn)行磁刀片成形粗磨、拋光板精磨等工藝以達(dá)到技術(shù)要求，沖頭的加工精度完全依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)保證，受人為因素的影響較大。

當(dāng)前采用的自動(dòng)加工模式，使沖頭的加工精度和穩(wěn)定性大幅提高，而且實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作，生產(chǎn)效率成倍提高[1]。

3 微型沖頭自動(dòng)加工

3.1 數(shù)控磨針機(jī)

噴絲頭沖孔用三道沖頭在定制的數(shù)控磨針機(jī)上，通過(guò)CNC程序?qū)崿F(xiàn)不同工序和不同型號(hào)沖頭的自動(dòng)加工，同時(shí)采用可編程控制器PLC進(jìn)行自動(dòng)控制，可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小，可在線修改控制程序，具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)等功能[2]；采用 0.5 μm金屬光柵尺和精密導(dǎo)軌、絲杠、伺服電機(jī)組成高速、穩(wěn)定的工作位移系統(tǒng)，可保證設(shè)備高速、高精度和高效率的加工要求；高精度的主軸夾筒，使裝夾的重復(fù)精度約為±0.05 μm；高清的CCD影像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以x，y軸調(diào)節(jié)移動(dòng)對(duì)坯料的初始位置定位，以保證每根沖頭的磨削長(zhǎng)度誤差，實(shí)現(xiàn)磨加工過(guò)程中影像實(shí)時(shí)比對(duì)、停機(jī)后實(shí)時(shí)測(cè)量，保證合格品下料、NG品分段修整；操作可自動(dòng)或手動(dòng)按需要進(jìn)行切換。

數(shù)控磨針機(jī)如圖3所示，其主要機(jī)構(gòu)包括：檢測(cè)部分——相機(jī)，鏡頭，光源；控制部分——伺服電機(jī)，

1—顯示器；2—視覺(jué)系統(tǒng)；3—砂輪修整裝置；4—吸塵器；5—砂輪主軸；6—操作按鈕；7—主軸。

直流電機(jī)，直線電機(jī)；加工操作部分——顯示屏，操作按鈕，鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，手輪，主軸，砂輪等；電控箱體——控制器及主電路；吸塵部分——吸塵器。

3.2 調(diào)試準(zhǔn)備

在加工某種型號(hào)的沖頭之前，先對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，主要是用直徑為75 mm、粒度為3000號(hào)的紅寶石砂輪對(duì)刀具進(jìn)行修整，之后根據(jù)來(lái)料毛坯形狀、產(chǎn)品最終形狀、長(zhǎng)度以及開(kāi)粗程序路徑等對(duì)刀，以確定加工起始點(diǎn)，其中x向、y向起始點(diǎn)相當(dāng)于數(shù)控設(shè)備的工件原點(diǎn)；在加工中根據(jù)實(shí)際測(cè)量值隨時(shí)設(shè)置、調(diào)整各項(xiàng)加工參數(shù)。

3.3 磨削實(shí)例

以加工圖4所示的PY86-5400-0.09型噴絲頭所用三道沖頭為例，將備好φ1.2 mm×40 mm的高速鋼棒料，裝夾在機(jī)頭主軸筒夾上，在操作面板上點(diǎn)綠色啟動(dòng)按鈕，紅寶石砂輪即按照設(shè)定程序進(jìn)行自動(dòng)加工。

圖4 PY86-5400-0.09型噴絲頭用三道沖頭

具體加工分為5個(gè)步驟，如下。

a) 粗加工，用紅寶石砂輪磨削去除棒料多余材質(zhì)，定位好加工起始位置。

b) 半精加工，按程序給定加工路徑分次進(jìn)行磨削，半精加工完成后設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，反饋?zhàn)詈缶庸?yīng)該控制的加工余量。

c) 精加工，根據(jù)檢測(cè)位置的實(shí)際值確定最后精加工的進(jìn)刀量，按下精加工程序，加工完畢后程序進(jìn)行最后完工檢測(cè)。

d) 修整砂輪，放在整個(gè)自動(dòng)加工程序的最后、為下次加工做好刀具準(zhǔn)備，一般程序設(shè)定修整3次，每次修正量為0.01 mm。

e) 拋光，打開(kāi)設(shè)備上的環(huán)形上光源，用金鋼石粉拋光膏手工拋光加工好的沖頭，使表面粗糙度Ra值達(dá)到0.1 μm，在屏幕上觀察至沖頭表面光滑、無(wú)加工痕跡。

3.4 φ0.09 mm三道沖頭的磨削及檢測(cè)

通過(guò)CCD視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)沖頭進(jìn)行邊緣檢測(cè)，即將物體的輪廓或物體不同表面之間的交界在圖像中進(jìn)行反映[3]，通過(guò)檢測(cè)程序得出實(shí)際數(shù)值。用數(shù)字圖像處理技術(shù)作為測(cè)量手段是很大的技術(shù)進(jìn)步，特別是應(yīng)用在微小尺寸刀具的測(cè)量中[4]， 因?yàn)檫@種測(cè)量方法是非接觸測(cè)量，能最大程度避免人為誤差。

PY86-5400-0.09-3型沖頭檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 PY86-5400-0.09-3型沖頭檢測(cè)數(shù)據(jù) 單位：mm

根據(jù)表1中對(duì)φ0.09 mm三道沖頭的尺寸要求，10只沖頭樣本的各項(xiàng)要求均為合格，手工快速拋光沖頭的表面粗糙度Ra值可達(dá)到0.1 μm，其關(guān)鍵尺寸波動(dòng)小、均達(dá)到公差要求，且沖頭外形圓柱度好，表面光滑，產(chǎn)品合格率大幅提高。

4 結(jié)語(yǔ)

噴絲頭作為紡絲機(jī)的關(guān)鍵部件，其噴絲孔的粒度和質(zhì)量與成品絲質(zhì)量密切相關(guān)，采用數(shù)控磨針機(jī)加工化纖噴絲頭用沖頭，實(shí)現(xiàn)了沖頭加工自動(dòng)化，保證噴絲微孔的孔形及尺寸。多角度砂輪修整裝置與高精度光柵配合，CCD影像視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)，動(dòng)作精準(zhǔn)、完全代替人工操作，CCD視覺(jué)定位測(cè)量使加工質(zhì)量提高，滿(mǎn)足了微型沖頭高精度、高效率的加工要求。