砂带磨削及其机床设计

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1　前言
　　砂带磨削是根据工件形状，用相应的接触方式及高速运动的砂带对工件表面进行磨削和抛光的一种新工艺。随着汽车、建材、装饰工业、模具工业及其它轻工业的进步和发展，对金属和非金属材料特别是难加工材料如塑料、皮革、橡胶、不锈钢、陶瓷等表面机械加工质量、生产率及劳动环境提出了越来越高的要求，用一般传统的切削加工方法已难以满足这些要求。在过去的五、六十年内，砂带磨削作为一种新工艺，在这些加工领域发挥着越来越大的作用。砂带磨床主要用来作为粗磨、去毛刺、大余量磨削、精磨、细磨、装饰抛光、无心磨以及成形磨削之用。在现代工业中，砂带磨削技术以其独具的加工特点被视为是一种很重要的加工方法。国外有专家曾把砂带磨床比做“未来的巨人”来加以评述。
2　砂带磨削原理
　　实现砂带磨削加工的主要方法有：砂带自由张紧法、带有接触轮的转动砂带法和接触板法。最常用的是带有接触轮的转动砂带法。如图1所示：

图1
1 x8 I, o$ g( D: m" p1 j& F　　砂带套在传动轮、接触轮的外表面上，并使砂带张紧和高速运动，根据工件形状和加工要求，以相应接触方式和适当磨削参数对工件进行磨削或抛光。
　　砂带磨削的基本部件有：
4 S2 T0 m/ p% I$ s3 c( B: t9 Z" ~　　(1) 主轴传动装置。有单速或具有较大灵活性的变速传动，有时装有可逆电动机，以改变砂带的运动方向。皮带速度为10～50m/min,通常取16～30m/min，主传动装置的功率，在每10mm宽的砂带上是0.3～0.7kW。
　　(2) 砂带张紧装置。保持磨削及导向时砂带的适当张力在砂带磨削过程中起到重要作用，它影响到砂带的切削性能和加工零件表面粗糙度。当增加砂带拉力时，可提高金属切除量，但同时也提高表面粗糙度值和磨料覆盖层的消耗量。经试验表明，砂带的张力在6～8N/mm范围内，在逆磨削时每次行程能切出最大的金属量。拉紧机构有各种形式，从简单的机械或弹簧方法到宽砂带与重负载磨削机床用的气动及液压拉紧装置。同时，为了获得最大的生产率，必须使更换砂带的时间最少，通常操作者能在1min之内更换砂带。
　　(3) 砂带导向装置。砂带工作时，惰轮或张紧轮应当可以调整，使砂带定位及对中，根据砂带的宽度，这一装置可以手动或自动。砂带宽度大于200mm时，通常使用自动导向装置，使接触轮与张紧轮之间的砂带自动对正。
2 U/ G2 N9 p4 R+ m) r　　(4) 接触轮。接触轮在磨削点上支承砂带，其本体是用铝或钢制成，轮上覆盖橡胶、纤维、毛毡或其它材料制造的弹性圈(厚度为3～15mm)。根据需要，可制成各种密度橡胶轮，轮的表面制成交错开槽式或平滑式。使用各种橡胶化合物作为接触轮的覆盖面，以满足一定的磨削要。这些化合物包括：氯丁橡胶、乙烯树脂、硅酮橡胶、氯硫酸化聚乙烯合成橡胶。
3 Q% d" C1 T! [4 v　　(5) 若在砂带后面安装一块型板(钢、硬质合金或铸铁平板)来代替接触轮，则可完成磨边、四边形、端面、平面及精磨工作，保证零件的平面度或直线性。
　　此外还有吸尘系统等。
3　砂带磨削特点
　　砂带与易损坏的工具如用于单刃车削、铣削、砂轮磨削等工具相比，具有下列特点：
! i  }# V/ s8 H( ^, b4 _　　(1) 加工效率高。经过精选的针状砂粒采用先进的“静电植砂法”，使砂粒均匀直立于基底、且锋口向上、定向整齐排列，等高性好，容屑间隙大，接触面小，具有较好的切削性能。应用这一多刀多刃的切削工具进行磨削加工，对钢材的切除率已达每mm宽砂带200～600mm3/min。
　　(2) 加工表面质量高。砂带磨削时接触面小摩擦发热少，且磨粒散热时间间隔长，可以有效地减少工件变形及烧伤，故加工精度高，尺寸精度可达±0.002mm；平面度可达0.001mm。另外，砂带在磨削时是柔性接触，具有较好地磨削、研磨和抛光等多重作用，再加上磨削系统振动小，磨削速度稳定使得表面加工质量粗糙度值小，残余应力状态好，工件的粗糙度可达Ra0.4～0.1μm，且表面有均匀的粗糙度。但由于砂带不能修整，故砂带磨削加工精度比砂轮磨削略低。
" I' a: f) P: Q8 O- X　　(3) 工艺灵活性大，适应性强。砂带磨削可以方便地用于平面、外圆、内圆磨削、复杂的异形面加工、切削余量20mm以下的粗加工磨削、去毛刺和为镀层零件的预加工、抛光表面、消除板坯表面缺陷、刃磨和研磨切削工具、消除焊接处的凸瘤、代替钳工作业的手工劳动。除了有各种通用、专用设备外，设计一个砂带磨头能方便地装于车床、刨床和铣床等常规现成设备上，不仅能使这些机床功能大为扩展，而且能解决一些难加工零件如超长、超大型轴类、平面零件、不规则表面等的精密加工。
' i. b) K; t; |. u8 b　　(4) 砂带有很大的弹性，因而整个系统有较高的抗振性。
, `5 Z* i. ~( V/ \: S　　(5) 砂带尺寸可 很大，适用于大面积高效率加工，且设备简单，操作安全，使用维护方便，更换砂带和培训机床操作人员花费时间较少。
　　(6) 在加工过程中砂带增长，外形和尺寸达不到高精度，加工零件上的尖锐突出部位和用细粒度磨料精磨困难，砂带的坚固性比较低，同时在大多数情况下砂带不可能修正，所以使用期限短。
4　砂带磨床设计
0 X- k* l' m( N$ J4 Y- J4 s　　根据某厂要求，对该厂的反应罐内壁采用了砂带磨削加工，目的是去除该零件内壁氧化皮等表面缺陷，以有利于内壁搪瓷。该零件尺寸较大，原来采用砂轮磨削加工，加工中噪声很大，切屑到处飞扬，工作环境极差。该机床设计主要有下面三部分内容(见图2)：
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图2
! n# p! Q& H5 c$ n3 N4 ]" H: y6 `7 a　　(1) 传动设计
/ x- B' w+ M3 w8 ]5 x$ y8 W　　该机床传动设计相对较简单，主要由三部组成：
% I% l; f$ @, n9 P. S: g9 R　　① 砂带的主运动。由电动机直接带动砂带机构运动，由于反应罐直径大。轴向较长，因此电动机前端的轴为悬臂式，焊接的机座结构刚性要好，尤其要注意焊接引起的内应力。
　　② 砂带的进给运动。砂带的进给运动通过由丝杠螺母机构组成的小车机构带动整个砂带机构沿反应罐轴向运动。为了在加工结束时使砂带机构以快速返回，因此该机床设有快速电机，快速电机与进给电机之间通过超越离合器连接。
( m$ S( e! o2 g- }　　③ 工件的进给运动。由于工件较大，所以单独设立电动机通过皮带轮及齿轮降速带动反应罐转动。
& G' A9 U! p4 {/ I　　(2) 主要机构设计
/ w' c0 S$ g/ A* D　　① 砂带张紧装置。此机构主要是通过丝杠和弹簧来调整接触轮与工件的相对位置，以及使张紧轮保持一定的张力。
　　② 接触轮设计。由于该零件尺寸较大，并且是用作粗加工，故选用较硬的橡胶接触轮，接触轮直径为250mm，在接触轮表面采用较宽的沟槽纹和较窄的工作表面，以增加压强、提高切削效率和砂带寿命，根据该零件特点，沟槽纹间距取为10mm。
2 g- ~; D( V/ D2 R, F! z0 J3 ^　　(3) 主要技术参数选择
　　砂带速度20～30m/s，砂带长度2500～3150mm，宽度200mm，砂带电动机功率7.5kW。
' S6 ^4 T9 u( K: v" y5　结束语
　　砂带磨削作为一门新技术，在国际上已有各类砂带机产品应用，国内尚处在推广应用阶段，它的优越性已逐步被人们所认识。如果这一新技术得到进一步推广应用，必将对我国的制造业产生较大影响，同时也会对目前不景气的各中小企业降低成本、提高效率及提高产品加工精度起到重要作用。
文章关键词： 机床设计