陶瓷防護板切割機床的改進和工藝研究

段學俊，聶鳳明，吳慶堂，李　珊，魏　巍，吳　煥，王　凱，郭　波

(長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012)

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陶瓷防護板切割機床的改進和工藝研究

段學俊，聶鳳明，吳慶堂，李珊，魏巍，吳煥，王凱，郭波

(長春設備工藝研究所，吉林 長春 130012)

針對我國防護板切割加工行業(yè)中碳化硅陶瓷板材切割加工時表面質(zhì)量差的問題，以及高效率、高精度和高質(zhì)量的生產(chǎn)需求，對龍門數(shù)控大型切割加工裝置進行改裝，并使用其進行生產(chǎn)加工試驗。通過對夾緊裝置結(jié)構(gòu)的改進，提高了切片夾緊的可靠性和穩(wěn)定性；同時增加了轉(zhuǎn)臺編碼器，提高了旋轉(zhuǎn)定位精度；并通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，提高了切割表面的質(zhì)量；利用數(shù)控程序進行自動切割，提高了生產(chǎn)效率，改善了切縫處的面形質(zhì)量以及尺寸精度。改進后的裝置已應用到碳化硅陶瓷板材切割加工的相關(guān)行業(yè)中，在我國防護板復合型板材的加工領(lǐng)域內(nèi)具有較強的針對性，具備廣闊的市場前景。

機床改裝；數(shù)控；防護板；崩邊；裂痕

陶瓷是一種具備高硬度、輕質(zhì)量特性的材料，在防御動能彈和彈碎片方面具有很強的性能，廣泛應用于單兵防護和車輛裝甲防護中[1-3]。目前，在防護板制造中，碳化硅陶瓷應用最為廣泛。采用熱壓工藝將其與金屬壓制在一起可制成優(yōu)良的防護材料[4-7]。本文針對碳化硅陶瓷在切削加工時產(chǎn)生崩邊、裂痕的不良現(xiàn)象，以及相關(guān)加工行業(yè)中高效率、高精度和高質(zhì)量的生產(chǎn)需求，以碳化硅陶瓷防護板作為加工對象，對龍門數(shù)控切割裝置進行改進。

1　存在的問題及解決措施

在試驗過程中，部分結(jié)構(gòu)對加工產(chǎn)生了不利影響，有待改進。本文著重對切片容易出現(xiàn)松動和蝸輪蝸桿傳動返程間隙影響轉(zhuǎn)臺定位的問題進行分析，并提出解決方案。

1.1切片出現(xiàn)松動問題

在原設計中，對軸端的雙螺母進行預緊，壓力通過壓板轉(zhuǎn)化為對切片側(cè)面的摩擦力，從而實現(xiàn)對切片的壓緊。切片安裝底座及壓板直徑均為110mm，而所用金剛石切片直徑為350mm，壓板對切片產(chǎn)生的摩擦力矩十分有限。原切片夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　原切片壓緊工裝

隨著加工件數(shù)的增多，鋒利切片的刀刃會逐漸變鈍，因此，切片對壓板壓緊力的要求越來越大。當壓板的壓緊力無法滿足切片所需的摩擦力矩時，會出現(xiàn)板材切縫將切片夾死而主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的情況，此時切片內(nèi)孔會損壞切片安裝座的光軸部分，同時壓板的內(nèi)孔也會受到安裝座的磨損。這會使夾具部分的2個零件造成損壞，無法進行刀片的再次裝夾，設備無法繼續(xù)加工，影響生產(chǎn)效率。

解決方案是將切片的壓緊部分及相關(guān)的切片罩重新進行設計，夾具部分包括切片安裝底座、壓板及鎖緊螺母。將底座及壓板直徑由原來的110mm加大到200mm，以便于加大摩擦力矩；底座的厚度加大到25mm，保證了其自身的強度；將安裝座外邊緣25mm的圓環(huán)區(qū)域作為與切片的接觸面，保證了理論摩擦面全部與切片接觸；鎖緊螺母螺紋采用梯形螺紋，旋向分別制成左旋和右旋，以滿足切片反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)的需求，同時可以使用大力矩扳手進行預緊。改進后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　改進后的切片裝夾形式

使用該夾具結(jié)構(gòu)進行長期的切割試驗，切片在使用壽命內(nèi)不再出現(xiàn)被抱死的現(xiàn)象。使用該結(jié)構(gòu)可以快捷地拆裝切片，并可提供極大的壓緊力，從而保證了夾具的可靠性。

1.2轉(zhuǎn)臺回程間隙問題

本裝置中轉(zhuǎn)臺的主要作用是實現(xiàn)板材工件的旋轉(zhuǎn)，使用中要求轉(zhuǎn)臺可進行正反2個方向交替的旋轉(zhuǎn)，且運行平穩(wěn)，速度不宜過快。為獲得大的傳動比，采用蝸輪、蝸桿作為傳動裝置，伺服電動機作為動力輸出裝置通過柔性聯(lián)軸器與蝸桿直聯(lián)。由于蝸輪、蝸桿嚙合中存在間隙，加上其加工誤差和裝配誤差的影響，轉(zhuǎn)臺在保持一個方向的旋轉(zhuǎn)時，輸入的指令和實現(xiàn)的轉(zhuǎn)角保持一致，定位精度滿足要求。當轉(zhuǎn)臺的順時針、逆時針轉(zhuǎn)動交替進行時，則會出現(xiàn)轉(zhuǎn)臺角度定位不準確的情況，影響加工精度。

蝸輪、蝸桿回程間隙對轉(zhuǎn)臺定位精度的影響可以通過下述幾個方法解決：1)采用雙導程蝸輪蝸桿裝置；2)反轉(zhuǎn)時通過電氣系統(tǒng)對角度差量進行補償；3)在轉(zhuǎn)臺主軸端加入編碼器，實現(xiàn)對C軸的閉環(huán)控制。

雙導程蝸輪蝸桿屬于精密傳動裝置，可以將間隙調(diào)整為0，但是造價昂貴，與本裝置并不匹配，況且也不滿足裝置的造價成本要求；另外，如對原有蝸輪蝸桿進行替換，還會帶來繁重的工作量，并且不能保證二次裝配的精度。因此，本裝置的轉(zhuǎn)臺不適合采用該方案。

通過電氣系統(tǒng)對反轉(zhuǎn)時的角度差值進行補償，在理論上可以消除回程間隙對傳動精度的影響[8]。本裝置在現(xiàn)場調(diào)試過程中嘗試用該方法進行調(diào)整，并沒有達到理想效果，其原因如下：由于受蝸輪蝸桿加工誤差和裝配誤差的影響，不能保證嚙合間隙的均勻分布，即蝸輪轉(zhuǎn)至不同的角度，其需要消除的回程間隙并不相同，而電氣系統(tǒng)的角度補償卻無法做到實時變化；因此不能保證轉(zhuǎn)臺的定位精度及其穩(wěn)定性。

本設計采用在轉(zhuǎn)臺主軸下端加編碼器的方法，通過對C軸的閉環(huán)控制保證了轉(zhuǎn)臺的定位精度。當轉(zhuǎn)臺按順時針、逆時針方向交替旋轉(zhuǎn)后，角度編碼器將轉(zhuǎn)臺實際旋轉(zhuǎn)角度反饋給數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將其與理論旋轉(zhuǎn)角度進行比較，并將角度差值進行相應量的補償，使轉(zhuǎn)臺最終停在所要求角度上。與第2種利用電氣系統(tǒng)進行差量補償?shù)姆椒ㄏ啾?，此種方法不受蝸輪蝸桿各個位置間隙量不同的因素影響。由于編碼器可以對轉(zhuǎn)臺的實際位置進行高精度的測量及反饋，從而解決了轉(zhuǎn)臺因返程間隙帶來定位不準的問題。改進后轉(zhuǎn)臺軸下方的機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)臺軸加入編碼器后的結(jié)構(gòu)

2　附件使用情況

激光對刀裝置的應用較傳統(tǒng)的對刀方式在對刀的精度和效率方面都有很大的提升。在相同試驗條件下，使用氣動壓緊裝置加工出工件的質(zhì)量要明顯高于未使用該裝置時的加工質(zhì)量。該裝置具有操作方便的優(yōu)點，僅用一鍵即可完成壓緊和松開動作。大量的試驗過后，觀察X、Y、Z軸進給機構(gòu)中的導軌和絲杠、主軸兩端軸承、履帶輪軸承等部件的防塵情況。本設計中涉及到的風琴式整體及局部防護、迷宮密封具有良好的防塵效果。

3　陶瓷板切割加工試驗

陶瓷板在切割加工時主要受到主軸轉(zhuǎn)速、Z軸進給量和Y軸進給速度的影響。不同參數(shù)的設定可以獲得不同的切面質(zhì)量。本文通過觀察和分析不同參數(shù)加工出的切面質(zhì)量，總結(jié)出了最佳工藝參數(shù)。下述以15mm厚碳化硅陶瓷板材為例，在主軸多楔帶輪傳動比為1∶2.3的條件下進行切割加工試驗。

下述為不同主軸轉(zhuǎn)速、不同Y軸進給速度、不同Z軸進給量對加工質(zhì)量及裝置機械結(jié)構(gòu)的影響。分別設定不同主軸轉(zhuǎn)速，不同Y軸進給速度，不同Z軸進給量進行試驗，具體情況見表1～表3。

表1　試驗1參數(shù)表

表2　試驗2參數(shù)表

表3　試驗3參數(shù)表

4　試驗結(jié)論

4.1整體運行情況

經(jīng)試驗，該切割裝置整體運行平穩(wěn)，各進給軸行程、進給速度和進給精度滿足設計要求，隨動壓緊裝置、轉(zhuǎn)臺的鎖緊機構(gòu)運行平穩(wěn)可靠。

4.2最佳工藝參數(shù)

由表1可知，主軸轉(zhuǎn)速對切面加工質(zhì)量影響較大，轉(zhuǎn)速越高，切削質(zhì)量越好；但是主軸轉(zhuǎn)速過高會超出設備本身的強度負荷，使設備各機械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振，從而對切割質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。

由表2可知，Y軸進給速度同樣對切面的加工質(zhì)量有較大影響，進給速度太高或太低都不利于加工出高質(zhì)量的工件，并且Y軸進給速度設置過低不利于提高設備的加工效率，對于大批量生產(chǎn)，不能滿足其生產(chǎn)綱領(lǐng)。

由表3可知，Z軸進給量的大小對切面質(zhì)量的影響較小，對加工效率的影響較大。依據(jù)表中記錄可知，同一工件分1次、2次和3次切割的加工效果無明顯區(qū)別，但加工效率成倍降低；因此，用戶可根據(jù)自身情況在質(zhì)量和效率間進行折中考慮，并選擇合適的參數(shù)。

動平衡參數(shù)對加工效率無影響，對加工質(zhì)量的影響也不明顯。最終確定碳化硅陶瓷板材的最佳工藝參數(shù)范圍為：主軸轉(zhuǎn)速1 495～1 610r/min，Y軸進給速度40～50mm/min，Z軸進給量8mm。

5　結(jié)語

本文針對碳化硅陶瓷在切割加工中產(chǎn)生崩邊、裂痕的不良現(xiàn)象，并對其產(chǎn)生的原因進行了分析，以解決崩邊、裂痕為目的，對龍門數(shù)控大型切割裝置進行了改進。介紹了在切割裝置生產(chǎn)試用階段后產(chǎn)生的實際問題，分析了問題產(chǎn)生的原因，并做出了相應的解決方案說明。在碳化硅陶瓷切割加工試驗中，對影響切面質(zhì)量的參數(shù)進行了分析，最終確定了適合高質(zhì)量加工、高效率生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)范圍。

本文設計的切割裝置解決了碳化硅陶瓷切割加工的技術(shù)難點，滿足了相關(guān)行業(yè)中對切割加工高質(zhì)量、高效率和高精度的需求，在相關(guān)加工領(lǐng)域內(nèi)針對性極強，具有多項技術(shù)創(chuàng)新，有助于推動我國陶瓷切割技術(shù)的發(fā)展。

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責任編輯鄭練

ResearchontheImprovementofCeramicArmorCuttingMachineandProcessExperiment

DUANXuejun,NIEFengming,WUQingtang,LIShan,WEIWei,WUHuan,WANGKai,GUOBo

(ChangchunInstituteofEquipmentandProcess,Changchun130012,China)

Aimingatthechippingandcracksphenomenaduringsiliconcarbideceramicplatescuttingandthedemandforhigh-efficiency,high-precision,high-qualityinthearmorplatecuttingindustry,designalargegantryCNCcuttingmachinetools,anduseitforproductionandprocessingtests.Throughtheanalysisandresearchwithchippingandcracksphenomena,dynamicclampingmechanism,double-discbrakemechanism,automaticbalancingspindle,automaticrapidcoolingsystemandotherinnovativedesignusedinthemachine,whichcangreatlyreducechippingandcracksgeneration,useCNCautomaticcuttingprocesscanincreasetheproductivityandimprovethesurfacequalityanddimensionalaccuracyatslitshape.Themachinetoolshavebeenappliedtosiliconcarbideceramicplatecuttingrelatedindustries,highlytargetedareasintheprocessingofcompositearmorplate,withabroadmarketprospect.

machineimprovement,CNC,armorplate,chipping,cracks

TG584A

段學俊(1985-)，男，工程師，主要從事精密、超精密加工工藝技術(shù)及設備等方面的研究。

2016-01-08