鑄件澆冒口砂輪自適應(yīng)切割 *

王維信, 孟廣耀, 王 哲, 孫英暖

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 山東 青島266520)

鑄件澆注完成后，要用切割機(jī)對其澆冒口進(jìn)行切割。國外現(xiàn)已有較先進(jìn)的自動澆冒口砂輪切割機(jī)，但造價昂貴[1-2]。我國是熔模鑄造及加工應(yīng)用大國，但整體技術(shù)水平偏低。國內(nèi)企業(yè)普遍使用熔模鑄造技術(shù)生產(chǎn)不同種類的小型機(jī)械零部件，并對其鑄件澆冒口進(jìn)行去除及后期打磨、拋光等[3-4]，生產(chǎn)的小型機(jī)械零部件種類少、批量大，屬于典型的少品種大批量熔模鑄造產(chǎn)品[5]。目前企業(yè)多用手動式砂輪切割機(jī)來切割脫模后的鑄件澆冒口，雖然成本低但存在自動化程度低、勞動強(qiáng)度大、切割效率低、切割過程不穩(wěn)定和需要有大量經(jīng)驗的人員操作等問題[8]。與此同時，無論是國外的還是國內(nèi)的澆冒口加工設(shè)備，都只是單純地利用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪對鑄件澆冒口進(jìn)行去除，沒有考慮切割過程中砂輪的磨損會改變其切割位置，以及這種改變對砂輪使用壽命和工件加工質(zhì)量的影響等問題。

基于此，對砂輪自適應(yīng)切割方法進(jìn)行研究，確定砂輪最佳切割點(diǎn)，并通過進(jìn)給方式對砂輪的磨損量進(jìn)行補(bǔ)償，保證砂輪一直在最佳切割點(diǎn)對鑄件的澆冒口進(jìn)行切割，以獲得穩(wěn)定的鑄冒口切割質(zhì)量。

1 砂輪切割裝置設(shè)計及切割點(diǎn)補(bǔ)償

在切割過程中，砂輪存在某個最佳切入角度所對應(yīng)的切割點(diǎn)，即砂輪的最佳切割點(diǎn)。利用砂輪最佳切割點(diǎn)對鑄件澆冒口進(jìn)行切割，可有效提高其切割質(zhì)量和切割效率，減少砂輪的磨損。但切割過程中因砂輪不斷磨損，最佳切割點(diǎn)的位置也會改變，需要通過計算獲得新的最佳切割點(diǎn)位置，再利用砂輪機(jī)的進(jìn)給補(bǔ)償來保證切割位置始終是砂輪最佳切割點(diǎn)位置。

1.1 切割裝置基本構(gòu)成

新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2部分組成：機(jī)械系統(tǒng)包括切割組件、自動進(jìn)給組件、測量組件；控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC控制。切割裝置如圖1所示。

圖1 新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置

砂輪驅(qū)動電機(jī)通過皮帶傳動帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)砂輪接觸鑄件澆冒口時，皮帶的彈性可以減緩其產(chǎn)生的沖擊和振動載荷，保證傳動的穩(wěn)定性；砂輪過載時，皮帶會打滑，可防止砂輪在較大的切割應(yīng)力作用下崩壞。鑄件澆冒口具體切割過程如下：

第1步，通過螺桿和螺紋孔的相互配合將切割機(jī)滑臺電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，驅(qū)動切割機(jī)滑臺做水平方向的進(jìn)給運(yùn)動，當(dāng)切割機(jī)滑臺到達(dá)指定位置時，切割機(jī)滑臺電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，滑臺鎖死。

第2步，滑臺在初始位置(圖1所示位置)時，液壓缸推桿收縮，砂輪完成一次鑄件澆冒口的切割。

第3步，液壓缸推桿伸長，帶動轉(zhuǎn)動機(jī)架回到初始位置，紅外測徑儀對砂輪的半徑進(jìn)行測量得到其磨損量并將其反饋給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)磨損量大小計算出進(jìn)給量以對磨損量作出補(bǔ)償，為下一次砂輪切割鑄件澆冒口做準(zhǔn)備。

第4步，通過夾具滑臺的進(jìn)給，切除鑄件組另一側(cè)的澆冒口。

第5步，鑄件兩側(cè)澆冒口都被切除后，夾具旋轉(zhuǎn)180°，對另外一個新的鑄件組重復(fù)澆冒口的切除工作。

夾具電機(jī)和切割機(jī)滑臺電機(jī)都選用伺服電機(jī)，通過絲杠的螺距能夠得到電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈滑臺移動的距離，根據(jù)鑄件澆冒口之間的間距和測量到的砂輪直徑，控制端發(fā)出脈沖信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度而帶動滑臺移動相應(yīng)的距離。液壓推桿控制范圍需要大于鑄件澆冒口的寬度，且用伺服閥和伺服液壓缸控制，并利用光柵尺準(zhǔn)確測量液壓推杠的移動距離。

1.2 砂輪磨損量補(bǔ)償

砂輪每進(jìn)行一次切割都會產(chǎn)生一定量的磨損，且砂輪的磨損量與切割速度、切割力、鑄件的硬度、塑性和其他外界因素等有關(guān)，同時無法保證砂輪每次切割后的磨損量都相同。如果砂輪切割機(jī)只在某個固定的位置不斷地進(jìn)行切割，當(dāng)磨損到一定程度時會導(dǎo)致砂輪切割不到鑄件澆冒口，而任意量的向前進(jìn)給也可能會導(dǎo)致砂輪崩碎。

1.2.1 構(gòu)建經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

對多個不同直徑砂輪和不同切入角的鑄件澆冒口切割進(jìn)行試驗，測量的砂輪磨損量取平均值，切削試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1的數(shù)據(jù)表明：對同一直徑的砂輪，其直徑磨損量最小的切入角度都為30°，也就是說砂輪最佳切割位置對應(yīng)的就是砂輪切入角為30°時的位置。砂輪磨損后會導(dǎo)致砂輪切割機(jī)在相同的位置再次下壓切割時，最佳切割點(diǎn)位置發(fā)生改變，因此，需要根據(jù)砂輪的磨損量對切割位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

砂輪切割機(jī)切割示意圖如圖2所示。 圖2中的鑄件組相鄰澆冒口之間的橫向間距為b，縱向間距為a，砂輪圓心距轉(zhuǎn)動副支點(diǎn)的距離為R，砂輪繞轉(zhuǎn)動副旋轉(zhuǎn)的角度為θ，此時砂輪高度降低h。為了保證砂輪的切割點(diǎn)為最佳切割點(diǎn)，移動副需向后移動距離h1。則有：

(1)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)可得R、θ、h、h1之間的函數(shù)關(guān)系：

(3)

表1 切削試驗數(shù)據(jù)

圖2 砂輪切割機(jī)切割示意圖

砂輪切割機(jī)每次下壓切斷一個澆冒口后，液壓推桿就回到初始位置，然后用紅外測徑儀對砂輪直徑進(jìn)行測量。

1.2.2 砂輪進(jìn)給算法

砂輪磨損如圖3所示，砂輪半徑減小了r。為了補(bǔ)償砂輪的磨損，保證下一次的切割點(diǎn)仍為最佳切割點(diǎn)，需要砂輪切割機(jī)沿X軸正方向進(jìn)給q，沿Y軸正方向進(jìn)給p：

q=r×sin30°

(4)

p=r×cos30°

(5)

如果砂輪切割機(jī)切割完澆冒口1之后再切割澆冒口2(圖2)，這時需同時考慮砂輪的磨損量和模具上澆

圖3 砂輪磨損Fig. 3 Wear of grinding wheel

冒口的位置：

q=r×sin30°-h1

(6)

p=r×cos30°+a

(7)

如果砂輪切割機(jī)切割完澆冒口1之后再切割澆冒口3，則：

q=r×sin30°+b

(8)

p=r×cos30°

(9)

如果砂輪切割機(jī)切割完澆冒口1之后再切割澆冒口4，則：

q=r×sin30°+b-h1

(10)

p=r×cos30°+a

(11)

因此，要切割圖2中的4個澆冒口，只需根據(jù)砂輪的磨損量和鑄件組澆冒口之間的位置關(guān)系，按照上述公式依次進(jìn)給，就可實(shí)現(xiàn)4個澆冒口的順序切除。

切割時的邏輯為：(1)初始化。采集砂輪切割機(jī)和鑄件澆冒口的位置信息，保證在切割運(yùn)動開始之前處于初始位置；(2)狀態(tài)判斷。對第一個澆冒口進(jìn)行切割，根據(jù)液壓推桿的受力情況判斷是否切斷，動作完成后液壓推桿回到初始位置；(3)位置補(bǔ)償。紅外測徑儀對砂輪的磨損量進(jìn)行測量，根據(jù)進(jìn)給公式進(jìn)行最佳切割點(diǎn)補(bǔ)償；(4)循環(huán)執(zhí)行。重復(fù)上述過程，直到鑄件組一側(cè)的澆冒口全部被切除。然后夾具轉(zhuǎn)動換向，再重復(fù)上述切割過程，切除另一側(cè)的全部澆冒口。

2 運(yùn)動學(xué)仿真

為了驗證新型鑄件澆冒口砂輪切割裝置自動進(jìn)給方案的合理性和可行性，以工廠生產(chǎn)的小型支架鑄件組為例，在Adams軟件中建立運(yùn)動模型并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真驗證[9]。

2.1 Adams模型建立

鑄件澆冒口切割裝置由多個移動副和轉(zhuǎn)動副組成，各個部件之間的運(yùn)動關(guān)系較為復(fù)雜。因此，在SolidWorks中建立鑄件澆冒口切割裝置的三維實(shí)體模型并將其保存為模型文件，然后運(yùn)行Adams軟件將模型文件導(dǎo)入其中。從SolidWorks軟件中直接導(dǎo)入到Adams軟件中的每一個零件都是一個單元體，在運(yùn)動學(xué)仿真過程中可以通過布爾操作把具有相同運(yùn)動趨勢的零部件看作一個整體運(yùn)動的構(gòu)件，如圖4所示。

在Adams軟件中，需要對各個運(yùn)動構(gòu)件的材料屬性進(jìn)行定義，之后才能進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動學(xué)仿真。圖4中的三維模型各個部件的命名和材料屬性如表2所示。

圖4 Adams中的三維模型

表2 模型命名和材料屬性

2.2 笛卡爾坐標(biāo)系和約束建立

為了更加方便清楚地描述各個運(yùn)動單元的運(yùn)動情況，可以在三維模型中建立笛卡爾坐標(biāo)系。令切割機(jī)滑臺運(yùn)動的方向為X軸方向，夾具滑臺運(yùn)動的方向為Z軸方向，液壓缸推桿運(yùn)動的方向為Y軸方向，建立如圖5所示的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系可以在三維空間內(nèi)形象地描述鑄件澆冒口砂輪切割裝置的運(yùn)動軌跡。

分析鑄件澆冒口砂輪切割裝置各個運(yùn)動部件之間的運(yùn)動關(guān)系，需建立各運(yùn)動副模型及其約束關(guān)系，如圖6所示，具體約束信息如表3 所示。

圖5 笛卡爾坐標(biāo)系圖6 運(yùn)動副建立Fig. 5 Cartesian coordinate systemFig. 6 Movement pair establishment

表3 模型約束

2.3 Adams運(yùn)動學(xué)仿真及結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)砂輪切割機(jī)對鑄件澆冒口的切割動作，對運(yùn)動副JOINT_4、JOINT_11、JOINT_12 和JOINT_6分別施加如表4所示的驅(qū)動。

設(shè)默認(rèn)時間單位為s。根據(jù)建立的運(yùn)動參考坐標(biāo)系得到鑄件澆冒口切割裝置的仿真運(yùn)動軌跡，如圖7所示。圖7中的各圖分別表示在第2、6、12和24 s時捕捉到的砂輪切割裝置狀態(tài)。

為了更好地觀察砂輪切割鑄件澆冒口仿真過程中的運(yùn)動細(xì)節(jié)和進(jìn)給補(bǔ)償變化，延長仿真時間，通過整個時間段下砂輪切割機(jī)對小型支架鑄件澆冒口的切割過程運(yùn)動學(xué)仿真，可以看出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動能滿足空間中各個澆冒口的去除條件。

表4 運(yùn)動副的驅(qū)動

(a)t=2 s(b)t=6 s(c)t=12 s(d)t=24 s圖7 運(yùn)動軌跡Fig. 7 Movement track

圖8為切割機(jī)滑臺位移變化曲線。從圖8可以看出：在時間段[0，2] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺以勻速向前進(jìn)給，完成對第1個澆冒口的切割；在時間段(2，10] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺向后移動一定距離后保持位置不變，砂輪下壓切除下方的第2個鑄件澆冒口；在時間段(10，13] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺向前進(jìn)給一定距離后位置不變，砂輪下壓切除第3個鑄件澆冒口；在時間段(13，20] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺向后移動一定距離后保持位置不變，砂輪下壓切除最后方的第4個鑄件澆冒口；在(20，24] s內(nèi)切割機(jī)滑臺回到初始位置并保持不變，為鑄件組另一側(cè)澆冒口的切除做準(zhǔn)備。因此，砂輪切割機(jī)在每次切割之前都要實(shí)現(xiàn)一定位移量的進(jìn)給，位移變化程度相對緩和，沒有明顯的波動；而在其他時間段內(nèi)，位移曲線保持不變，滿足砂輪切割機(jī)進(jìn)給平穩(wěn)、切割過程中位置固定不變的要求。

圖8 位移變化曲線 Fig. 8 Displacement curve

圖9為液壓缸推桿轉(zhuǎn)動角速度的Z軸分量曲線。從圖9可以看出：在[0，2] s內(nèi)，在切割機(jī)滑臺的作用下對第1個鑄件澆冒口進(jìn)行切割，液壓缸推桿保持不變，轉(zhuǎn)動角速度為0；在(2，10] s內(nèi)，液壓推桿收縮，帶動砂輪完成第2個鑄件澆冒口的切割動作后回到原點(diǎn)，轉(zhuǎn)動角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到負(fù)最大值，最后減小為0；在(10，13] s內(nèi)，根據(jù)砂輪磨損量，液壓桿收縮對切割點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，完成對第3個鑄件澆冒口的切割動作后液壓桿回到原點(diǎn)，轉(zhuǎn)動角速度雖小，但也有先反向增大、再正向增大、最后減小為0的過程；在(13，20] s內(nèi)，液壓推桿收縮，帶動砂輪完成第4個鑄件澆冒口的切割動作，然后回到原點(diǎn)，轉(zhuǎn)動角速度先正向增大到正最大值，再反向增大到負(fù)最大值，最后減小為0；在(20，24] s內(nèi)，液壓推桿保持不動，為鑄件組另一側(cè)澆冒口的切除做準(zhǔn)備。每次切割動作完成后液壓推桿都要上升超過原點(diǎn)，經(jīng)過測徑儀的數(shù)據(jù)采集之后再返回原點(diǎn)。圖9中切割鑄件組澆冒口時角速度會產(chǎn)生一定程度的變化，其余時間角速度則基本保持不變，沒有明顯的波動，滿足砂輪切割鑄件澆冒口時速度穩(wěn)定的要求。

圖9 液壓缸推桿轉(zhuǎn)動角速度的Z軸分量

圖10為3個驅(qū)動的速度變化曲線。圖10中3個驅(qū)動的速度隨時間變化的趨勢基本相似。以驅(qū)動MOTION_5為例，在[0，2] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺驅(qū)動以較快的速度達(dá)到最大值，帶動切割機(jī)完成第1個鑄件澆冒口的切除； 在(2，10] s內(nèi)，在驅(qū)動力的作用下切割機(jī)滑臺向后移動一定的距離并固定，完成對第2 個鑄件澆冒口的切除；在(10，13] s內(nèi)，驅(qū)動力在作用時間內(nèi)迅速變化，形成驅(qū)動速度變化波峰，配合砂輪完成第3個鑄件澆冒口的切除；在(13，20] s內(nèi)，切割機(jī)滑臺驅(qū)動產(chǎn)生變化，滑臺向后移動一小段距離，驅(qū)動變化相對緩慢，配合砂輪完成第4個鑄件澆冒口的切除；在(20，24] s內(nèi)，產(chǎn)生驅(qū)動速度波峰，切割機(jī)滑臺回到初始位置。在整個切割過程中，各個驅(qū)動反應(yīng)迅速，沒有微小的起伏和突變，切割機(jī)的補(bǔ)償進(jìn)給運(yùn)動平穩(wěn)，能夠滿足實(shí)際的加工需求，驗證了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和補(bǔ)償進(jìn)給公式的正確性。

圖10 3個驅(qū)動的速度變化曲線 Fig. 10 Speed curves of three drives

3 結(jié)論

(1)針對目前國內(nèi)鑄造行業(yè)中仍在使用的手動砂輪機(jī)切割鑄件澆冒口勞動強(qiáng)度大、效率低等問題，研究了鑄件澆冒口的砂輪最佳切割點(diǎn)自適應(yīng)切割方法。

(2)通過鑄件切割過程中砂輪磨損量的變化，推導(dǎo)了自動進(jìn)給補(bǔ)償砂輪磨損量的位移公式，保證了砂輪始終在最佳切割點(diǎn)位置對鑄件澆冒口進(jìn)行切割。

(3)利用Adams軟件對新型鑄造零件砂輪切割裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，設(shè)計的砂輪切割機(jī)在切割過程中能夠有效實(shí)現(xiàn)澆冒口的切除；同時，切割過程中的位移、速度變化相對平穩(wěn)，沒有劇烈波動，證實(shí)了鑄件澆冒口砂輪自適應(yīng)切割方法的可行性。