數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U形缺口加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用
2020-9-24 來源： 中航飛機(jī)股份有限公司長沙起落架分公司 作者：肖文，駱軍輝，翟光耀，胡建雄，韓金軍
摘要: 材料力學(xué)性能中的沖擊試驗(yàn)對(duì)缺口的幾何形狀、尺寸、粗糙度都有嚴(yán)格要求，受到設(shè)備及技術(shù)條件的限制，現(xiàn)有技術(shù)加工出的沖擊試樣試驗(yàn)沖擊值和材料的真實(shí)沖擊性能有一定的差距，主要缺口的幾何形狀、尺寸、粗糙度及加工損傷幾個(gè)方面因素所致。設(shè)計(jì)、制造的數(shù)控沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)集數(shù)控砂輪修整裝置和數(shù)控磨床為一體，沖擊試樣缺口加工自動(dòng)化程度高，可在缺口磨削的同時(shí)對(duì)砂輪進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)修整，微米級(jí)的砂輪修整及缺口磨削保證缺口尺寸、粗糙度和近于無損加工缺口，使得試驗(yàn)沖擊值最大限度地接近材料的真實(shí)沖擊性能。
關(guān)鍵詞: U 形缺口; 數(shù)控砂輪修整; 無損加工; 沖擊性能
沖擊性能是材料力學(xué)性能重要指標(biāo)之一，材料沖擊性能的試驗(yàn)［1］值與真實(shí)值間的差異取決于試樣加工狀態(tài)和試驗(yàn)過程，試樣加工的難點(diǎn)是缺口加工，缺口加工外在質(zhì)量體現(xiàn)在缺口形狀、公差尺寸、粗糙度、加工損傷程度幾個(gè)方面，內(nèi)在質(zhì)量體現(xiàn)在沖擊性能的試驗(yàn)值與真實(shí)值間的差異大小。
對(duì)超高強(qiáng)度鋼材料，砂輪磨削缺口成型方法一次可加工多個(gè)試樣，砂輪磨削的表面粗糙度和形狀規(guī)則度較好，是目前沖擊試樣缺口加工的首選方法，但是存在砂輪修整技術(shù)難題，砂輪修整程度達(dá)不到精確量化，中途修整過程繁瑣，U 形缺口整體加工效果不理想。
1 、數(shù)控全自動(dòng)沖擊式樣 U 形缺口加工
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特制 200 × 2 × 32 超細(xì)粒度砂輪片，通過特殊磨削工藝進(jìn)行沖擊試樣 U 形缺口加工，加工后的缺口粗糙度達(dá)到 Ｒa0． 2。數(shù)控砂輪修整裝置與數(shù)控磨床一體化設(shè)計(jì)的數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行砂輪修整與缺口磨削。
對(duì)砂輪修整及缺口加工過程進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化機(jī)器參數(shù)設(shè)置，編制加工程序( 砂輪修整程序、沖擊試樣 U 形缺口磨削加工程序) ，實(shí)現(xiàn)砂輪修整與缺口加工的全自動(dòng)化操作。
1． 1 數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物分別如圖 1、圖 2 所示。
1—特制砂輪片; 2—金剛石筆坐; 3—金剛石筆; 4—金剛石筆架;
5—伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) Z 軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái); 6—伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) X 軸移動(dòng)
平臺(tái); 7—砂輪防護(hù)罩; 8—平面磨床;
9—輪修整裝置控制系統(tǒng); 10—磨床控制系統(tǒng)
圖 1 數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 2 數(shù)控全自動(dòng)沖擊式樣 U 形缺口加工系統(tǒng)
1． 2 工作原理
沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)分為兩個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng): 砂輪修整系統(tǒng)和磨床加工系統(tǒng)，工作模式也可分為兩種: 同步式( 見圖 3) 和交替式( 見圖 4) 。同步式是指在缺口磨削和砂輪修整同時(shí)進(jìn)行，交替式是指缺口磨削和砂輪修整交替進(jìn)行，即缺口磨削時(shí)砂輪不修整，砂輪修整時(shí)缺口不磨削，這兩種工作模式的選擇可根據(jù)試樣的數(shù)量和材質(zhì)來確定，如對(duì)鋼制件試樣，砂輪磨損量小可采用同步式，對(duì)鈦合金等砂輪磨損量大，可采用交替式，全自動(dòng)模式指的是同步式。
圖 3 沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)同步工作模式
圖 4 沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)交替工作模式
2 、應(yīng)用
2． 1 數(shù)控全自動(dòng)沖擊式樣 U 形缺口加工系統(tǒng)可對(duì)砂
輪進(jìn)行微米級(jí)的動(dòng)態(tài)修整，磨削出的沖擊式樣 U 形缺口形狀好，見圖 5; 人工加工缺口由于砂輪的磨損如不及時(shí)修整就會(huì)形成不規(guī)則的缺口形狀，見圖 6。對(duì)沖擊試樣缺口加工而言人工修整砂輪費(fèi)時(shí)費(fèi)力，缺口磨削過程中需多次停機(jī)進(jìn)行砂輪修整，修整過程又需反復(fù)將砂輪與修整器和缺口進(jìn)行位置對(duì)中，整個(gè)加工過程有一點(diǎn)做不到位都會(huì)影響缺口加工質(zhì)量。
圖 5 系統(tǒng)加工缺口
圖 6 人工加工缺口
2． 2 系統(tǒng)在缺口磨削的不同階段按程序依次進(jìn)行粗
磨( 砂輪進(jìn)給量 3 μm) 、精磨( 砂輪進(jìn)給量 1 μm) 和拋光( 砂輪進(jìn)給量為 0) ，結(jié)合超細(xì)的砂輪粒度，加工的缺口粗糙鍍可達(dá)到 Ｒa0． 2，無需單獨(dú)增加研磨工序，避免了對(duì)沖擊試樣缺口的二次破壞。
2． 3 系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)保證磨粒鋒銳度和在冷卻液下的微進(jìn)給磨削極大地降低了材料的損傷程度，粗磨砂輪進(jìn)給量 3 μm，精磨砂輪進(jìn)給量 1 μm，
2． 4 數(shù)控全自動(dòng)沖擊式樣 U 形缺口加工系統(tǒng)加工的沖擊試樣缺口具有形狀公差尺寸小、粗糙度低和近似于無損的加工效果，對(duì)超高強(qiáng)度 300M 這類對(duì)缺口狀態(tài)比較敏感的材料沖擊試驗(yàn)值提高較大，取同爐批次300M 分兩組進(jìn)行加工，試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)見表 1。
表 1 超高強(qiáng)度 300M 鋼沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比( 單位 J)
從表 1 可以看出 ，數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)加工的試樣比人工模式加工試樣的沖擊值提高 23% 。
無論人工模式或機(jī)器模式加工沖擊式樣缺口都不會(huì)改變材料本身的沖擊值，材料沖擊性能是材料的固有屬性，試驗(yàn)沖擊值與材料固有沖擊性能的差異與試樣的加工質(zhì)量和試驗(yàn)過程有關(guān)，缺口加工質(zhì)量體現(xiàn)在缺口的形狀、粗糙度及材料加工損傷程度幾個(gè)方面，缺口加工質(zhì)量不高會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)沖擊值下降，偏離材料本身的沖擊性能，特別是對(duì)缺口質(zhì)量敏感度高的超高強(qiáng)度 300M 鋼而言，缺口加工質(zhì)量越好，試驗(yàn)沖擊值就越接近材料本身的沖擊性能，反之就會(huì)造成沖擊值與材料本身的沖擊性能偏離度過大。
2． 5 數(shù)控全自動(dòng)沖擊式樣 U 形缺口加工系統(tǒng)對(duì)比人工優(yōu)勢見表 2。
表 2 系統(tǒng)加工與人工加工缺口對(duì)比
3 、結(jié)論
沖擊試樣 U 形缺口加工質(zhì)量三要素: 缺口形狀、粗糙度、加工損傷，數(shù)控全自動(dòng)沖擊試樣 U 形缺口加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)砂輪修整可保證砂輪始終處于最佳的形狀與磨粒鋒銳度，配合數(shù)控磨床在冷卻液下的微進(jìn)給磨削，保證缺口形狀、粗糙度的同時(shí)最大限度的降低加工損傷，從而使試驗(yàn)沖擊值大幅提高而更接近材料的沖擊性能。
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