（机械设计及理论专业论文）磨料流在离心场中的运动分析及行星式磨料流加工的应用研究.pdf

摘要 本文在实验的基础上，深入探讨了行星式磨料流加工方法中 磨料流的运动情况及该加工方法在诸多领域的成功应用。本文 的研究内容分三方面，即实验研究、理论研究和应用研究。 、f 实验研究主要是应用高速摄影手段来增加对行星式磨料流 加工时密料( 或物料) 运动的感性认识，通过对高速摄影结果的定 性分析，了解了做行星运动的磨料流的运动情况，指明磨料流在 运动过程中，其滑移层的运动及前沿界面曲线的变化是影响加工 效果的关键因素。进步地，使用先进的胶片分析仪对高速摄影 得到的胶片进行数据判读，用数值分析方法，借助计算机分析磨 料流前沿界面曲线的变化情况，使得对磨料流变化规律的研究从 定性变为定量。 磨料流的理论研究主要是针对单质点运动的情况导出了运 动的数学模型，进行了运动及动力分析，根据运动方程做出不同 参数的质点运动轨迹及速度变化的图形，并推导了质点运动过程 中脱离筒壁时机器的临界转速。这些研究相对于磨料流整体来 说有些近似，但它是整体研究的基础，且一些结果能直接指导机 器运动参数的改进。 在应用研究部分，本文主要列举了多年来我们从事行星式磨 料流加工研究所取得的成功例证，论述了研究内容、研究方案及 由于工艺改进所获得的经济和社会效益太一 关键词：磨料流行星运动高速摄影运动分析 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，t h em o v e m e n to fa b r a d a n tf l o wi np l a n e t a r y a b r a d a n tf l o wp r o c e s s i n ga n ds u c c e s s f u l la p p l i c a t i o n so f t h i sp r o c e s s i n gm e t h o d i ns o m ef i e l dh a v eb e e nd e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h ep a p e rm a i n l y c o n c e n t r a t e so nt h r e ep a r t s ，n a m e l y ，e x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h e o r e t i c a l s t u d y a n da p p l i c a t i o ns t u d y d u r i n ge x p e r i m e n t a ls t u d y ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h i n gm a c h i n ew a se m p l o y e dt or e c o r dt h em o v e m e n t o fa b r a d a n tf l o wi np l a n e t a r ya b r a d a n tf l o wp r o c e s s i n g t h r o u g hq u a l i t a t i v ea n a l y s i s o ft h e h i g h s p e e dp h o t o g r a p h t h e m o v e m e n to fa b r a d a n tf l o wc o u l db eu n d e r s t o o d i th a sb e e ns h o w nt h a tt h e m o v e m e n to ft h es l i p p e r yl a y e r sa n dc h a n g eo ff r o n t a li n t e r f a c ec u r v ea r ek e y f a c t o r sa f f e c t i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y f u r t h e r m o r e ，b y u s i n ga d v a n c e df i l ma n a l y s e r ，d a t ac a nb eo b t a i n e dt h r o u g hi n t e r p r e l a t i o no f h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ，a n dt h e nn u m e r i c a l l ya n a l y s e da n dc o m p u t e db yu s i n gc o m p u t e ra n dc o m m e r c i a ls o f t w a r ep r o g r a mt oa b t a i nt h ef r o n t a li n t e r f a c e c u r v e sw h i c hc a nb eu s e dt oi n v e s t i g a t et h em o v e m e n to fa b r a d a n tf l o wa td i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d sa n dd i f f e r e n tp o s i t i o n s t h u st h es t u d yo fa b r a d a n t f l o wc o u l db ec a r r i e do u tn o to n l yq u a l i t a t i v e l yb u ta l s oq u a n t i t a t i v e l y t h et h e o r e t i c a ls t u d yo fa b r a d a n tf l o wm i n l ya i m sa ts i n g l ep a r t i c l em o t i o n b e h a v i o r m a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nd e r i v e d ，k i n e t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s h a sb e e nc a r r i e do u t ，d i a g r a m st r a c i n gt h em o v e m e n to ft h ep a r t i c l ea n dt h e v e l o c i t yd i a g r a m sf o rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sc a i lb ec a l c u l a t e da n d d r a w nb yc o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i ce q u a t i o n s ，a n dt h ec r i t i c a l r o t a t i o n a ls p e e do f t h em a c h i n ea tw h i c hp a r t i c l e sd r o po f ft h eb a r r e lw a l l t h er e s t l l t sf o rs i n g l e p a r t i e l e & f et h eb a s i so fs t u d yo nw h o l ea b r a d a mf l o w ， a n dc a nb ed i r e v t l ya p p l i e dt oi m p r o v et h ek i n e m a t i cp r a r m e t e r so ft h em a c h i n e i nt h ea p p l i c a t i o ns e c t i o n ，e x a m p l e sh a v eb e e nu s e dt od e m o n s t r a t et h e s u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fp l a n e t a r ya b r a d a n tf l o wi ns o m ef i e l d d i f f e r e n tp r o j e e tr e s e a r c hc o n t e n t ，p r o f e c td e v e l o p m e n tp r o c e s sa n de c o n o m i c a la n ds o c i a l b e n e f i t so b t a i n e dt h r o u g ht e c h n o l o g i c a li m p r o v e m e n th a v eb e e nd i s c u s s e d k e y w o r d s ：a b r a d a n tf l o wp l a n e t a r ym o t i o n h i g h s p e l lp h o t o g r a p h k i n e t i ca n a l y s i s 第一章磨料流加工概述 磨料流加工，就是使用松散磨料，用特定的方式使磨料和工件获得相 对运动，借助此相对运动，使磨料对工件产生切削，从而实现对工件的加 工。磨料流加工的目的，主要是降低金属工件的表面粗糙度，去除由于冲 压、机加工等形成的表面毛刺。磨料流加工属精加工范筹，是光整加工的 重要方法之一。当今工业和民用机械产品的生产向着高性能、高精度及安 全美观实用的方向发展，磨料流加工正是适应这一趋势，针对各种金属工 件特别是小型异形零件的光饰加工及去毛刺加工，具有效率高、成本低、 质量较好的突出优点，因而在工业生产中得到了广泛的应用。 1 1 磨料流加工的分类 磨料流加工接其生产方式分类，主要有滚磨抛光、振动抛光、喷射磨 料加工及主轴抛光四种，以下分别加以论述。 1 1 1 滚磨抛光 滚磨抛光分单滚筒抛光和行星滚筒抛光两种方式。单滚筒抛光指装有 物料( 磨料+ 工件) 的滚筒工作时仅有单一的回转运动。这种加工方法很 古老，其生产效率和加工质量都很低，这是因为滚筒的回转速度必须低于 某- - , 恰i 界值，否则滚筒内的物料将在离l - 力的作用下贴在筒壁上而失去物 料间的相对运动。从而不能实现滚磨加工。经计算，这一临界转速n = 1 3 5 可6 ，式中d 为滚简直径。 行星式滚磨抛光是在单滚筒抛光的基础上发展起来的。顾名思义，装 有物料的行星滚筒既自转，又绕某一回转中心公转。行星滚磨抛光的设备 及加工原理示意如图1 - - 1 所示。 很明显，由于行星滚磨抛光存在两个回转运动，行星滚筒内的物料处 于重力场及两个离心力场组成的变化的复合场内，因此，在滚筒高速运转 时，物料仍能获得复杂且剧烈的相对运动，从而使加工效率得以大大提 高。实践表明，对于相适应的工件，行星滚磨抛光要比单滚筒抛光工效提 高5 1 0 倍，加工质量也有所提高。因此，行星滚磨抛光在许多行业如机 1 针、钢领、电器、微型轴承等得到广泛使用。行星滚磨抛光的缺点是装卸 物料耗用辅助时间较多。因此，对于有些工件的加工，其效率不如振动抛 光。 ： ( a ) 设备 ( b ) 加工原理 图1 1 行星磨料流加工设备及原理示意 1 1 2 振动抛光 振动抛光是将物料置于振动抛光机的振动槽内，工作时，借助振动槽 高频低幅的振动，将能量传递给物料，使物料间产生相对运动，从而实现 对工件的抛光。振动抛光设备及物料运动迹线示意如图1 2 所示。 图l 一2 振动光饰设备及物料运动迹线示意 振动抛光与封闭式加工的行星滚抛加工相比，属敞开式加工，在一定场 2 合下，更能显示其效率高的优点。例如，3 0 0 升的振抛机对于餐具的振动抛 光，每次可加工5 0 0 1 0 0 0 件，时间为4 0 分种，且装卸料很方便。这样的 加工效率如使用行星滚抛方式是难以达到的。振动抛光用在金属制品光饰处 理方面，工作时，多采用钢珠代替磨料，这时，振动抛光实际是一机械轧光 过程而非磨削过程，即工件表面通过微观塑性变形而使粗糙度降低。在这一 过程中，必须辅以化学光亮剂的作用。光亮剂在其中既起冷却润滑等物理作 用，又能迅速去除工件表面的油污及杂质，同时还有防锈作用，能够较长时 间保持钢珠良好的表面状态。这些均会对工件表面的增亮起到明显作用。小 型不锈钢制品及铝合金压铸件的表面光饰处理是采用钢珠振动抛光工艺的典 型实例。在很多场合下，振动抛光仍采用磨料磨削，这时的加工目的主要是 去毛刺。磨料振动抛光如用于光饰目的，其加工效率便会大大降低。例如， 棉纺钢领过去有一种生产工艺，便是采用磨料振动抛光，每5 0 0 8 0 0 只钢 领需工时1 0 - - 2 0 小时，采用行星滚抛加工，仅需2 小时左右。 由此可见，行星滚筒抛光和振动抛光的加工效率和加工质量因工件材 质、形状、尺寸而不同，不能一概而论。钢珠振动抛光虽然效率高，但对 于硬材料如淬火钢却不适宜。 1 1 3 喷送磨料加工 喷送磨料加工是工件固定，磨料运动的磨料流加工方法，它是借助于 压缩空气或高压液体提供的动力，使松散磨料高速运动，猛烈撞击工件表 面，从而达到清理和光整加工的目的。在许多场合下，喷送磨料加工具有 非常明显的优点，突出表现在对于大型异形工件表面可产生良好的研磨效 果，以及对于凹形加工面或内加工面，只要喷送磨料能够达到，就能进行 加工，甚至磨料运行轨道不只局限于 直线方向。喷送磨料加工可以得到一 种看上去并不十分光亮，表面发乌， 但非常柔合的加工效果，这用其它抛 光方法是难以达到的。归纳起来，喷 送磨料加工主要用于清理加工、精密 磨削、去毛刺、蚀刻等方面。 1 1 4 主轴抛光 主轴抛光又称叉轴式滚磨加工， 其工作原理如图1 - - 3 所示。这种生产 3 方式是将工件单独装卡在主轴快速夹紧装置上。工件安装时，主轴呈水平 位。加工时，主轴倾斜使工件浸入滚筒内的磨料中，主轴( 工件) 和滚筒 同时转动，使整个工件的自由表面处于研磨作用中。在加工过程中，滚筒 内应加入抛光液，及时地起到冷却清洗和润滑作用。影响主轴抛光加工质 量的因素除了主轴和滚筒的旋转速度外，还有加工件的浸没深度、主轴的 倾斜角度、磨料的种类和尺寸及加工时间的长短等。 主轴抛光可用于对大中型工件的去毛刺和精密加工。与滚筒抛光和振 动抛光相比，主轴抛光的优点在于可避免工件之间因相互碰撞而损伤，研 磨作用更均匀，获得的粗糙度更低，并且可以对工件的隐蔽部位进行局部 抛光。当然，对于小型异形零件，滚筒抛光和振动抛光的优势是明显的。 1 2 磨料流j j n - r 的现状及发展 从总体上来看，国内磨料流加工的理论和实践与发达国家相比，存在 较大的差距。这主要体现在工艺装备的多样性及自动化程度方面。尽管为 磨料流提供动力的方式主要是滚动和振动，但日本、美国等国家在m a s s f i n i s h i n g ( 用松散磨料抛光) 领域发展了适应不同工件、不同生产批量及 不同生产效率的多种生产方式【2 。如大型槽式振动抛光可以实现工件的连 续送进、连续加工；端部卸载振动抛光可自动装卸工件，封闭加工，适应 不同尺寸的工件；自动控制的碗式振动抛光对小型工件加工效率很高；在 滚动抛光方面，除单滚筒抛光可实现不同尺寸的滚筒多重同时加工，且自 动化装卸外，离心式滚筒抛光有了更大的发展，如小型立式离心滚抛、大 型自动化的离心滚抛、双主轴式抛光、湿式浸入式离心滚抛等等。这些抛 光方式的共同特点是加工效率高，自动化程度高。 国内磨料流加工使用较成熟除单滚筒抛光外，主要是卧式行星式滚筒 抛光和碗式振动抛光。在工艺方面，所做的工作多是针对不同的工件，使 用不同的磨料及抛光剂，试验其抛光效果。天津纺织工学院抛光技术研究 所针对行星滚筒抛光做了大量的探索，其中最成功的例子是研究了棉纺退 役钢领的失效机理，创立了钢领的光面理论。进而摸索出一套钢领修复的 行星滚抛工艺。这一工艺自推出以来，迅速在全国钢领生产及使用厂家得 到推广，代替了传统工艺。据粗略统计，国内钢领行业自使用这一工艺以 来，由于生产效率的提高和使用寿命的延长而带来的经济效益在千万元以 4 上。这一研究成果的创新性，并不在于行星滚筒抛光这种生产方式及相应 的机器、辅料，而在于工艺探索，即针对钢领这一消耗量很大的纺织专 件，用行星滚抛的磨料流加工方式代替了传统的水磨( 类似于单滚筒滚 磨) 和振动擦光工艺，使生产效率大大提高，钢领使用寿命明显延长，并 且用这种工艺得到的光面钢领可使纺纱断头率降低，纱线质量提高。太原 理工大学滚磨研究室在主轴抛光方面多年来从理论到实践进行了许多研究 和探索，从多方面探讨了这种抛光方式的原理和应用，分析了影响其加工 质量和加工效率的多种因素如工件、设备、加工介质及工艺过程等【l6 | 。 他们在这一领域取得的科研成果在国内处于领先地位。 在基础理论研究方面，国内外有关磨料流加工机理方面的研究开展得 很少，特别是针对磨料流的运动和动力分析尚属空白。以行星滚筒抛光为 例，人们只是定性地说明工件得到加工是磨料磨削、划擦、碰撞的结果， 物料在行星运动方式下，获得了复杂剧烈的相对运动。至于到底运动轨迹 如何，能否建立数学模型以描述物料的运动情况，这些还有待于做更深一 步的分析研究。 1 3 本项研究工作的主要内容及意义 本项研究主要针对行星滚筒抛光，研究对象为滚筒内的磨料流。从实 验和理论两方面阐述磨料漉的运动规律，在此基础上论述行星滚筒抛光这 种磨料流加工方式取得成效的几方面的应用。1 具体研究内容如下： 1 、实验研究：用高速摄影方法跟踪磨料流的运动，明确实验方法、 实验过程和实验结果，对实验结果进行分析判读，取得相应的实验数据。 2 、理论分析：对实验数据进行分析整理，用数学方法建立经验公式， 从而寻找磨料流的运动规律。初步从力学角度对磨料流运动进行分析，在 一定条件下推导磨料流运动与行星运动的关系。 3 、应用研究：在行星滚筒抛光已取得成效的若干应用领域，阐述理 论和实践的研究方法、研究步骤和研究成果。 本项研究具有重要的理论和实际意义。首先，研究行星运动下磨料流 的运动情况，理论上具有一定的创新性，为进一步研究在一般意义下磨料 流的运动规律奠定基础。另一方面，本项研究成果可直接用于指导相应设 备的设计，特别是运动和动力设计。使机器各方面的参数实现最优化。 5 第二章做行星运动的磨料流的实验研究 行星滚筒抛光属于封闭式加工，其工作原理如图l l ( b ) 所示。由 于工件的加工质量取决于封闭料桶内物料的运动情况，因此，无论从理论 或实验方面，以物料做为研究对象，深入研究其运动规律是十分必要的。 只有从这一角度出发得出结论，或是实验模型，或是理论模型，才能够说 我们对行星式抛光的加工机理知其所以然。就目前而言，人们只能定性地 说明在行星运动过程中，物料间通过激烈的相对运动，使得磨料对工件产 生切削、碰撞、划擦等作用，从而实现对工件的加工。在运动分析方面， 基于某种行星抛光机的运动参数，研究料桶上某点( 刚体上的质点) 的运 动轨迹，由此得出的结论对于加工机理应该说意义并不大。而只有研究出 磨料流做行星运动时的运动轨迹，进而指导修正机器的运动参数，这才是 正确的研究路线。 对于做行星运动的磨料流运动规律的研究，可以从理论和实验两方面 进行。首先我们要进行的是实验研究，通过实验研究，使我们从感性上认 识磨料流的运动情况，并在实验的基础上建立起经验数学模型。这对于了 解磨料流的真实运动规律具有重要的意义。同时，实验研究可以为进一步 的理论分析奠定基础。 2 1 实验方案的确定 对于做高速行星运动的磨料流，要观察到它在每一瞬时的真实位置， 必须进行高速摄影拍摄。丽对于密闭的料桶。必须做成敞开式。以便于观 察及拍摄。在得到高速摄影胶片后，应从中读取有磨料流运动的信息，包 括数据和照片。因此，实验研究方案确定如下： 一、高速摄影实验 1 、制做实验装置：包括主机、变速装置、不同形状的料桶，确定实 验中采取的各种运动参数； 2 、确定实验仪器； 3 、高速摄影拍摄，获取能反映磨料流在不同位置形貌的胶片； 。 6 4 、胶片冲洗及判读，获得照片，读取特征点数据。 二、对照片及数据进行分析，对比不同运动速度下磨料流的运动情况 及同一速度下不同位置磨料流的形貌。从实验数据中分析磨料流前沿界面 的变化规律及点的运动轨迹。 2 2 高速摄影实验 2 2 1 实验对象 对于做行星运动的磨料流的实验研究，我们所基于的主机是天津纺织 工学院抛光技术研究所生产的f y 一型行星式滚抛机，该机外观如图2 1 所示，目前在国内应用十分广泛。其主要运动参数为： 公转速度n o = 1 5 8 r m i n 自转速度n = 2 1 r r a i n 行星轮与中心轮的传动比i = 两2 图2 1 行星滚抛机外观 7 实验及生产实践均证明，该机针对小型异形工件特别是棉纺细纱钢领的 加工质量和生产效率在同类加工方式中较好，得到广大使用厂家的认可。但 是否达到最佳效果，也即运动参数是否达到最佳值，尚不能做出定论。 2 2 ，2 实验装置的制作 实验装置的制作主要包括主机的改装，可视料桶的制作及变速装置的 连接。改装后的主机实验装置如图2 2 所示，图中可视料桶的运动与行 星滚筒完全相同因此它们内部的物料运动就完全相同。 图2 2 主机实验装置 图2 3 可视料桶类型 8 ：l f 可视料桶确定为三种，即大园形、六角形、固结为一体的四小园形。 这三种形状是目前生产中广泛采用的行星滚筒类型。图2 3 为三种料桶 的示意图，其侧盖为普通玻璃。 变速装置采用变频器与主机的电机相连，靠改变电机的交流频率来实 现电机的无级变速。 2 2 3 实验过程 1 、确定主机转速 机器电机正常转速为1 4 5 0 r r a i n 。为研究不同转速下磨料流的运动情 况。我们确定几种实验转速，以1 4 5 0 r m i n 为最高，按2 0 的递减率依次 递减，最低转速为4 7 5 r m i n 。 2 、确定物料 对于可视料桶内物料的选择，我们主要考虑以下几方面： ( 1 ) 不同形状的料桶内单纯放置磨料，以了解磨料流在不同速度下的 运动情况； ( 2 ) 不同形状的料桶内放置磨料和工件，以了解在不同速度下磨料和 工件之间的相对运动，分析磨料对工件的加工机理； 图2 4 高速摄影机 9 ( 3 ) 料桶内放置单个小球，以了解单一质点在不同速度下的运动轨 迹； ( 4 ) 在传动比变动的条件下，了 解料桶内的磨料流的运动情况。 3 、实验仪器及参数 实验仪器采用( 德) 德累斯顿高 速摄影机( p e n t a z e t3 5 ) 。光圈为2 8 ， 光栅为1 2 ，胶片感光度为2 5 0 a s a ， 拍摄时镜头距目的距离为1 8 m 。仪 器如图2 4 所示。 高速摄影实验的拍摄条件及拍摄 过程如表2 一l 所示。 2 3 实验结果及分析 图2 5 高速摄影照片 ( n = 1 5 0 r m i n ) 2 3 1 对磨料流运动的初步认识 图2 5 是机器正常运转时某一瞬间的一幅高速摄影照片。从图中可 清晰地看出大园料桶内磨料流的形状及所处位置。磨料流的前沿为一曲 线。在料桶的一个回转周期内，磨料流的形状在不断发生变化，亦主要体 现在其前沿界面随线的不断变化。 如图2 6 所示，磨_ j l s 流形状的形 成是行星滚筒绕o 点平动旋转与绕0 1 点转动叠加的结果。当n o 较小时，我 们可以明显地观察到磨料流存在一滑 移层。此滑移层的运动受重力和离心 力综合作用的影响，其运动轨迹形成 了磨料流前沿界面曲线。从观察结果 我们初步认为。滑移层的运动轨迹和 运动速度将对工件的加工过程产生重 要影响。因为如果我们假设工件为与 磨料质量不同的颗粒。当工件单独存 在时，受复合运动的作用，势必也会 1 0 慈套一 、 鞭 f吖 o 图2 6 磨料流运动示意 表2 一l高速摄影的拍摄过程及拍摄条件 片 物料 拍摄频率 电机转速 实物转速 号 ( r r a i n )( r r a i n ) 1大园桶十红磨料 5 0 05 0 05 5 2大园桶+ 红磨料 5 0 08 0 0 8 7 3大园桶+ 红磨料 5 0 01 1 6 01 2 7 4大园桶+ 红磨料 5 0 04 7 55 2 5大园桶+ 红磨料 5 0 05 9 4 6 5 6大园桶+ 红磨料 5 0 09 2 81 0 2 7大园桶+ 红磨料 5 0 0 1 4 5 01 5 9 8六角桶十红磨料 5 0 04 7 55 2 9六角桶+ 红磨料 5 0 0 5 9 46 5 1 0( 片号误为9 ) 六角桶十红磨料 5 0 07 5 0 8 2 1 l六角桶+ 红磨料 s o o9 2 8 1 0 2 1 2六角桶+ 红磨料 5 0 01 1 6 0 1 2 7 1 3六角桶+ 红磨料 5 0 01 4 5 0 1 5 9 1 4大桶内四小桶 5 4 3 55 2 1 5大桶内四小桶 5 0 05 9 4 6 5 1 6大桶内四小桶 5 0 0 7 5 08 2 1 7大桶内四，j 、桶 5 9 2 81 0 2 1 8大桶内四小桶 5 0 0 1 1 6 01 2 7 1 9大桶内四小桶 5 0 0 1 4 5 01 5 9 2 0大园橇+ 红磨料+ 大钢领 5 0 04 7 5 5 2 2 1大园桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 0 5 9 46 5 2 2大园桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 0 7 5 08 2 2 3大圃桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 09 2 8 1 0 2 2 4大园桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 01 1 6 0 1 2 7 2 5大菌桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 01 4 5 0 1 5 9 2 6六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 04 7 55 2 2 7六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 05 9 4 6 5 2 8六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 07 5 0 8 2 2 9六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 09 2 81 0 2 3 0六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 01 1 6 0 1 2 7 3 1六角桶+ 红磨料+ 大钢领 5 0 01 4 5 0 1 5 9 3 2大团桶+ 小球 5 0 05 9 4 6 5 3 3大国桶+ 小球 5 0 09 2 81 0 2 3 4大园桶+ 小球 5 0 01 4 5 0 1 5 9 3 5大小链轮调个，大园桶+ 白磨料 5 0 07 5 0 8 2 3 6大小链轮调个大园橘+ 白器料 5 0 01 4 5 01 5 9 3 7正常链轮。大园桶内四小料桶 2 5 01 4 5 0 1 5 9 3 8大园桶+ 白磨料 2 5 01 4 5 01 5 9 3 9大甚桶+ 白密料+ 水 2 s o 1 4 s o1 5 9 4 0六角桶+ 小球 2 5 01 4 5 0 1 5 9 1 1 t 形成一定形状的物流。实际上行星滚筒内磨料与工件混合存在，磨料能够 实现对工件的加工我们可以看做磨料滑移层与工件滑移层由于运动轨迹及 速度不同丽在运动中相互受阻，从而使二者发生碰撞、滑擦。 2 3 2 正常运蕉盟壁登速盟星期运动规律 图2 7 磨料流周期运动情况 当机器正常运转时。n o = 1 5 8 r m i n ，在行星滚筒旋转一周内，每隔一定 的a 角选取一幅照片，将其排列起 来，如图2 7 所示。进一步地， 我们将各位置的磨料流选取下来， 按园周方式排列，得到图2 - - 8 。 从图中，我们可以清晰地看出不 同位置磨料流的变化情况，为进 一步的量化分析做好准备。 从图中可以看出，以正常速 度运动的磨料流在周期范围内形 状不断发生变化，但做为一整体， 它始终附着在行星滚筒内壁的某 一位置。即使在后半程( 图2 7 中的5 8 ) 也不下落。这说明磨 料流所受的离心力超过了所受的 重力。 - 1 2 图2 8 磨料流运动示意 2 3 3 不同速度磨料流运动情况对比 为了对比不同运转速度下磨料流的运动情况，除如前所述正常速度 外，我们选取三种速度；1 2 l = 4 7 5 r m i n 、n 2 = 5 9 4 r m i n 、1 3 3 = 9 2 8 r m l n ( 均为电机转速) ，行星滚筒在不同位置进行比较。按位置角度a 的不同分 以下5 种情况： 1 、n = o 。时三种速度下磨料流在行星滚筒内所处的位置及形状如图 2 9 所示。 图2 9a = 0 时不同速度下磨料流运动情况 ( a ) n 1 = 4 7 5 r m i n( b ) 1 1 2 = 5 9 4 r m i n e( c ) n 3 = 9 2 8 r r a i n 1 3 2 、a = 4 5 。时磨料流所处的位置及形状如图2 一1 0 所示。 图2 - - 1 0n = 4 5 。时不同速度下磨料流运动情况 ( a ) n l = 4 7 5 r m i n ( b ) 1 1 2 = 5 9 4 r m i n e ( c ) n 3 = 9 2 8 r r a i n 3 、a = 9 0 时磨料流所处的位置及形状如图2 一l l 所示。 1 4 图2 一l l a = 9 0 时不同速度下磨料流运动情况 ( a ) 1 1 1 = 4 7 5 r m i n ( b ) n 2 = 5 9 4 r m i n t( c ) n 3 = 9 2 8 r m i n 从以上三种情况并结合图2 7 可以看出。在。= o - - 9 0 的范围内。随 着a 角的增大。转速越高。磨料流在行星滚筒内的倾斜度就越大。如图所 示，当a 2 0 时，磨料流在不同速度下所处的位置及形状并无大的区别； 当n = 9 0 。时，磨料流在高速时基本处于铅垂位置。 4 、a 21 3 5 。时磨料流所处的位置及形状如图2 1 2 所示。 图2 一1 2a = 1 3 5 时不同速度下磨料流运动情况 ( a ) n l = 4 7 5 r m i n ( b ) n 2 = 5 9 4 r m i n ( c ) n 3 = 9 2 8 r m i n 5 、a = 1 8 0 时磨料流所处的位置及形状如图2 1 3 所示。 从第4 、5 两种情况可明显看出，随着速度的增高，磨料流在行星滚 筒内的位置和形状有明显区别。为明确起见，我们将上述几种情况磨料流 所处的位置及形状示意列入表2 2 中，表中增加了n = 1 1 6 0 r m i n 的情 况，并将图2 7 所示正常速度( n = 1 4 5 0 r r a i n ) 的情况一并列入。 1 6 图2 1 3a = 1 8 0 时不同速度下磨料流运动情况 ( a ) n 1 = 4 7 5 r m i n( b ) n 2 = 5 9 4 r m i n c ( c ) n 3 = 9 2 8 r r a i n 从实验结果可以看出，不同速度下磨料流的周期运动规律不同。磨料 流的运动规律主要受重力和离心力的共同影响。当速度很低时，离心力很 小。磨料流主要受重力作用，在行星滚筒转动过程中，滑移层向下滑动， 质点运动轨迹基本为赢线，即磨料流前沿界面呈直线。当速度增加时，离 心力增加，滑移层受重力、离心力及简壁支反力的作用，质点运动轨迹星 曲线状。从以上图表中，我们可以认定，磨料流的运动存在一临界转速 m ，当n 9 0 。时，部 分磨料受惯性作用脱离筒壁向前抛出、落下( 参见4 号图) ，亦或者在a = 9 0 ，磨料流整体在惯性作用下抛向滚筒另一侧( 参见5 号图) 。当n 珥 时，磨料流所受离心力远远超过重力，此时，磨料流在整个运动周期内将 附着在滚筒的底部、侧面或顶部( 参见6 号图及图2 7 ) 。根据这一分析， 从表2 2 中可看出，l 临界速度m 应在5 9 4 r m i n 和8 0 0 r r a i n 之间。 爱2 - 2 不同速度不同位置磨斟流五动情豫 2 3 4 六角滚筒中磨料流的运动情况 图2 1 4 为机器在正常动转( n = 1 4 5 0 r r a i n ) 时六角滚筒处于不同位 置时其内部磨料流的运动情况。与图2 7 相对比可以看出，在相对应的 位置上，六角滚筒内磨料流的前沿界面与园滚筒是相似的。进一步对比低 速的情况，如图卜1 5 所示。n = 4 7 5 r r a i n ，可以得出相同的结论。因此 我们认为，磨料流在运动过程中，其前沿界面的形状邵滑移层的运动轨迹 1 8 与滚筒形状无关，滚筒的运转速度是其形状变化的决定因素。故我们在考 虑磨料流加工工艺及设备各种参数时，在保证料桶内磨料有足够的装入量 ( 一般在6 0 左右) 的前提下，应强诃运动参数的设计。尽管一般认为不 论是单滚筒还是行星滚筒，六角形料桶较之园形料桶，因其内壁的棱角在 运动中会强迫物料改变运动方向，因而物料之间会获得更多的接触碰撞机 会，加工效果会更好一些，但从实验及生产实践来看，这种影响对于提高 加工质量及效率并不显著。 ( e ) 图2 1 4 六角滚筒内磨料流的运动情况( n = 1 4 5 0 r m i n ) 图2 1 5 六角滚筒内磨料流的运动情况( r l 一- - - 4 7 5 r m i n ) 2 0 2 3 5 正交放置的小园料桶内磨料流的运动情况 实践表明，对于质量较大的工件，若采用尺寸较大的料桶，不论何种 形状，在加工过程中，受离心力和重力的作用，工件间会产生较为严重的 相互碰撞，从而损伤工件表面。而采用小直径料桶，将若干小料桶固结在 行星滚筒内，在运动过程中，由于料桶内的物料运动轨迹变短，加速度降 低，因而工件间的碰撞力减小，有利于保护工件表面。在棉纺细纱钢领行 业广泛使用的磨料流加工，便是采用直径为0 8 9 的小料桶承载物料。在工 作中，既能高效地抛磨出光面钢领，又能很好地保护钢领的重要工作面 内外跑道。 2 l ( e )( f ) 图2 1 6小国料稀内物料的运动情况 为了了鳃小团辩栖内磨料流( 物料) 的运动清况，我船从行星滚筒运 动的一个周期内连续地选取几幅高速摄影照片，排列如图2 1 6 所示。图 中4 个小园料桶内物料的安排表2 3 所示。 表2 3 小圆料桶内物料安排情况 料桶 ab cd 物料 磨料+ 钢领单一小球磨料+ 口5 2 5 轴单一磨科 从图2 一i 6 可以看出，单一磨料流( d 桶) 的形状及前沿界面与大园 料桶的情况是相同的( 参见图2 7 ) 。对于这一现象的解释，我们可以从 两种情况下磨料流的受力分析碍以说明。如图2 1 7 历示，大园料梗和小 园料桶内的磨料流的受力情况是相同的，以磨科流的瞬时质心p 为力的作 用点，磨料流所受的汇交力系包括重力m g 、绕0 轴转动的离心力f ，、绕 0 1 轴转动的离心力f 2 。由于磨科流的位置和形状在不断变化，因此质心p 在不断变化。两种情况下作用力的性质是相同的，故密料流的变化趋势亦 相同。 由此我们可以得出结论：磨料流的运动规律在同一速度下不受料桶尺 寸的影响。因此我们可以根据工件的形状尺寸及重量来选择合适尺寸的料 2 2 桶。 0 妖n 、 蔼锈 0弓 f 。d 厂0 瀑 必 碧奠 0 图2 1 7 不同尺寸料桶内磨料流的运动分析 从图2 - - 1 6 还可看出，当加工件时，物料流( 磨料+ 工件) 整体形状 及前沿界面有所变化。且工件形状、重量不同，变化情况也不一样。由此 可见，磨料流加工是靠磨料流自身的运动与工件的运动相互影响而实现 的。这种相互影响，实际上就是磨料与工件之间的相互碰撞，从而产生磨 料对工件的切削及刻戈l j 作用。 2 3 6 大园桶内放置工件时物料的运动情况 涤纶拉伸长丝粉末冶金钢领的修复工艺是我们使用磨料流加工方法进 行科研生产实践获得的一项较为成功的实铡。该工件为直径口1 5 0 的圆窭， 单个重约4 0 9 ，生产中每个料桶内放置1 5 2 0 只，经过约两小时的抛鼯， 工件磨损表面获得较好的光泽，经测试，材料内部有效孔隙的透气率大吝 提高。为了弄清该工件的弛磨机理，我们在运动过程中进行高速摄影：选 取一组照片如图2 - - 1 8 所示。从图中可以看出，在机器运转过程中，每 菇时工件内外表面均有磨料附着在上，且在不同位置，工件内外表面附着 的磨料层并不均匀。这说明在物料运动过程中，磨料和工件之间存在相对 运动，正是靠此相对运动，使得磨料对工件产生切劐作用，从而实现对工 件的加工。加工效率的高低与加工质置的好坏，取决于两方面的因索： ( 1 ) 物料在运动过程中，磨料与工件的接触机率；( 2 ) 物料在运动过程 中，磨料与工件问的相对速度的大小。很明显，以上两个因素均与行星滚 筒运动速度的大小有关。为了了解不同速度不同位置下物料的运动规律， 我们分以下几种情况加以讨论： 2 气 图2 1 8 放置工件时物料的运动情况 2 4 1 、。= 0 0 时几种速度下物料运动情况对比，如图2 1 9 所示。 图2 1 9n = 0 时不同速度下物料运动情况 ( a ) n = 7 5 0 r r a i n( b ) n = 9 2 8 r m i n c( c ) n = 1 4 5 0 r r a i n 结合前述单一磨料流的运动情况( 参见图2 9 ) 可知，在这一位置。 不同速度下物料变化情况区别并不大。 2 、a = 4 5 时几种速度下物料运动情况对比，如图2 2 0 所示。 图2 2 0a = 4 5 时不同速度下物料运动情况 ( a ) n = 7 5 0 r m i n ( b ) n = 9 2 8 r m i n e( e ) n = 1 4 5 0 r r a i n 三幅图区别仍不明显。但可看出高速情况下 置偏上，工件上附着的磨料多一些。 3 、a = 9 0 时几种速度下物料运动情况对比， 2 6 ( 图2 2 0 ( c ) ) ，物料位 如图2 2 l 所示。 图2 2 1a = 9 0 时几种速度下物料运动情况 ( a ) n = 5 9 4 r r a i n( b ) n = 7 5 0 r r a i n ( c ) n = 9 2 8 r m i n e ( d ) n = 1 4 5 0 r m i n 4 、。= 1 3 5 时几种速度下物料运动情况对比，如图2 2 2 所示。 2 7 图2 2 2 。= 1 3 5 时不同速度下物料运动情况 ( a ) n = 5 9 4 r r a i n ( b ) n = 7 5 0 r r a i n ( c ) n = 9 2 8 r m i n c( d ) n = 1 4 5 0 r r a i n 5 、。= 1 8 0 时几种速度下物料运动情况对比，如图2 2 3 所示。 从以上三种情况可以看出，当a 9 0 。时，随着速度的增大，物料位置 明显偏上，工件与磨料的接触机率增加，且磨料的冲击趋势说明工件与磨 料间的相对运动加剧。这说明，速度的增加对提高加工效率和加工质量是 有利的。但可以预见，提高速度是有限的，当速度过高时，受离心力的作 用，物料间的相对运动反而会减弱。因此，进行进一步的理论和实验分析 2 8 找出最佳速度值是必要的。 2 9 ( e ) 图2 2 3a = 1 8 0 。时几种速度下物料运动情况 ( a ) n = 4 7 5 r m i n( b ) n = 5 9 4 r m i n( c ) n = 7 5 0 r r a i n 、 ( d ) 1 3 = 9 2 8 r m i n c( e ) n = 1 4 5 0 r m i n 以上实验仅仅是针对一种较为典型的工件进行的。在实践中，我们还 探索过许多种工件的磨料流加工工艺，如电器触点、工艺品、轴承零件 等。实践表明，工件的质量越轻，其加工效果越好。这主要是因为当工件 质量增大时，重力场的作用逐渐加大，离心场的作用相对减弱，因此工件 在重力作用下借助惯性抛出，落下的机率增加，即工件之间相互碰撞损伤 的可能性增加。据此可以说行星滚筒抛光的磨料流加工方式更适合于质量 较轻的小型异形工件的抛磨加工。 2 4 实验总结 1 、磨料流在做行星运动过程中，其整体形状在做规律性的变化，前 沿界面的投影为一连续曲线，曲线的形状随磨料流速度及位置的变化而变 化。可以预见，通过数据分析或理论分析，应能找出此曲线的方程式。 2 、磨料流在运动过程中，其前沿界面存在一定厚度的滑移层。前沿 界面的投影曲线瞬时形状是滑移层在重力场及离心场组成的复合场申做滑 移流动所形成的。磨料流加工的实现及加工效果的好坏均与滑移层的流动 相关。 3 、磨料流在做行星运动过程中，存在一临界公转转速m 时，当n 3 0 n 。，磨料流受离心力的作用在任何位置均不下落；而当n m 时，磨料流 受重力作用，在某一a 角度抛出、落下。 4 、行星滚筒中料桶的形状尺寸不影响磨料流的运动规律。磨科流的 运动规律主要受行星滚筒运动速度的影响。当速度改变时，处于不同位置 的磨料流其形状及前沿界面投影曲线随之改变，特别在9 0 。a 1 8 0 。之间 的各位置这种变化更为明显。我们认为，这些变化将对加工效率及质量产 生直接影响。因此，对于整机的运动设计可以说是较为关键的一个环节。 5 、当料桶内放置工件时，工件将对原磨料的运动规律产生扰乱作用， 这种作用可以看作磨料流和工件分别按规律运动二者之间相互阻碍造成 的。正是由于这种作用，使得磨斟与工件相互碰撞，对工件进行切削、刻 划，从而实现磨料流加工。 3 1 第三章磨料流运动情况的数值分析 3