多转速抛光机创新设计及振动实验研究

邵俊鹏，徐 斌

(哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 150080)

陶瓷抛光砖是现代建筑装修工程中应用最为广泛的陶瓷制品之一。抛光机是瓷砖主要的机械加工设备。目前国内外瓷砖抛光机都是单一转速。这种类型的抛光机的加工过程，国内外已有研究。文献［1－8］通过试验得出抛光瓷砖在抛光过程中表面粗糙度的变化规律，同时得出抛光瓷砖气孔的减少对机械加工的难度有很大的影响。李松等［9］通过试验得出瓷砖的抛光轨迹以及磨头转速对瓷砖抛光质量的影响。目前应用最为广泛的是摆动式瓷砖抛光机，但是该抛光机在抛光过程中出现了表面粗糙度不均匀，瓷砖碎裂等情况。针对这些故障，汤迎红等［10］优化了抛光盘的凸轮曲线，解决了柔性冲击问题。吴南星等［11］用加水方法控制噪声。

随着机械加工成本的增加、能耗的加大。提高抛光机的加工效率成为了企业研发的重中之重。提高抛光机的加工效率有两种途径:一是在同一抛光机上采用多种转速;二是增大磨头直径。但是磨头直径的增大，受到空间和成本限制，不是理想的解决途径。鉴于此，对多转速抛光机的研发显的尤为重要和迫切。

本课题提出一种多转速抛光机，设计磨头变速结构。建立模型分析在高转速下磨头的平面惯性振动和垂直振动，通过振动实验室和磨削量实验确定抛光机不同磨头的转速。并确定多转速抛光机高效、节能加工时转速、压力的最佳组合。

在原理和运行上验证多转速抛光机的可能性。

1 多转速抛光机的结构设计和原理

1.1 多转速抛光机结构

多转速抛光机的主要部件有:瓷砖输送部件、横梁摆动部件、磨头部件等，结构如图3所示。

瓷砖输送部件由传送带电机10、主动滚轮9、从动滚轮18、传送带12、瓷砖17组成。瓷砖17在传送带12的带动下，输入输出。传送带12的输送快慢由主控面板控制。

横梁摆动部件由横梁摆动电机14、横梁7、横梁支撑座8组成。

磨头部件是抛光机的最主要部件，由磨头电机3、磨头主轴4、气缸5、磨头16、冷却水管2组成。每台多转速抛光机配置12～20个磨头，配置磨头的个数由厂家的生产能力确定。每个磨头配置6～8个磨块，磨块的软硬由加工的瓷砖材质确定。

多转速抛光机工作时，由传送带电机10驱动主动滚轮9、从动滚轮18、传送带12转动，带动置于传送带之上的瓷砖进给。同时，磨头16在磨头电机3的带动下旋转，气缸5带动磨头16垂直压在瓷砖上。磨头16及其主轴4固定在横梁7上，为了完整的加工整个瓷砖，横梁7以及固定其上的磨头16在横梁摆动电机的驱动下在横梁支撑座8上做往复的移动。往复的行程略大于瓷砖的宽度。

1.2 多转速抛光机变速结构设计

磨头部件的变速结构采用的是塔式带轮变速，如图1所示。这种结构传动平稳、结构简单、制造容易、对轴的安装精度要求不高、成本低廉。变速级数为4级变速。

1.3 多转速抛光机磨头的运行轨迹

图3 多转速抛光机结构Fig.3 Schematic diagram of the structure of multi-speed polishing machine

由多转速抛光机结构和磨头变速结构的分析可知，结构图如图3和多转速抛光机磨头的运动，有两种运动组成:一种运动是，磨头电机3驱动主动带轮1，主动带轮1通过皮带7带动塔式从动带轮6旋转，塔式从动带轮6驱动磨头16旋转。(塔式从动带轮6与磨头主轴4以及磨头16是联接在一起的);二种运动是，气缸5驱动磨头主轴4以及磨头16作向下运动。运行轨迹如图2所示。

设磨块上一点A(x，y，z)，距磨头中心轴的距离为r，当多转速抛光机变速机构运行时，该点所形成的轨迹为一条螺旋线。其方程［12］为:

式中，h为磨块磨入瓷砖的深度;n为磨块数。nh为磨头每转一转磨削瓷砖的深度;ω为磨头旋转角速度。

A点在t时间内所形成螺旋线轨迹为W:

对式(1)求导得:

把式(3)代入式(2)得:

1.4 多转速抛光机加工工艺

瓷砖的抛光是在瓷砖刮平之后，进行抛光的阶段。瓷砖抛光的工艺分三个阶段:粗加工、精加工、抛光加工。这三个加工程序在一台多速抛光机上实现。以12磨头抛光机为例，抛光机上的磨头四个为一组。从瓷砖进给方向起，前四个磨头是粗加工，磨块粒度号为80#，切除量是主要的指标。中间四个磨头是精加工，磨块粒度号为240#～320#，较少切除量是主要的指标。最后四个磨头是抛光加工，磨块粒度号为1 000#～1 200#，保证光洁度是主要指标。

2 多转速抛光机磨头部件的动力学分析

2.1 磨头部件平面振动

由多转速抛光机磨头的运行分析可知，多转速抛光机磨头在运行时，有两种运动，一种是磨头的旋转运动，一种是磨头垂直向下的运动。由于磨头的磨块材料不是绝对均匀，又因设计制造、安装方面的缺陷，导致磨头在高速旋转运行时产生动不平衡。此振动属于平面运动，不考虑垂直方向的分运动。磨头动力学模型如图4所示。

图4 磨头动力力学模型Fig.4 Schematic diagram dynamics model of grinding head

磨头的运动微分方程为:

式中:m为磨头质量;m0为作用在磨头上的偏心质量;kx、ky为磨头沿 x，y 方向的刚度;fx、fy为磨头在 x，y 方向的阻尼系数;ω为磨头回转角速度;r为偏心质量的偏心距;y″，y'，y为磨头在 y方向上的加速度，速度，和位移;x″，x'，x为磨头在x方向上的加速度，速度，和位移。

设磨头在x，y方向的位移为:

式中:Ax、Ay为磨头在 x，y 方向的振幅;ax、ay为磨头在x，y方向的激振力对位移的相位差角。

经整理计算得磨头在x，y方向的振幅Ax、Ay和相位差角 ax、ay。

ax、ay通常在170°～180°之间［13－14］。因此 cos(ax)=cos(ay)≈1。

当ky→0及kx→∞时振幅为:

因此，磨头在x方向的振幅较大，在y方向的振幅较小。

2.2 头垂直振动

图5(a)为磨头简化模型，磨块座和磨块合体简化成为刀体，磨头简化为刀座。磨块一点0的动态切削力T分解为垂直切削力P和切削阻力F。P远远大于F。由于磨头存在着垂直方向的振动Z(t)而引起动态磨削力的变化［15－16］，其变化值为:

图5 磨头垂直振动简化模型Fig.5 Schematic diagram of Simplified model of vertical vibration of grinding head

式中，Ω为磨头的角速度;T为磨头每转时间;k1为磨削厚度系数;μ为重叠系数，μ≤1.0;z1为同时工作的磨块数;z2为磨块总数;K为切入系数;Z(t)为磨头垂直方向的扰动;Z为垂直方向。

图5(b)为磨头垂直振动简化模型，磨头的主要磨削力在垂直方向的，因此磨头垂直方向的运动学方程为:

式中:m为磨头质量;kz为磨头沿z方向的刚度;C为磨头在z方向的阻尼系数;z″，z'，z为磨头在z方向上的加速度，速度，和位移;P为磨头z方向磨削力;ω为磨头z方向激振力角频率。

设磨头在z方向的位移为:

式中:Az为磨头在z方向的振幅;az为磨头在z方向的激振力对位移的相位差角。

经整理计算得磨头在z方向的振幅Az和相位差角az。

由于磨头具有自适应性，适应瓷砖表面的形状特征，因此磨头在垂直于瓷砖方向的阻尼比较小，隔振弹性装置的刚度也比较小，即kz≪ω2m，az通常在170°～180°之间［14］，因此 cos(az)≈1。由此可以看出 Az＞Ax＞Ay。

3 磨头振动和磨削量实验

为了确定多转速抛光机粗、精、抛光加工阶段磨头的转速以及在不同转速下的振动、磨削量、压力等，按照表1参数进行了磨削振动试验，机床为SD－281型12磨头的瓷砖抛光机。

实验时按照表1的参数进行，利用压电式传感器测量X，Y，Z三个方向的振动加速度。所用仪器和测试系统简图如图6所示。

从所得测量数值中取X，Y，Z三个方向的振动加速度最大和最小值。其结果如表2所示。

试验所用的瓷砖规格是800 mm×800 mm，磨削时间为11分钟。瓷砖和磨块磨损量的测量应用称重法得出数值，其结果如图7所示。

3.1 粗磨阶段的磨头转速与压力确定

图6 实验装置和振动测试系统简图Fig.6 Schematic diagram of experimental equipment and vibration testing system

从表2和图7(a)分析得出磨头转速为522 r/min时瓷砖的磨除量为最大，磨头在X、Y、Z三个方向的振动加速度为最大。磨头转速为570 r/min时瓷砖的磨除量比较大，而磨头在X，Y，Z三个方向的振动加速度比磨头转速为522 r/min时的振动要小。同时得出磨头转速与瓷砖和磨块的磨损累积量成正比。磨头转速与磨头的振动加速度成正比。但是磨头转速为522 r/min时，瓷砖的瓷砖和磨块的磨损累积量要大于磨头转速为522 r/min时。

原因是转速为570 r/min的磨头施加的气缸压力要小于转速为522 r/min的磨头压力。磨头压力大时，磨块参与的磨粒增多，磨削量就大，同时造成的磨削振动也就越大。

因为粗磨阶段的指标是瓷砖的磨除量，磨头转速为427 r/min和475 r/min时，瓷砖的磨除量比较小，不符合粗磨阶段的指标。

综上分析得出粗磨阶段的前四个磨头的转速为570 r/min，磨头压力在2.6 ～3.2 MPa之间。

3.2 精磨阶段的磨头转速与压力确定

多转速抛光机的精磨阶段是中间6个磨头，采用的磨块粒度号数为240#和320#。从表2和图7(b)，图7(c)分析得出采用磨块粒度号数为240#和320#的磨头的振动加速度为最大，特别是Z轴的振动，Z方向的振动是造成瓷砖碎裂的主要原因。因此加工过程要避免Z方向过大的振动，降低碎砖率。

图7 磨块与瓷砖磨损量Fig.7 Wear weight loss of ceramic tile and grinding block

对比实验6和实验10磨头转速为475 r/min，实验6的磨头振动要比实验10的磨头振动小。原因是实验10磨头的压力大于实验6磨头压力。这两个实验的瓷砖磨除量相差不多。

为了降低碎砖率，并达到精磨阶段的低磨损量和瓷砖光洁度同时兼顾的目的。精磨阶段中间6个只用240#和320#磨块的磨头转速为475 r/min，磨头压力为2.6 MPa。

3.3 抛光阶段的磨头转速与压力确定

从表2和图7(d)分析得出抛光阶段磨削不占主导，磨头压力对抛光影响不大，文献［17］通过实验得出瓷砖光洁度与磨头的转速成正比。磨头的振动会使已经加工好的表面造成二次划伤。

表1 磨头振动加速度实验参数Tab.1 Vibration acceleration experimental parameter of grinding head

综上分析得出，在抛光阶段后三个磨头的转速为570 r/min，磨头压力为 3.2 MPa。

通过表2可以看出磨头振动加速度Z方向为最大远大于X、Y方向的振动，X方向大于Y方向的振动。实验结果验证了磨头振动的理论分析结果。

磨头在工作时，在沿着X方向摆动，瓷砖沿Y方向进给。因此这个两个方向的振动对瓷砖的加工没有影响，对横梁的影响也很小。

表2 磨头振动加速值对比表Tab.2 Numerical contrast of vibration acceleration of grinding head

4 结论

(1)试验结论验证了，对磨头振动的理论分析结果。

(2)多转速抛光机的转速搭配形式是抛光机两头的磨头转速高，中间磨头的转速低。

(3)磨头在X，Y方向的振动对瓷砖加工没有影响，而且有利于瓷砖加工。这两个方向的振动，对瓷砖加工起辅助作用。

(4)磨头为了完整的加工瓷砖需要在瓷砖的两端稍作停留，但是不能停留时间过程，通过表2可以看出，磨头不摆动时，振动很大。停留时间不能超过2秒。

(5)多转速抛光机的转速搭配可以降低振动，提高效率。同时也验证了其可行性。

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