改造外圓磨床實現氣門錐面的抖動磨削
2022-9-20 來源：湖南天雁機械有限責任公司 作者：周小偉 何光清 周雅智
摘要：通過多種創新設計，綜合利用現有的成熟技術，對現有氣門錐面磨削設備M1420做適當的改造，實現抖動磨削的方法，達到了在滿足以盡量小的投入、充分利用現有設備的條件下，提高氣門錐面磨削精度和簡化操作提高磨削效率的目的。經過使用驗證，工效提高了1倍，廢品率下降到原來的1/3，磨削粗糙度提高了一個等級，跳動減小0.02mm，完全達到了預定目標。
1、改造前氣門錐面磨削工藝及存在問題
如圖1所示，需要對氣門的錐面（加工面）進行磨削，需要保證一定的加工面粗糙度、對桿部的跳動量、與桿部的同心度等，而且氣門兩端是沒有中心孔的。
圖1 工件（氣門）圖樣
改造前，采用通用的M1420外圓磨來進行磨削，如圖2所示，此磨床的磨頭可水平旋轉，可做手動的水平橫向進給運動，實現切入磨。
圖2 改造前加工方法及相關結構簡圖
此磨床的工作臺可在液壓系統的驅動下做縱向往復運動，運動速度和距離可調。工件頭通過底座裝在工作臺導軌上，尾座（圖中裝頂尖的座）也裝在工作臺導軌上，工件頭軸線與頂尖軸線重合，并與工作臺運動方向平行。修整金剛筆（圖中未畫）裝在工作臺上。氣門桿部用壓板壓在V形塊的夾具體上，作為主定位。V形塊的夾具體裝在工件主軸上，通過用頂尖頂住一塊一面帶有頂尖孔的與氣門的盤端相接觸的圓塊，來間接頂住氣門盤端實現輔助定位。通過工件頭的旋轉和磨頭的橫向進給實現錐面磨削。磨削過程中工作臺不動，磨頭軸線與工件頭軸線成一定的角度，基本上是一種切入磨。
通過上述介紹可見，由于氣門桿部尺寸的不一致，V形塊和壓板的磨損，壓板長度和壓力的有限等問題，造成氣門的裝卸繁瑣，加工精度不高。另外，對于一個確定的工作臺位置，砂輪上只有窄窄的一圈在參與磨削，砂輪修整必須轉動磨頭。這樣，要經常調整工作臺的位置，反復調整磨頭角度，既影響效率，又影響尺寸一致性?？傊@種磨削方式生產的產品質量和工作效率都不盡如人意。
2、改造要求
改造的要求主要有三個方面：
（1）要在原有機床上進行，要保證一次成功，即使不成功，也要能恢復原有結構，因此改動要盡量小，花費要盡量低。
（2）要實現抖動磨削來提高粗糙度等級，所謂抖動磨削就是以一定頻率反復進行的縱向磨削，還要減小跳動量。
（3）要簡化氣門裝卸和砂輪修整，提高加工效率。具體技術指標為跳動0.03mm，表面粗糙度0.4μm，班產量1000支。廢品率不得升高。
3、功能分析和結構方案擬定
根據上述現狀及改造要求，我們首先確定采用模塊化的結構，然后進行功能分析。主要功能就是要在原有磨床上實現抖動磨削，次要功能是氣門的裝夾和確保改造后的磨床能正常運行所需的一些附加功能，還要考慮相應的修整功能。
由于上述改造要求苛刻，我們不能無限想象，也不宜設計未經驗證過的結構，宜采用成熟的結構技術進行合理的優化組合，達到目的。
要實現抖動磨削大致上有兩種方法：一種是氣門的裝夾方向不變，磨削時工作臺不動，讓磨頭增加磨削時與錐面母線相平行方向的往復運動，一款數控錐面磨就是這樣；另一種是讓工作臺作往復運動，磨削時磨頭不動，氣門的裝夾方向就要改變，如圖3所示。
圖3 改造后加工方法及相關結構簡圖
顯然，對于前一種方式，我們需要在現有的磨頭底盤下增加一層導軌，并且增加實現導軌方向的往復運動所需要的控制、驅動裝置。而且增加一層導軌后，磨頭軸線會比工件頭軸線高，需要墊高工作臺，而工作臺的已有往復運動功能繼續廢用。而對于后一種方式，只要更換工件頭架底板，參照圖3所示安裝可旋轉的工件頭架，來改變工件軸線方向，并增加相應的配重塊來平衡工作臺兩邊的重量，使工作臺能穩定運行，利用工作臺已具備的往復運動功能即可。
對于實現抖動磨削功能的結構選擇，不論是從技術角度，還是從經濟角度考慮，我們都宜選用圖3所示結構。
對于氣門的裝夾功能，目前有前述的V形塊定心裝夾法、彈簧錐套定心夾緊法（參見圖4）和三輥定心夾緊法等。
圖4 工件（氣門）裝夾簡圖
根據我們的調查分析，彈簧錐套夾緊法的裝夾最簡單、高效，也只有這種方法才能較好地保證重復精度。為了能方便恢復原狀，我們保留了原工件頭架的外殼，只把內部改成彈性夾緊裝置。但是，采用這種方法需要增加拉緊、放松功能，于是我們利用磨床本身具備的液壓系統，增加拉緊、放松油缸（裝在頭架尾部，圖中未畫）和控制拉緊、放松的換向閥等功能結構。這其中對彈簧夾頭及其外套的精度要求是比較高的，因此從成本和可靠性等方面考慮后，我們把這一部分的制造委托給專業廠家完成，長期供應彈簧夾頭，而其它零部件的制造和整個裝配調試工作由本公司自行完成。
4、效果分析
采用上述方案，花費不足萬元就完成了設備改造，設備原值10萬元左右，而購置工效和加工產品質量相同的數控設備要花費40多萬元。通過設備改造，實現了花小錢辦大事。
經過使用證明，機床性能穩定，產品跳動從原來的0.05mm減小到0.03mm，表面粗糙度從原來的0.7μm降到0.4μm，減少了修整調整時間、剎車時間和氣門裝夾調心時間，工效從原來的班產500支提升到1000支。廢品率下降到原來的三分之一，產品精度一致性好。改造完全達到了預期目的，非常成功。
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