MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床

近年來，國內的數控機床進入了快速發展時期，涌現出一批具有較高技術水平的中高檔磨床。但這還不能滿足市場需求。如隨著航天、電子、核電等行業的發展，對包括脆性材料、粘性材料、涂層材料在內的難加工材料的應用需求越來越迫切、應用領域也越來越廣泛，并且要求加工材料越來越多樣化，加工精度要求也越來越高。而目前國內難加工材料的加工工藝、加工設備落后，無論從工藝研究還是從裝備發展來說，研制高精度的高速、超高速數控機床勢在必行。

MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床(見表1及表2)正是在此背景下，為適應現代工業技術和高性能科技產品對機械零件加工精度、加工效率和批量化質量穩定性的要求而開發的新型外圓磨床。適用于磨削脆性材料、粘性材料、鍍層材料等難加工材料的軸類零件，主要應用于陶瓷主軸、硬質合金刀具等超硬材料、鈦合金閥類耐熱合金材料和金剛石涂層量具復合材料的磨削加工。

表1 機床主要技術規格

表2 機床工作精度

1 機床工作原理及主要部件簡介

MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床主要由床身、工作臺、頭架、尾架、砂輪架、磨頭、砂輪修整器、砂輪罩殼、冷卻系統、液壓系統、電氣系統、機床防護罩等幾部分組成。機床各主要部件的布局如圖1所示。

圖1 機床布局

1.1 機床工作原理

該數控高精度超高速外圓磨床為工作臺移動式數控外圓磨床。工作臺作縱向往復移動；砂輪架作橫向移動。工作臺縱向往復運動和砂輪架橫向進給運動由伺服電機驅動滾珠絲桿。為一體式床身，工作臺在床身上作縱向進給移動，砂輪架作橫向移動。砂輪進給導軌采用雙矩形閉式靜壓導軌，絲杠進給采用小導程絲杠。砂輪軸系采用Si3N4陶瓷球的高速主軸軸承。高剛度高精度高速砂輪主軸系統，高精度高剛度微進給系統，超高速磨削液噴系統，工件裝夾在工作臺面上的頭、尾架之間，由頭架電機驅動帶動工件旋轉，實現無級調速。

該機床采用西門子 840D數控系統，控制工作臺縱向進給、砂輪架橫向進給等運動實現四軸兩聯動，數控系統可實現自動進給、自動補償等磨削循環。磨削采用大流量冷卻，冷卻液箱帶磁性分離器和紙質過濾器。

1.2 機床主要部件及特征

1.2.1 頭架

頭架用兩個弓形壓板固定于上工作臺左邊，采用莫式5#頂尖，由伺服電機經減速箱、兩級同步帶輪帶動撥盤繞頭架主軸回轉，從而使工件獲得6～300r/min的無級變速，并保證在此范圍內恒轉矩輸出，為工件提供傳動動力和支承定位。驅動原理如圖：

圖2 頭架驅動原理

1.2.2 尾架

尾架用兩個弓形壓板固定于上工作臺右邊，采用莫式5#頂尖，為工件提供回轉支撐和定位。結構原理如圖3所示。尾架頂尖套筒裝在尾架體殼中，采用密集滾珠形式，通過液壓油缸使套筒伸縮，帶著固定式頂尖移動，以實現工件的張緊和松開。油缸的進油壓力可根據需要調節。

圖3 尾架結構

1.2.3 砂輪架

砂輪架的橫向進給由伺服電機經聯軸器，直聯驅動小導程高剛度絲杠，實現砂輪架的快速進退運動，周期進給，切入進給，錐度磨削，微量進給等。

導軌副采用閉式雙矩形靜壓潤滑導軌。此導軌由獨立的供油系統提供壓力油，為純液體摩擦，摩擦阻力小，傳動效率高，并具有良好的精度，使用壽命長。導軌運行時速度的變化對油膜厚度影響較小，工作穩定，低速無爬行現象，且油膜承載能力大，并能保持導軌具有較高的剛度及穩定性。結構見圖4。

圖4 砂輪架結構

1.2.4 工作臺

工作臺分為上下兩層的鑄鐵工作臺面，借助定位柱和兩端壓板定位緊固。當上工作臺面需要回轉一角度時，先松開兩端壓板，然后轉動位于右側的六角頭。上工作臺轉過的角度值可由刻度標尺讀出。微量調節時，可使用百分表裝置。下臺面與床身的導軌為低壓大流量卸荷導軌。工作臺的縱向進給由伺服電機經聯軸器，直聯驅動絲杠。

1.2.5 磨頭

磨頭結構如圖5所示。軸系采用前后高速高精度陶瓷滾珠軸承支撐，中間為內裝式電主軸，后部編碼器的結構形式，內置式SBS動平衡儀。采用油氣潤滑軸承和油冷卻電主軸。根據工件材質不同，分別采用CBN及金剛石砂輪，線速度高達150m/s。

圖5 磨頭結構

1.2.6 砂輪修整器

砂輪修整器固定于上工作臺，靠尾架端，采用金剛滾輪修整，由內置式電機組成的電主軸驅動。縱橫向進給由工作臺及砂輪架進給來實現。通過對砂輪架和工作臺的兩軸聯動控制，可以完成砂輪外圓不同形狀的修整。修整器結構見圖6。

圖6 砂輪修整器

1.2.7 磨削液過濾裝置

采用三級過濾，經過磨削區后的磨削液先進入有隔層沉淀箱進行初步沉淀分離，然后進入由強磁體制成的高效磁性分離器進行粗過濾，最后由紙帶過濾器進行精過濾。磨削液供液系統由冷卻泵、沖水泵、管道、閥門及噴嘴等組成。冷卻水泵流量120L/min，揚程252m，充分保證高效，大負荷磨削冷卻要求。并配有冷卻液恒溫裝置。

1.3 控制系統

1.3.1 系統配置

機床采用西門子840D數控系統、PCU50.3、1.5GHz,15英寸液晶顯示器、611D驅動模塊、1FT6交流伺服電機，內置PLC，Window XP操作系統。

1.3.2 控制功能

分別控制砂輪進給（X）軸、 工作臺縱向移動（Z）軸兩根直線運動軸，工件和砂輪的旋轉速度兩根旋轉數控軸。同時輔以Heidenhain測量光柵，實現砂輪進給（X）軸和 工作臺縱向移動（Z）軸的全閉環數字控制；對于砂輪轉速可以在最高150m/s以下任意設定，并且通過PLC可以實現砂輪修整量的自動補償，實現砂輪線速度的恒線速功能。

機床通過自主開發的二次開發磨削軟件可實現自動切入磨、自動縱磨、自動修整等磨削循環。其中切入磨削的動作順序如下: 人工裝工件→尾架頂尖向前頂緊工件→關雙層防護門→手撳自動循環按鈕→工件以粗磨速度旋轉、砂輪架快速前進、冷卻開→砂輪架粗進給→自動測量儀進→砂輪架精進給→量儀尺寸到發訊→砂輪架無進給→砂輪架快速退回、自動測量儀退回→頭架停、冷卻停→自動工作循環結束。

機床還具有多種安全保護功能：如液壓供油系統的壓力保護，各電機的過載保護、工作臺和砂輪架超程保護、電源開關開門斷電保護等電氣保護及安全聯鎖功能。

2 技術創新點

MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床在設計生產過程中的創新點主要體現在以下幾個方面：

2.1 磨削系統的動力學分析

MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床的動力學特性分析包括以下三方面：

(1)對超高速磨床砂輪主軸、進給單元、床身等關鍵部件進行動力學仿真分析，得到關鍵部件的模態特性，包括各階固有頻率、振型及關鍵部位共振變形量，發現并總結了一系列材質、結構及支撐方式對模態參數的影響規律，為關鍵部件的優化設計提供數據。

(2)對砂輪架、砂輪修整裝置、工件/夾具系統等關鍵位置的瞬態響應與頻率響應特性進行分析，并利用局部填充物及其填充位置和筋板結構、形狀來改善床身的動態性能，為實現整機優化設計提供依據。

(3)通過研究超高速磨床的自激振動形成機理，利用引起工藝系統自激振動的關鍵要素及基本規律，構建自激振動模型，對引起自激振動的關鍵部件結構要素、結合部阻尼特性的工藝要素等進行優化，并采取相關措施抑制自激振動，為實現整機綜合優化提供依據。

2.2 外圓磨床整體布局及集成

摒棄以往傳統磨床設計中存在的成本高、周期長等缺陷，本機床采用虛擬樣機技術，在設計階段運用CAE技術對產品整機和部分零部件的機構進行了仿真和分析，在對多種難加工材料的切削參數研究的基礎上，采用拓撲有限元法對床身等關鍵零部件進行計算和優化，這使得該外圓磨床在較短的時間內就能應用于實踐并能夠滿足切削難加工材料的要求。

2.3 高剛度高精度高速砂輪主軸系統的設計

針對150m/s超高速磨削要求，在砂輪主軸系統中采用了氮化硅陶瓷滾動軸承，并采用內裝式交流變頻電機作為主軸驅動電機，其轉子預先進行了高標準的動平衡，并使用獨立溫控的油冷卻系統，避免了電機高速運轉時產生的熱量對主軸回轉精度造成影響。通過測試發現主軸長時間高速運轉時，最大溫升不超過20度；主軸的平衡采用內裝式全自動平衡儀，利用數據輸出功能避開了發生共振的轉速區域。

2.4 高精度高剛度微進給系統的設計和制造

考慮到閉式靜壓導軌具有傳動效率高、精度保持性好、工作穩定、抗振性能好、承載能力大、支承剛度高等優點，該微進給系統采用定壓反饋節流導軌，并利用大功率交流伺服電機驅動，通過高精度撓性聯軸器連接滾珠絲杠，進給分辨率可達0.1μm。滾珠絲杠支承端選用高精度滾珠絲杠專用軸承，并在絲杠兩端增加防護套以保護滾珠絲杠不受冷卻液的腐蝕。

為減少機床振動對微進給機構精度的影響，使用有限元仿真軟件對此系統結構進行了整機模態分析，確定了結構的固有頻率和振型，避免在使用過程中出現共振和有害的振型，提高了系統精度。

2.5 超高速磨削液噴注系統

通過對不同磨削液高效注入方式（高壓噴射、空氣檔板輔助截斷氣流法、砂輪開槽降溫法、砂輪內冷卻法等）的實驗研究，MGKS1332/H的設計采用了混合式磨削液噴注系統，該系統可以克服氣流屏，使磨削液有效地進入磨削弧區，同時可以降低磨削弧區溫度、改善工件表面質量，并能延長砂輪修整一次后可磨削的時間。

2.6 面向不同超硬及難加工材料的超高速磨削用砂輪的選擇

根據不同難加工材料類型和線速度的要求，砂輪選擇遵循以下原則：

超硬材料：不同結合劑類型的金剛石磨粒砂輪；

粘性材料：不同結合劑類型的立方氮化硼（CBN）磨粒砂輪；

硬質涂層材料：不同結合劑類型的微細金剛石磨粒砂輪；

普通涂層材料：不同結合劑類型的微細CBN磨粒砂輪。

結合劑類型的選擇將視以前相關研究經驗和線速度要求而定，如：線速度125m/s或以下，可采用陶瓷或樹脂結合劑Al2O3、SiC或CBN磨料砂輪；線速度達150m/s時采用樹脂結合劑CBN和金剛石砂輪；線速度達250m/s時使用單層電鍍鎳基金剛石砂輪和CBN砂輪；當線速度達到300m/s至500m/s以上時可用高溫釬焊金屬結合劑砂輪。

2.7 砂輪的在位修整及在線修銳技術

根據工件材質不同，MGKS1332/H采用了不同的砂輪，與之對應的在位修整及在線修銳技術也不盡相同，在使用中可按照下述原則來選擇修整和修銳方法：

對單層電鍍鎳基金剛石和CBN砂輪、釬焊高溫合金金剛石砂輪采用磨削法，即用一個金屬結合劑外圓金剛石砂輪作為修整輪輔助以電解在線修銳方法（ELID），對被修整砂輪以特定的進給量和修整深度進行相對磨削，直到被修整砂輪擁有一定的出刃高度、良好的砂輪回轉精度和恒定的磨粒頂面圓周包跡。通過對修整和被修整砂輪的回轉速度、進給量和磨削深度等參數進行優化，可實現精密高效的修整效果。通過研究超高速工況下砂輪結合劑氧化層生成與脫落的機理和規律，優化電解在線修銳方法（ELID）的電解參數（如占空比、電解電壓、電解電流等），解決了高速下陽極的供電和磨損問題，并能使磨削液注入到陰極與砂輪間的縫隙，提高了磨削效果。

對樹脂、金屬、混合結合劑微細磨粒金剛石和CBN砂輪采用車削修整法，即利用金剛石筆對砂輪以切削的形式切除掉砂輪基體上結合劑和微細磨粒。而針對不同的結合劑，砂輪的在線修銳技術又可分為兩種：激光輔助修銳法用于樹脂基結合劑砂輪的在線修銳，電解修銳法用于金屬基和混合結合劑微細磨粒金剛石和CBN砂輪的在線修銳。通過激光輔助修銳法修整樹脂結合劑砂輪，熱影響區小、砂輪修整損耗小并易于實現自動化，提高修整效率。針對所加工產品選用的砂輪，該機床配有金剛滾輪修整器。

2.8 砂輪動態平衡及其振動監測技術

超高速高精度磨削時砂輪回轉不平衡引起的振動會嚴重影響主軸系統的工作性能和磨削質量。MGKS1332/H機床砂輪動平衡系統是根據主軸系統的性能、設計方案等，在分析高速、超高速高精度磨削特點基礎上，通過有限元法模擬不同工況下的主軸（砂輪）系統的狀態以及加工實驗的監測結果而確定的。

超高速高精度磨削加工中，對砂輪破碎及磨損狀態的監測非常重要，砂輪與工件和修整輪的對刀精度直接影響尺寸精度和修整質量。該機床利用傳感器達到砂輪狀態時的測量與分析，在加速度傳感器、AE傳感器、渦流傳感器的基礎上構建了超高速砂輪工作狀況監測與報警系統。該系統可以在線實時監測砂輪磨削加工狀態、檢測砂輪振動位移參量，檢測砂輪是否需要修整、加工過程是否穩定，進而確定修整時間。動平衡和振動檢測技術在MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床上的應用全面改善了工件加工質量，有效提高了機床磨削效率。

3 小結

MGKS1332/H數控高精度超高速外圓磨床的研發取得了高剛度超高速精密砂輪主軸系統和微進給系統、超高速磨削液噴注系統、砂輪的在位修整及在線修銳、砂輪動態平衡及其振動監測、超高速磨削系統的動力學特性分析、外圓磨床整體布局和結構設計與整機集成控制、難加工材料用超硬金剛石和CBN砂輪等多項技術突破。克服了多種難加工材料精密高效磨削技術和工藝的技術瓶頸，為難加工材料加工質量和加工效率的統一提供了科學依據。