精密數(shù)控立式球面磨床的設(shè)計(jì)與研究*

龔肖新 馬金雷 馬 毅

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215104;②紐威數(shù)控裝備有限公司，江蘇蘇州 215163)

球閥的關(guān)閉件是一個(gè)球體，通過球體繞閥體中心線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開啟、關(guān)閉球閥的功能，球閥的密封性和可靠性主要取決于球體型面的加工精度與表面質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)普遍采用在臥式車床上安裝專用磨削裝置或?qū)ζ胀ㄍ鈭A磨床進(jìn)行改造等方式，對(duì)球體進(jìn)行磨削加工。由于球體一般通過兩頂尖孔臥式安裝，當(dāng)加工小球體(球體直徑≤200 mm)時(shí)，精度尚可滿足要求，但在加工較大的球體時(shí)(球體直徑＞200 mm)，由于球體在重力作用下會(huì)向下偏移，導(dǎo)致球體的中心線偏離機(jī)床主軸的中心線，從而降低了加工精度，導(dǎo)致加工后的球體無法滿足高性能球閥的高精度要求。

圖1所示直徑為φ620 mm的球體工件，其材料硬度 58 ～64 HRC，球面尺寸精度 φ620+0.1750mm，圓度誤差≤0.02 mm，表面粗糙度Ra0.2 μm。為了滿足此類高硬度、大尺寸、高精度的球體工件磨削加工要求，設(shè)計(jì)一種新型數(shù)控立式球面磨床具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

1 立式球面磨床的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為立式球面磨床的主體結(jié)構(gòu)，機(jī)床主要由底座、立柱、主軸箱、滑鞍和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部件組成。底座是機(jī)床的基礎(chǔ)部件，承受機(jī)床的重量、切削力和切削振動(dòng);立柱是一個(gè)高剛性部件，安裝在底座上，主軸箱裝在立柱前面的導(dǎo)軌上;主軸箱上安裝了主軸電動(dòng)機(jī)、主軸;磨頭安裝在主軸上，球體工件豎直安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上。

機(jī)床主要?jiǎng)幼靼?安裝在滑鞍上的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)沿床身導(dǎo)軌作X軸方向運(yùn)動(dòng);立柱沿床身導(dǎo)軌作Z軸方向運(yùn)動(dòng);主軸箱沿立柱導(dǎo)軌作Y軸方向運(yùn)動(dòng);工件通過專用夾具被固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)工件作B軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床主傳動(dòng)為V帶傳動(dòng)，主軸動(dòng)力由主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)V帶傳遞至主軸，磨頭由主軸帶動(dòng)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);Y、Z軸進(jìn)給傳動(dòng)為伺服電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng);X軸進(jìn)給傳動(dòng)為液壓驅(qū)動(dòng);導(dǎo)軌形式均為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。

基于球體工件立式安裝而設(shè)計(jì)的精密數(shù)控立式球面磨床如圖3所示。

球面磨削采用展成法加工原理，磨削加工時(shí)，磨頭圓周方向均布的砂條與工件按確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即磨頭繞其軸線旋轉(zhuǎn)做主運(yùn)動(dòng)，工件繞其軸線做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，磨頭上的磨削刃與球體表面相切呈接觸點(diǎn)，其合成運(yùn)動(dòng)形成圓弧軌跡，各圓弧軌跡瞬時(shí)位置的包絡(luò)線，便是所需的發(fā)生線。當(dāng)砂輪沿軸線方向適當(dāng)進(jìn)給時(shí)，可以磨削出適合要求的球面尺寸。在保證磨頭和工件正確安裝的前提下，用展成法進(jìn)行磨削加工，球體表面形成的刀路網(wǎng)紋如圖4所示。

2 磨頭動(dòng)力部件設(shè)計(jì)

磨頭動(dòng)力部件主要由磨頭、主軸、主軸箱、主軸電動(dòng)機(jī)和帶傳動(dòng)裝置等組成，如圖2所示。其中磨頭和主軸的結(jié)構(gòu)形式直接影響到磨頭動(dòng)力部件的剛度，從而影響到加工工件的精度及表面質(zhì)量。

2.1 磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)球面磨削加工要求，設(shè)計(jì)磨頭結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由連接盤、磨頭體、砂條以及用于聯(lián)接和夾緊的螺釘?shù)冉M成。連接盤上除了靠近中心圓周上設(shè)計(jì)了6個(gè)主軸聯(lián)接螺釘孔之外，其外圍開設(shè)3圈周向均勻分布的聯(lián)接孔，孔數(shù)分別為6、8、12個(gè)，主要用于安裝3種尺寸規(guī)格的磨頭體，以滿足不同尺寸范圍球體加工需要;圖5所示安裝了最大尺寸規(guī)格的磨頭體，磨頭體前端面周向均勻開設(shè)12個(gè)25 mm×25 mm的矩形孔，既便于隨機(jī)選擇安裝砂條，又可以減輕磨頭重量;砂條選材黑碳化硅，并進(jìn)行滲硫處理，粒度號(hào)220目，其硬度高，性脆，磨粒鋒利，具有一定導(dǎo)熱性;砂條截面尺寸22 mm×24.5 mm，砂條在夾頭處外伸長(zhǎng)度通常在40 mm以下，砂條外伸長(zhǎng)度太長(zhǎng)時(shí)剛性差，太短時(shí)則球體工件易碰擦;砂條內(nèi)側(cè)最大間距L與被加工球體直徑D偏差不能太大，否則易導(dǎo)致磨削不充分或球體碰擦等問題，通常取:L－D=±10 mm;砂條安裝數(shù)量可選4、6、8，通常選6，因?yàn)樯皸l數(shù)量越多，其消耗量越小，不必經(jīng)常更換砂條，但是隨著砂條數(shù)量增加，由于砂條伸出長(zhǎng)短不一致，安裝調(diào)整費(fèi)時(shí)，且若某個(gè)砂條損壞，則更換不方便。

2.2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨頭主軸系統(tǒng)的剛度是影響數(shù)控球面精密磨削裝備加工精度的重要因素，高剛度可以保證高的磨削速度和進(jìn)給速度，同時(shí)可以保證期望的加工精度、表面粗糙度和砂條使用壽命。一般來說，磨頭主軸系統(tǒng)的剛度與其結(jié)構(gòu)尺寸、支承跨距、軸承類型及配置形式等有關(guān)。圖6所示為主軸結(jié)構(gòu)形式。

主軸采用空心軸結(jié)構(gòu)，其前端設(shè)置的短外圓錐便于磨頭定位，內(nèi)圓錐孔用于檢測(cè)機(jī)床精度時(shí)安裝檢具，軸端密封蓋用于防止磨削液和磨屑流入主軸孔，主軸通過傳動(dòng)鍵帶動(dòng)磨頭旋轉(zhuǎn);主軸的支承軸承選擇α=30°的角接觸球軸承，前軸承采用TBT組配方式，后軸承采用DB配對(duì)方式，前軸承主要承受較大的磨頭進(jìn)給軸向力、磨頭的自重和旋轉(zhuǎn)離心力，后軸承主要承受帶輪的重力和張緊力作用;主軸兩端支承采用一端(前端)固定，一端(后端)游動(dòng)形式，以適應(yīng)主軸熱脹冷縮的變化;主軸與帶輪之間采用脹緊套聯(lián)接，可以避免開設(shè)鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱。

3 球體工件立式安裝專用夾具設(shè)計(jì)

針對(duì)球體工件立式安裝的特殊要求，設(shè)計(jì)專用夾具，如圖7所示。球體工件的定位與夾緊主要依靠安裝在支座上的固定頂尖和夾緊油缸驅(qū)動(dòng)的液壓頂尖，固定頂尖的頂端制成半徑1 mm的小球面，防止球冠底面安裝時(shí)被劃傷;支座固定在工作臺(tái)上，固定頂尖兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)傳動(dòng)件，嵌入工件球冠的矩形孔內(nèi)，通過傳動(dòng)件工作臺(tái)帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);根據(jù)球體尺寸和球冠高度，利用手柄調(diào)節(jié)和控制螺母升降高度，或者通過增減調(diào)整環(huán)厚度，以避免球體表面與夾具發(fā)生碰擦。

4 自動(dòng)對(duì)中數(shù)控功能設(shè)計(jì)

為控制球體工件圓度誤差，磨頭和工件相對(duì)位置調(diào)整要求較高:上頂尖回轉(zhuǎn)軸線與數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸線重合;磨頭主軸的回轉(zhuǎn)軸線與立柱進(jìn)給軸(Z軸)平行，且與上頂尖和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的連線相交;主軸箱上下運(yùn)動(dòng)(Y軸)與上頂尖和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的連線平行。利用數(shù)控系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中功能。數(shù)控系統(tǒng)操作界面如圖8所示。

對(duì)刀時(shí)，工作方式選擇為“手輪進(jìn)給”，將磨頭移至工件附近，再移動(dòng)Y軸向上直至磨頭碰到工件下端，按下“下端對(duì)刀”，數(shù)據(jù)將記錄在球體下端(Y)對(duì)刀點(diǎn)(R280)中，同樣，移動(dòng)Y軸向下直至磨頭碰到工件上端，按下“上端對(duì)刀”，數(shù)據(jù)將記錄在球體上端(Y)對(duì)刀點(diǎn)(R281)中。完成下端對(duì)刀和上端對(duì)刀后，按下“找中Y”，Y軸中點(diǎn)坐標(biāo)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算并被記錄至找刀點(diǎn)Y軸坐標(biāo)(R204)中。在Y軸中點(diǎn)處移動(dòng)Z軸直至碰到工件，按下“找中Z”Z軸中點(diǎn)坐標(biāo)就會(huì)記錄至找刀點(diǎn)Z軸坐標(biāo)(R210)中，至此，單次對(duì)刀完成。

按照上述對(duì)刀操作步驟，多次采集Y軸坐標(biāo)值，使磨頭旋轉(zhuǎn)軸線與球體軸線無限趨近，即可消除豎向誤差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中。

5 結(jié)語

針對(duì)高性能球閥球體的加工要求，研制了精密數(shù)控立式球面磨床，該機(jī)床采用獨(dú)特的工件立式安裝結(jié)構(gòu)，針對(duì)球面磨削展成法加工要求專門設(shè)計(jì)了磨頭動(dòng)力部件、主軸和專用夾具，并且通過數(shù)控系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中操作，解決了高硬度、大尺寸球體工件磨削加工時(shí)圓度誤差大、生產(chǎn)質(zhì)量和效率低的難點(diǎn)問題。該機(jī)床用于生產(chǎn)，加工精度和生產(chǎn)效率顯著提高。

［1］黃宏偉，陳相志，余英良.高精度球面的數(shù)控磨削加工［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2006(6):54－57.

［2］魏臣雋，胡德金，楊學(xué)華，等.回轉(zhuǎn)球面精密磨削系統(tǒng)及其誤差模型［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(1):105 －108.

［3］耿在丹，魏鐵建，余英良.大型球體球面磨削加工的數(shù)控改造［J］.新技術(shù)新工藝，2008(12):52－54.

［4］馬寶玲，于信偉.外球面磨削及其表面誤差［J］.煤礦機(jī)械，2004(5):77－78.

［5］王啟義.中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典:第2卷:機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002.