主軸部件套類零件高精度立式磨床研制*

胡 秋 舒 強 汪俊文 王寶瑞

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，超精密加工技術重點實驗室 四川 綿陽 621900)

主軸部件套類零件高精度立式磨床研制*

胡 秋 舒 強 汪俊文 王寶瑞

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，超精密加工技術重點實驗室 四川 綿陽 621900)

在分析套類工件結構特點和技術要求基礎上，以精度為目標，開展了立式復合磨削工藝路線設計及與之相適應的精密立式磨床研制。所研制的磨床其動態回轉精度優于0.3 μm的高剛度液體靜壓直驅式靜壓回轉工作臺和運動直線度優于0.2 μm/200 mm的高剛度液體靜壓導軌很好地保證工件磨削圓度和母線直線度。研制的機床實現了內孔磨削圓度0.7 μm，外圓磨削圓度優于0.45 μm的磨削效果，能滿足各種高精度主軸部件套類零件高精度磨削。

主軸部件；套類工件；立式磨床；液體靜壓回轉工作臺；液體靜壓導軌；控制軟件

超精密主軸是各種高性能數控機床、超精密加工機床與高端儀器的關鍵共性部件之一。精密加工技術是精密主軸部件核心技術之一，主軸部件關鍵零部件加工技術主要包括加工環境、加工裝備及加工工藝等內容，而加工裝備則是精密超精密主軸零部件精密加工的重要組件部分之一。

1 主軸部件套類零件精密磨削工藝路線設計

套類零件在精密超精密主軸、轉臺中占有重要地位。圖1為一典型的加工中心高速電主軸,其前、后軸承座、定子冷卻水套、殼體等屬于典型的套類零件，特別是前、后軸承座、殼體是影響主軸精度和可靠性的關鍵零部件；在超精密靜壓主軸中，典型的套類零件包括主軸殼體、徑向軸承軸套等，圖2為一典型的靜壓主軸軸套零件結構示意圖。

上述套類零件關鍵結構要素包括圓柱面、軸肩、端面等，這類零件其共性技術主要包括[1][2]：(1)圓度、圓柱度、同軸度等形位精度要求高，如高速電主軸殼體與軸承座配合面、軸承座與軸承配合面等關鍵配合面，一般要求圓度優于1 μm ，圓柱度優于2 μm，同軸度2 μm甚至更高；(2)對于流體靜壓支承的超精密主軸[3]，其回轉精度要求達到亞微米級，有時更是要求達到優于100 nm，這就要求靜壓主軸軸套精度要求更高，一般要求圓度優于0.5 μm，圓柱度優于1 μm，內圓尺寸精度要求達到±1 μm；(3)端面、軸肩平面度、垂直度等相關形位精度高，對于高速電主軸一般要求小于2 μm，而超精密加工機床主軸一般優于1 μm。

根據工件結構特點，設計立式復合磨削工藝總體技術路線如圖3所示。機床整體采用立式磨削方式，可以避免工件重力影響；工件采用電磁吸盤或精密定心卡盤裝卡，裝卡具易于設計；工件磨削時，砂輪直接可磨削內圓、外圓，磨削主軸轉位后斜切入可以磨削端面和軸肩，工件一次裝卡可實現外圓、內圓、端面、軸肩等磨削，無工件轉序積累誤差，精度高，效率高。

2 高效高精數控立式磨床研制

2.1 機床總體布局

專用磨床總體布局如圖4所示，機床由床身本體(底座、立柱、橫梁等)、回轉工作臺、砂輪磨削主軸(可傾斜)、X軸、Z軸、砂輪修整器、控制系統等幾大部件組成。

機床機械本體采用雙立柱結構布局，鑄鐵床身；X軸完成砂輪進給，其Z向直線度影響工件端面平面度，考慮到端面、軸肩尺寸一般相對較小，故X軸采用C1級直線導軌，直線電動機驅動；Z軸作往復運動，回轉工作臺帶動工作旋轉，二者配合完成工件軸向磨削。

2.2 回轉工作臺

回轉工作臺是該機床關鍵功能部件之一，其動態回轉精度直接影響工件圓度、端面平面度，其剛度則與工藝系統剛性相關，影響工件磨削母線直線度和圓柱度。

回轉工作臺采用如圖5所示的基于靜壓支承的直驅轉臺總體技術方案[4-5]，回轉工作臺采用力矩電動機直接驅動以獲得高精度和動態響應特性，不同于國內以往普遍采用的靜壓環形導軌與滾動軸承組合的支承方式，回轉工作臺徑向軸承和止推軸承均采用液體靜壓支承以獲得高的動態回轉精度、剛度和阻尼特性。

回轉工作臺徑向軸承、止推軸承均采用小孔節流靜壓支承以獲得高的動態響應特性[5]，靜壓油選用稀油有利于降低溫升，潤滑油選N3，供油壓力取2 MPa；徑向軸承采用有軸向回油槽對稱等面積矩形油腔，軸頸直徑D取200 mm，軸承長L=1.2D，周向、軸向封油邊取0.1D，油膜間隙取20 μm，節流器小孔直徑0.5 mm；止推軸承采用等面積液體靜壓閉式環形導軌承受軸向力，靜壓止推導軌內、外緣封油面寬取其等于徑向軸承周向和軸向封油邊尺寸，即R2-R1=R4-R3=0.1D，根據靜壓導軌一般設計規范定[6]，進一步確定徑向、止推軸承油腔深、回油槽深度等其他結構參數。

根據相關設計參數，可以進行靜壓支承剛度計算[7-9]，并進一步采用有限元仿真分析方法，轉臺徑向剛度和軸向剛度分別為449 N/μm和2 174 N/μm，與實測(圖6)數據410 N/μm和1 950 N/μm比較吻合，可以較好滿足機床加工要求。

2.3 閉式液體靜壓導軌

Z軸運動直線度直接影響工件母線直線度，其剛度與機床加工工藝系統剛度相關，影響機床加工時母線直線度及錐度。

Z軸導軌采用小孔節流等面積閉式液體靜壓導軌以獲得盡量大的剛度和運動直線度，導軌結構及滑塊結構見圖7。Z軸靜導軌滑塊長600 mm，為三油腔結構，油腔寬取28 mm，橫向封油邊取14 mm；油腔長164 mm，縱向封油邊取16 mm；供油壓力2 MPa,潤滑油為N3，油膜間隙單邊25 μm，小孔直徑0.5 mm；設計狀態下液阻比0.7，導軌在X方向剛度約2 400 N/μm[10-12]，對研制的導軌運動直線度采用電感測微儀配合條形平晶(直線度優于0.1 μm)為0.2 μm /200 mm，全行程直線度0.5 μm。

2.4 機床控制軟件設計

磨床數控系統一方面要完成進給、主軸回轉等通用指令，同時還要完成磨床專有功能，如砂輪修整、砂輪自動補償、磨削自動循環、防碰撞與斷電急退、恒線速度磨削等。

控制系統采用NC嵌入PC的“PC+多軸運動控制器+進給伺服驅動器”的開放式控制架構，硬件采用Delta Tau公司的UMAC開放式多軸運動控制器，充分利用其高速處理、高帶寬閉環控制、Look ahead(軌跡前瞻控制)和高階軌跡生成能力。機床軟件設計采用C++開發環境和利用UMAC自帶命令聯合開發的方式實現[13]。

控制軟件采用模塊化設計，其主要模塊包括數據驅動模塊、控制輸入模塊、數控程序模塊、工藝仿真模塊等，開發的機床控制軟件運行界面如圖8所示。

砂輪修整及自動補償是磨床重要功能之一，機床設計專用的砂輪修整程序，由手動選擇或NC程序指定進行砂輪修整，通過調用砂輪修整程序，由X、Z軸的運動實現砂輪修整，修整后坐標軸自動補償砂輪直徑的減小量，應用自動補償功能。

2.5 機床其他關鍵部件與集成

機床磨削主軸采用電主軸，主軸采用HSK C100刀具接口，通過更換不同長度、不同直徑砂輪接桿，可以使機床適應不同直徑、不同高度工件。

配重平衡系統是機床設計重要一環，它影響機床定位精度和響應能力。主軸箱配重方式主要有配重塊、液壓配重系統、高壓氣缸等方式。配重塊機械系統設計相對復雜，體積較大，易發生鋼絲繩磨損、配重系統易抖動等問題；油壓配重系統存在著高阻尼、溫升等問題。高壓氣缸配重具有體積小、低耗能、維護成本低，阻尼小，溫升低且高速性能好。本機床選用高壓氣缸配重平衡。機床總體集成見圖9所示。

3 磨削效果

對該機床開展了某超精密靜壓轉臺轉子軸外圓和某超精密空氣靜壓主軸內孔磨削(圖10)，試驗對象材料均為38CrMoAlA，滲氮(0.3～0.5)mm，表面硬度900HV，其中外圓磨削試件尺寸為φ150mm×120mm，內孔磨削試件尺寸為φ200mm×190mm。

二次磨削試驗中，工件均采用電磁吸盤安裝，選用瑞士溫特圖爾微晶氧化鋁砂輪，陶瓷粘接劑，粒度120，硬度中等偏軟。磨削時分五次進刀，前三次進刀量為5 μm，后二次進刀量為2 μm，Z軸走刀速度為100～150 mm/min，進刀量完成后砂輪光刀5次。工件磨削后采用Taylor Hobson圓度儀進行檢測，對于外圓，實現了圓度0.45 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm磨削效果，對于內孔,磨削后圓度為0.6 μm，表面粗糙度Ra0.1 μm，滿足工件加工要求。

4 結語

對主性能主軸部件套筒類工件采用立式磨削進行磨削，避免工件重力影響，工件一次裝卡可實現外圓、內圓、端面、軸肩等磨削，無工件轉序積累誤差，精度高，效率高。

關鍵部件設計中，采用液體靜壓支承可以使回轉工作臺獲得極高的動態回轉精度、剛度及阻尼特性，能很好保證工件磨削圓度，且大的徑向剛度和軸向剛度能增強工藝系統剛度，有利于提高工件磨削精度。Z軸采用閉式液體靜壓導軌可以獲得極高的運動直線度、剛度，提高工件母線直線度磨削精度，并有利于提高磨削工藝系統剛性。

對集成的機床開展外圓和內孔高精度磨削，實現了內孔圓度優于0.7 μm，外圓圓度優于0.45 μm的磨削效果，能滿足各種高精度主軸部件套類零件高精度磨削。

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Development of high-precision vertical grinder for sleeve parts of spindle

HU Qiu, SHU Qiang, WANG Junwen, WANG Baorui

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, Laboratory of Ultra-sophisticated Machining, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, CHN)

A high-precision grinder is developed based on the characteristic analysis of structure and manufacture of sleeve parts as well as the design of vertical complex grinding process. This high-precision grinder could achieve good roundness and generatrix straightness due to its high stiff hydrostatic rotary table and guideway of which dynamic rotary accuracy and motion straightness are 0.3μm and 0.2μm /200mm, respectively. As the measurement results shown, the roundness of the inner bore and the excircle are better than 0.7μm and 0.45μm respectively, which demonstrates that the grinder has the enough capability of high precision grinding for sleeve parts of the spindle.

spindle; sleeve parts; vertical grinder; hydrostatic rotary table; hydrostatic guideway; control software

*國家重大科學儀器設備開發專項(2011YQ130043)；中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室基金重點項目(K855)；中國工程物理研究院重大科技專項(9020602)

TG502

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.009

胡秋，男，1971年生，碩士，高級工程師，研究方向為超精密加工機床及其關鍵功能部件開發及性能測評。

(編輯 孫德茂)

2016-01-26)

160914