精密數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床的研發(fā)與應(yīng)用

無錫機(jī)床股份公司

精密數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床的研發(fā)與應(yīng)用

無錫機(jī)床股份公司

一、概述

內(nèi)圓磨床是一種十分重要的內(nèi)孔加工精密機(jī)床。長(zhǎng)期以來，由于國(guó)內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，導(dǎo)致了高端內(nèi)圓磨床大部分依賴于進(jìn)口的被動(dòng)局面。隨著機(jī)械、航空航天、汽車、軍工等工業(yè)的大力發(fā)展，我國(guó)對(duì)高端數(shù)控內(nèi)圓磨床的需求量近兩年以30%～40%的速度增長(zhǎng)。近年來工業(yè)界對(duì)機(jī)械零部件的制造精度要求越來越苛刻，這樣就迫切需要高性能先進(jìn)適用性的數(shù)控內(nèi)圓磨床投放市場(chǎng)。

大尺寸規(guī)格、高精度的主軸、軸承套、套筒以及數(shù)控工具系統(tǒng)刀柄等零部件的內(nèi)錐孔、內(nèi)圓孔精密磨削是技術(shù)難度較大的一類新型內(nèi)圓磨床。為滿足重點(diǎn)用戶的磨削加工需求，本公司突破了該類機(jī)床功能部件、制造工藝、數(shù)控技術(shù)、磨削工藝和相關(guān)核心技術(shù)，研制了精密數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床，能夠?qū)崿F(xiàn)工件在一次裝夾中完成零件的內(nèi)圓、外圓、端面、錐面和非圓等的復(fù)合磨削加工，從而達(dá)到減少機(jī)床和夾具, 免去工序間的搬運(yùn)和儲(chǔ)存, 提高工件加工精度, 縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。其技術(shù)參數(shù)和工藝性能滿足機(jī)床主軸、軸承套、套筒，以及數(shù)控工具系統(tǒng)刀柄等規(guī)模化生產(chǎn)要求，性能指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大規(guī)格高精度數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床的空白。

該機(jī)床是大型主軸類、套筒類等零部件高效精密加工的必備裝置，能廣泛應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)、工程機(jī)械、航空航天、船舶、軍工和通用機(jī)械等領(lǐng)域。研制的大規(guī)格精密內(nèi)圓磨床，不僅能大幅度提高機(jī)械加工工藝水平，在國(guó)際上逐步形成競(jìng)爭(zhēng)能力，促進(jìn)機(jī)床行業(yè)發(fā)展，而且可替代進(jìn)口，滿足國(guó)內(nèi)用戶之急需。

項(xiàng)目開發(fā)了3種規(guī)格的內(nèi)圓復(fù)合磨床，申請(qǐng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利6項(xiàng)，獲得專利授權(quán)4項(xiàng)，制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。課題研制的定型磨床已有2臺(tái)在客戶處得到應(yīng)用，主要客戶有齊二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、無錫博華機(jī)電公司、北京南口軌道交通有限公司等。

二、課題技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1.精密內(nèi)圓復(fù)合磨床結(jié)構(gòu)總體方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

WX-2015數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床整機(jī)實(shí)物圖

以WX-2015數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床為例，該機(jī)床為適應(yīng)用戶在加工大尺寸機(jī)床主軸工件時(shí)，完成一次裝夾、多次磨削的要求而開發(fā)。通過X軸與Z軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓磨削，V軸與U軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)外圓及端面磨削。盡管該磨床為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圓磨削功能所采用的結(jié)構(gòu)布局，跟國(guó)外產(chǎn)品比較看似有些繁復(fù)，但從設(shè)計(jì)理念上看，是一種既經(jīng)濟(jì)快捷又巧妙的方案。該產(chǎn)品在原有機(jī)型、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造工藝的基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外圓復(fù)合磨削。機(jī)床采用臥式結(jié)構(gòu)，由工件主軸系統(tǒng)、床頭主軸箱、外圓磨架、內(nèi)圓磨架、砂輪修正器、直線進(jìn)給系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)、床身和附件等組成。機(jī)床為5軸全數(shù)控，其中工件回轉(zhuǎn)軸與內(nèi)圓砂輪X軸、外圓砂輪W軸聯(lián)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)非圓磨削功能。

磨削原理圖

數(shù)控精密內(nèi)外圓復(fù)合磨床三維總體方案圖

2.機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)熱態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）借助Pro/E軟件建立磨床整機(jī)三維模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立整機(jī)有限元模型。

（2）基于赫茲接觸理論及材料力學(xué)知識(shí)，計(jì)算帶滾珠絲杠的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌結(jié)合部的軸向、垂向和橫向剛度。將滾動(dòng)直線導(dǎo)軌結(jié)合部剛度利用自定義單元施加到整機(jī)有限元模型中，完善有限元模型；基于傳熱學(xué)理論，計(jì)算熱源產(chǎn)熱散熱邊界條件，為熱態(tài)特性分析提供條件。

（3）對(duì)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果，判斷對(duì)磨床動(dòng)態(tài)特性影響較大的振型；利用靈敏度分析、拓?fù)鋬?yōu)化等手段，對(duì)磨床結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

（4）探討筋板類型和布局對(duì)單個(gè)部件動(dòng)態(tài)性能的影響，以及單個(gè)部件動(dòng)態(tài)性能的提高對(duì)整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響。

（5）對(duì)單個(gè)熱源以及整機(jī)進(jìn)行熱態(tài)特性分析，根據(jù)分析結(jié)果，確定對(duì)整機(jī)加工精度影響較大的熱源，并針對(duì)該問題提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

3.高速高精度工件主軸與高剛性砂輪軸系設(shè)計(jì)

（1）高速工件主軸與內(nèi)外圓磨削砂輪主軸結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（2）滾動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特性參數(shù)建模分析。

（3）軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）高速主軸熱態(tài)特性分析與高效冷卻系統(tǒng)研制。

（5）高速砂輪軸滾動(dòng)軸承油氣潤(rùn)滑試驗(yàn)研究。

高精度高剛性工件主軸結(jié)構(gòu)圖

4.復(fù)合磨床數(shù)控技術(shù)與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

（1）機(jī)床為5軸全數(shù)控，系統(tǒng)采用西門子840D，可完成機(jī)床的手動(dòng)調(diào)整、修整補(bǔ)償、四軸聯(lián)動(dòng)雙通道自動(dòng)工作循環(huán)等控制。進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)傳動(dòng)，由SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)控制，完成進(jìn)給和砂輪修整、補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。內(nèi)圓砂輪電主軸X軸、Z軸、工件軸聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)非圓磨削功能。

具有高可靠性及故障自診斷功能，電動(dòng)機(jī)主回路采用斷路器保護(hù)電動(dòng)機(jī)或短路。短路時(shí)，斷路器自動(dòng)跳閘，切斷主回路，同時(shí)輔助觸點(diǎn)動(dòng)作，令控制系統(tǒng)停止循環(huán)動(dòng)作，并且在西門子屏幕上顯示報(bào)警內(nèi)容。

（2）在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了直線電機(jī)與直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用技術(shù)研究，對(duì)導(dǎo)軌往復(fù)震蕩靈敏度、導(dǎo)軌磨擦磨損、溫升進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。

10000mm/min即540次/min時(shí)，導(dǎo)軌、滑塊測(cè)溫

三、項(xiàng)目成果和應(yīng)用情況

課題研發(fā)的高精度數(shù)控內(nèi)圓復(fù)合磨床可廣泛應(yīng)用于機(jī)床、主軸、刀具、齒輪等廠家的零部件精密制造，滿足客戶產(chǎn)品升級(jí)換代的需要，將為機(jī)床、主軸等行業(yè)高精度、高質(zhì)量和高效率的規(guī)模化生產(chǎn)提供先進(jìn)技術(shù)和裝備支持，打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)能力。WX-2015型精密數(shù)控內(nèi)圓磨床達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：加工直徑≤Φ200mm；加工長(zhǎng)度≤500mm；加工內(nèi)圓圓度0.35um；縱截面直徑一致性0.6 um/150mm；加工表面粗糙度0.1um；工件最大重量300kg。

項(xiàng)目延伸開發(fā)了MK2710型、WX2019型多工位數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床，機(jī)床采用六軸布置的型式，有用于內(nèi)孔、內(nèi)凹端面等表面磨削進(jìn)給和往復(fù)的X軸和Z軸；有用于外錐、外圓、外端面等表面磨削進(jìn)給和往復(fù)的W軸和U軸；有控制工件主軸轉(zhuǎn)動(dòng)或分度用的C軸；有用于大小砂輪軸切換用的B軸。機(jī)床采用復(fù)合磨削的形式，一次裝夾同時(shí)對(duì)內(nèi)孔或階梯內(nèi)孔及外錐、外圓或外端面進(jìn)行磨削加工，可提高加工面之間的形位公差，且可節(jié)約大量的輔助加工時(shí)間。此類磨床已在齒輪、主軸、刀具等行業(yè)得到應(yīng)用。□