自動與智能磨削

中車戚墅堰機車有限公司 虞行國

自動與智能磨削

中車戚墅堰機車有限公司 虞行國

數控磨床是航空航天、軌道交通、海洋工程等行業關鍵零件實現高效精密加工的核心裝備，是高端技術最密集的產品之一，磨削機理復雜，控制困難, 其關鍵技術和制造工藝難以復制。磨削加工的整個過程會直接影響到工件的精度、質量、效率與成本, 工件磨削后的產品質量好壞又直接反映到最終產品的壽命與可靠性，這就要求數控磨床具有很高的技術含量，并且要具備有位移、振動、溫度等多種傳感器構成的生產系統才構成智能磨削。

2011年在上海召開的04專項“高檔數控機床與基礎裝備”磨削領域技術研討會上，國內裝備制造企業的專家們為提高國產數控機床競爭力，提出了機床精度及穩定性是提高機床技術含量的核心，國內需要解決高端磨床發展的深層次的技術問題，至今已經取得了一些成效。但是，我國在研制和生產制造復合磨削機床的構型技術、高可靠的砂輪自動更換系統設計、多工藝要求下的磨削過程的控制方法等方面還沒有達到真正的突破，核心技術、軟件應用、功能部件等幾個關鍵領域都在科研摸索和提高中。

一、自動磨削先進工藝與精良的裝備

在軌道交通內燃機車柴油機和汽車發動機的生產制造過程中，曲軸和凸輪軸這兩種不規則的細長軸都屬于難加工的零件。曲軸主軸頸和連桿頸表面粗糙度要達到Ra=0.4～0.6μm，主軸頸、連桿頸直徑公差為0.008mm,主軸頸和連桿頸直線度0.01mm/200 mm，連桿頸圓柱度0.015 mm，連桿頸分度±15″，并且要求能磨削不同角度和不同偏心量，這對大型曲軸磨床要求極高。普通方法磨削主軸頸和連桿頸采用兩臺磨床，成本高。磨削時砂輪架也會有自動控制，即通過意大利MARPOSS公司生產的在線電感測量跟蹤儀進行檢測控制，磨削程序分為半精磨、精磨和無火花磨削，直至退出磨削循環程序，如圖1所示。

曲軸在經過兩臺機床磨削加工時，二次定位對精度的一致性會產生影響。在磨削連桿頸時，曲軸工裝要對連桿頸中心線與磨床主軸中心線的偏心進行調整，并且還要進行偏載的配置，如圖2所示。

圖1 在線測量儀

這樣的調整過程需要很長的時間與實際經驗，但是也很難保證頭尾架在360°旋轉運動時沒有誤差。造成的結果就是幾何精度及表面粗糙度有缺陷和超差。

1. 隨動磨削技術

數控磨床出現后，位置尺寸精度有全閉環反饋進行自動磨削控制。當今曲軸最先進的磨削工藝方案是隨動磨削，即：C－X隨動磨削，又叫切點跟蹤磨削、跟隨式磨削等。工件一次夾裝定位，主軸頸和連桿頸在同一臺設備完成，這個磨削工藝是針對曲軸類復雜回轉零件的磨削方法，在磨削連桿頸時，工件以主軸頸中心定位（C軸），以連桿頸的偏心量為半徑并繞其回轉，砂輪沿水平方向（X軸）前后做往復運動，保證砂輪與連桿頸始終相切，從而完成磨削連桿頸對主軸頸中心有偏心的過程。偏心量越大精度越難保證，如圖3所示。

圖2 曲軸工裝與偏載的配置

在磨削主軸頸時的運動軌跡就是采用普通的磨削方法進行。該磨削方法是能加工圓形工件又能加工非圓工件，如各種凸輪、凸輪軸、偏心軸、曲軸和各種曲面及多邊形零件的數控磨削技術。尤其是在曲軸的磨削中，提高了加工精度，解決了依靠傳統夾具柔性差、調整周期長、精度低的問題。這種磨削加工方法對隨動磨的設備電氣機械的要求很高。目前國內外汽車領域的的數控隨動磨削機床，無論是加工曲軸連桿頸還是凸輪，大都采用C－X曲軸隨動磨削的結構原理。在驅動線性軸上直驅技術的發展及靜壓技術的成熟應用，解決了隨動機構的高動態響應特性，在砂輪磨具上大量采用高速CBN砂輪的磨削應用技術，降低了砂輪的磨損，提高了磨削效率，大大降低了生產成本，同時提高了磨削精度。

圖3 顯示磨削連桿頸的4個位置圖

北京二機廠研制開發的B2-K1018雙砂輪架隨動曲軸磨床（見圖4），通過重大專項課題實現最大限度掌握核心技術，不斷改進完善滿足曲軸零件加工的高精度、高效率、低成本、低能耗的需求。二個砂輪架進給軸與工件回轉軸采用先進的隨動磨削技術，也可以實現一次裝夾完成對汽車發動機曲軸主軸頸、連桿頸和止推面的精密加工，工件精度可達到：圓度0.003mm，圓柱度0.004mm，表面粗糙度值Ra=0.32μm。這種機型的出現打破了國外進口設備在汽車制造領域的壟斷。

2012年，上海機床廠消化吸收國外先進的技術，成功研制了MK8280數控隨動曲軸磨床（見圖5），可以磨削工件質量達10t，磨削回轉直徑1000 mm，砂輪線速度達125m/s，磨削軸頸圓度精度達到0.005mm的大型船用曲軸。

圖4 北京二機雙砂輪架隨動曲軸磨床

圖5 上海機床廠大型隨動曲軸磨床

2. 隨動磨削機床的特點

在大型隨動曲軸磨的設備上具備自動磨削的先進工藝，必然要有精良的設備做技術支持和保證。國內外機床廠家都采用了先進的設計理念及制造工藝，新技術和新功能部件。

（1）由于不需要將連桿頸中心線調整到機床回轉軸線上進行磨削，從而減小了機床回轉直徑，使得頭架和尾架的中心高可以盡可能降低，大大提高了回轉支承的剛性和穩定性。

（2）砂輪架雙向運動導軌采用靜壓導軌，確保隨動磨削所需要的快速前后運動的響應動作。

（3）砂輪架運動的驅動采用直驅電動機直接剛性傳動，消除機械部件傳動間隙誤差，可以實現快速驅動響應， 與采用了 Heidenhain 線性光柵進行的全閉環位置測量和控制相配合，從而達到精確定位，保證圓度，減小誤差。

（4）砂輪主軸內置了意大利Marposs自動動平衡機構，除了對大型砂輪進行動平衡外還負責砂輪防碰撞保護和恒線速控制。

（5）砂輪架上配備了后置式、三軸數控控制、金剛滾輪型砂輪修整器，可以按照程序設定進行各種形狀砂輪輪廓的修整。

（6）砂輪罩上配備了可以數控控制噴嘴方向（角度）的磨削液噴嘴，可以自動跟蹤調節最佳噴射方向（特別是在對連桿頸進行隨動磨削時）， 達到良好的冷卻作用， 提高工件的表面質量。

（7）頭架和尾架采用西門子內置式扭矩電動機直接剛性驅動，消除了齒輪傳動的正反程誤差和傳動上下死點的慣性誤差，雙側同步驅動配合每側配置的 Heidenhain 圓光柵閉環測量控制，提供了首尾端的同步運動，消除了驅動不同步而產生的工件扭曲誤差。

正因為采用了新技術并配合新的磨削工藝，所以能使曲軸加工達到以下的磨削精度：

主軸徑和連桿軸徑的直徑公差h 6，端頭錐面尺寸公差±0.015 mm，主軸頸和連桿軸頸的圓度、圓柱度公差0.01 mm，主軸頸和連桿軸頸表面母線直線度公差0.01 mm，主軸頸、連桿軸頸和端頭錐面的表面粗糙度Ra=0.4 um，主軸頸對兩端 A-B基準軸線的徑向圓跳動公差0.05 mm，相鄰主軸頸的徑向圓跳動公差0.02 mm，端頭錐面的徑向圓跳動公差0.01 mm，主軸頸內側端面的端面跳動公差 0.015 mm，飛輪法蘭端面的端面圓跳動公差0.02 mm，連桿軸頸對主軸頸的平行度公差0.025 mm，連桿軸頸中心線偏距（沖程）誤差±0.10 mm，各連桿軸頸中心線的相對角向公差± 20′。

同樣在沒有數控出現之前，在加工凸輪軸時是采用仿形或靠模磨削，如圖6所示。

圖6 凸輪軸靠模、仿形及隨動磨

在對軌道交通內燃機車柴油機和汽車發動機產品的加工中，同樣是曲軸和凸輪軸，因為產品質量的大小、設備制造的難易，在表面粗糙度達到工藝要求下，特別是大曲軸還存在一些缺陷。筆者認為，在調整機床時，為了使刀具或砂輪磨具有良好的切削工況條件，符合切削加工的機理，針對車削加工的設備，最好是使刀具中心高于工件中心線0.15mm左右；針對磨削加工的設備，最好是使砂輪磨具中心低于工件中心線0.15mm左右。如此大型隨動磨磨削后的產品，表面有看的出而摸不到的細小波紋，這是因為大型隨動磨磨削時切點是時時刻刻在變化的，而不是在同一個水平中心線上，會造成無法避免的振動而引起的。不過經過拋光處理就能解決這個問題。

高端智能磨削機床

目前，裝備制造業正在轉型升級，發展的趨勢一定是：量身定制，制造廠家攜手用戶企業共同開發和制造。中低端設備制造商注重產品質量，以質得市場，不以量為榮，提高自動化程度和精度穩定性。高端設備制造商注重創新復合，完善智能功能。用戶購機的欲望是：要有一定的品牌，不買最貴的，少買多余功能的，滿足和適合工藝要求的配置。

在機床的大家庭里高端復合智能數控機床的應用，已經體現出其優勢。例如瑞士美蓋勒生產的磨削中心MFP50，如圖7所示。

從圖片上可以看到它是一臺X軸工作臺配有B、C搖擺轉臺，頂置式和工作臺設置雙砂輪修整器和配置裝有砂輪及各種專用刀柄的刀庫。是集齒形磨削、成形圓弧磨削、非規則形狀磨削、螺紋磨削、端齒磨削、銑削工序、鉆，鉸，測量為一體的復合磨削中心。在工作臺配置有B、C搖擺轉臺后，極大地擴大了零件的加工工藝性。這種復合機軟件會配置智能磨削編程系統、輪廓模擬并檢查碰撞等系統，在硬件上配置有在線檢測儀實現自動控制、誤差自動補償技術、多品種與狀態的智能識別，對機床主軸的各種形狀的砂輪以通過拾取、分析砂輪修整時的聲發射信號，建立不同修整用量下的特征，實現砂輪在線修整的自動監控等。

圖7 瑞士MFP50磨削中心

MFP50磨削中心還具有進給軸移動速度快、輔助時間短和刀具換裝迅速的特點（見圖8）。諸如磨削、銑削和鉆削等工藝可在單次裝夾下完美地完成。操作過程簡便，極大地提高了生產效率。

另外還可為磨削流程增加鉆削操作，這樣就能靈活地對復雜工件進行加工。接下來還能借助測量探針進行尺寸檢查，這使全自動加工流程得到進一步完善。測量值會在后續的加工中根據公差設定值自動進行補償。

MFP50磨削中心非常理想地適用于自動裝卸，帶機器人或線性機器人系統使柔性且高效的自動化方案成為可能，用機器人裝卸工件快速可靠的提升了MFP50的應用和產能，集成多臺磨床、刀庫及附加工序如清洗、測量成為可能。美蓋勒在實施自動化方案上非常專業且經驗豐富，確保了最高的產能及在行業中的競爭力。

采用MFP50磨削靜止和轉子葉片具有最少的停工時間，結合24工位全自動換刀裝置和頂置式連續修整可在一次裝夾下完成工件多個表面輪廓的加工且加工尺寸極其穩定（見圖9）。

采用定制的系統配置可磨削不易加工的內齒輪，優化的磨削液供應系統確保機床可采用大余量進給且實現質量極其穩定（見圖10）。

圖8

圖9

圖10

一次裝夾完成直齒鼠牙盤的齒形內/外圓的加工,MFP50還可配置一特殊設計的附加主軸，磨削對軸向和徑向圓跳動有極高要求的小孔（見圖11）。

圖11

航空發動機壓氣機葉片采用高溫合金經鍛造而成，在MFP50上一次裝夾即可完成葉根榫齒的加工，配備3軸數控分度頭還可完成葉根內徑向和背徑向的加工。這是MFP50高效加工的又一例證（見圖12）。

圖12

結語

我們期待能看到更多的國內設備制造企業和更多種形式的智能復合功能的磨床，以高品質和高端個性化定制為核心，以成套裝備解決方案和售前售后聯動服務的市場化運行模式，從而解決在生產過程中難以加工和達不到工藝要求的難題。在設備全生命周期管理體系的第一階段即設計制造環節中體現出中國智造。□