MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，涌現(xiàn)出一批具有較高技術(shù)水平的中高檔磨床。但這還不能滿足市場(chǎng)需求。如隨著航天、電子、核電等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)包括脆性材料、粘性材料、涂層材料在內(nèi)的難加工材料的應(yīng)用需求越來(lái)越迫切、應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，并且要求加工材料越來(lái)越多樣化，加工精度要求也越來(lái)越高。而目前國(guó)內(nèi)難加工材料的加工工藝、加工設(shè)備落后，無(wú)論從工藝研究還是從裝備發(fā)展來(lái)說(shuō)，研制高精度的高速、超高速數(shù)控機(jī)床勢(shì)在必行。

MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床(見(jiàn)表1及表2)正是在此背景下，為適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和高性能科技產(chǎn)品對(duì)機(jī)械零件加工精度、加工效率和批量化質(zhì)量穩(wěn)定性的要求而開發(fā)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(yīng)用于陶瓷主軸、硬質(zhì)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(fù)合材料的磨削加工。

表1 機(jī)床主要技術(shù)規(guī)格

表2 機(jī)床工作精度

1 機(jī)床工作原理及主要部件簡(jiǎn)介

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

圖1 機(jī)床布局

1.1 機(jī)床工作原理

該數(shù)控高精度超高速外圓磨床為工作臺(tái)移動(dòng)式數(shù)控外圓磨床。工作臺(tái)作縱向往復(fù)移動(dòng)；砂輪架作橫向移動(dòng)。工作臺(tái)縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)和砂輪架橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿。為一體式床身，工作臺(tái)在床身上作縱向進(jìn)給移動(dòng)，砂輪架作橫向移動(dòng)。砂輪進(jìn)給導(dǎo)軌采用雙矩形閉式靜壓導(dǎo)軌，絲杠進(jìn)給采用小導(dǎo)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(tǒng)，高精度高剛度微進(jìn)給系統(tǒng)，超高速磨削液噴系統(tǒng)，工件裝夾在工作臺(tái)面上的頭、尾架之間，由頭架電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

該機(jī)床采用西門子 840D數(shù)控系統(tǒng)，控制工作臺(tái)縱向進(jìn)給、砂輪架橫向進(jìn)給等運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四軸兩聯(lián)動(dòng)，數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)饶ハ餮h(huán)。磨削采用大流量冷卻，冷卻液箱帶磁性分離器和紙質(zhì)過(guò)濾器。

1.2 機(jī)床主要部件及特征

1.2.1 頭架

頭架用兩個(gè)弓形壓板固定于上工作臺(tái)左邊，采用莫式5#頂尖，由伺服電機(jī)經(jīng)減速箱、兩級(jí)同步帶輪帶動(dòng)撥盤繞頭架主軸回轉(zhuǎn)，從而使工件獲得6～300r/min的無(wú)級(jí)變速，并保證在此范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩輸出，為工件提供傳動(dòng)動(dòng)力和支承定位。驅(qū)動(dòng)原理如圖：

圖2 頭架驅(qū)動(dòng)原理

1.2.2 尾架

尾架用兩個(gè)弓形壓板固定于上工作臺(tái)右邊，采用莫式5#頂尖，為工件提供回轉(zhuǎn)支撐和定位。結(jié)構(gòu)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(guò)液壓油缸使套筒伸縮，帶著固定式頂尖移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工件的張緊和松開。油缸的進(jìn)油壓力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。

圖3 尾架結(jié)構(gòu)

1.2.3 砂輪架

砂輪架的橫向進(jìn)給由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器，直聯(lián)驅(qū)動(dòng)小導(dǎo)程高剛度絲杠，實(shí)現(xiàn)砂輪架的快速進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，周期進(jìn)給，切入進(jìn)給，錐度磨削，微量進(jìn)給等。

導(dǎo)軌副采用閉式雙矩形靜壓潤(rùn)滑導(dǎo)軌。此導(dǎo)軌由獨(dú)立的供油系統(tǒng)提供壓力油，為純液體摩擦，摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，并具有良好的精度，使用壽命長(zhǎng)。導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)速度的變化對(duì)油膜厚度影響較小，工作穩(wěn)定，低速無(wú)爬行現(xiàn)象，且油膜承載能力大，并能保持導(dǎo)軌具有較高的剛度及穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 砂輪架結(jié)構(gòu)

1.2.4 工作臺(tái)

工作臺(tái)分為上下兩層的鑄鐵工作臺(tái)面，借助定位柱和兩端壓板定位緊固。當(dāng)上工作臺(tái)面需要回轉(zhuǎn)一角度時(shí)，先松開兩端壓板，然后轉(zhuǎn)動(dòng)位于右側(cè)的六角頭。上工作臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度值可由刻度標(biāo)尺讀出。微量調(diào)節(jié)時(shí)，可使用百分表裝置。下臺(tái)面與床身的導(dǎo)軌為低壓大流量卸荷導(dǎo)軌。工作臺(tái)的縱向進(jìn)給由伺服電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器，直聯(lián)驅(qū)動(dòng)絲杠。

1.2.5 磨頭

磨頭結(jié)構(gòu)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(nèi)裝式電主軸，后部編碼器的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)置式SBS動(dòng)平衡儀。采用油氣潤(rùn)滑軸承和油冷卻電主軸。根據(jù)工件材質(zhì)不同，分別采用CBN及金剛石砂輪，線速度高達(dá)150m/s。

圖5 磨頭結(jié)構(gòu)

1.2.6 砂輪修整器

砂輪修整器固定于上工作臺(tái)，靠尾架端，采用金剛滾輪修整，由內(nèi)置式電機(jī)組成的電主軸驅(qū)動(dòng)?？v橫向進(jìn)給由工作臺(tái)及砂輪架進(jìn)給來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)砂輪架和工作臺(tái)的兩軸聯(lián)動(dòng)控制，可以完成砂輪外圓不同形狀的修整。修整器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 砂輪修整器

1.2.7 磨削液過(guò)濾裝置

采用三級(jí)過(guò)濾，經(jīng)過(guò)磨削區(qū)后的磨削液先進(jìn)入有隔層沉淀箱進(jìn)行初步沉淀分離，然后進(jìn)入由強(qiáng)磁體制成的高效磁性分離器進(jìn)行粗過(guò)濾，最后由紙帶過(guò)濾器進(jìn)行精過(guò)濾。磨削液供液系統(tǒng)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(yáng)程252m，充分保證高效，大負(fù)荷磨削冷卻要求。并配有冷卻液恒溫裝置。

1.3 控制系統(tǒng)

1.3.1 系統(tǒng)配置

機(jī)床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)、PCU50.3、1.5GHz,15英寸液晶顯示器、611D驅(qū)動(dòng)模塊、1FT6交流伺服電機(jī)，內(nèi)置PLC，Window XP操作系統(tǒng)。

1.3.2 控制功能

分別控制砂輪進(jìn)給（X）軸、 工作臺(tái)縱向移動(dòng)（Z）軸兩根直線運(yùn)動(dòng)軸，工件和砂輪的旋轉(zhuǎn)速度兩根旋轉(zhuǎn)數(shù)控軸。同時(shí)輔以Heidenhain測(cè)量光柵，實(shí)現(xiàn)砂輪進(jìn)給（X）軸和 工作臺(tái)縱向移動(dòng)（Z）軸的全閉環(huán)數(shù)字控制；對(duì)于砂輪轉(zhuǎn)速可以在最高150m/s以下任意設(shè)定，并且通過(guò)PLC可以實(shí)現(xiàn)砂輪修整量的自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)砂輪線速度的恒線速功能。

機(jī)床通過(guò)自主開發(fā)的二次開發(fā)磨削軟件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切入磨、自動(dòng)縱磨、自動(dòng)修整等磨削循環(huán)。其中切入磨削的動(dòng)作順序如下: 人工裝工件→尾架頂尖向前頂緊工件→關(guān)雙層防護(hù)門→手撳自動(dòng)循環(huán)按鈕→工件以粗磨速度旋轉(zhuǎn)、砂輪架快速前進(jìn)、冷卻開→砂輪架粗進(jìn)給→自動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)→砂輪架精進(jìn)給→量?jī)x尺寸到發(fā)訊→砂輪架無(wú)進(jìn)給→砂輪架快速退回、自動(dòng)測(cè)量?jī)x退回→頭架停、冷卻?！詣?dòng)工作循環(huán)結(jié)束。

機(jī)床還具有多種安全保護(hù)功能：如液壓供油系統(tǒng)的壓力保護(hù)，各電機(jī)的過(guò)載保護(hù)、工作臺(tái)和砂輪架超程保護(hù)、電源開關(guān)開門斷電保護(hù)等電氣保護(hù)及安全聯(lián)鎖功能。

2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 磨削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析

MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床的動(dòng)力學(xué)特性分析包括以下三方面：

(1)對(duì)超高速磨床砂輪主軸、進(jìn)給單元、床身等關(guān)鍵部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到關(guān)鍵部件的模態(tài)特性，包括各階固有頻率、振型及關(guān)鍵部位共振變形量，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了一系列材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及支撐方式對(duì)模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律，為關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

(2)對(duì)砂輪架、砂輪修整裝置、工件/夾具系統(tǒng)等關(guān)鍵位置的瞬態(tài)響應(yīng)與頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析，并利用局部填充物及其填充位置和筋板結(jié)構(gòu)、形狀來(lái)改善床身的動(dòng)態(tài)性能，為實(shí)現(xiàn)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)通過(guò)研究超高速磨床的自激振動(dòng)形成機(jī)理，利用引起工藝系統(tǒng)自激振動(dòng)的關(guān)鍵要素及基本規(guī)律，構(gòu)建自激振動(dòng)模型，對(duì)引起自激振動(dòng)的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)要素、結(jié)合部阻尼特性的工藝要素等進(jìn)行優(yōu)化，并采取相關(guān)措施抑制自激振動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)整機(jī)綜合優(yōu)化提供依據(jù)。

2.2 外圓磨床整體布局及集成

摒棄以往傳統(tǒng)磨床設(shè)計(jì)中存在的成本高、周期長(zhǎng)等缺陷，本機(jī)床采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)產(chǎn)品整機(jī)和部分零部件的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真和分析，在對(duì)多種難加工材料的切削參數(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用拓?fù)溆邢拊▽?duì)床身等關(guān)鍵零部件進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，這使得該外圓磨床在較短的時(shí)間內(nèi)就能應(yīng)用于實(shí)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)150m/s超高速磨削要求，在砂輪主軸系統(tǒng)中采用了氮化硅陶瓷滾動(dòng)軸承，并采用內(nèi)裝式交流變頻電機(jī)作為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子預(yù)先進(jìn)行了高標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)平衡，并使用獨(dú)立溫控的油冷卻系統(tǒng)，避免了電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度造成影響。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)主軸長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，最大溫升不超過(guò)20度；主軸的平衡采用內(nèi)裝式全自動(dòng)平衡儀，利用數(shù)據(jù)輸出功能避開了發(fā)生共振的轉(zhuǎn)速區(qū)域。

2.4 高精度高剛度微進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造

考慮到閉式靜壓導(dǎo)軌具有傳動(dòng)效率高、精度保持性好、工作穩(wěn)定、抗振性能好、承載能力大、支承剛度高等優(yōu)點(diǎn)，該微進(jìn)給系統(tǒng)采用定壓反饋節(jié)流導(dǎo)軌，并利用大功率交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)高精度撓性聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，進(jìn)給分辨率可達(dá)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(hù)套以保護(hù)滾珠絲杠不受冷卻液的腐蝕。

為減少機(jī)床振動(dòng)對(duì)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度的影響，使用有限元仿真軟件對(duì)此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整機(jī)模態(tài)分析，確定了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)共振和有害的振型，提高了系統(tǒng)精度。

2.5 超高速磨削液噴注系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)不同磨削液高效注入方式（高壓噴射、空氣檔板輔助截?cái)鄽饬鞣?、砂輪開槽降溫法、砂輪內(nèi)冷卻法等）的實(shí)驗(yàn)研究，MGKS1332/H的設(shè)計(jì)采用了混合式磨削液噴注系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以克服氣流屏，使磨削液有效地進(jìn)入磨削弧區(qū)，同時(shí)可以降低磨削弧區(qū)溫度、改善工件表面質(zhì)量，并能延長(zhǎng)砂輪修整一次后可磨削的時(shí)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(jù)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(jié)合劑類型的金剛石磨粒砂輪；

粘性材料：不同結(jié)合劑類型的立方氮化硼（CBN）磨粒砂輪；

硬質(zhì)涂層材料：不同結(jié)合劑類型的微細(xì)金剛石磨粒砂輪；

普通涂層材料：不同結(jié)合劑類型的微細(xì)CBN磨粒砂輪。

結(jié)合劑類型的選擇將視以前相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)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(jié)合劑Al2O3、SiC或CBN磨料砂輪；線速度達(dá)150m/s時(shí)采用樹脂結(jié)合劑CBN和金剛石砂輪；線速度達(dá)250m/s時(shí)使用單層電鍍鎳基金剛石砂輪和CBN砂輪；當(dāng)線速度達(dá)到300m/s至500m/s以上時(shí)可用高溫釬焊金屬結(jié)合劑砂輪。

2.7 砂輪的在位修整及在線修銳技術(shù)

根據(jù)工件材質(zhì)不同，MGKS1332/H采用了不同的砂輪，與之對(duì)應(yīng)的在位修整及在線修銳技術(shù)也不盡相同，在使用中可按照下述原則來(lái)選擇修整和修銳方法：

對(duì)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(gè)金屬結(jié)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(duì)被修整砂輪以特定的進(jìn)給量和修整深度進(jìn)行相對(duì)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(zhuǎn)精度和恒定的磨粒頂面圓周包跡。通過(guò)對(duì)修整和被修整砂輪的回轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給量和磨削深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)精密高效的修整效果。通過(guò)研究超高速工況下砂輪結(jié)合劑氧化層生成與脫落的機(jī)理和規(guī)律，優(yōu)化電解在線修銳方法（ELID）的電解參數(shù)（如占空比、電解電壓、電解電流等），解決了高速下陽(yáng)極的供電和磨損問(wèn)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(duì)樹脂、金屬、混合結(jié)合劑微細(xì)磨粒金剛石和CBN砂輪采用車削修整法，即利用金剛石筆對(duì)砂輪以切削的形式切除掉砂輪基體上結(jié)合劑和微細(xì)磨粒。而針對(duì)不同的結(jié)合劑，砂輪的在線修銳技術(shù)又可分為兩種：激光輔助修銳法用于樹脂基結(jié)合劑砂輪的在線修銳，電解修銳法用于金屬基和混合結(jié)合劑微細(xì)磨粒金剛石和CBN砂輪的在線修銳。通過(guò)激光輔助修銳法修整樹脂結(jié)合劑砂輪，熱影響區(qū)小、砂輪修整損耗小并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高修整效率。針對(duì)所加工產(chǎn)品選用的砂輪，該機(jī)床配有金剛滾輪修整器。

2.8 砂輪動(dòng)態(tài)平衡及其振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

超高速高精度磨削時(shí)砂輪回轉(zhuǎn)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響主軸系統(tǒng)的工作性能和磨削質(zhì)量。MGKS1332/H機(jī)床砂輪動(dòng)平衡系統(tǒng)是根據(jù)主軸系統(tǒng)的性能、設(shè)計(jì)方案等，在分析高速、超高速高精度磨削特點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元法模擬不同工況下的主軸（砂輪）系統(tǒng)的狀態(tài)以及加工實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果而確定的。

超高速高精度磨削加工中，對(duì)砂輪破碎及磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)非常重要，砂輪與工件和修整輪的對(duì)刀精度直接影響尺寸精度和修整質(zhì)量。該機(jī)床利用傳感器達(dá)到砂輪狀態(tài)時(shí)的測(cè)量與分析，在加速度傳感器、AE傳感器、渦流傳感器的基礎(chǔ)上構(gòu)建了超高速砂輪工作狀況監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂輪磨削加工狀態(tài)、檢測(cè)砂輪振動(dòng)位移參量，檢測(cè)砂輪是否需要修整、加工過(guò)程是否穩(wěn)定，進(jìn)而確定修整時(shí)間。動(dòng)平衡和振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床上的應(yīng)用全面改善了工件加工質(zhì)量，有效提高了機(jī)床磨削效率。

3 小結(jié)

MGKS1332/H數(shù)控高精度超高速外圓磨床的研發(fā)取得了高剛度超高速精密砂輪主軸系統(tǒng)和微進(jìn)給系統(tǒng)、超高速磨削液噴注系統(tǒng)、砂輪的在位修整及在線修銳、砂輪動(dòng)態(tài)平衡及其振動(dòng)監(jiān)測(cè)、超高速磨削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析、外圓磨床整體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整機(jī)集成控制、難加工材料用超硬金剛石和CBN砂輪等多項(xiàng)技術(shù)突破?？朔硕喾N難加工材料精密高效磨削技術(shù)和工藝的技術(shù)瓶頸，為難加工材料加工質(zhì)量和加工效率的統(tǒng)一提供了科學(xué)依據(jù)。