精密數(shù)控立式球面磨床的設計與研究*

龔肖新 馬金雷 馬 毅

(①蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，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)閉件是一個球體，通過球體繞閥體中心線作旋轉(zhuǎn)運動以實現(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磨床進行改造等方式，對球體進行磨削加工。由于球體一般通過兩頂尖孔臥式安裝，當加工小球體(球體直徑≤200 mm)時，精度尚可滿足要求，但在加工較大的球體時(球體直徑＞200 mm)，由于球體在重力作用下會向下偏移，導致球體的中心線偏離機床主軸的中心線，從而降低了加工精度，導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，設計一種新型數(shù)控立式球面磨床具有十分重要的實用價值。

1 立式球面磨床的主體結(jié)構(gòu)設計

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

機床主要動作包括:安裝在滑鞍上的回轉(zhuǎn)工作臺沿床身導軌作X軸方向運動;立柱沿床身導軌作Z軸方向運動;主軸箱沿立柱導軌作Y軸方向運動;工件通過專用夾具被固定在回轉(zhuǎn)工作臺上，由回轉(zhuǎn)工作臺帶動工件作B軸旋轉(zhuǎn)運動。機床主傳動為V帶傳動，主軸動力由主軸電動機經(jīng)V帶傳遞至主軸，磨頭由主軸帶動作回轉(zhuǎn)運動;Y、Z軸進給傳動為伺服電動機滾珠絲杠驅(qū)動;X軸進給傳動為液壓驅(qū)動;導軌形式均為直線滾動導軌。

基于球體工件立式安裝而設計的精密數(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，磨頭圓周方向均布的砂條與工件按確定的運動關(guān)系作相對運動，即磨頭繞其軸線旋轉(zhuǎn)做主運動，工件繞其軸線做進給運動，磨頭上的磨削刃與球體表面相切呈接觸點，其合成運動形成圓弧軌跡，各圓弧軌跡瞬時位置的包絡線，便是所需的發(fā)生線。當砂輪沿軸線方向適當進給時，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 磨頭動力部件設計

磨頭動力部件主要由磨頭、主軸、主軸箱、主軸電動機和帶傳動裝置等組成，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)設計

根據(jù)球面磨削加工要求，設計磨頭結(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計了6個主軸聯(lián)接螺釘孔之外，其外圍開設3圈周向均勻分布的聯(lián)接孔，孔數(shù)分別為6、8、12個，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12個25 mm×25 mm的矩形孔，既便于隨機選擇安裝砂條，又可以減輕磨頭重量;砂條選材黑碳化硅，并進行滲硫處理，粒度號220目，其硬度高，性脆，磨粒鋒利，具有一定導熱性;砂條截面尺寸22 mm×24.5 mm，砂條在夾頭處外伸長度通常在40 mm以下，砂條外伸長度太長時剛性差，太短時則球體工件易碰擦;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，因為砂條數(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，由于砂條伸出長短不一致，安裝調(diào)整費時，且若某個砂條損壞，則更換不方便。

2.2 主軸結(jié)構(gòu)設計

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給速度，同時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)，其前端設置的短外圓錐便于磨頭定位，內(nèi)圓錐孔用于檢測機床精度時安裝檢具，軸端密封蓋用于防止磨削液和磨屑流入主軸孔，主軸通過傳動鍵帶動磨頭旋轉(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配對方式，前軸承主要承受較大的磨頭進給軸向力、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)游動形式，以適應主軸熱脹冷縮的變化;主軸與帶輪之間采用脹緊套聯(lián)接，可以避免開設鍵槽對軸強度的削弱。

3 球體工件立式安裝專用夾具設計

針對球體工件立式安裝的特殊要求，設計專用夾具，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被劃傷;支座固定在工作臺上，固定頂尖兩側(cè)設置兩個傳動件，嵌入工件球冠的矩形孔內(nèi)，通過傳動件工作臺帶動工件作旋轉(zhuǎn)運動;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 自動對中數(shù)控功能設計

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

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

按照上述對刀操作步驟，多次采集Y軸坐標值，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，實現(xiàn)自動對中。

5 結(jié)語

針對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，該機床采用獨特的工件立式安裝結(jié)構(gòu)，針對球面磨削展成法加工要求專門設計了磨頭動力部件、主軸和專用夾具，并且通過數(shù)控系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)自動對中操作，解決了高硬度、大尺寸球體工件磨削加工時圓度誤差大、生產(chǎn)質(zhì)量和效率低的難點問題。該機床用于生產(chǎn)，加工精度和生產(chǎn)效率顯著提高。

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