超長絲杠精密磨床研制及其關(guān)鍵技術(shù)研究

高云婷，李攀峰，陳富安，惠延波

(河南工業(yè)大學電氣工程學院，河南鄭州450001)

隨著大型、重型、高效、精密、復合高檔數(shù)控機床的發(fā)展，超長滾珠絲杠副的需求量逐年上升，國內(nèi)許多重型機床廠，對大型精密滾珠絲杠都有明確的需求。大型精密滾珠絲杠的市場需求基本上依靠進口來滿足，進口滾珠絲杠存在價格昂貴、交貨周期長以及其他附加條件等問題。

目前，國內(nèi)多數(shù)絲杠生產(chǎn)廠家采用二次定位磨削的工藝方法生產(chǎn)超長系列絲杠，精度較低，最大加工能力多在10 m 以內(nèi)，品質(zhì)不穩(wěn)定，基本上沒有達到批量生產(chǎn)的要求。

開發(fā)生產(chǎn)具有當前國際先進技術(shù)水平的大型超長絲杠磨床，解決相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)難題，是打破國外在該領(lǐng)域的壟斷地位、提升我國高檔數(shù)控機床的制造水平、增強我國裝備制造技術(shù)能力的重要途徑［1］。

在國家重大科技專項資金的支持下，多家單位協(xié)作攻關(guān)，初步完成了超長精密絲杠磨床的基本結(jié)構(gòu)及其相關(guān)技術(shù)的研究和實驗工作。

1 12 m 超長絲杠精密磨床整體技術(shù)方案

機床整體方案如圖1所示，主要由床身1、頭架2、中心架3、尾座4、磨頭5 等部分組成。機床采用全閉環(huán)位置數(shù)字控制系統(tǒng)，在加工中采用在線測量裝置測量因溫升所致工件變形量并在軟件中給予誤差補償。Z、X 向均采用直線電機驅(qū)動，提高了進給系統(tǒng)動態(tài)特性，減少了機床振動。導軌均采用了滾柱直線導軌，并應(yīng)用了減振阻尼滑塊、鎖緊滑塊方面的最新技術(shù)，提高了系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性。

圖1 機床整體方案圖

加工時，工件采用雙頂尖定位后，中間用數(shù)個磨床用液壓中心架輔助支承。磨頭主軸采用動靜壓主軸單元，由伺服電機驅(qū)動。磨頭固定在精密數(shù)控回轉(zhuǎn)臺上，回轉(zhuǎn)臺由伺服電機驅(qū)動，固定在X 向滑板上，因此砂輪可按程序自動調(diào)整螺旋角并自動鎖緊;回轉(zhuǎn)臺上還固定著數(shù)控十字滑臺，可用固定在數(shù)控十字滑臺上的金剛筆以數(shù)控插補方式修整砂輪。X 向滑板在直線電機驅(qū)動下沿X 向直線滾柱導軌在床鞍上進給移動，床鞍在Z 向直線電機驅(qū)動下沿Z 向直線滾柱導軌在床身上進給移動。

在床身兩端分別固定磨床的頭架及尾架，雙架均為采用配置高分辨率編碼器的伺服電機直聯(lián)驅(qū)動主軸單元，并在數(shù)控系統(tǒng)控制下同步轉(zhuǎn)動。工件采用雞心夾頭或浮動卡盤裝夾，一端頂尖為固定不動的頂尖，另一端為彈性可伸縮頂尖，保持有效的頂緊力頂緊工件，但工件變形時可克服頂緊力而伸長。

如圖2所示，機床床身采用高強度鑄鐵床身，整體式熱對稱結(jié)構(gòu)，截面為箱形結(jié)構(gòu)并用多條斜筋支撐導軌，內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料，提高了床身的穩(wěn)定性。

圖2 磨床床身

主軸頭架與尾架單元直聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示，且尾架在導軌上可沿Z 向滑動，并安裝了液壓鎖緊機構(gòu)。

圖3 頭架、尾架

如圖4所示，磨頭砂輪主軸采用了動靜壓主軸單元，該主軸綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點，利用孔式環(huán)面節(jié)流與淺腔節(jié)流串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使壓力油進入油腔中產(chǎn)生足夠大的靜壓承載力，將主軸懸浮在高壓油膜中間，從而克服了液體動壓軸承啟動和停止時出現(xiàn)的干摩擦造成的軸與軸承磨損現(xiàn)象，提高了主軸的使用壽命及精度保持性;當主軸啟動后，依靠淺腔階梯效應(yīng)形成較大的動壓承載力，大大地提高了主軸剛度;高壓油膜的均化作用和良好的抗振性保證了主軸具有很高的旋轉(zhuǎn)精度和運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性，且動靜壓主軸液壓站獨立放置，配置了恒溫控制箱，提高了液壓系統(tǒng)工作的可靠性。

配置數(shù)控砂輪修整器，在兩個相互垂直的方向上可以采用金剛筆或金剛滾輪按程序插補修整砂輪。砂輪磨削螺旋角調(diào)整機構(gòu)如圖5所示，砂輪磨頭固定在回轉(zhuǎn)臺上，回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動由伺服電機驅(qū)動，調(diào)整螺旋角時可用程序控制自動精確調(diào)整［2］。

圖4 磨頭

圖5 砂輪磨削螺旋角調(diào)整機構(gòu)

機床冷卻系統(tǒng)采用淋浴式工件冷卻，對工件全長進行大流量淋浴式冷卻，減少工件在磨削過程中的溫度不均勻。

2 12 m 超長絲杠磨床關(guān)鍵技術(shù)研究

研制精密超長絲杠磨床首先必須對相關(guān)技術(shù)做詳細的研究，其內(nèi)容主要包括如圖6所示幾個研究方向。

圖6 超長絲杠磨床關(guān)鍵技術(shù)

(1)大型數(shù)控絲杠磨床系列產(chǎn)品設(shè)計理論與制造技術(shù)

對大型精密數(shù)控磨床按功能設(shè)置組件模塊的方法開展研究，在組件模塊設(shè)置的基礎(chǔ)上，對大型數(shù)控磨床的系列化、經(jīng)濟化等相關(guān)問題進行深入研究，提出相關(guān)設(shè)計技術(shù)規(guī)范［3－4］。

(2)高速動靜壓主軸單元設(shè)計與制造技術(shù)

針對大型精密數(shù)控磨床主軸單元進行技術(shù)分析，結(jié)合國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、綜合摩擦學及潤滑技術(shù)、熱變形及有限元分析技術(shù)、高精度加工技術(shù)等方面的知識，從轉(zhuǎn)子動力學、摩擦學、傳熱學入手，對主軸單元的動靜態(tài)特性、熱特性進行分析和實驗，研制出高精度、高剛度的主軸單元。

(3)高效精密陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪的制備與磨削關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究

①滾珠絲桿專用高效精磨陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪的研究

CBN 砂輪低溫陶瓷結(jié)合劑強度高，韌性和導熱性好，燒結(jié)溫度低，具有高的磨削效率和長壽命，性價格比高，廣泛應(yīng)用于曲軸、齒輪、絲杠、螺紋等工件的加工。對高效精磨陶瓷結(jié)合劑進行研究，并設(shè)計高性能CBN 專用砂輪是保證絲杠磨削質(zhì)量的關(guān)鍵。

②滾珠絲桿磨削關(guān)鍵工藝參數(shù)的研究

大型精密磨床磨削加工工藝是成功進行大型精密磨床磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，選擇不當，會使砂輪磨損加劇，完全達不到大型精密磨床加工的目的。作者對大型精密磨床磨削加工工藝開展研究，通過對砂輪工作狀態(tài)、工件轉(zhuǎn)速、砂輪進給量、磨削液選擇等工藝參數(shù)的實驗和理論分析，研究磨削關(guān)鍵工藝參數(shù)對滾珠絲桿表面質(zhì)量(工件表面粗糙度、工件精度、局部燒傷和齒形畸變、工件表面殘余應(yīng)力等)的關(guān)系，研究適合大型精密磨床磨加工設(shè)備的工藝方法。

(4)整機結(jié)構(gòu)模塊化、標準化、可靠性優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

利用現(xiàn)代有限元分析軟件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等CAE 技術(shù)，對機床的整體及關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，提高機床的動態(tài)性能和磨削穩(wěn)定性，保證機床在高效加工下的整機性能和加工精度及可靠性。

(5)整機及關(guān)鍵部件動剛度分析與綜合抑振技術(shù)

不平衡的砂輪在大型精密磨床旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動，影響加工質(zhì)量和機床精度，嚴重時還會造成機床損壞和砂輪碎裂。分析轉(zhuǎn)動部件引起不平衡的原困，主要是砂輪各部分密度不均勻、幾何形狀不對稱以及安裝偏心等。因此對砂輪靜平衡和動平衡分別做了研究，對影響大型精密數(shù)控磨床動態(tài)性能的高精度電主軸、伺服動靜壓主軸、控制及檢測系統(tǒng)進行系統(tǒng)研究，提高了機床的動態(tài)性能;應(yīng)用具有高剛度、高阻尼特性的輕質(zhì)多功能材料，對相關(guān)制造工藝進行了研究。

大型精密磨床磨削機床由于磨頭轉(zhuǎn)速較高，容易產(chǎn)生振動，因此，對機床的動剛度要求較高，同時應(yīng)采取相應(yīng)措施進行抑制振動。作者對機床開展動剛度分析并對抑振技術(shù)進行研究，研究方法及內(nèi)容主要從以下幾方面展開:

①利用現(xiàn)代有限元分析軟件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等CAE技術(shù)，以機床動剛度及精度為特定目標，對機床的整體及關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計，提高機床的動態(tài)性能和切削穩(wěn)定性，保證機床在高效加工下的整機性能和加工精度。在設(shè)計時對模型、實物或類似的樣機進行試驗、分析和對比以確定合理的結(jié)構(gòu)方案。

②選擇合理的結(jié)構(gòu)布局及合理選擇構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式提高剛度

“民主國家的公民須樂于以妥協(xié)方法解決他們的分歧。民主的所有條件中這是最重要的，因為沒有妥協(xié)就沒有民主?！盵14]協(xié)同治理中的妥協(xié)理性作為調(diào)節(jié)參與各方利益沖突的重要保障，貫穿于整個社會管理的實踐中，保證了協(xié)同治理的順利實施。以妥協(xié)理性的方式調(diào)節(jié)利益沖突，是在理解和尊重人們各自的利益需求前提下，使沖突各方在一定的制度框架內(nèi)，通過相互信任、信息溝通方式，實現(xiàn)利益整合，以平息沖突。

正確選擇截面的形狀和尺寸;合理選擇及布置隔板和筋板;提高構(gòu)件的局部剛度;選用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。

③采取補償構(gòu)件變形的結(jié)構(gòu)措施

當能夠測出著力點相對變形的大小和方向，或者預知構(gòu)件的變形規(guī)律時，便可以采取相應(yīng)的措施來補償變形以消除其影響，補償?shù)慕Y(jié)果相當于提高了機床的剛度。

④機床床身采用高強度鑄鐵床身、整體式熱對稱結(jié)構(gòu)，截面為箱形結(jié)構(gòu)并用多條斜筋支撐導軌，內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料，提高了床身的穩(wěn)定性。運用有限元分析進行優(yōu)化設(shè)計，保證剛度高、結(jié)構(gòu)合理、散熱快。

⑤導軌均采用了滾柱直線導軌，并應(yīng)用了減振阻尼滑塊、鎖緊滑塊方面的最新技術(shù)，提高了系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性。

⑥對磨頭進行動態(tài)平衡。機床砂輪軸端安裝自動動平衡系統(tǒng)，提高了加工時的平穩(wěn)性。

(6)在線檢測及自動補償OEM 磨削軟件開發(fā)

采用先進的遠紅外測溫技術(shù)等實現(xiàn)對磨削過程中砂輪和工件接觸點的溫度進行實時在線測量;采用先進的工業(yè)總線技術(shù)和傳感技術(shù)，利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)對磨削機床各溫度測量點的精密測量;研究利用多傳感器信息融合技術(shù)實現(xiàn)對各溫度點的精確測量。

(7)大型精密數(shù)控機床電氣控制技術(shù)研究

采用開放式西門子840D 作為機床的控制系統(tǒng)，并對其進行了二次開發(fā)，設(shè)計了合理的機床控制程序，完成機床控制、故障診斷等方面的技術(shù)要求。

建立磨削過程中誤差補償?shù)认嚓P(guān)數(shù)據(jù)庫;編制嵌入于開放型數(shù)控系統(tǒng)的絲杠磨床專用軟件，主要對磨削參數(shù)設(shè)定、磨削工藝程序決策、砂輪修整與自動補償、磨削自動補償、磨削在線測量等進行研究，實現(xiàn)主軸同步、多方向進給軸、磨頭、砂輪修正等多軸控制。

(8)砂輪成形法及軌跡法數(shù)控修整技術(shù)

針對陶瓷結(jié)合劑CBN 砂輪高速磨削具體特性和參數(shù)，主要對金剛石修整滾輪的設(shè)計制造、數(shù)控閉環(huán)修整驅(qū)動裝置設(shè)計制造、最優(yōu)應(yīng)用工藝參數(shù)選擇等幾個部分進行研究，研制滿足機床加工要求的修整方法、裝置及優(yōu)選工藝參數(shù)。

(9)滾珠絲杠副精密加工及彈性砂輪成形拋光技術(shù)

作者對天然橡膠或聚氨酯橡膠拋光輪進行研究，開發(fā)的滾珠絲杠副專用精密加工及拋光輪具有拋光性能好、工件表面亮度高、砂輪形狀保持性好、拋光時不易堵塞、不易燒傷工件、機械強度高等一系列優(yōu)良性能，是高效率精密拋光加工的最理想砂輪［5］。

另外，同時對滾珠絲杠副精密加工及拋光工藝開展研究，以指導拋光輪的設(shè)計和使用，通過對拋光原理、拋光過程、拋光工藝參數(shù)等進行實驗和理論分析，提出了適合的拋光工藝方法。

3 結(jié)論

目前，該機床的研究在多個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)獲得了突破，主要完成了機床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計;完成多個機械單元的有限元分析并進行了局部優(yōu)化;研制了高效CBN 砂輪并對磨削關(guān)鍵工藝參數(shù)進行了深入的研究;完成了機床電氣控制系統(tǒng)的初步設(shè)計，在西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上初步開發(fā)了OEM 軟件，并對機床在線檢測、故障診斷、加工補償?shù)葍?nèi)容做了試驗和研究。另外課題組成員在其他如絲杠精密加工等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域展開了深入的研究，完成了機床床身、主軸單元等單元模塊的制造。

現(xiàn)代數(shù)控機床向著大型、高精度、智能化的方向發(fā)展，且機床的研制是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及的學科種類繁多。大型精密數(shù)控磨床的研制更是如此，要分析機械、電氣、材料等相關(guān)學科的綜合知識，運用理論仿真分析和科學合理的試驗作為基本設(shè)計方法和工具。采用現(xiàn)代設(shè)計方法，注重設(shè)計、單元部件、制造過程、應(yīng)用工藝和規(guī)范標準等方面的關(guān)聯(lián)性，才能開發(fā)具有國際先進技術(shù)水平的大型高速數(shù)控絲杠磨床，解決關(guān)鍵技術(shù)難題。

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