球面磨削方式和球面磨削機(jī)床探討

張成興

(機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院，重慶 400039)

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油、化工、鋼鐵、煤粉和天然氣輸送、核電站等行業(yè)對(duì)高精度、硬球面、硬密封球閥的需求越來越大，對(duì)球閥行業(yè)和球閥維修行業(yè)提出了越來越高的要求。這類球閥其球面為硬質(zhì)合金噴焊或者超聲波合金焊接，其硬度達(dá)到63 HRC左右，密封座面也為硬接觸，不再是橡膠接觸軟密封，其密封壓力要求40 MPa，軟密封是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。這類球閥的球面必須磨削加工，其圓度要求非常高，加之表面硬度極高，采用傳統(tǒng)的車削加研磨的加工方式，已經(jīng)不能達(dá)到閥門的要求。目前國內(nèi)該行業(yè)幾個(gè)大的球閥廠球面磨削這道工序大多是用進(jìn)口機(jī)床在加工球閥球面。

1 砂盤磨削方式——范成法磨削球面

圖1a為一臺(tái)進(jìn)口機(jī)床，圖1b為其磨削原理。

這種磨削方式的磨削原理為范成原理。磨頭為碗狀砂盤，多只砂條鑲嵌在砂盤上;碗狀砂盤扣蓋在待磨削的球面上，每塊砂條都接觸待磨削的表面;磨削時(shí)，砂盤繞磨頭主軸軸心線高速轉(zhuǎn)動(dòng)，球體繞其工件心軸的軸心線低速轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著磨頭即砂盤的工進(jìn)，最后范成磨削出整個(gè)球面。這種磨削方式砂盤的口徑必須≥待磨削的球面寬度，否則球面不能完全磨出。目前國內(nèi)多家廠家也按照這個(gè)原理研制出來了此種形式的球面磨床。

其優(yōu)點(diǎn)為參與磨削的砂條多，生產(chǎn)率高。其缺陷是球的規(guī)格若有變化，砂盤就需要變化，所以一臺(tái)機(jī)床需要配備較多的砂盤，砂盤制造費(fèi)用較高，故只適合大批量生產(chǎn)球形零件的場合，小批量生產(chǎn)時(shí)很不經(jīng)濟(jì)而很少使用。

2 砂輪磨削方式——展成法磨削球面

目前國內(nèi)有的廠家使用的是另一種簡便的磨球方法。其磨削原理見圖2。

這種磨削方式的磨削原理為展成原理。其與球面車床車削球面的原理一樣，磨具為平型砂輪，砂輪的外圓面與工件待磨削的表面接觸;磨削時(shí)，砂輪繞其磨頭主軸軸心線高速旋轉(zhuǎn)，工件繞其心軸軸心線單方向低速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)繞其另一垂直的球心線來回往復(fù)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到球面的一側(cè)時(shí)，受其控制機(jī)構(gòu)控制，又轉(zhuǎn)回到另一側(cè)，周而復(fù)始地來回水平轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著磨頭即砂輪的工進(jìn)，展成磨削出球面。

其優(yōu)點(diǎn):磨削不同規(guī)格的球體，不用更換砂輪，一個(gè)規(guī)格的砂輪可以磨削任何規(guī)格尺寸的工件，磨具的投資省。其缺陷:參與磨削的砂輪與工件為線接觸，且只有一條線，所以磨削效率很低，不適合于球體的批量化、規(guī)模化生產(chǎn)，僅僅適合于球閥的修配行業(yè)。

3 一種新型的球面磨削方式——組合法磨削

其磨削原理見圖3。

這種方法為前面兩種方法的有機(jī)組合，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了兩者的缺陷，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:

磨具為碗狀砂盤，砂盤上安裝有多塊砂條，各砂條與磨削面都接觸;這個(gè)砂盤的有效磨削口徑≤球形工件的球面寬度;工作時(shí)，砂盤繞其軸心線即X軸高速轉(zhuǎn)動(dòng);球形工件繞其水平球心線即Y軸低速轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)球形工件的磨削球面寬度＞砂盤的磨削口徑時(shí)，球形工件將圍繞著垂直球心線即Z軸左右往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)砂盤處于球面的一側(cè)時(shí)，機(jī)床的控制機(jī)構(gòu)控制球形工件即向另一側(cè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到球體的另一側(cè)再轉(zhuǎn)回，周而復(fù)始地來回水平轉(zhuǎn)動(dòng)并伴隨著砂盤的工進(jìn)，即可磨削出標(biāo)準(zhǔn)的球面。

參照?qǐng)D4，簡要說明不同磨削直徑時(shí)的磨削關(guān)系。當(dāng)球形工件2的球面寬度大于砂盤3的有效磨削直徑時(shí)，球形工件2繞機(jī)床Z軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度等于球形工件的待磨削角度β減去砂盤包角α，即球形工件旋轉(zhuǎn)角度=β－α。當(dāng)工件2的球面寬度等于砂盤3的有效磨削直徑(即β=α)時(shí)，球形工件不再圍繞著機(jī)床Z軸旋轉(zhuǎn)，直接采用范成法原理就能加工出所需要的球形。

這種磨削方式的機(jī)床如圖5所示:砂盤安裝在磨頭正前方，磨削時(shí)，受磨頭電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，高速地繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，各砂條與球體均勻接觸，對(duì)球體實(shí)施磨削加工;磨頭安裝在機(jī)床床身滑鞍上，滑鞍受伺服電動(dòng)機(jī)－滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)磨頭沿X軸向快進(jìn)和工進(jìn);頭、尾架安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)下有一縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿Y向左右移動(dòng)，安裝工件時(shí)用以移動(dòng)工件使其球心與磨頭主軸軸心延長線重合，調(diào)整好球心位置后，工作臺(tái)上的固定機(jī)構(gòu)將移動(dòng)部件固定;頭架上的電機(jī)與減速裝置驅(qū)動(dòng)心軸及工件繞Y軸低速轉(zhuǎn)動(dòng);工作臺(tái)下有一轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，可帶動(dòng)工作臺(tái)和頭、尾架以及工件一起繞Z軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。整機(jī)由數(shù)控裝置驅(qū)動(dòng)，為數(shù)控三軸兩聯(lián)動(dòng)，砂盤的X軸進(jìn)給和工件繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)需要聯(lián)動(dòng);安裝工件時(shí)工作臺(tái)沿Y軸的移動(dòng)因?yàn)橐苿?dòng)要求高，也需要數(shù)控。

這種磨削方式的特點(diǎn):參與磨削的砂條多，生產(chǎn)率高;磨削不同規(guī)格的球體，不用更換砂輪，一種規(guī)格的砂盤可以磨削多種規(guī)格尺寸的工件，通用性好。在安裝球形工件時(shí)，水平移動(dòng)工作臺(tái)使工件的球心與磨頭軸心線重合，磨削時(shí)范成原理保證了球形工件的圓度要求。

4 結(jié)語

新型球面磨削機(jī)床的主要特點(diǎn)是:

(1)采用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸數(shù)控并數(shù)軸聯(lián)動(dòng);滑鞍采用伺服電動(dòng)機(jī)－滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給精度達(dá)到微米級(jí)。

(2)磨頭電動(dòng)機(jī)采用變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，砂輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)球體的大小以及砂輪磨損后直徑的大小而變化，使其磨削速度恒定。

(3)頭架轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)或者變頻電動(dòng)機(jī)帶減速機(jī)直接拖動(dòng)，球體繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)無竄動(dòng)，并可以無級(jí)變速。

(4)工作臺(tái)的縱向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用大慣量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配高精度減速機(jī)拖動(dòng)，可驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿Y向左右移動(dòng)，以找正球心安裝位置;工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)采用伺服電動(dòng)機(jī)配高精度減速機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)無爬行;工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置采用新型的消隙機(jī)構(gòu)，提高換向平穩(wěn)性;采用貼塑導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌技術(shù)，提高球體水平回轉(zhuǎn)精度。

(5)外觀上采用整體防護(hù)，貼近現(xiàn)代機(jī)床造型。

這種組合磨削方式的球面磨削機(jī)床機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專利，專利名稱為《新型球面磨削機(jī)床及其磨削方法》，專利號(hào)為:ZL201110250547.3。目前機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計(jì)研究院已著手研制該機(jī)。