錐度深孔數(shù)控珩磨機設(shè)計

譚德寧，張書華，鄭明輝

（山東華宇工學(xué)院機械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

目前，孔的珩磨加工已有技術(shù)是2MK21系列數(shù)控深孔珩磨機，且只能珩磨加工直孔。

圖1為三一重工有限公司北京分公司專用的一種零件結(jié)構(gòu)圖，曾在山東普利森集團有限公司TK2120專機上砂帶磨加工。外圓直徑φ260 mm，全長6 m，要求鏜削錐孔孔徑：小頭φ130 mm、大頭φ200 mm，合金鋼40Cr材料，要求表面粗糙度為Ra0.4 μm。原加工方法采用砂帶磨，表面粗糙度只能達到Ra0.8μm，效率很低，去除0.01 mm需要2天時間，且各段尺寸變化不均勻，無法達到圖1要求。

圖1 現(xiàn)有零件簡圖

在多年研究及實踐基礎(chǔ)上設(shè)計了一種錐度深孔的珩磨刀具和加工方法，通過插補運動，可以實現(xiàn)單錐深孔零件加工[1]。

1 深孔錐度珩磨頭的方案設(shè)計

對上述零件設(shè)計了2種加工方案：定壓珩磨法和定量珩磨法，總結(jié)如下：

（1）圖2為錐度珩磨頭結(jié)構(gòu)圖，在軸向移動時能自動擴張和收縮，并且徑向移動和軸向移動有一個固定比值，能實現(xiàn)徑向變形量在18 mm內(nèi)的收縮與擴張，為定壓珩磨法，可以數(shù)控控制實現(xiàn)錐度深孔加工。

圖2 錐度深孔珩磨頭老結(jié)構(gòu)

當(dāng)錐度芯軸3向左移動時，油石座2在雙錐面的作用下，兩個斜面與芯軸的圓錐面配合，油石7徑向壓向工件內(nèi)錐面，油石7的錐度與工件的錐度一致；當(dāng)錐度芯軸3在珩磨體5內(nèi)孔內(nèi)向右移動時由拉桿4實現(xiàn)，可控制珩磨頭徑向收縮。端蓋1可防止油液和粉塵進入內(nèi)部配合面，支承條6起預(yù)定位作用[2]。

（2）新型珩磨頭能實現(xiàn)徑向變形量在150 mm內(nèi)的收縮與擴張，為定量珩磨法。工件大頭端在珩磨頭入口處，珩磨液從出口端供油，向前沖屑流向入口的方向，油順著斜面流向床身排往珩磨油箱。

（3）新型珩磨頭徑向伸縮的結(jié)構(gòu)采取連桿機構(gòu)實現(xiàn)徑向變化，油石座可繞銷軸擺動，實現(xiàn)任意錐孔的珩磨，珩磨直徑由數(shù)控系統(tǒng)控制。

2 錐度深孔珩磨的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對圖1類似的零件，在數(shù)控深孔珩磨機上重新設(shè)計新型珩磨頭和珩磨桿，并在珩磨桿固定架的后部安裝減速機和交流伺服電機，用數(shù)控系統(tǒng)進行控制，目前在國內(nèi)尚屬空白。針對于加工零件，需要在鏜好的內(nèi)錐孔中進行珩磨加工，采用工件固定、珩磨桿旋轉(zhuǎn)的加工方式，磨桿箱固定在拖板上，出口供油，便于觀察錐孔珩磨情況，以解決現(xiàn)有不能進行長錐孔珩磨加工的問題，并實現(xiàn)表面粗糙度Ra0.4μm以內(nèi)的加工。

2.1 錐度珩磨頭結(jié)構(gòu)

如圖3所示，為一種徑向擴張的數(shù)控錐度深孔珩磨頭，為定量珩磨法，珩磨頭由端蓋、油石、油石座、撐桿、擺桿、珩磨體、芯軸、推拉桿和銷軸等組成。芯軸7為四方面，有4個均布的槽與撐桿5通過銷軸連接，撐桿5的另一端與擺桿4通過銷軸連接，擺桿4的一端與珩磨體6通過銷軸連接，另一端與油石座3通過銷軸連接，油石2通過粘接劑與油石座3連接，在驅(qū)動裝置的作用下實現(xiàn)油石徑向壓向工件表面[3，4]。

圖3 錐度深孔珩磨頭新結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，油石座長度方向的中間位置與擺桿通過銷軸連接，在珩磨錐孔時可以隨著錐度的大小油石能自由擺動壓向內(nèi)壁實現(xiàn)錐度吻合；一個珩磨頭由四件油石座組成，當(dāng)芯軸移動時四件油石座同步壓向內(nèi)壁受力平衡，珩磨頭能實現(xiàn)長度6 m以內(nèi)、小頭尺寸?130 mm以上、大小頭直徑差150 mm內(nèi)的任意錐孔加工。油石的擴張與收縮不能靠恒壓珩磨的方式加工，連桿會自鎖不能移動，只能采用控制推拉桿的軸向左右移動來實現(xiàn)。在切削過程中，隨著驅(qū)動裝置的作用，推拉桿直線移動，帶動撐桿移動，擺桿擺動，而沿著徑向均勻地漲開，使油石逐漸壓向工件加工表面，隨著珩磨頭的旋轉(zhuǎn)和推拉桿的軸向進給及油石的徑向漲開，加工出的軌跡是螺旋面。當(dāng)漲開到最大行程時，數(shù)控系統(tǒng)的程序會給交流伺服電機一個信號，推拉桿做后退運動，到達初始位置時，油石座在拉力連桿組件的作用下自動迅速縮回原位，完成一次行程；按照預(yù)先工藝流程完成錐孔的珩磨加工，不是一次完成的，需多次進給加工達到加工目的。第一過程為粗珩磨，第二過程為精珩磨，由數(shù)控自動編程實現(xiàn)[3，4]。

2.2 珩磨桿結(jié)構(gòu)

如圖4所示，珩磨桿5、8由內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)的芯軸6組成，支承銅套2、7固定在珩磨桿5、8內(nèi)，芯軸6由數(shù)節(jié)通過錐銷連接，珩磨桿5、8采用矩形螺紋連接可實現(xiàn)不同長度的組合。因此，新型珩磨桿可以根據(jù)需要做成不同長度，珩磨桿旋轉(zhuǎn)。通過M16螺母、推拉桿1（螺桿）和推力球軸承轉(zhuǎn)化，從而帶動推拉桿軸向移動，推拉桿軸向移動帶動珩磨頭芯軸移動，使油石座沿著徑向漲開，使油石壓向工件加工表面，達到磨削的目的。珩磨桿旋轉(zhuǎn)，可是芯軸差動旋轉(zhuǎn)，相對轉(zhuǎn)速不高，采用銅套滑動配合合適，珩磨桿和芯軸差動的旋轉(zhuǎn)為一個伺服軸[5]。

圖4 珩磨桿的結(jié)構(gòu)圖

2.3 驅(qū)動裝置

如圖5所示，該驅(qū)動裝置由珩磨頭、珩磨桿和驅(qū)動裝置組成。如果采用交流伺服電機2與珩磨桿直聯(lián)，伺服電機的轉(zhuǎn)速為50 r/min，力矩足夠、功率稍不足。

圖5 驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)控錐度深孔珩磨裝置通過交流伺服電機驅(qū)動減速機轉(zhuǎn)動，通過M16螺母、螺桿轉(zhuǎn)化，從而帶動珩磨頭推拉桿軸向移動，推拉桿軸向移動帶動芯軸移動，使油石座沿著徑向漲開，使油石壓向工件加工表面，達到磨削的目的。由于珩磨刀具旋轉(zhuǎn)的過程中，刀具既在軸向進給，又徑向漲開，這樣珩磨刀具走出的軌跡就是錐面。傳動比為4，可提高交流伺服電機的實際輸出力矩，與磨桿箱電機實現(xiàn)差動轉(zhuǎn)速匹配，可到1 000 r/min，圓柱齒輪減速器減速。

要想珩磨錐度深孔，必須先鏜削錐度內(nèi)孔，當(dāng)大小頭直徑差大于15 mm時，需要多工步分段鏜削，搭接處不光滑；小頭直徑為?130 mm，珩磨前尺寸為?129 mm，單邊加工余量均為0.5 mm，對工件進行數(shù)控自動編程，全長珩磨加工錐孔[6]。

3 數(shù)控系統(tǒng)

通過上面機械裝置的設(shè)計，錐度深孔珩磨機需要3軸控制：徑向脹縮為X軸驅(qū)動，軸向進給為Z軸驅(qū)動，芯軸轉(zhuǎn)速與磨桿箱主軸電機轉(zhuǎn)速差動控制為第3軸驅(qū)動，數(shù)控系統(tǒng)的硬件接線圖如圖6所示。

圖6 數(shù)控系統(tǒng)硬件接線圖

CNC裝置由輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、I/O接口電路、主軸伺服單元、進給伺服單元、主軸驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動裝置（包括檢測裝置）等組成。設(shè)置了2臺進給交流伺服電機和1臺主軸交流伺服電機，芯軸和主軸交流伺服電機的光電編碼器通過I/O接口電路反饋輸入CNC裝置，CPU進行轉(zhuǎn)速比較，按照數(shù)控程序規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)（符合工藝磨削參數(shù)）進行控制，由數(shù)控系統(tǒng)按照徑向擴張和軸向位移的數(shù)學(xué)公式進行插補，實現(xiàn)珩磨頭有規(guī)律的定量徑向脹縮[7，8]。

如圖7所示，可以建立數(shù)控錐度深孔珩磨頭的插補數(shù)學(xué)模型，建立圖示x-y直角坐標(biāo)系，已知桿a、b、c桿的長度，（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc）三點坐標(biāo)值，可以通過事先測量得到。

圖7 插補數(shù)學(xué)模型圖示

y1=ya-Δy，x12+y12=xa2+ya2，可推出量x1=；由于a，b桿是繞o點旋轉(zhuǎn)的故有y2=（ya-b/a×Δy），x22+y22=xb2+yb2，可推出量x2=。

由于撐桿只能沿x向移動，y坐標(biāo)不變，故（xbxc）2+（yb-yc）2=（x2-x3）2+（y2-yc）2；可推出量，這就是數(shù)學(xué)模型。根據(jù)數(shù)學(xué)模型公式可以編制專用插補程序，由數(shù)控廠家解決。

4 切削加工

數(shù)控深孔珩磨機床不僅能加工直孔、階梯孔，還能加工錐孔。從美國善能珩磨公司的實際加工視頻可知，工件采用兩個V型支架定位、鏈條夾緊，錐度珩磨頭旋轉(zhuǎn)并進給，珩磨切削用量與直孔相同。區(qū)別在于錐度珩磨頭是定量擴張的，軸向移動和徑向擴脹量是有一定比值關(guān)系，由數(shù)控系統(tǒng)的插補程序控制，插補程序需要與數(shù)控廠家定制，華中數(shù)控同意生產(chǎn)“專用數(shù)控系統(tǒng)”。由于試件的珩磨長度為2.6 m，大頭內(nèi)孔尺寸?200 mm，小頭內(nèi)孔尺寸?130 mm。所以，采用常用的一端珩磨桿連接的方式，同軸度影響不大。從加工的結(jié)果看：大小頭尺寸公差在0.02 mm內(nèi)，表面粗糙度Ra0.1～0.4μm。

5 結(jié)論

通過上面的描述，可以獲得一種任意錐孔的深孔珩磨全套技術(shù)解決方案，解決全國目前無法進行錐度深孔珩磨加工的難題，圖8為實際加工片段局部圖。目前，國內(nèi)模具行業(yè)需要錐度深孔、塑料擠出機需要錐度深孔、環(huán)保設(shè)備也需要錐度深孔等等，它的市場應(yīng)用價值很大，該技術(shù)已獲實用新型專利（專利號ZL201820810259.6），可以在全國推廣使用。

圖8數(shù)控系統(tǒng)界面和珩磨機床局部視圖