璩 瑋 王 充

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斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給系統(tǒng)在高速磨削中的應(yīng)用

璩 瑋1王 充2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 上海200090；2. 上海機(jī)床廠有限公司 上海200093)

從傳統(tǒng)MK1330外圓磨床和MK1620端面外圓磨床的進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式出發(fā)，根據(jù)大端面階梯軸的特殊磨削要求，論證了斜頭直進(jìn)式高速砂輪進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與可行性。介紹了結(jié)合伺服控制系統(tǒng)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、在線量?jī)x和高精度靜壓主軸系統(tǒng)等成熟技術(shù)而設(shè)計(jì)的斜頭直進(jìn)式數(shù)控砂輪進(jìn)給系統(tǒng)在磨削實(shí)例中的應(yīng)用，成功經(jīng)驗(yàn)將有助于提高對(duì)工件的加工效率。

斜頭直進(jìn) 高速磨削 伺服進(jìn)給 深切緩進(jìn)

隨著數(shù)控磨床在國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)中需求的不斷提升，高效率、高精度、高自動(dòng)化程度、高壽命和低成本已成為磨削加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)在磨床制造領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用使得工業(yè)自動(dòng)化程度日益提高，提高磨床的磨削效率已成為磨床研究領(lǐng)域中最為重要的目標(biāo)之一。

采用高速磨削和加大在單位時(shí)間中砂輪的進(jìn)刀量是提高磨削效率的兩個(gè)最直接的手段。高速磨削是指砂輪線速度s＞45 m/s的磨削[1]。早在20世紀(jì)70年代，砂輪線速度s已能達(dá)到80 m/s，隨著立方氮化硼(CBN)砂輪的廣泛應(yīng)用，s又再次提升至120 m/s[2]。但在砂輪線速度提升的同時(shí)，大切削量的磨削會(huì)不可避免地產(chǎn)生大量的熱量，極易造成工件加工表面的燒傷，切入量的加大同時(shí)也增加了砂輪磨頭主軸的負(fù)荷。

以下是對(duì)一種直頭斜進(jìn)式砂輪主軸系統(tǒng)的應(yīng)用研究。采用高精度的高速磨頭配以數(shù)控雙軸聯(lián)動(dòng)伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)大端面階梯軸進(jìn)行加工時(shí)運(yùn)用大端面及外圓一次成型的磨削工藝[3]，達(dá)到了提高磨削效率和提升磨削精度的目的。

1 三種磨削進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較

數(shù)控外圓磨床是由2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱軸)和砂輪架(以下簡(jiǎn)稱軸)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)二軸聯(lián)動(dòng)形式的。

(1)在傳統(tǒng)的MK1320數(shù)控外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)中，軸與軸成90°布置，成型砂輪和工件軸線成90°布置，如圖1所示。

圖1 MK1320數(shù)控外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)

(2)在傳統(tǒng)的MK1620數(shù)控端面外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)中，軸與軸成60°角布置，成型砂輪和工件軸線成60°布置，如圖2所示。

圖2 MK1620數(shù)控端面外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)

(3)在斜頭直進(jìn)式數(shù)控外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)中，軸與軸成90°，成型砂輪磨頭和工件軸線成60°斜角布置，如圖3所示。

圖3 斜頭直進(jìn)式數(shù)控外圓磨床砂輪進(jìn)給系統(tǒng)

2 三種進(jìn)給系統(tǒng)在大端面階梯軸磨削中的應(yīng)用

1)大端面階梯軸工況介紹

以200系列數(shù)控磨床(工件最大回轉(zhuǎn)半徑200 mm，砂輪最大直徑500 mm)為例,端面磨削進(jìn)刀深度大于20 mm、接觸面積大于1 000 mm2的即為大端面磨削范疇，如圖4所示。

圖4 大端面階梯軸磨削工況

隨著磨削端面的增大，會(huì)產(chǎn)生大量的磨削熱，使磨削區(qū)的瞬時(shí)溫度最高達(dá)1 000℃左右，這樣高的溫度會(huì)使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，造成磨削燒傷。在實(shí)際操作中往往用增加端面磨削的進(jìn)刀速率來(lái)加快磨削效率，這樣會(huì)增加磨頭主軸的負(fù)荷，同時(shí)也對(duì)工件磨削表面粗糙度和磨削表面層的物理機(jī)械性能帶來(lái)了不利的影響，使工件表面層的金相組織發(fā)生變化，磨削表面會(huì)發(fā)生燒傷。

一般先用砂輪的外圓面來(lái)磨削階梯軸外圓，再用砂輪的側(cè)面磨削階梯軸端面，再用金剛刀片對(duì)砂輪的側(cè)面和外圓面進(jìn)行修整。為避免砂輪與軸肩的磨損，須將砂輪修成階梯狀，如圖5所示。

圖5 MK1320砂輪進(jìn)給系統(tǒng)磨削工藝

由于砂輪與工件成90°角布置，在砂輪修整時(shí)面臨著砂輪外圓寬度越修越小直至最終無(wú)法滿足外圓磨削要求的問(wèn)題，對(duì)砂輪進(jìn)行階梯形修整會(huì)使金剛刀片大量地?fù)p耗，嚴(yán)重破壞了成型砂輪的表面質(zhì)量，而且會(huì)影響工件在磨削后的表面粗糙度及表面層的物理機(jī)械性能。

2)傳統(tǒng)MK1620砂輪進(jìn)給系統(tǒng)磨削

先通過(guò)軸與軸同時(shí)進(jìn)給磨削工件待加工的外圓，再采用砂輪端面磨削工件待加工端面，由于是一次成型磨削待加工的端面及外圓，因此提高了磨削效率。砂輪與工件軸線成60°角布置，解決了外圓磨削將砂輪越修越小的問(wèn)題。金剛刀片對(duì)砂輪側(cè)面和外圓進(jìn)行成型修整的步驟，如圖6所示。

圖6 MK1620砂輪進(jìn)給磨削系統(tǒng)磨削工藝

由于軸始終與工件軸線成90°角，所以在數(shù)控系統(tǒng)中需要用進(jìn)給量乘以sin60°和cos60°的三角函數(shù)計(jì)算及軸和軸的程序插補(bǔ)來(lái)完成最終實(shí)際工件徑向及軸向的砂輪磨削進(jìn)給量的控制，因此不可避免地增加了控制環(huán)節(jié)中的累積誤差。

由于砂輪端面長(zhǎng)度(1)必須大于工件待加工端面截面長(zhǎng)度(2)，在整個(gè)端面的磨削過(guò)程中，砂輪與工件端面始終全部接觸并導(dǎo)致在工件軸向端面加工余量較大，極易造成工件端面的燒傷。

3)斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給系統(tǒng)磨削

在通過(guò)軸進(jìn)給完成工件軸向定位之后，控制軸的進(jìn)給，采用深切緩進(jìn)的磨削方式對(duì)工件表面進(jìn)行磨削。之后軸與軸同時(shí)進(jìn)給，完成一次成型磨削待加工的端面及外圓，并使用金剛刀片分三個(gè)步驟對(duì)砂輪側(cè)面及表面進(jìn)行修整，如圖7所示。

圖7 斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給系統(tǒng)磨削工藝

斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給系統(tǒng)除繼承了MK1620數(shù)控端面外圓磨床利于砂輪修整以及可以一次成型磨削端面和外圓并達(dá)到提高磨削效率的優(yōu)點(diǎn)之外，同時(shí)還具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)軸與軸的進(jìn)給方向與工件軸向及徑向磨削方向一致的結(jié)構(gòu)，以減小數(shù)控系統(tǒng)中的計(jì)算誤差。

(2)砂輪端面長(zhǎng)度(1)可小于工件待加工端面截面長(zhǎng)度(2)，減小了砂輪與工件端面的瞬時(shí)接觸面積，降低了磨削時(shí)的熱量，有利于避免待加工工件端面的燒傷。

(3)在軸進(jìn)給方向進(jìn)行端面磨削時(shí)，工件的軸向受力方向成90°，增加了在端面磨削時(shí)砂輪架機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，有利于提高待磨削端面的精度。

3 斜頭直進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

(1)軸進(jìn)給系統(tǒng)。工作臺(tái)進(jìn)給是由伺服電動(dòng)機(jī)直接連接高精度滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)在-平液壓滑動(dòng)導(dǎo)軌上完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

(2)軸進(jìn)給系統(tǒng)。由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)高精度滾珠絲杠并通過(guò)直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副來(lái)完成傳遞軸(砂輪架)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

圖8 X軸（砂輪架）進(jìn)給系統(tǒng)

(3)砂輪架磨頭采用了高精度靜壓主軸系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 高精度靜壓主軸系統(tǒng)

主要技術(shù)規(guī)格及指標(biāo)

經(jīng)多方研究比較，最終采用了明挖順筑與蓋挖逆筑的盆式開(kāi)挖法施工。該施工方法以車(chē)站結(jié)構(gòu)板在水平向的整體剛度取代水平支撐體系，主體結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，既減少了工程量，又節(jié)省了施工工期，同時(shí)還為土方開(kāi)挖和材料運(yùn)輸提供了空曠空間。

最大磨削直徑 ?? 200 mm

最小磨削直徑 ?? 8 mm

中心高 ?? 125 mm

最大工件長(zhǎng)度 ?? 500 mm

砂輪規(guī)格(外徑×寬度×內(nèi)徑)500 mm×50 mm×203 mm

砂輪線速度 ?? 70 m/s(變頻恒線速)

砂輪電動(dòng)機(jī)功率 ?? 11 kW

軸進(jìn)給速度 ?? 最大4 000 mm/min

最小 0.5 mm/min

軸進(jìn)給分辨率 ?? 0.000 5 mm

軸移動(dòng)速度 ?? 最大 8 000 mm/min

最小 1 mm/min

工作臺(tái)(軸)移動(dòng)分辨率 ?? 0.001 mm

聯(lián)動(dòng)軸數(shù) ?? 2

進(jìn)給系統(tǒng)位置精度

軸反向偏差 ?? 0.002 mm

軸單向重復(fù)定位精度 ?? 0.004 mm

軸單向定位精度 ?? 0.006 mm

軸反向偏差 ?? 0.006 mm

軸單向重復(fù)定位精度 ?? 0.008 mm

軸單向定位精度 ?? 0.015 mm

4 斜頭直進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)磨削實(shí)例

國(guó)內(nèi)機(jī)床生產(chǎn)廠家采用配置斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)的數(shù)控外圓磨床，對(duì)大端面階梯軸工件進(jìn)行了磨削，具體介紹如下：

1)工件圖紙

工件材料為20CrMnTi，待加工表面硬度HRC58～64。

被加工工件如圖10所示，加工要求見(jiàn)表1。

圖10 大端面階梯軸零件圖

表1 加工要求

加工位置檢測(cè)尺寸形位公差/mm表面粗糙度/μm 外圓圓度圓柱度 第一檔Ф0.0030.004Ra0.4 第二檔Ф0.0030.004Ra0.4 第三檔Ф0.0030.004Ra0.8 端面端面跳動(dòng) 0.02 mmRa0.8

2)使用在線檢測(cè)量?jī)x

采用MARPOSS在線量?jī)x包括P7ME控制單元、外徑測(cè)量裝置 MINIALSAR、對(duì)刀裝置UNIMAR進(jìn)行磨削檢測(cè)。

3)磨削加工數(shù)據(jù)記錄

磨削分左右兩刀粗磨后精磨帶縱磨，縱磨第一次進(jìn)刀0.02 mm，第二、第三次為0.05 mm，后兩次光磨后退刀。縱磨進(jìn)的粗磨為100 mm/min，精磨為50 mm/min，磨削加工數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2。

表2 磨削加工數(shù)據(jù)記錄

項(xiàng) 目磨削加工數(shù)據(jù) 磨削余量/mm外圓0.3 端面0.1 磨削速度/（mm·min-1）外圓粗磨 0.08 精磨0.03 端面0.05 砂輪修整量/mm粗修0.04 精修0.02 砂輪修整速度/（mm·min-1）粗修100 精修60 修整次數(shù)1件1次 頭架轉(zhuǎn)速/（r·min-1）粗磨50 精磨20

4)檢測(cè)結(jié)果

以下是對(duì)30根工件經(jīng)磨削加工后，所得的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 檢測(cè)結(jié)果 mm

工件目標(biāo)公差第1檔第2檔第3檔端面 序號(hào)第1檔(量?jī)x)第2檔（定程）第3檔（定程） 139.99739.99539.96545.989 239.99839.99639.96645.988

(續(xù)表3)

工件目標(biāo)公差第1檔第2檔第3檔端面 序號(hào)第1檔(量?jī)x)第2檔（定程）第3檔（定程） 339.99839.99639.96745.983 439.99839.99739.96545.995 539.99839.99739.96545.995 639.99839.99639.96545.997 739.99839.99739.96545.987 839.99839.99639.96645.986 939.99839.99739.96645.985 1039.99839.99639.96645.985 1139.99839.99739.96745.986 1239.99839.99739.96645.988 1339.99839.99739.96645.988 1439.99839.99739.96645.988 1539.99839.99739.96645.989 1639.99839.99739.96645.989 1739.99839.99639.96745.991 1839.99839.99739.96645.992 1939.99839.99639.96645.992 2039.99839.99739.96645.993 2139.99839.99739.96645.994 2239.99839.99739.96745.986 2339.99839.99739.96645.985 2439.99739.99739.96745.987 2539.99839.99839.96545.987 2639.99839.99739.96845.989 2739.99839.99639.96745.988 2839.99839.99639.96845.992 2939.99839.99739.96545.991 3039.99839.99639.96545.994 檢測(cè)結(jié)果外圓尺寸CP≥2，粗糙度以及形位公差抽樣檢測(cè)結(jié)果均滿足要求，在加工端面上無(wú)燒傷現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，斜頭直進(jìn)式砂輪進(jìn)給系統(tǒng)在大端面階梯軸的磨削加工中有以下4個(gè)特點(diǎn)：

(1)軸與軸的進(jìn)給方向采用了與工件軸向及徑向磨削方向一致的結(jié)構(gòu)，減小了數(shù)控系統(tǒng)中的計(jì)算誤差。

(2)在對(duì)端面磨削時(shí)采用了深切緩進(jìn)的磨削方式，減小了砂輪與工件端面的瞬時(shí)接觸面積，降低了磨削時(shí)的熱量，避免了待加工工件的端面燒傷。

(3)在對(duì)端面磨削時(shí)，軸與軸成90°垂直進(jìn)給，從而增加了砂輪架機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(4)伺服控制系統(tǒng)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、在線量?jī)x、高精度靜壓主軸系統(tǒng)等技術(shù)在國(guó)內(nèi)已有成功的應(yīng)用。把這些技術(shù)融合到斜頭直進(jìn)的砂輪架結(jié)構(gòu)中，形成了一種新型的砂輪架進(jìn)給磨削模式，結(jié)合先進(jìn)的磨削工藝，將會(huì)大大有助于對(duì)大端面階梯軸的端面和外圓的磨削，提升了零件的加工精度，提高了零件的磨削效率。

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