CN101172330A - 高硬度回转球面数控精密磨削装备 - Google Patents
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Abstract
一种高硬度回转球面数控精密磨削装备，包括：床身部件、主轴箱部件、砂轮架回转工作台部件、尾座部件、砂轮磨具。主轴箱部件和尾座部件用螺栓固定在床身上；砂轮架回转工作台部件被支撑在圆弧导轨和圆环导轨上，且绕固定轴在伺服电机的驱动下通过蜗杆和扇形蜗轮做往复运动；由伺服电机通过丝杆螺母副驱动砂轮架滑座在砂轮架回转工作台上的直线导轨上做直线进给运动；由砂轮磨具盘和砂轮块组成的砂轮磨具通过连接轴直接与电主轴连接。于是，通过砂轮的高速旋转运动、回转球面工件的旋转运动、砂轮架的进给运动以及砂轮架的往复运动实现了用一种直径的砂轮磨具磨削不同直径的高硬度回转球面工件的目的。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机床技术领域的数控磨床，具体是一种高硬度回转球面数控精密磨削装备。
背景技术
高硬度高精度球体是耐高温、耐高压、耐磨损球阀中的关键部件。由于这类球阀承受的工作条件十分恶劣，因此，为了提高其耐高温和耐磨性能，通常在球阀的球体表面喷涂具有很高的耐磨强度的WC、Ni60等高硬度材料，这就给表面精密加工带来了很大困难。另一方面，由于这种球阀一般都工作在高温、高压环境中，密封要求也相当高，在这种情况下往往采取硬密封方式，在这种密封方式中，球体的形状精度(球度)和表面粗糙度要求就非常高，这就给表面精密加工带来了更大的困难。对于这种高硬度、高耐磨性材料一般采用精密磨削加工方法。到目前为止，国内还没有通用的、标准的高硬度回转球面精密磨床。一般都采用一些专用的、非标准的磨削加工方法，一般有两种：一种是对普通的外圆磨床进行改造加工一些的球面。另一种是设计一种专用的磨削球面的设备。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为：200610050360.8，名称为：自动检测数控球面磨床，主要是在机床上设有自动检测装置，实现了工件在线自动检测。然而，这类专用的数控球面磨床的砂轮磨具与被磨工件的直径是一一对应的，即一种直径的砂轮磨具对应一种直径规格的工件，缺乏柔性，这对于多品种、小批量的加工来说是不经济的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实现工件自动对中的高硬度回转球面数控精密磨削装备，使其保证被加工回转球面精度和表面粗糙度的前提下，能以一种直径规格的砂轮磨具实现不同直径规格的高硬度回转球面的精密柔性磨削加工。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：床身部件、主轴箱部件、砂轮架回转工作台部件、尾座部件、砂轮磨具。连接关系为：主轴箱部件和尾座部件用螺栓固定在床身部件上，砂轮架回转工作台部件安装在床身部件上；砂轮磨具与砂轮架回转工作台部件连接。
所述床身部件，包括：床身、圆弧导轨、环形导轨、固定轴、蜗杆、第一联轴器、第一伺服电机、皮带轮、变频电机，其中：圆弧导轨、环形导轨、固定轴固定在床身上，变频电机安装在床身左侧下方，皮带轮安装在变频电机轴上，第一伺服电机、联轴器、蜗杆安装在床身的上前方。
所述主轴箱部件，包括：主轴箱体、主轴套筒、主轴、卡盘、皮带轮、花键套、齿轮轴、第一步进电机。其中，主轴套筒、主轴、皮带轮、花键套、齿轮轴装配在主轴箱体中；床身上的变频电机通过其上的皮带轮连接主轴箱上的皮带轮，并带动主轴箱上的皮带轮，主轴箱上的皮带轮通过花键套连接主轴箱中的主轴，并通过花键套带动主轴箱中的主轴旋转运动，卡盘用螺栓固定在主轴的端部，从而带动工件作旋转运动。第一步进电机通过齿轮轴连接主轴套筒，并驱动主轴套筒做轴向移动。
所述砂轮架回转工作台部件，包括：砂轮架回转工作台、砂轮架滑座、电主轴安装座、丝杆螺母副、轴承、扇形蜗轮、砂轮磨具连接轴、电主轴、第二伺服电机、第二联轴器、直线导轨。其中，电主轴安装座固定在砂轮架滑座上，电主轴固定在电主轴安装座中，砂轮磨具连接轴用于连接砂轮磨具，扇形蜗轮用螺栓固定在砂轮架回转工作台下方，砂轮磨具连接轴用于与砂轮磨具连接，砂轮架回转工作台部件安装在床身部件上的圆弧导轨和环形导轨上，轴承外圈与砂轮架回转工作台中心孔紧密配合，轴承内圈与床身部件中的固定轴紧密配合。整个砂轮架回转工作台部件在第一伺服电机的驱动下通过床身部件中的第一联轴器、蜗杆和扇形蜗轮在床身部件中的圆弧导轨和圆环导轨上绕床身部件中的固定轴做往复运动。第二伺服电机通过第二联轴器和丝杆螺母副与砂轮架滑座相连，砂轮滑座安装在砂轮架回转工作台上的直线导轨上，这样在第二伺服电机驱动下，通过第二联轴器和丝杆螺母副使砂轮滑座做直线进给运动。
所述尾座部件，包括：尾座箱体、尾座套筒、顶尖支撑轴、丝杆螺母副、第三联轴器、第二步进电机。其中，顶尖支撑轴安装在尾座套筒中，尾座套筒在尾座箱体中可以做轴向移动，第二步进电机通过第三联轴器、丝杆螺母副与尾座套筒连接，在第二步进电机的驱动下带动顶尖支撑轴做轴向移动。
所述砂轮磨具，包括：砂轮磨具盘、砂轮块，砂轮磨具盘上由螺钉固定砂轮块，在砂轮磨具盘上均布了4-8个砂轮块，根据不同的高硬度回转球面的硬度要求确定不同成分磨料的砂轮块，以保证高的磨削效率。
为了保证被磨回转球面工件的球度(形状精度)，在机床装配时，使主轴箱主轴中心线与尾座顶尖支撑轴中心线同心；主轴箱主轴中心线、尾座顶尖支撑轴中心线的连线与砂轮架回转工作台的固定轴中心线垂直并处于同一垂直平面内；主轴箱主轴中心线、尾座顶尖支撑轴中心线与电主轴中心线同处在水平平面内，且使主轴箱主轴中心线、尾座顶尖支撑轴中心线、电主轴中心线以及固定轴中心线相交于一点，即相交于回转球面工件的球心位置。
本发明工作时，首先，回转球面工件固定在工装夹具上，由主轴箱主轴上的卡盘夹住工装夹具的一端，工装夹具的另一端由尾座顶尖支撑夹紧，通过主轴箱上的步进电机和尾座上的步进电机，同步移动调整工件在至合适位置。安装在床身上的变频电机通过皮带轮驱动主轴箱主轴旋转运动，从而带动由卡盘夹持的回转球面工件做旋转运动；安装在床身上的伺服电机通过蜗杆蜗轮驱动砂轮架回转工作台绕固定在床身上的固定轴做往复运动，砂轮架置于回转工作台上的砂轮架滑座上，并由伺服电机驱动砂轮架沿工件径向方向做进给运动，砂轮架上装有一电主轴，电主轴带动由专用砂轮块组成的砂轮磨具做高速旋转运动；于是，通过砂轮的高速旋转运动、回转球面工件的旋转运动、砂轮架的进给运动以及砂轮架的往复运动实现了用一种直径的砂轮磨具磨削不同直径的高硬度回转球面工件的目的。
本发明具有以下特点及效果：(1)支撑工件的主轴箱和尾座直接安装在床身上，工件由高精度主轴轴承组成的主轴箱主轴和尾座顶尖支撑轴支撑，回转精度高、刚性好。砂轮架回转工作台由圆弧导轨和圆环导轨支撑，回转中心由固定轴、高精度轴承定位，刚性好，运动精度高。安装砂轮磨具的砂轮主轴采用了高精度的专用磨削电主轴。由于整机的每个部件精度高，因此可以实现高精度的回转球面的精密磨削加工，磨削Φ155mm回转球面工件时，形状精度可以控制在8μm以内。(2)砂轮磨具由砂轮磨具盘、砂轮块、固定螺钉等构成，砂轮块采用陶瓷结合剂CBN砂轮，硬度高，且采用了分离式砂轮块磨具，单个砂轮块作用在高硬度回转球面上的磨削力加大，因此可以实现高硬度回转球面的快速磨削加工，磨削Φ155mm直径、表面硬度在HRC60左右的高硬度回转球面工件的时间大约3-4小时。(3)工件对中移动定位由主轴箱主轴套筒和尾座套筒同步移动来实现，减少了一个横向移动工作台，整机结构紧凑、简单。(4)通过砂轮架回转工作台的往复运动，可实现一种直径的砂轮磨具磨削不同直径的回转球面工件，柔性好。
附图说明
图1为本发明总体示意图；
图2为本发明总体左视图；
图3为本发明的床身部件主视图；
图4为本发明的床身部件左视图；
图5为本发明的主轴箱部件主视图；
图6为本发明的主轴箱部件左视图；
图7为本发明的砂轮架回转工作台部件主视图；
图8为本发明的砂轮架回转工作台部件左视图
图9为本发明的尾座部件主视图；
图10为本发明的砂轮磨具部件主视图。
图中：床身部件1、主轴箱部件2、砂轮架回转工作台部件3、尾座部件4、砂轮磨具5；
床身1-1、圆弧导轨1-2、环形导轨1-3、固定轴1-4、蜗杆1-5、第一联轴器1-6、第一伺服电机1-7、皮带轮1-8、变频电机1-9；
主轴箱体2-1、主轴套筒2-2、主轴2-3、卡盘2-4、皮带轮2-5、花键套2-6、齿轮轴2-7、第一步进电机2-8；
砂轮架回转工作台3-1、砂轮架滑座3-2、电主轴安装座3-3、丝杆螺母副3-4、轴承3-5、扇形蜗轮3-6、砂轮磨具连接轴3-7、电主轴3-8、第二伺服电机3-9、第二联轴器3-10、直线导轨副3-11；
尾座箱体4-1、尾座套筒4-2、顶尖支撑轴4-3、丝杆螺母副4-4、扭矩限制器4-5、齿轮副4-6、第二步进电机4-7；
砂轮磨具盘6-1、砂轮块6-2、连接砂轮磨具盘、砂轮块的螺钉6-3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2所示，本实施例包括：床身部件1、主轴箱部件2、砂轮架回转工作台部件3、尾座部件4、砂轮磨具5。连接关系为：主轴箱部件2和尾座部件4用螺栓固定在床身部件1上，砂轮架回转工作台部件3安装在床身部件1上，砂轮磨具5与砂轮架回转工作台部件3连接。
如图3、图4所示，所述床身部件1包括：床身1-1、圆弧导轨1-2、环形导轨1-3、固定轴1-4、蜗杆1-5、第一联轴器1-6、第一伺服电机1-7、皮带轮1-8、变频电机1-9，其中：圆弧导轨1-2、环形导轨1-3、固定轴1-4用螺栓固定在床身1-1上，变频电机及安装板1-9安装在床身1-1左侧下方，皮带轮1-8安装在变频电机轴上，第一伺服电机1-7、第一联轴器1-6、蜗杆1-5安装在床身1-1的上前方。
如图5、图6所示，所述主轴箱部件2包括：主轴箱体2-1、主轴套筒2-2、主轴2-3、卡盘2-4、皮带轮2-5、花键套2-6、齿轮轴2-7、第一步进电机2-8。主轴套筒2-2、主轴2-3、皮带轮2-5、花键套2-6、齿轮轴2-7装配在主轴箱体2-1中，卡盘2-4用螺栓固定在主轴2-3的端部。床身上的变频电机1-9通过其上的皮带轮1-8带动主轴箱上的皮带轮2-5，再通过花键套2-6带动主轴箱中的主轴2-3旋转运动，从而带动工件作旋转运动，第一步进电机2-8通过齿轮轴2-7驱动主轴套筒2-2做轴向移动。
如图7、图8所示，所述砂轮架回转工作台部件3包括：砂轮架回转工作台3-1、砂轮架滑座3-2、电主轴安装座3-3、丝杆螺母副3-4、轴承3-5、扇形蜗轮3-6、砂轮磨具连接轴3-7、电主轴3-8、第二伺服电机3-9、第二联轴器3-10、直线导轨副3-11。电主轴安装座3-3固定在砂轮架滑座3-2上，电主轴3-9固定在电主轴安装座3-3中，砂轮磨具5安装在电主轴3-9上，扇形蜗轮3-6用螺栓固定在砂轮架回转工作台3-1下方。砂轮磨具连接轴3-7用于与砂轮磨具5连接，砂轮架回转工作台部件3安装在床身部件1上的圆弧导轨1-2和环形导轨1-3上、且由固定轴1-4定中心。整个砂轮架回转工作台部件3在第一伺服电机1-7的驱动下通过第一联轴器1-6、蜗杆1-8和扇形蜗轮3-6在圆弧导轨1-2和圆环导轨1-3上。轴承3-5的外圈与砂轮架回转工作台3-1的中心孔紧密配合，轴承3-5的内圈与固定轴1-4紧密配合。整个砂轮架回转工作台部件3在第一伺服电机1-7的驱动下，通过床身部件1中的第一联轴器1-6、蜗杆1-5和扇形蜗轮3-6在床身部件1中的圆弧导轨1-2和圆环导轨1-3上绕床身部件1中的固定轴1-4做往复运动。砂轮架滑座3-2通过第二联轴器3-10和丝杆螺母副3-4在第二伺服电机3-19驱动下在安装在砂轮架回转工作台3-1上的直线导轨3-11上做直线进给运动。
如图9所示，所述尾座部件4包括：尾座箱体4-1、尾座套筒4-2、顶尖支撑轴4-3、丝杆螺母副4-4、第三联轴器4-5、第二步进电机4-6；顶尖支撑轴4-3安装在尾座套筒4-2中，尾座套筒4-2在尾座箱体4-1中可以做轴向移动；第二步进电机4-6通过联轴器4-5、丝杆螺母副4-4与尾座套筒连接，在第二步进电机4-6的驱动下，尾座套筒4-2及顶尖支撑轴4-3做轴向移动。
如图10所示，本发明的砂轮磨具5包括：砂轮磨具盘5-1、砂轮块5-2。砂轮磨具盘5-1上由螺钉5-3固定砂轮块5-2，砂轮磨具5通过连接轴3-7与砂轮架回转工作台部件3上的电主轴3-9连接。
所述砂轮磨具盘5-1上均布了4-8个砂轮块。
为了保证被磨回转球面工件的球度(形状精度)，在机床装配时，使主轴2-3中心线与尾座顶尖支撑轴4-3中心线同心；主轴2-3中心线、尾座顶尖支撑轴4-3中心线的连线与砂轮架回转工作台的固定轴1-4中心线垂直并处于同一垂直平面内；主轴2-3中心线、尾座顶尖支撑轴4-3中心线与电主轴3-9中心线同处在水平平面内，且使主轴2-3中心线、尾座顶尖支撑轴4-3中心线、电主轴3-9中心线以及固定轴1-4中心线相交于一点，即相交于回转球面工件的球心位置。
如图1、图2所示，回转球面工件固定在工装夹具上，由主轴箱主轴2-3上的卡盘夹住工装夹具的一端，工装夹具的另一端由顶尖支撑轴4-3夹紧，通过控制面板上的控制按钮控制主轴箱体2-1上的第一步进电机2-8和尾座箱体4-1上的第二步进电机4-6同步启动，水平左右移动调整工件在至合适位置。主轴箱部件2和尾座部件4用螺栓固定在床身1-1上；砂轮架回转工作台部件3被支撑在固定在床身1-1上的圆弧导轨1-2和圆环导轨1-3上，在第一伺服电机1-7的驱动下通过蜗杆1-8和扇形蜗轮3-6绕固定轴1-4做往复运动；第二伺服电机3-10通过丝杆螺母副3-4驱动安装在砂轮架回转工作台3上的直线导轨3-11上的砂轮架滑座3-2做直线进给运动；由砂轮磨具盘5-1和砂轮块5-2组成的砂轮磨具5通过连接轴直接与电主轴3-9连接。于是，通过砂轮的高速旋转运动、回转球面工件的旋转运动、砂轮架的进给运动以及砂轮架的往复运动实现了用一种直径的砂轮磨具磨削不同直径的高硬度回转球面工件的目的。
Claims (9)
1.一种高硬度回转球面数控精密磨削装备，包括：床身部件、主轴箱部件、砂轮架回转工作台部件、尾座部件、砂轮磨具，主轴箱部件、尾座部件、砂轮架回转工作台部件设置在床身部件上，砂轮磨具与砂轮架回转工作台部件连接，其特征在于：
所述床身部件包括：床身、圆弧导轨、环形导轨、固定轴、蜗杆、第一联轴器、第一伺服电机、皮带轮、变频电机，其中：圆弧导轨、环形导轨、固定轴固定在床身上，变频电机设置在床身左侧下方，皮带轮设置在变频电机轴上，第一伺服电机、第一联轴器、蜗杆设置在床身的上前方；
所述砂轮架回转工作台部件包括：砂轮架回转工作台、砂轮架滑座、电主轴安装座、丝杆螺母副、轴承、扇形蜗轮、砂轮磨具连接轴、电主轴、第二伺服电机、第二联轴器、直线导轨副，其中：电主轴安装座固定在砂轮架滑座上，电主轴固定在电主轴安装座中，砂轮磨具设置在电主轴上，扇形蜗轮固定在砂轮架回转工作台下方，砂轮磨具连接轴与砂轮磨具连接，轴承外圈与砂轮架回转工作台中心孔紧密配合，轴承内圈与床身部件中的固定轴紧密配合，砂轮架回转工作台部件设置在床身部件上的圆弧导轨和环形导轨上，整个砂轮架回转工作台部件在第一伺服电机的驱动下通过第一联轴器、蜗杆和扇形蜗轮在圆弧导轨和圆环导轨上绕床身部件中的固定轴做往复运动，第二伺服电机通过第二联轴器和丝杆螺母副与砂轮架滑座相连，砂轮滑座设在直线导轨上，在第二伺服电机驱动下、通过第二联轴器和丝杆螺母副使砂轮滑座做直线进给运动。
2.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述主轴箱部件包括：主轴箱体、主轴套筒、主轴、卡盘、皮带轮、花键套、齿轮轴、第一步进电机，其中，主轴套筒、主轴、皮带轮、花键套、齿轮轴装配在主轴箱体中，卡盘固定在主轴的端部，床身上的变频电机通过其上的皮带轮连接主轴箱上的皮带轮，并带动主轴箱上的皮带轮，主轴箱上的皮带轮通过花键套连接主轴箱中的主轴，并通过花键套带动主轴箱中的主轴旋转运动，从而带动工件作旋转运动，第一步进电机通过齿轮轴连接主轴套筒，并驱动主轴套筒做轴向移动。
3.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述尾座部件，包括：尾座箱体、尾座套筒、顶尖支撑轴、丝杆螺母副、第三联轴器、第二步进电机，顶尖支撑轴安装在尾座套筒中，尾座套筒在尾座箱体中做轴向移动，第二步进电机通过联轴器、丝杆螺母副与尾座套筒连接，在第二步进电机的驱动下，尾座套筒及顶尖支撑轴做轴向移动。
4.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述砂轮磨具，包括：砂轮磨具盘、砂轮块，砂轮磨具盘上固定砂轮块
5.根据权利要求4所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述砂轮磨具盘上均布了4-8个砂轮块。
6.根据权利要求1或4所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述砂轮磨具通过连接轴与砂轮架回转工作台部件上的电主轴连接。
7.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述主轴箱部件中的主轴中心线与尾座部件中的尾座顶尖支撑轴中心线同心。
8.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述主轴箱部件中的主轴中心线、尾座部件中的尾座顶尖支撑轴中心线的连线与砂轮架回转工作台的固定轴中心线垂直并处于同一垂直平面内。
9.根据权利要求1所述的高硬度回转球面的数控精密磨削新装备，其特征是：所述主轴箱部件中的主轴箱主轴中心线、尾座部件中的尾座顶尖支撑轴中心线与电主轴中心线同处在水平平面内，且使主轴箱主轴中心线、尾座顶尖支撑轴中心线、砂轮架回转工作台部件中的电主轴中心线以及床身部件中的固定轴中心线相交于一点，即相交于回转球面工件的球心位置。
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