CN101695819A - 一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床及其磨削方法 - Google Patents

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李蓓智
杨建国
刘赏
吉启维
吴世云
顾华军
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Abstract

本发明涉及一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床及其磨削方法。面向旋转成形面的超高速精密磨削方法是采用线速度为120m/s-200m/s的高速砂轮和使砂轮工作表面为母线的磨削运动。超高速精密数控磨床的主轴部件被安装在工件主轴进给部件的工作台上,工作台回转装置用以调整工件主轴部件相对砂轮主轴方向,以形成砂轮工作面为母线的磨削运动,单一的主轴径向进给运动,可以大大提高工件特征表面的轮廓精度。本发明在实现高速精密磨削同时,不仅可以防止工件表面烧伤等缺陷,提高工件表面质量,而且可以提高磨削效率、降低人工成本和保证工人安全生产等优点。

Description

一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床及其磨削方法
技术领域
[0001] 本发明涉及精密制造领域,特别是涉及一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨
床及其磨削方法。 背景技术
[0002] 目前我国生产用的专用磨床,如轴承磨床的砂轮线速度都不超过60m/s,大多数通 用磨床的砂轮线速度甚至不超过35m/s,采用多轴插补进给的磨削方法一直制约着工件特 征表面的轮廓精度,而且在实际生产中不可避免产生磨削表面烧伤等加工质量缺陷问题, 与国外的先进制造技术与装备差距甚大。
[0003] 有关基础研究成果表明,高速加工可以实现高效率、高精度的完美统一,这是因为 一方面,由于高速可以使切削激励力远离机床的低阶固有频率,使加工过程稳定可靠,而有 利于加工质量提高;另一方面,由于磨削热、力、化学和工件材料等的耦合效应,在高速或超 高速条件下的相关工作区域,工件上的实际作用力、温度及其分布可以大大优于常规磨削 速度情况。因此,可以完全避免和改善磨削表面烧伤问题,减小机床受热变形、受力变形等 影响加工质量、机床精度和使用寿命等的缺陷。
[0004] 本发明将对提高旋转成形面的磨削质量和生产效率,提高我国高速精密数控磨床 的自主开发能力具有重要意义和应用前景,尤其适用于轴承、工具等制造领域。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床 及其磨削方法,避免和改善磨削表面烧伤等加工质量缺陷;解决超高速磨削工况下,超高速 精密数控磨床的工作平稳性、质量可靠性和操作安全性。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种面向旋转成形面的超高速 精密数控磨床,包括高速砂轮主轴部件、高精度工件主轴部件、工件主轴进给部件、高精度 砂轮修整部件、高刚度床身部件、磨床罩壳部件和数控系统,所述的高速砂轮主轴部件包括 砂轮主轴装置、砂轮架装置和动平衡装置,所述的高速砂轮主轴部件采用交流伺服电机驱 动的电主轴结构,所述的高速砂轮的线速度为120m/s-200m/s ;所述的高速砂轮主轴部件 固定安装在床身上;所述的砂轮主轴装置的主轴垂直于数控磨床操作平面安置;所述的工 件主轴进给部件包括自上而下的工作台、轴向进给装置、工作台回转装置和径向进给装置, 其中,工作台回转装置用于调整工件主轴部件相对砂轮主轴的方向,实现以砂轮工作面为 母线的磨削运动;所述的高精度工件主轴部件由变频调速交流电机驱动,其主轴头架在里, 尾架在外,并采用两对串联配置的成对安装角接触球轴承背对背的配置方式支撑主轴,所 述的高精度工件主轴部件安装在所述的工作台上。
[0007] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的高精度砂轮修整部件采用电主 轴驱动的金刚滚轮修整器及修整高精度成形砂轮的进给装置。
[0008] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的磨床罩壳部件采用全封闭保护罩壳方式,并在磨床正门位置,加装了双层可移动钢板门。
[0009] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的砂轮主轴交流伺服电机、工件主 轴变频调速交流电机、工作台进给伺服电机均采用PLC控制。
[0010] 提供一种面向旋转成形面的超高速精密磨削方法,采用高速砂轮和以砂轮工作面 形成母线的磨削运动,包括以下步骤:(l)根据工件的工艺要求选用正确的磨削方式;(2) 按工件的工艺要求进行数控程序的编制;(3)调整工作台回转装置;(4)修整砂轮;(5)将 工件安装在磨床的两顶针中,并夹紧;(6)执行编制的数控程序,对工件进行加工;(7)拆卸 已加工的工件;(8)若需要修整砂轮,返回步骤(4),否则重复步骤(5)-(7),直至一批工件 磨削完毕。
[0011] 所述的面向旋转成形面的超高速精密磨削方法在步骤(1)中所用的磨削方式为 切入磨方式或纵磨方式。
[0012] 所述的面向旋转成形面的超高速精密磨削方法在步骤(4)中按工件特征表面成
形要求修整砂轮的工作表面。
[0013] 有益效果
[0014] 由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,具有以下的优点和积极效
果:由于高速砂轮主轴垂直于操作者,不同于传统的砂轮主轴平行于操作者的安置方式,从
而确保超高速旋转的砂轮及其相关零部件对操作者的安全可靠性。又因为将高速砂轮主轴
部件安装在床身上,不作任何方向的进给运动,以加强其在超高速磨削工况下的工作刚度。
[0015] 高精度工件主轴部件被安装在工件主轴进给部件的工作台上,基于工作台回转装
置,调整工件主轴相对砂轮主轴的方向(夹角)和轴线位置,从而实现以砂轮工作面为母线
的磨削运动,单一的主轴径向进给运动,可以提高工件特征表面的轮廓精度,从而提高工件
表面的质量。本发明在实现高速精密磨削同时,不仅可以防止工件表面烧伤等缺陷,提高工
件表面质量,而且可以提高磨削效率、降低人工成本和保证工人安全生产等优点。
[0016] 由于本发明采用高速(> 120m/s)和超高速(> 150m/s)的砂轮线速度,在同样
磨削效率前提下,按照等效磨削厚度理论,大约可以使磨削力降低到传统的1/3〜1/4,从
而减小磨削热,减少和避免磨削烧伤,提高工件的表面质量。采用以砂轮工作面形成母线的
磨削运动方式,可以减少发生线的基本运动,从而减少和避免插补进给运动,以提高工件特
征表面的轮廓精度。
附图说明
[0017] 图l是根据本发明实施方式中面向旋转成形面的超高速精密数控磨床结构示意 图;
[0018] 图2是根据本发明实施方式中超高速精密数控磨床磨削圆锥面时的工件回转装 置调整位置示意图。
具体实施方式
[0019] 下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0020] 本发明的实施方式涉及一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床,如图l所
示,包括高速砂轮主轴部件1、高精度工件主轴部件n、工件主轴进给部件ni、高精度砂轮 修整部件iv、高刚度床身部件v、磨床罩壳部件和数控系统,所述的高速砂轮主轴部件i包
括砂轮主轴装置11、砂轮架装置12和动平衡装置13,所述的高速砂轮主轴部件i采用交流 伺服电机驱动的电主轴驱动,所述的高速砂轮1的线速度为120m/s-200m/s,所述的高速砂 轮主轴部件I固定安装在床身上,不作任何方向的进给运动,以加强其在高速工作情况下 的工作刚度;所述的砂轮主轴装置11的主轴垂直于数控磨床操作平面安置,即高速旋转的 砂轮轴垂直于操作者(传统磨床的砂轮轴都是平行于操作者),以确保超高速旋转的砂轮 及其相关零部件对操作者的安全可靠性;所述的工件主轴进给部件III包括自上而下的工 作台21、轴向(沿砂轮主轴)进给装置22、工作台回转装置23和径向(沿砂轮主轴)进给 装置24,即安装和支撑主轴部件的工作台21在最上面,径向进给装置24在最下面,工作台 回转装置23在轴向进给装置22和径向进给装置24的中间。其中,轴向进给装置22用以实 现磨削进给运动,工作台回转装置23用以调整工件主轴部件相对砂轮主轴的方向,以形成 砂轮工作面为母线的磨削运动,径向进给装置24带动工件0退出磨削位置;所述的高精度 工件主轴部件II由变频调速交流电机驱动,其主轴头架在里,尾架在外,并采用两对串联 配置的成对安装角接触球轴承背对背的配置方式支撑主轴,所述的高精度工件主轴部件II 安装在所述的工作台21上,基于工作台回转装置,调整工件主轴相对砂轮主轴的方向(夹 角)和轴线位置,则可实现以砂轮工作面为母线的磨削运动,单一的主轴径向进给运动,可 以减少发生线的基本运动,减少和避免插补进给运动,并大大提高工件特征表面的轮廓精 度,从而提高工件表面的质量。
[0021] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的高精度砂轮修整部件IV采用 电主轴驱动的金刚滚轮修整器及修整高精度成形砂轮的进给装置(发明专利申请号: 200910047901. 5),实现高速砂轮的精密修整。
[0022] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的磨床罩壳部件采用全封闭保护 罩壳方式,并在磨床正门位置,加装了双层可移动钢板门,从而对超高速精密磨床的操作者 进行双重保险。
[0023] 所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床的砂轮主轴交流伺服电机、工件主 轴变频调速交流电机、工作台进给伺服电机均采用PLC控制。
[0024] 不难发现,本发明采用高速(> 120m/s)和超高速(> 150m/s)的砂轮,在同样磨 削效率前提下,按照等效磨削厚度理论,大约可以使磨削力降低到传统的1/3〜1/4,从而 减小磨削热,减少和避免磨削烧伤,提高工件的表面质量。采用以砂轮工作面形成母线的磨 削运动方式,可以减少发生线的基本运动,减少和避免插补进给运动,以提高工件特征表面 的轮廓精度。本发明在实现高速精密磨削同时,不仅可以防止工件表面烧伤等缺陷,提高工 件表面质量,而且可以提高磨削效率、降低人工成本,保证工人安全生产等优点。 [0025] 本发明的实施方式还涉及一种面向旋转成形面的超高速精密磨削方法,采用线速 度为120m/s-200m/s的高速砂轮和以砂轮工作面形成母线的磨削运动,包括以下步骤:(1) 根据工件的工艺要求选用正确的磨削方式;(2)按工件的工艺要求进行数控程序的编制; (3)调整工作台回转装置;(4)修整砂轮;(5)将工件安装在磨床的两顶针中,并夹紧;(6)执行编制的数控程序,对工件进行加工;(7)拆卸已加工的工件;(8)若需要修整砂轮,返回 步骤(4),否则重复步骤(5)-(7),直至一批工件磨削完毕。所述的面向旋转成形面的超高 速精密磨削方法在步骤(1)中所采用的磨削方式为切入磨方式或纵磨方式。所述的面向旋 转成形面的超高速精密磨削方法在步骤(4)中按工件特征表面成形要求修整砂轮的工作 表面。
[0026] 由于本发明采用高速(> 120m/s)和超高速(> 150m/s)的砂轮,在同样磨削效 率前提下,按照等效磨削厚度理论,大约可以使磨削力降低到传统的1/3〜1/4,从而减小 磨削热,减少和避免磨削烧伤,提高工件的表面质量。采用以砂轮工作面形成母线的磨削运 动方式,可以减少发生线的基本运动,减少和避免插补进给运动,以提高工件特征表面的轮 廓精度。
[0027] 下面通过2个具体的实施例来进一步说明本发明。
[0028] 实施例1 :磨削某传动轴的轴承档,其主要工艺要求为直径①50mm,长度20mm ;尺 寸精度为IT5,圆柱度要求为2. 5 ii m,粗糙度Ra为0. 4 ii m,属于中小批量生产。采用本发明 的高速精密数控磨床及其相关配置,高速砂轮主轴部件1、高精度工件主轴部件n、工件主 轴进给部件ni、高精度砂轮修整部件IV、高刚度床身部件V、磨床罩壳部件、PLC数控系统 等。其中,砂轮选用120m/s的CBN砂轮,该砂轮的直径为400mm,宽度为25mm。该传动轴的 轴承档磨削工艺及其主要操作如下:
[0029] 1、由于砂轮宽度为25mm,大于该传动轴轴承档的宽度,故采用切入磨方式; [0030] 2、按传动轴轴承档的工艺要求、轴向位置要求和工序直径要求等,进行数控程序 的编制;
[0031] 3、将工作台回转装置调整到0位,即使安装在工作台上的工件主轴轴线与砂轮主 轴平行;
[0032] 4、按圆柱表面成形要求修整砂轮工作表面呈圆柱表面,并达到磨粒锋利要求; [0033] 5、将传动轴安装在磨床的两顶针中,并夹紧;
[0034] 6、执行编制的数控程序,即:1)驱动工件主轴进给部件的轴向进给装置,带动工 件使其一端轴承档至砂轮的工作位置;2)驱动径向进给装置至工序尺寸实现切入磨并直 至无火花为止;3)由径向进给装置带动工件退出磨削位置(径向);4)驱动轴向进给装置, 带动工件使其另一端轴承档至砂轮的工作位置;5)驱动径向进给装置至工序尺寸实现切 入磨并直至无火花为止;6)由径向进给装置带动工件退出磨削位置(径向); [0035] 7、拆卸工件;
[0036] 8、若需要修整砂轮,返回步骤4,否则重复步骤5-7,直至该批工件磨削完毕。 [0037] 实施例2 :磨削某小轴的圆锥面,其圆锥面的主要要求为小直径①30mm,锥角 15° ,长度120mm ;尺寸精度的为IT5,圆度要求为2. 5 y m,粗糙度Ra为0. 4 y m,属于中小批 量生产。采用本发明的高速精密数控磨床及其相关配置,高速砂轮主轴部件1、高精度工件 主轴部件n、工件主轴进给部件ni、高精度砂轮修整部件IV、高刚度床身部件V、磨床罩壳 部件、PLC数控系统等。其中,砂轮选用180m/s的CBN砂轮,该砂轮直径为400mm,宽度为 25mm。该小轴的磨削工艺及其主要操作如下:
[0038] 1、由于砂轮宽度为25mm,小于该圆锥面的长度,故采用纵磨方式;
[0039] 2、按圆锥面的工艺要求、轴向尺寸和圆锥角要求等,进行数控程序的编制;[0040] 3、将工作台回转装置调整到+7.5°位置(圆锥角/2),即使安装在工作台上的工 件主轴轴线与砂轮主轴成7. 5°角度(如图2所示);
[0041] 4、按圆柱表面成形要求修整砂轮工作表面呈圆柱表面,并达到磨粒锋利要求; [0042] 5、将小轴安装在磨床的两顶针中,并夹紧;
[0043] 6、执行编制的数控程序,即:1)驱动工件主轴进给部件的轴向进给装置,带动工 件到其初始工作位置;2)驱动径向进给装置至工序尺寸的相应位置;3)驱动轴向进给装置 进行往复运动实现纵磨并直至无火花为止;4)由径向进给装置带动工件退出磨削位置(径 向);
[0044] 7、拆卸工件;
[0045] 8、若需要修整砂轮,返回步骤4,否则重复步骤5-7,直至该批工件磨削完毕。

Claims (7)

  1. 一种面向旋转成形面的超高速精密数控磨床,包括高速砂轮主轴部件(I)、高精度工件主轴部件(II)、工件主轴进给部件(III)、高精度砂轮修整部件(IV)、高刚度床身部件(V)、磨床罩壳部件和数控系统,所述的高速砂轮主轴部件(I)包括砂轮主轴装置(11)、砂轮架装置(12)和动平衡装置(13),其特征在于,所述的高速砂轮主轴部件(I)采用交流伺服电机驱动的电主轴结构,所述的高速砂轮(1)的线速度为120m/s-200m/s;所述的高速砂轮主轴部件(I)固定安装在床身上;所述的砂轮主轴装置(11)的主轴垂直于数控磨床操作平面安置;所述的工件主轴进给部件(III)包括自上而下的工作台(21)、轴向进给装置(22)、工作台回转装置(23)和径向进给装置(24),其中,工作台回转装置(23)用于调整工件主轴部件相对砂轮主轴的方向,实现以砂轮工作面为母线的磨削运动;所述的高精度工件主轴部件(II)由变频调速交流电机驱动,其主轴头架在里,尾架在外,并采用两对串联配置的成对安装角接触球轴承背对背的配置方式支撑主轴,所述的高精度工件主轴部件(II)安装在所述的工作台(21)上。
  2. 2. 根据权利要求1所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床,其特征在于,所述 的高精度砂轮修整部件(IV)采用电主轴驱动的金刚滚轮修整器及修整高精度成形砂轮的 进给装置。
  3. 3. 根据权利要求1所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床,其特征在于,所述 的磨床罩壳部件采用全封闭保护罩壳方式,并在磨床正门位置,加装了双层可移动钢板门。
  4. 4. 根据权利要求1所述的面向旋转成形面的超高速精密数控磨床,其特征在于,所述 的砂轮主轴交流伺服电机、工件主轴变频调速交流电机、工作台进给伺服电机均采用PLC 控制。
  5. 5. —种面向旋转成形面的超高速精密磨削方法,其特征在于,采用线速度为120m/ s-200m/s的高速砂轮和以砂轮工作面为母线的磨削运动,包括以下步骤:(1) 根据工件的工艺要求选用正确的磨削方式;(2) 按工件的工艺要求进行数控程序的编制;(3) 调整工作台回转装置;(4) 修整砂轮;(5) 将工件安装在磨床的两顶针中,并夹紧;(6) 执行编制的数控程序,对工件进行加工;(7) 拆卸已加工的工件;(8) 若需要修整砂轮,返回步骤(4),否则重复步骤(5)-(7),直至一批工件磨削完毕。
  6. 6. 根据权利要求6所述的面向旋转成形面的超高速精密磨削方法,其特征在于,在所 述的步骤(1)中所用的磨削方式为切入磨方式或纵磨方式。
  7. 7. 根据权利要求6所述的面向旋转成形面的超高速精密磨削方法,其特征在于,在所 述的步骤(4)中按工件特征表面成形要求修整砂轮的工作表面。
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