CN101972963A - 大型特种曲面精密磨削方法及其磨削装备 - Google Patents

Abstract

一种机械加工技术领域的大型特种曲面精密磨削方法及其磨削装备，该装备包括：床身部件、球体支撑主轴机构、球体支撑尾座机构和砂轮磨具机构，球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构分别活动设置于床身部件的两侧，砂轮磨具机构安装在床身部件的中部。本发明采用砂轮磨具绕垂直中心线做水平旋转的方式，使球体旋转中心与砂轮磨具的旋转中心始终保持在同一平面内垂直相交状态，从而保证了被加工球体的形状精度(球度)；改善了被磨具加工的球体表面粗糙度；向上的磨削力抵消了部分球体工件的重力，使球体支撑主轴系统轴承的负载减轻，延长了球体支撑主轴系统轴承的寿命。

Description

大型特种曲面精密磨削方法及其磨削装备

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域中的方法及其实现装置，具体是一种大型特种曲面精密磨削方法及其磨削装备。

背景技术

大型高精度球体是大型油气输送、大型水利、石油化工、煤化工等重大工程中大型流体、气体控制装置(大型球阀)中的关键部件。大型球体直径一般在1000mm-2400mm，重量2000kg-15000kg。由于密封性要求，这种球体表面粗糙度和球面的几何精度要求都很高，所以，球体表面必须经过精密磨削加工和精密研磨后才能使用。

对于这种大型、重型球体的精密磨削加工，目前采用的方法是：大型球体由主轴系统和尾座系统的顶尖支撑，电机通过减速后驱动球体绕主轴系统中心线做旋转运动，球体转速一般在20-100rpm；砂轮磨具系统一般布置在被加工球体的后面，砂轮磨具转速范围在数百转到数千转，砂轮磨具的旋转中心线和被加工球体的旋转中心线处在同一平面内并相互垂直相交，这样，才能保证球体磨削后的球面几何精度(球度)；砂轮磨具系统通过伺服电机或步进电机驱动由后向前做进给运动。通过杯形砂轮磨具的高速旋转运动和球体的旋转运动所合成的范成运动实现了球面的精密磨削加工。

Sφ2000mm球体的重量大约15吨，磨削用的砂轮磨具至少1吨多重，砂轮磨具悬臂支撑，在数百转转速状态下，砂轮磨具的动态性能受到很大的影响，这直接影响球面磨削的精度和表面粗糙度。另一方面，不同大小的球体和不同大小的砂轮磨具，对球体支撑主轴系统的轴承和砂轮磨具系统的轴承的受力变形不一样，使球体的旋转中心线和砂轮磨具的旋转中心线很难保持在同一平面内相交。再则，在砂轮磨具系统进给运动过程中，难免会存在移动导轨或滑块的磨损，也会造成砂轮磨具系统的旋转中心线与球体旋转中心线的偏移，从而造成被加工球体的球度偏差。

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

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种大型特种曲面精密磨削方法及其磨削装备，解决了现有技术中砂轮磨具悬臂支撑问题、砂轮磨具系统轴承单边受力变形问题以及砂轮磨具系统进给导轨滑块磨损的影响，使球体旋转中心与砂轮磨具的旋转中心始终保持在同一平面内垂直相交状态，从而保证了被加工球体的形状精度(球度)；砂轮磨具系统轴承承受轴向均布载荷，不同大小的砂轮磨具对轴承的受力变形均匀，砂轮磨具处于水平旋转状态，轴承受力均衡，旋转平稳、动态性能得到大大改善，从而改善了被磨具加工的球体表面粗糙度；另外，砂轮磨具垂直仰式向上磨削(即在球体的下面由下向上磨削)，其向上的磨削力抵消了部分球体工件的重力，使球体支撑主轴系统轴承的负载减轻，延长了球体支撑主轴系统和球体支撑尾座机构轴承的寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种大型特种曲面精密磨削方法，通过将砂轮磨具置于被磨球体的下面、砂轮磨具绕垂直中心线做水平旋转运动、垂直仰式向上进给磨削的方式实现曲面磨削。

本发明涉及一种大型特种曲面精密磨削装备，包括：床身部件、球体支撑主轴机构、球体支撑尾座机构和砂轮磨具机构，其中：球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构分别活动设置于床身部件的两侧顶面的滑动导轨上，砂轮磨具机构安装在床身部件的中部，被磨球体活动设置于砂轮磨具机构上并与球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构相接触。

所述的床身部件包括：床身、砂轮磨具系统安装固定座、两幅滑动直线导轨及其对应的两组丝杆螺母副以及伺服电机，其中：两幅滑动导轨分别布置在床身本体的左顶面和右顶面并分别与球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构左右移动连接，第一丝杆螺母副和第二丝杆螺母副分别两端固定在床身的左右两侧并与伺服电机固定连接，砂轮磨具系统安装固定座设置于床身的中部并作为砂轮磨具机构的定位基座。

所述的球体支撑主轴机构包括：球体支撑主轴箱体、第一主轴、减速器、第一步变频电机、第一皮带轮、第二皮带轮、第一顶尖和拨块，其中：球体支撑主轴转动设置于球体支撑主轴箱体中，皮带轮固定在第一主轴的尾端，第一变频电机安装在球体支撑主轴箱的顶部并依次连接第一皮带轮、第二皮带轮以及第一主轴实现第一主轴的旋转运动，第一顶尖设置于第一主轴的前端，第一顶尖与球体支撑尾座机构共同支撑球体，拨块固定设置于第一主轴的前端并与球体相接触以实现球体旋转运动，球体支撑主轴箱体活动设置于床身部件相对于球体支撑尾座机构的一侧。

所述的球体支撑尾座机构包括：球体支撑尾座箱体、第二主轴和第二顶尖，其中：第二主轴转动设置于球体支撑尾座箱体中，第二顶尖设置于在第二主轴的前端并与球体支撑主轴机构共同支撑球体，球体支撑尾座箱体活动设置于床身部件相对于球体支撑主轴机构的一侧。

所述的砂轮磨具机构包括：砂轮磨具主轴、砂轮磨具主轴套筒、杯形砂轮磨具、第三皮带轮、第四皮带轮、齿轮组件、第三伺服电机和第二变频电机，其中：砂轮磨具固定在砂轮磨具主轴上端，砂轮磨具主轴通过轴承安装在砂轮磨具主轴套筒内，砂轮磨具主轴的下端设有花键轴，砂轮磨具主轴套筒的外侧壁设有齿条，第三伺服电机与齿轮组件相连接，齿轮组件与砂轮磨具主轴套筒外侧壁的齿条向啮合并实现砂轮磨具主轴套筒的上下进给移动，第四皮带轮固定设置于砂轮磨具机构的下端并与转动固定在砂轮磨具系统安装固定座下部的花键套连接，第二变频电机依次连接第三皮带轮、第四皮带轮和花键套，实现砂轮磨具主轴下端的花键轴在花键套内上下滑动的同时将旋转动力传递给砂轮磨具主轴。

所述的齿轮组件由依次连接的第一同步带轮、同步带、第二同步带轮和齿轮轴组成；

所述的第一主轴中心线与球体支撑尾座机构第二主轴的中心线保持同心；

所述的球体支撑主轴箱部件的第一主轴的中心线、球体支撑尾座机构第二主轴的中心线以及砂轮磨具机构的砂轮磨具主轴的中心线处于同一垂直平面内，且砂轮磨具机构的砂轮磨具主轴的中心线与球体支撑主轴箱部件的第一主轴的中心线以及球体支撑尾座机构第二主轴的中心线垂直。

本发明工作过程如下：

首先，球体支撑主轴箱部件在第一伺服电机的驱动下向右移动，球体支撑尾座机构在第二伺服电机的驱动下向左移动，球体支撑主轴箱部件的第一主轴前端的第一顶尖和球体支撑尾座机构第二主轴前端的第二顶尖移动到大型球体两侧的中心孔内，并顶紧；第一变频电机驱动第一主轴做旋转运动，在第一主轴前端联接的拨块带动作用下，驱动大型球体绕第一主轴和第二主轴中心线做旋转运动；

第二变频电机通过第三皮带轮、第四皮带轮把旋转动力传递给花键套，花键套又把旋转动力传递到在花键套中的砂轮磨具主轴下端的花键轴上，使砂轮磨具做旋转运动；

第三伺服电机通过第一同步带轮、同步带、第二同步带轮带动齿轮轴、驱动砂轮磨具主轴套筒外侧壁齿条及砂轮磨具主轴套筒做上下进给移动；

在上述三个运动的联合作用下实现了大型球面的精密磨削。

本发明具有以下特点及效果：

砂轮磨具置于被磨球体的下面、砂轮磨具绕垂直中心线做水平旋转运动、垂直仰式向上进给磨削的方式，不存在砂轮磨具悬臂支撑问题，因而也不存在砂轮磨具系统轴承单边受力变形问题；不存在砂轮磨具系统进给导轨滑块磨损的影响，使球体旋转中心与砂轮磨具的旋转中心始终保持在同一平面内垂直相交状态，从而保证了被加工球体的形状精度(球度)；

砂轮磨具系统轴承承受轴向均布载荷，不同大小的砂轮磨具对轴承的受力变形均匀，砂轮磨具处于水平旋转状态，轴承受力均衡，旋转平稳、动态性能得到大大改善，从而改善了被磨具加工的球体表面粗糙度；

另外，砂轮磨具垂直仰式向上磨削(即在球体的下面由下向上磨削)，其向上的磨削力抵消了部分球体工件的重力，使球体支撑主轴系统轴承的负载减轻，延长了球体支撑主轴系统轴承的寿命。

附图说明

图1为本发明总体示意图。

图2为本发明总体A-A剖视图。

图3为本发明的B-B局部剖视图。

具体实施方式

下面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3所示，本实施例包括：床身部件a、球体支撑主轴机构b、球体支撑尾座机构c和砂轮磨具机构d，其中：球体支撑主轴机构b和球体支撑尾座机构c分别活动设置于床身部件a的两侧，砂轮磨具机构d安装在床身部件a的中部。

所述的床身部件a包括：床身3、砂轮磨具系统安装固定座、两幅滑动直线导轨及其对应的两组丝杆螺母副以及伺服电机，其中：两幅滑动导轨分别布置在床身3本体的左顶面和右顶面并分别与球体14支撑主轴机构和球体14支撑尾座机构活动连接，第一丝杆螺母副2和第二丝杆螺母副20分别两端固定在床身3的左右两侧并与伺服电机固定连接，砂轮磨具系统安装固定座设置于床身3的中部并作为砂轮磨具机构的定位基座。

所述的球体支撑主轴机构b包括：球体支撑主轴箱体8、第一主轴9、减速器6、第一步变频电机7、第一皮带轮5、第二皮带轮4、第一顶尖12和拨块11，其中：球体支撑主轴转动设置于球体支撑主轴箱体8中，皮带轮固定在第一主轴9的尾端，第一变频电机7安装在球体支撑主轴箱的顶部并依次连接第一皮带轮5、第二皮带轮4以及第一主轴9实现第一主轴9的旋转运动，第一顶尖12设置于第一主轴9的前端，第一顶尖12与球体14支撑尾座机构c共同支撑球体14，拨块11固定设置于第一主轴9的前端并与球体14相接触以实现球体14旋转运动，球体支撑主轴箱体8活动设置于床身3部件相对于球体支撑尾座机构c的一侧。

所述的球体支撑尾座机构c包括：球体支撑尾座箱体、第二主轴16和第二顶尖15，其中：第二主轴16转动设置于球体支撑尾座箱体中，第二顶尖15设置于在第二主轴16的前端并与球体支撑主轴机构b共同支撑球体14，球体支撑尾座箱体19活动设置于床身3部件相对于球体支撑主轴机构b的一侧。

所述的砂轮磨具机构d包括：砂轮磨具主轴31、砂轮磨具主轴套筒32、杯形砂轮磨具29、第三皮带轮28、第四皮带轮26、齿轮组件、第三伺服电机38和第二变频电机27，其中：杯形砂轮磨具29固定在砂轮磨具主轴31上端，砂轮磨具主轴31通过轴承10安装在砂轮磨具主轴31套筒内，砂轮磨具主轴31的下端设有花键轴23，砂轮磨具主轴套筒32的外侧壁设有齿条34，第三伺服电机38与齿轮组件相连接，齿轮组件与砂轮磨具主轴套筒32外侧壁的齿条34啮合并实现砂轮磨具主轴套筒32的上下进给移动，第四皮带轮26固定设置于砂轮磨具机构d的下端并与转动固定在砂轮磨具系统安装固定座c下部的的花键套24连接，已是在实现砂轮磨具主轴31下端的花键轴23在花键套24内上下滑动的同时，第二变频电机27依次连接第三皮带轮28、第四皮带轮26和花键套24，将旋转动力传递给砂轮磨具主轴31。

所述的齿轮组件由依次连接的第一同步带36轮35、同步带36、第二同步带轮37和齿轮轴33组成；

所述的第一主轴9中心线与球体14支撑尾座机构第二主轴16的中心线保持同心；

所述的球体支撑主轴机构b的第一主轴9中心线、球体支撑尾座机构c的第二主轴16的中心线以及砂轮磨具机构d的砂轮磨具主轴31中心线处于同一垂直平面内，且砂轮磨具机构d的砂轮磨具主轴31中心线与球体支撑主轴机构b的第一主轴9中心线以及球体支撑尾座机构c的第二主轴16的中心线垂直。

本装置通过以下方式进行工作：

首先，球体支撑主轴箱箱体8在第一伺服电机1的驱动下向右移动，球体支撑尾座箱体19在第二伺服电机21的驱动下向左移动，使球体支撑主轴箱8的第一主轴9前端的第一顶尖12和球体支撑尾座箱体19的第二主轴16前端的第二顶尖15移动到大型球体两侧的中心孔内，并顶紧；第一变频电机7驱动第一主轴9做旋转运动，在第一主轴9前端联接的拨块11带动作用下，驱动大型球体14绕第一主轴9和第二主轴16中心线做旋转运动；

第二变频电机27通过第三皮带轮28、第四皮带轮26把旋转动力传递给花键套24，花键套24又把旋转动力传递到在花键套24中的砂轮磨具主轴31下端的花键轴23上，使杯形砂轮磨具29做旋转运动；

第三伺服电机38通过第一同步带轮37、同步带36、第二同步带轮35带动齿轮轴33、驱动砂轮磨具主轴套筒32外侧壁齿条34及砂轮磨具主轴套筒32做上下进给移动；

在上述三个运动的联合作用下实现了大型球面的精密磨削。

Claims (9)

1.一种大型特种曲面精密磨削方法，其特征在于，通过将砂轮磨具置于被磨球体的下面、砂轮磨具绕垂直中心线做水平旋转运动、垂直仰式向上进给磨削的方式实现曲面磨削。

2.一种根据权利要求1所述方法的大型特种曲面精密磨削装备，其特征在于，包括：床身部件、球体支撑主轴机构、球体支撑尾座机构和砂轮磨具机构，其中：球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构分别活动设置于床身部件的两侧顶面的滑动导轨上，砂轮磨具机构安装在床身部件的中部，被磨球体活动设置于砂轮磨具机构上并与球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构相接触。

3.根据权利要求2所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的床身部件包括：床身、砂轮磨具系统安装固定座、两幅滑动直线导轨及其对应的两组丝杆螺母副以及伺服电机，其中：两幅滑动导轨分别布置在床身本体的左顶面和右顶面并分别与球体支撑主轴机构和球体支撑尾座机构左右移动连接，第一丝杆螺母副和第二丝杆螺母副分别两端固定在床身的左右两侧并与伺服电机固定连接，砂轮磨具系统安装固定座设置于床身的中部并作为砂轮磨具机构的定位基座。

4.根据权利要求2所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的球体支撑主轴机构包括：球体支撑主轴箱体、第一主轴、减速器、第一步变频电机、第一皮带轮、第二皮带轮、第一顶尖和拨块，其中：球体支撑主轴转动设置于球体支撑主轴箱体中，皮带轮固定在第一主轴的尾端，第一变频电机安装在球体支撑主轴箱的顶部并依次连接第一皮带轮、第二皮带轮以及第一主轴实现第一主轴的旋转运动，第一顶尖设置于第一主轴的前端，第一顶尖与球体支撑尾座机构共同支撑球体，拨块固定设置于第一主轴的前端并与球体相接触以实现球体旋转运动，球体支撑主轴箱体活动设置于床身部件相对于球体支撑尾座机构的一侧。

5.根据权利要求2所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的球体支撑尾座机构包括：球体支撑尾座箱体、第二主轴和第二顶尖，其中：第二主轴转动设置于球体支撑尾座箱体中，第二顶尖设置于在第二主轴的前端并与球体支撑主轴机构共同支撑球体，球体支撑尾座箱体活动设置于床身部件相对于球体支撑主轴机构的一侧。

6.根据权利要求2所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的砂轮磨具机构包括：砂轮磨具主轴、砂轮磨具主轴套筒、杯形砂轮磨具、第三皮带轮、第四皮带轮、齿轮组件、第三伺服电机和第二变频电机，其中：砂轮磨具固定在砂轮磨具主轴上端，砂轮磨具主轴通过轴承安装在砂轮磨具主轴套筒内，砂轮磨具主轴的下端设有花键轴，砂轮磨具主轴套筒的外侧壁设有齿条，第三伺服电机与齿轮组件相连接，齿轮组件与砂轮磨具主轴套筒外侧壁的齿条向啮合并实现砂轮磨具主轴套筒的上下进给移动，第四皮带轮固定设置于砂轮磨具机构的下端并与转动固定在砂轮磨具系统安装固定座下部的花键套连接，第二变频电机依次连接第三皮带轮、第四皮带轮和花键套，实现砂轮磨具主轴下端的花键轴在花键套内上下滑动的同时将旋转动力传递给砂轮磨具主轴。

7.根据权利要求6所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的齿轮组件由依次连接的第一同步带轮、同步带、第二同步带轮和齿轮轴组成。

8.根据权利要求4或5所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的第一主轴的中心线与球体支撑尾座机构第二主轴的中心线保持同心。

9.根据权利要求4或5所述的大型特种曲面精密磨削装备，其特征是，所述的球体支撑主轴箱部件的第一主轴的中心线、球体支撑尾座机构第二主轴的中心线以及砂轮磨具机构的砂轮磨具主轴的中心线处于同一垂直平面内，且砂轮磨具机构的砂轮磨具主轴的中心线与球体支撑主轴箱部件的第一主轴的中心线以及球体支撑尾座机构第二主轴的中心线垂直。

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