CN104625966A - 一种基于840d的缓进磨在线修整加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，包括以下步骤：在砂轮对零件进行磨削的过程中，砂轮修整器实时调整自身位置对砂轮进行实时修整，被修整的砂轮根据零件的材质和磨削厚度实时调整自身的磨削高度，同时，砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度以保证恒定线速度的加工；在磨削的同时，用于降低磨削产生热量的喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行调整。本发明中，在线连续修整加工时，被修整的砂轮根据修整量的变化，时调整砂轮的磨削高度，确保磨削平面的尺寸稳定，使加工与修整工作同时进行，确保砂轮的形状与锐度，始终处于最佳状态，对磨削出的零件表面光洁度与尺寸都提供了较高的保障。

Description

一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法

技术领域

本方法主要针对在缓进磨加工领域中，如何通过对数控系统的二次开发，将特有结构的缓进磨加工，根据加工工艺特点，实现在线连续修整加工方法。进而提高设备的连续加工效率与加工质量。

背景技术

在磨削领域，缓进磨加工做为成型磨削的一种，缓进磨有其独有的特点和优势。尤其在燃气轮机的定子与转子叶片磨削方面，由于整个零件一般采用定向结晶铸造工艺精密浇铸而成，毛坯加工余量最高可达8～10毫米以上。同时，其材质一般为高温合金，其机加性能较差，所以加工难度也较大。加之，缓进磨削采用大的磨削切深，磨削接触长度大、磨削型面复杂多变、冷热条件恶劣，易在表面产生烧伤，甚至出现工件烧伤裂纹。因此，如何制定一套合理的、高效的磨削方法成为缓进磨加工中的重要环节。

现有技术中，对于飞机发动机叶片榫齿的缓进磨加工，其大部分设备加工工艺为加工和修整为分离的两个阶段，即每加工完零件一次后，再对砂轮进行修整。其整体效率相对低，加工速度慢。对于加工尺寸精确度低，尤其是大磨削量且磨削长度较长的零件，比如飞机发动机转子叶片榫齿的齿冠加工，此种情况体现尤为明显。

在加工时，喷水不跟踪砂轮的磨削部位，或者喷水位置需要人工调整，这种调整方式由于喷水位置不能够完全直接喷射到加工结合部位，对热量的传导效果，大大折扣，容易造成零件的烧伤。

当今，国内外很多生产缓进磨设备的厂商，已经大范围推广缓进磨设备。例如：厄尔布（ELB）公司、梅格勒（Maegerle）公司等。但由于不同产品的差异较大，一台缓进磨很难满足多种类产品的加工需求。为此，我们设计一套在可二次开发的数控系统的缓进磨上，研究可连续在线修整的加工方法。并对其中的系统工艺设计与实现的方法做深入研究。

发明内容

本发明针对现有的一台840D系统的缓进磨床，通过对系统的二次开发和在线连续修整的加工工艺方法研究，得出一套较为通用的缓进磨控制与使用方法。该方法主要解决缓进磨在加工中进一步提升加工质量与加工效率的关键问题。

本发明所采用的技术方案如下：一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，包括以下步骤：

在砂轮对零件进行磨削的过程中，砂轮修整器实时调整自身位置对砂轮进行实时修整，被修整的砂轮根据零件的材质和磨削厚度实时调整自身的磨削高度，同时，砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度以保证恒定线速度的加工；在磨削的同时，用于降低磨削产生热量的喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行调整。

所述砂轮修整器实时调整位置对砂轮进行实时修整具体为：V轴的伺服电机根据砂轮半径修整量设定值控制砂轮修整器相对于砂轮移动。

所述根据零件的材质和磨削厚度实时调整砂轮的磨削高度通过以下公式得到：

Y=γ*R24*X/tanα

其中，R24为磨削厚度的比例系数，γ为磨削材料的影响系数，X为磨削长度，Y为磨削高度变化量，tanα为砂轮半径修整量设定值与磨削长度的商。

砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度通过以下公式得到：

R25=60000*R35（或R36）/(2*3.14*R37)

其中，R25为砂轮旋转角速度，R35为粗加工的线速度，R36为精加工线速度，当前砂轮剩余半径R37=磨削前的砂轮初始半径-修整器的当前V轴位置值。

所述喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行调整具体为：喷水跟踪伺服电机控制两个喷水头的喷嘴高度分别位于砂轮的上端和下端，两个喷嘴的高度差等于当前砂轮剩余直径R37。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明中，在线连续修整加工时，被修整的砂轮根据修整量的变化，时调整砂轮的磨削高度，确保磨削平面的尺寸稳定。使加工与修整工作同时进行，确保砂轮的形状与锐度，始终处于最佳状态。对磨削出的零件表面光洁度与尺寸都提供了较高的保障。

2.同时，砂轮可根据自身的半径变化实时调整其角速度以保证恒定线速度的加工，这也对加工零件的表面光洁度进一步提供了保证。

3.在磨削的同时，喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行，能够使冷却水最大限度的提高热传导效率，并根据磨削量的不同，调整喷水压力等级，确保最佳冷却位置与冷却效果。这样，可最大限度避免加工中的烧伤情况发生。

附图说明

图1本发明的加工部分结构图；

图2在线连续修整算法数学模型图；

图3在线连续修整示意图；

图4在线连续修整加工方法流程图；

具体设计实现方式

下面结合附图与实际使用数据对该方法的设计与实现过程做详细的说明。

如图1所示，本发明采用西门子840D数控系统与611D数字伺服驱动，链接1FT6伺服电机，分别用于砂轮旋转、X轴水平运动、Y轴垂直进给运动、V轴修整器进给运动。

机床需要具备在线连续修整的机械物理结构，砂轮修整轴与磨削进给轴由伺服系统进行控制，并且，修整进给轴的径向轴线与磨削进给轴的径向轴线重合。修整进给轴可随伺服进给轴共同运动，且可进行相对运动。

在上述结构下，该在线修整方法可实现缓进磨床的在线连续修整加工功能。其中，该缓进磨配备西门子840D数控系统与全套的伺服系统。机械结构部分由两个进给轴（零件作水平运动的X轴和砂轮作垂直运动的Y轴）、一个修整轴（砂轮修整器作垂直运动的V轴）、一个主轴（用于旋转磨削）、一个砂轮修整器、一套多级冷却喷水跟踪装置构成。

设备主要用于加工叶片榫齿与齿冠等部分。其工艺采用成型缓进式连续在线修整磨削方式，具有较高的连续加工效率。同时，多级喷水跟踪装置，可最大程度实现合理的冷却角度与冷却量的给定。

其连续在线连续修整工艺通过对840D系统的二次开发，将所建立的数学模型，通过高级语言编程，封装在对840D系统二次开发的独立控制界面中。系统只需要通过操作者输入相应的工艺参数和R参数变量，并选择相应的控制程序，即可实现不同种类的成型磨削加工过程。将其原有的固定几套加工程序进行模块化。通过系统控制界面，进行选择设定工艺参数。工艺参数输入后，经过系统的匹配运算，调用相应的加工程序，进行加工。

其次，在加工的模块化程序中，重点针对在线修整部分进行了处理。系统将根据所输入的零件余量、磨削材质选择、磨削次数，经过实现建立的数学模型与高级语言解释后，分别对粗加工和精加工的工艺进行计算。并在修整的过程中，利用系统开发后的在线连续补偿功能，对砂轮磨削损耗进行补偿，以确保加工零件的尺寸精度。

所述的算法主要包括：砂轮在线连续修整、砂轮半径的修整补偿、砂轮线速度补偿、冷却喷水跟踪。所述的二次开发界面包括：修整参数设定部分、磨削参数设定部分、加工程序部分。所述的设定的工艺参数包括：砂轮初始半径、粗修磨量、精修磨量、磨削次数、磨削材料。

所述的砂轮在线连续修整为根据砂轮在连续加工过程中，半径损耗带来的进给动态补偿。磨削进给Y轴需要根据磨削设定量与水平X轴磨削位置与长度，进行动态的砂轮进给与修整器进给补偿。

所述砂轮半径的修整补偿为砂轮初始修整成型后，修整器修整完毕，系统将自动对修正量与砂轮半径进行补偿。补偿数值通过R参数记录到刀具半径补偿中。

所述的砂轮线速度补偿为砂轮随磨削次数增加，其半径连续线性减小，旋转线速度衰减，需要进行补偿。通过给定的要求线速度，除以当前砂轮半径，得出需要旋转的角速度。系统根据计算的角速度，控制电机旋转的速度变化。

所述的冷却喷水跟踪为与修整器、主砂轮可相对运动的带位置反馈的喷水冷却装置。根据砂轮半径的减小，磨削点与修整点位置均动态发生变化。系统根据两个切点的位置，调整喷水冷却的给定位置。并可根据磨削量的大小，选择1-3级的冷却给定量。

缓进磨的控制系统为西门子840D系统，且硬件配置的PCU50具备40G硬盘。系统预装为WINDOWS XP SP3，预装的HMI软件版本为SW6.3以上。所使用的系统具备二次开发的OEM软件包，通过对数控系统的二次开发，可实现对工艺参数的设定、自动计算等功能。

所研究的连续修整加工方法，需要根据工艺种类建立的多种数学模型。

工艺程序需要根据不同条件与加工要求，利用系统的R参数进行变量编程。

该方法在首次砂轮修整时，可根据不同的砂轮材质与零件外形要求，通过R参数选择不同的修整厚度。

冷却喷水跟踪装置和根据砂轮半径的变化，动态的跟踪修整切向磨削点的位置。以提供最佳的磨削冷却位置与角度。

在线连续修整控制算法可封装在840D系统中。可实现根据磨削量与修整量进行自动补偿计算。同时，根据不同磨削厚度与材质，自动调整修整控制工艺参数。如，主轴速度、修整器进给量。

如图4所示，在线加工修整控制流程如下：

步骤1）选择磨削程序。程序根据被加工零件种类分为1-3，共3种。本实施例的被加工零件种类包括（定子叶片榫齿与转子叶片榫齿的齿冠、齿面等）。

步骤2）设定磨削参数。参数包括磨削厚度、磨削次数等。

步骤3）设定修整参数。参数包括初始砂轮半径、粗磨量（粗磨削厚度设定量）、精磨量（精磨削厚度设定量）。

步骤4）控制算法计算。根据上述参数，通过封装的数学模型（公式1与公式2）计算得到。

步骤5）生成可执行加工程序的R参数。（包括砂轮旋转角速度R25，磨削高度变化量R40）。

步骤6）启动程序与连续在线修整功能等。

缓进磨在线连续修整加工方法主要有：840D系统界面二次开发，在线连续修整加工、线速度自动补偿、喷水冷却跟踪，共四部分组成。

1、840D系统界面二次开发

该方法主要通过对缓进磨床的840D系统进行二次开发，二次开发工作的主要目的是设计出该磨床所需要的，并且在原标准840D系统中所不能提供的人机界面接口，以满足缓进磨床在零件加工中所需要进行的一些参数传递与调用。二次开发的方法主要是，从缓进磨床的加工工艺入手，根据其具体加工零件的种类及加工件特征，详细规划出所需要的人机界面接口，并利用专用开发工具，编写开发界面软件程序，实现在原标准840D系统中嵌入自行开发的人机操作界面。

840D系统是基于WINDOWS下的数控系统，具有系统开放性的特点，这使得人机界面的二次开发具有可行性。其中，所开发界面分四个操作区域。

（1）磨削参数区

（2）修整参数区

（3）加工程序区

（4）状态区

所开发的界面，可以嵌入到标准840D系统中使用。

其中，磨削参数区、修整参数区，将对后台封装的程序，提供了一个变量接口。操作人员根据加工工艺情况，通着过设定其中的参数，来改变磨削程序的执行方式。系统将根据输入的磨削厚度、粗磨量、精磨量，对加工程序进行自动分刀（即分解加工次数）。

而加工程序区则使操作者可以直接通过下拉菜单的方式，选择所需要的执行的加工程序。最后，状态区则记录加工件数，用来统计设备的使用效率。

2、在线连续修整加工

首先，设备是否采用在线修磨及补偿算法，取决与设备的原始结构。如附图1所示，该设备的工作台由X轴伺服电机驱动控制；砂轮修整器V轴与砂轮进给Y轴为同向、共母线结构。其中，砂轮进给Y轴可在垂直方向同时运动，且修整器V轴可相对于Y轴做单独垂直方向运动。因此，修整器轴也采用了伺服驱动控制。喷水跟踪装置，也有伺服电机独立进行运动控制。

砂轮修整器实时调整位置对砂轮进行实时修整具体为：砂轮修整器根据零件材质、磨削厚度、砂轮材质的经验值作为修整量（设定值），V轴的伺服电机根据该修整量控制砂轮修整器相对于砂轮运动。砂轮修整器的半径不变。

由于砂轮每次磨削后，都会发生一定量的尺寸变化，为确保下一次磨削的尺寸稳定，需要将砂轮磨削高度进行修整。附图2显示了公式（1）的数学模型，引入的在线连续修整方法，其简化的计算公式为：

Y=γ*R24*X/tanα       （1）

其中，R24为磨削厚度的比例系数，γ为磨削材料的影响系数，”X”为磨削长度，”Y”为磨削高度变化量，tanα为砂轮半径修整量设定值与磨削长度的商。计算所得的”Y”值，最终通过程序赋值给R40。

3、线速度自动补偿

由于砂轮半径的变化，为保证加工的表面光洁度要求，需要对砂轮主轴旋转速度进行动态补偿。由于在恒定的金属去除率下，降低砂轮线速度可以减少磨头功率的消耗，即砂轮线速度越低，去除单位体积的金属所需要的能量也减少，因而也越容易避免烧伤。然而，随着砂轮速度的降低，砂轮的相对硬度（动力硬度）也降低。这样，砂轮的磨损速度也就随之加快，被磨削工件的表面光洁度也略有下降。因此，我们认为在保证磨削表面光洁度的前提下，应力求使用较低的砂轮线速度。

砂轮磨损后，由于半径也随之发生变化。固有的磨削线速度，需要根据砂轮半径的变化，进行自动补偿计算。因此，在线修磨后，将重新计算主轴的旋转速度。以保持恒定线速度的控制条件，进而确保磨削品质得到稳定的保障。经验表明，采用如下计算控制公式，可以算得较合理的线速度补偿，如图3所示,左侧为磨削初始时砂轮的状态，右侧为一个零件磨削完成时砂轮的状态。

砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度通过以下公式得到：

R25（角速度）=60000*R35（或R36）/(2*3.14*R37)        （2）

其中，R25为砂轮旋转角速度，单位为r/min（转/分钟），R37为当前砂轮剩余半径，根据砂轮初始半径（磨削前半径）-当前修整量（修整器对砂轮的当前修整量即修整器的V轴当前位置值）得到，R35为粗加工的线速度，R36为精加工线速度，单位为m/s（米/秒）。公式中，为将计量单位统一，需要将m/s的线速度单位，转化为mm/min的线速度单位。因此，需要加入60000=60*1000这个单位转化计算量。

4、喷水冷却跟踪

由于磨削厚度与磨削次数说引起的磨削力与磨削量的不同，冷却喷水等级也自动进行计算，并根据情况启动三个等级的喷水冷却。喷水冷却并通过喷嘴跟踪功能，动态的检测Y轴的运动与磨削位置、砂轮修整位置，将冷却点集中在修整与磨削的结合切线部位。确保最大程度的冷却效果。其物理结构如附图1所示。

具体来说，该部分主要有两个冷却点。即修整器切线冷却点与磨削加工冷却点。由于采用在线连续修整加工方式，两个冷却头同时工作。冷却头供水也由两套冷却泵进行三等级喷水冷却控制。由于两个磨削点的磨削量不同，系统需要根据当前的砂轮半径、砂轮线速度、磨削厚度、磨削材质等因素，进行运算。但由于泵体属于分级控制，非连续线性调速控制。因此，并没有较为复杂的计算公式。仅采用了范围界定办法，根据主要的参数情况，进行冷却分级选择。

同时，由于磨削次数的增加，砂轮半径的连续减小，喷水冷却位置也将发生相应的变化。该变化主要体现在磨削加工点的喷水冷却装置，可通过伺服系统，经过丝杠与负载的连接，进行精确的定位跟踪控制。

系统将每次刀具补偿的值（即修整器对砂轮的当前修整量）做为下一次喷水冷却运动移动的参考值。当加工程序启动后，调用喷水跟踪指令。该指令通过PLC程序设计编译，并通过与NC程序建立联系，进行喷水冷却点定位控制。

喷水位置，随在线连续修整时，对砂轮修整的半径补偿，进行相应的喷水位置补偿。这样可保证冷却量与冷却位置的最佳结合。避免因热量传导不及时，而引起的零件烧伤。

该方法已经在某飞机发动机叶片加工的缓进磨设备上得以应用。在实际应用的过程中，经过一个月的数据统计，某型号叶片榫齿齿面与齿冠加工，单日加工量由每天60-70片，提升到80-90片，且99.5%以上没有烧伤情况，达到了预想的设计目的。

Claims (5)

1.一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，其特征主要包括以下步骤：

在砂轮对零件进行磨削的过程中，砂轮修整器实时调整自身位置对砂轮进行实时修整，被修整的砂轮根据零件的材质和磨削厚度实时调整自身的磨削高度，同时，砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度以保证恒定线速度的加工；在磨削的同时，用于降低磨削产生热量的喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，其特征在于：所述砂轮修整器实时调整位置对砂轮进行实时修整具体为：V轴的伺服电机根据砂轮半径修整量设定值控制砂轮修整器相对于砂轮移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，其特征在于：所述根据零件的材质和磨削厚度实时调整砂轮的磨削高度通过以下公式得到：

Y=γ*R24*X/tanα

其中，R24为磨削厚度的比例系数，γ为磨削材料的影响系数，X为磨削长度，Y为磨削高度变化量，tanα为砂轮半径修整量设定值与磨削长度的商。

4.根据权利要求1所述的一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，其特征在于：砂轮根据自身的半径变化实时调整其角速度通过以下公式得到：

R25=60000*R35（或R36）/(2*3.14*R37)

其中，R25为砂轮旋转角速度，R35为粗加工的线速度，R36为精加工线速度，当前砂轮剩余半径R37=磨削前的砂轮初始半径-修整器的当前V轴位置值。

5.根据权利要求1所述的一种基于840D的缓进磨在线修整加工方法，其特征在于：所述喷水头位置也根据磨削高度的变化实时进行调整具体为：喷水跟踪伺服电机控制两个喷水头的喷嘴高度分别位于砂轮的上端和下端，两个喷嘴的高度差等于当前砂轮剩余直径R37。