CN110202421B - 弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法 - Google Patents

弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法 Download PDF

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Abstract

一种弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，步骤为：S1开启机床安装工件和砂轮。S2进行砂轮圆周面修整并记录修整完成时机床X轴光栅坐标值X11。S3将Z轴工作台移至Z向安全位Z1。S4将X轴工作台移至X向安全位X0。S5完成砂轮对刀，记录此时机床坐标(X2,Z2)。S6施加预压量Xap0。S7控制X轴工作台进给切深ap，Z轴工作台运动至Z向坐标Z0+Δb2。S8控制机床X轴工作台进给切深ap′，Z轴工作台运动至Z向坐标Z0+L+Δb1。S9重复步骤S7‑S8，往复磨削N次后进行砂轮圆周面修整，记录修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12。S10将砂轮修整量X12‑X11补偿至X坐标，重复S7‑S8。S11重复S10至工件孔径达到尺寸要求。本发明显著提高了磨削效率，且避免安全事故的发生。

Description

弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法
技术领域
本发明属于内圆精密磨削加工领域，涉及一种弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法。
背景技术
大深径比零件广泛应用于火箭发动机筒体、起重器械作动器、飞机起落架等领域。其中，作动筒作为飞机起落架的关键零部件，其加工质量直接影响飞机起落架的使用性能，高性能的飞机起落架是飞机安全飞行的重要保障，为满足飞机起落架高性能的装配和使用要求，对该类大深径比作动筒零件提出了高质高效的加工要求。
目前，普通内孔磨削加工中工件内孔的深径比较小，加工用磨杆刚性好，磨削过程中砂轮让刀量小，因此加工时采用大切深，进给切深后驱动砂轮轴向进给至完全伸出工件内孔完成一次磨削加工，然后将砂轮快速退出工件内孔，并再次进给切深进行磨削加工，直至达到工件内孔尺寸精度要求，加工后工件内孔表面质量好且磨削效率高。而针对该类大深径比零件在普通深孔磨床进行磨削加工时，由于磨杆细长(长度≥1m，直径≤50mm)，刚性差，加工过程中砂轮让刀变形严重，在磨削力的扰动下，磨削系统极易发生振颤，造成加工过程失稳，严重时会导致零件报废或引发安全事故。为保障加工过程安全顺利进行，目前通常采用较小的切削深度ap(1～5μm)，且由于加工过程中砂轮让刀严重，造成每次材料实际去除深度δi远小于ap，随着磨削过程不断往复的进行，当理论径向总去除量为h＝n×ap(n为进给次数)时，内孔实际径向总去除量H＝δ1+δ2+…+δi+…+δn，且H＜h，当内孔理论径向总去除深度与实际径向总去除深度的差值σ＝L-h累计到一定量时，磨削过程的理论切削深度也随之变成api＝ap+σ，往复进刀过程中，长磨杆上砂轮圆周面与工件内孔接触，当api超过磨杆的加工极限时，磨杆受轴向力突然增大，从而引起磨杆振颤失稳，极易引发安全事故，为避免上述安全问题的发生，有经验的技术加工人员会根据加工经验，当进刀次数n到达一定量，或磨杆磨削过程声音发生异常时，停止磨削过程径向进刀，让砂轮在内孔进行往复光磨，将累计的未去除的材料通过光磨去除，从而继续进行正常进给和磨削加工，该过程十分繁杂，对技术人员要求高，且加工过程效率低，工人劳动强度大，零件精度保持性差，废品率高。为此急需发明或开发一种新的弱刚性磨杆磨削深孔的加工工艺，实现该类大深径比零件的精密高效加工，为航空航天用关键零部件的精密加工提供技术保障。
发明内容
本发明针对以上提出的加工效率低、加工过程稳定性差和易出现安全事故的问题，研究发明了一种弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，包括以下步骤：
S1、开启机床，安装工件和砂轮，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮圆周面修整，并记录砂轮修整完成时机床X轴光栅坐标值X11。
S3、控制机床Z轴工作台快速移动至Z向安全位坐标Z1＝Z0-180，其中，Z0为砂轮右端面与工件左端面接触时，机床Z轴光栅坐标值，即Z0为工件Z方向零点；
S4、控制机床X轴工作台快速移动至X向安全位坐标X0，X0为工件回转中心与磨杆轴线重合时，机床X轴光栅坐标值。
S5、砂轮对刀：控制机床X轴工作台和Z轴工作台使砂轮移动至工件内孔中，完成砂轮对刀，记录此时砂轮在机床坐标系中的X向和Z向的坐标值(X2,Z2)，然后控制机床X轴工作台和Z轴工作台快速移动至X向安全位X0和Z向安全位Z1。
S6、施加预压量Xap0：启动工件主轴电机通过三爪卡盘带动工件至工作转速，同时启动砂轮主轴至工作转速，控制机床Z轴工作台以进给速度F1＝1000～5000mm/min快速运动至坐标(X0,Z0+L+Δb1)，其中，L为工件内孔长度，0≤Δb1≤1/2B，B为砂轮宽度，控制机床X轴工作台以进给速度F2＝100～1000mm/min快速运动至坐标(X2-Δ,Z0+L+Δb1)，以进给速度F3＝10～100mm/min缓慢移动至坐标(X2,Z0+L+Δb1)，最后以进给速度F＝5～30mm/min运动至坐标(X2+Xap0,Z0+L+Δb1)，其中，0.3mm≤Δ≤1mm。
S7、控制机床X轴工作台以进给速度F4＝10～100mm/min进给切深ap，然后控制机床Z轴工作台以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+Δb2，其中，0μm≤ap≤30μm，100mm/min≤fa≤200mm/min，1/2B≤Δb2≤B。
S8、根据粗磨、半精磨和精磨不同加工阶段，控制机床X轴工作台进给不同切深ap′，然后控制机床Z轴工作台以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+L+Δb1，其中0μm≤ap′≤30μm。
S9、重复步骤S7-S8，往复磨削N次后(其中，
Figure BDA0002103426520000021
N取最大整数，v砂轮为砂轮磨损量，G为磨削比根据砂轮和被加工工件材料通过工艺试验确定)，控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮圆周面修整，并将砂轮修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12；
S10、砂轮修整后，将砂轮修整量X12-X11补偿至X坐标，即X坐标变为X＝X2+Xap0+N×(ap+ap′)+X12-X11，重复步骤S7-S8。
S11、重复步骤S10，直至工件孔径达到公差尺寸要求后，将砂轮完全退出工件完成磨削加工。
进一步地，所述的预压量Xap0根据磨杆的弯曲刚性和安全使用极限确定，取值范围一般为0mm～0.7mm；
进一步地，在磨削加工过程中，砂轮沿机床Z向以往复速度fa在Z向坐标Z0+Δb2和Z0+L+Δb1之间往复运动，保证砂轮始终与磨削段内孔接触，不发生分离，实现材料去除。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明的弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，提出对磨杆施加预压量Xap0，让磨杆产生预变形，从而使砂轮压紧在工件内孔壁上，增加了磨削时砂轮切削力，同时，磨削加工过程中，砂轮沿内孔长度方向往复运动，并始终不脱离工件，避免了传统磨削加工中由于砂轮让刀严重引起的每次实际切深远小于理论切深，极大的提高了磨削加工效率，同时也避免了当理论切削深度api超过磨杆的加工极限时，可能引起的安全事故。
(2)本发明的弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，由于引入了磨杆预弯曲变形，增加了砂轮与工件的接触力，在同样大小变化的磨削力的扰动激励下，相比无预弯曲变形的磨杆，预弯曲后的磨杆的稳定性极大的增加，抗外界干扰能力增强，系统稳定性极大的提高，从而使得操作更加简单，对操作者技术要求低，极大的减轻了工人的劳动强度，同时提高了零件加工精度一致性，降低废品率。
附图说明
图1为本发明实施例的数控深孔磨床示意图。
图2为本发明实施例的弱刚性磨杆磨削深孔的磨削过程示意图。图(a)为施加预压量Xap0和进给切深ap示意图，图(b)为砂轮沿负Z向进给磨削和进给切深ap′示意图，图(c)为砂轮沿Z向进给磨削示意图。
图3为本发明实施例的弱刚性磨杆磨削深孔的流程图。
图中：1床身，2Z轴工作台，3工件，4砂轮，5中心架，6砂轮修整器，7磨杆，8X轴工作台，9三爪卡盘，10主轴箱，11电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，基于如图1所示的数控深孔磨床实现，该磨床包括床身1、Z轴工作台2、中心架5、砂轮修整器6、磨杆7、X轴工作台8、三爪卡盘9、主轴箱10、电机11。所述的X轴工作台8、Z轴工作台2设于床身1上，且能够在床身1上沿X轴方向、Z轴方向移动，磨杆7一端通过涨紧套夹紧固定在X轴工作台8上，另一端与砂轮4连接。工件3安装在Z轴工作台2上，工件3一端部与三爪卡盘9连接，三爪卡盘9通过主轴箱10与电机11连接，工件3另一端由中心架5支撑。
弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、开启机床，安装工件3和砂轮4，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2移动进行砂轮4圆周面修整，并记录砂轮4修整完成时机床X轴光栅坐标值X11。
S3、控制机床Z轴工作台2快速移动至Z向安全位坐标Z1＝Z0-180，其中，Z0为砂轮4右端面与工件3左端面接触时，机床Z轴光栅坐标值，即Z0为工件3Z方向零点。
S4、控制机床X轴工作台8快速移动至X向安全位坐标X0，X0为工件3回转中心与磨杆7轴线重合时，机床X轴光栅坐标值。
S5、砂轮对刀：控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2使砂轮4移动至工件3内孔中，完成砂轮4对刀，记录此时砂轮4在机床坐标系中的X向和Z向的坐标值(X2,Z2)，然后控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2快速移动至X向安全位X0和Z向安全位Z1。
S6、施加预压量Xap0：启动工件3主轴电机11通过三爪卡盘9带动工件3至工作转速，同时启动砂轮主轴至工作转速，控制机床Z轴工作台2以进给速度F1＝1000～5000mm/min快速运动至坐标(X0,Z0+L+Δb1)，其中，L为工件3内孔长度，0≤Δb1≤1/2B，B为砂轮4宽度，控制机床X轴工作台8以进给速度F2＝100～1000mm/min快速运动至坐标(X2-Δ,Z0+L+Δb1)，以进给速度F3＝10～100mm/min缓慢移动至坐标(X2,Z0+L+Δb1)，最后以进给速度F＝5～30mm/min运动至坐标(X2+Xap0,Z0+L+Δb1)，其中，0.3mm≤Δ≤1mm。
S7、控制机床X轴工作台8以进给速度F4＝10～100mm/min进给切深ap，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+Δb2，其中，0μm≤ap≤30μm，100mm/min≤fa≤200mm/min，1/2B≤Δb2≤B。
S8、根据粗磨、半精磨和精磨不同加工阶段，控制机床X轴工作台8进给不同切深ap′，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+L+Δb1，其中0μm≤ap′≤30μm。
S9、重复步骤S7-S8，往复磨削N次后(其中，
Figure BDA0002103426520000041
N取最大整数，v砂轮为砂轮磨损量，G为磨削比根据砂轮和被加工工件材料通过工艺试验确定)，控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮圆周面修整，并将砂轮修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12；
S10、砂轮4修整后，将砂轮4修整量X12-X11补偿至X坐标，即X坐标变为X＝X2+Xap0+N×(ap+ap′)+X12-X11，重复步骤S7-S8。
S11、重复步骤S10，直至工件3孔径达到公差尺寸要求后，将砂轮4完全退出工件3完成磨削加工。
在磨削加工过程中，砂轮4沿机床Z向以往复速度fa在Z向坐标Z0+Δb2和Z0+L+Δb1之间往复运动，保证砂轮4始终与磨削段内孔接触，不发生分离，实现材料去除。
本发明所述方法中引入对磨杆7预压量Xap0，使磨杆7产生预变形，砂轮4压紧工件3内孔壁上，增加了磨削时的砂轮切削力，同时砂轮4在工件3内孔轴向往复运动且始终不脱离工件3，避免了传统磨削加工中由于砂轮4让刀严重引起的每次实际切深远小于理论切深，极大的提高了磨削效率，同时也避免了当理论磨削深度api超过磨杆7的加工极限时，可能引起的安全事故。
实施例1
S1、开启机床，将工件3和砂轮4分别安装于Z轴工作台2、磨杆7上，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2移动进行砂轮4圆周面修整，并记录砂轮4修整完成时机床X轴光栅坐标值X11。
S3、控制机床Z轴工作台2快速移动至Z向安全位坐标Z1＝Z0-180，其中，Z0为砂轮4右端面与工件3左端面接触时，机床Z轴光栅坐标值，即Z0为工件3Z方向零点。
S4、控制机床X轴工作台8快速移动至X向安全位坐标X0，X0为工件3回转中心与磨杆7轴线重合时，机床X轴光栅坐标值。
S5、砂轮对刀：控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2使砂轮4移动至工件3内孔中，完成砂轮4对刀，记录此时砂轮4在机床坐标系中的X向和Z向的坐标值(X2,Z2)，然后控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2快速移动至X向安全位X0和Z向安全位Z1。
S6、施加预压量Xap0：启动工件3主轴电机11通过三爪卡盘9带动工件3至工作转速，同时启动砂轮主轴至工作转速；控制机床Z轴工作台2以进给速度F1＝3000mm/min快速运动至坐标(X0,Z0+L+Δb1)，其中，L为工件3内孔长度，Δb1＝1/2B，B为砂轮4宽度，控制机床X轴工作台8先以进给速度F2＝800mm/min快速运动至坐标(X2-Δ,Z0+L+Δb1)，再以进给速度F3＝60mm/min缓慢移动至坐标(X2,Z0+L+Δb1)，最后以进给速度F＝20mm/min运动至坐标(X2+Xap0,Z0+L+Δb1)，其中，Δ＝1mm。所述的预压量Xap0根据磨杆7的弯曲刚性和安全使用极限确定，该实施例预压量Xap0＝0.5mm。
S7、控制机床X轴工作台8以进给速度F4＝80mm/min进给切深ap＝30μm，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa＝160mm/min运动至Z向坐标Z0+Δb2，其中Δb2＝1/2B。
S8、根据粗磨、半精磨和精磨不同加工阶段，控制机床X轴工作台8进给不同切深ap′＝10μm，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa＝160mm/min运动至Z向坐标Z0+L+Δb1；
S9、重复步骤S7-S8，往复磨削N次后(其中，
Figure BDA0002103426520000061
N取最大整数)，控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2移动进行砂轮4圆周面修整，并将砂轮4修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12。
S10、砂轮4修整后，将砂轮4修整量X12-X11补偿至X坐标，即X坐标变为X＝X2+Xap0+N×(ap+ap′)+X12-X11，重复步骤S7-S8。
S11、重复步骤S10，直至工件3孔径达到公差尺寸要求后，将砂轮4完全退出工件3完成磨削加工。
实施例2
S1、开启机床，将工件3和砂轮4分别安装于Z轴工作台2、磨杆7上，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2移动进行砂轮4圆周面修整，并记录砂轮4修整完成时机床X轴光栅坐标值X11。
S3、控制机床Z轴工作台2快速移动至Z向安全位坐标Z1＝Z0-180，其中，Z0为砂轮4右端面与工件3左端面接触时，机床Z轴光栅坐标值，即Z0为工件3Z方向零点。
S4、控制机床X轴工作台8快速移动至X向安全位坐标X0，X0为工件3回转中心与磨杆7轴线重合时，机床X轴光栅坐标值。
S5、砂轮对刀：控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2使砂轮4移动至工件3内孔中，完成砂轮4对刀，记录此时砂轮4在机床坐标系中的X向和Z向的坐标值(X2,Z2)，然后控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2快速移动至X向安全位X0和Z向安全位Z1。
S6、施加预压量Xap0：启动工件3主轴电机11通过三爪卡盘9带动工件3至工作转速，同时启动砂轮主轴至工作转速；控制机床Z轴工作台2以进给速度F1＝3000mm/min快速运动至坐标(X0,Z0+L+Δb1)，其中，L为工件3内孔长度，Δb1＝1/5B，B为砂轮4宽度砂轮宽度，控制机床X轴工作台8先以进给速度F2＝800mm/min快速运动至坐标(X2-Δ,Z0+L+Δb1)，再以进给速度F3＝60mm/min缓慢移动至坐标(X2,Z0+L+Δb1)，最后以进给速度F＝20mm/min运动至坐标(X2+Xap0,Z0+L+Δb1)，其中，Δ＝0.3mm。所述的预压量Xap0根据磨杆7的弯曲刚性和安全使用极限确定，该实施例预压量Xap0＝0.1mm。
S7、控制机床X轴工作台8以进给速度F4＝80mm/min进给切深ap＝5μm，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa＝160mm/min运动至Z向坐标Z0+Δb2，其中，Δb2＝B。
S8、根据粗磨、半精磨和精磨不同加工阶段，控制机床X轴工作台8进给不同切深ap′＝2μm，然后控制机床Z轴工作台2以往复速度fa＝160mm/min运动至Z向坐标Z0+L+Δb1。
S9、重复步骤S7-S8，往复磨削N次后(其中，
Figure BDA0002103426520000071
N取最大整数)，控制机床X轴工作台8和Z轴工作台2移动进行砂轮4圆周面修整，并将砂轮4修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12。
S10、砂轮4修整后，将砂轮4修整量X12-X11补偿至X坐标，即X坐标变为X＝X2+Xap0+N×(ap+ap′)+X12-X11，重复步骤S7-S8。
S11、重复步骤S10，直至工件3孔径达到公差尺寸要求后，将砂轮4完全退出工件3完成磨削加工。
本发明不局限于本实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，均涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括以下步骤：
S1、开启机床，安装工件和砂轮，确认机床工作状态及加工程序正常；
S2、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮圆周面修整，并记录砂轮修整完成时机床X轴光栅坐标值X11；
S3、控制机床Z轴工作台快速移动至Z向安全位坐标Z1＝Z0-180，其中，Z0为砂轮右端面与工件左端面接触时，机床Z轴光栅坐标值，即Z0为工件Z方向零点；
S4、控制机床X轴工作台快速移动至X向安全位坐标X0，X0为工件回转中心与磨杆轴线重合时，机床X轴光栅坐标值；
S5、砂轮对刀：控制机床X轴工作台和Z轴工作台使砂轮移动至工件内孔中，完成砂轮对刀，记录此时砂轮在机床坐标系中的X向和Z向的坐标值(X2,Z2)，然后控制机床X轴工作台和Z轴工作台快速移动至X向安全位X0和Z向安全位Z1；
S6、施加预压量Xap0：启动工件主轴电机通过三爪卡盘带动工件至工作转速，同时启动砂轮主轴至工作转速；控制机床Z轴工作台以进给速度F1＝1000～5000mm/min快速运动至坐标(X0,Z0+L+Δb1)，其中，L为工件内孔长度，0≤Δb1≤1/2B，B为砂轮宽度，控制机床X轴工作台先以进给速度F2＝100～1000mm/min快速运动至坐标(X2-Δ,Z0+L+Δb1)，再以进给速度F3＝10～100mm/min缓慢移动至坐标(X2,Z0+L+Δb1)，最后以进给速度F＝5～30mm/min运动至坐标(X2+Xap0,Z0+L+Δb1)，其中，0.3mm≤Δ≤1mm；所述的预压量Xap0根据磨杆的弯曲刚性和安全使用极限确定，取值范围为0mm～0.7mm；
S7、控制机床X轴工作台以进给速度F4＝10～100mm/min进给切深ap，然后控制机床Z轴工作台以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+Δb2，其中，0μm≤ap≤30μm，100mm/min≤fa≤200mm/min，1/2B≤Δb2≤B；
S8、根据粗磨、半精磨和精磨不同加工阶段，控制机床X轴工作台进给不同切深ap′，然后控制机床Z轴工作台以往复速度fa运动至Z向坐标Z0+L+Δb1，其中0μm≤ap′≤30μm；
S9、重复步骤S7-S8，往复磨削N次后，其中，
Figure FDA0002661706290000011
N取最大整数，v砂轮为砂轮磨损量，G为磨削比根据砂轮和被加工工件材料通过工艺试验确定，控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮圆周面修整，并将砂轮修整完成时机床X轴光栅坐标值记为X12；
S10、砂轮修整后，将砂轮修整量X12-X11补偿至X坐标，即X坐标变为X＝X2+Xap0+N×(ap+ap′)+X12-X11，重复步骤S7-S8；
S11、重复步骤S10，直至工件孔径达到公差尺寸要求后，将砂轮完全退出工件完成磨削加工。
2.根据权利要求1所述的弱刚性磨杆磨削深孔的加工方法，其特征在于，在磨削加工过程中，砂轮沿机床Z向以往复速度fa在Z向坐标Z0+Δb2和Z0+L+Δb1之间往复运动，保证砂轮始终与磨削段内孔接触，不发生分离，实现材料去除。
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