CN110328568A - 大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，将圆环端面加工分为底孔圆环端面处同轴孔的磨削加工、同轴孔孔壁去除加工及底孔圆环端面光整加工三步。在同轴孔加工过程中，通过测针测量同轴孔孔底与工件左端面间的距离Z4‑Z3，与工件图纸上底孔圆环端面与工件左端面间的公称尺寸L做差，当L‑Z4+Z3≤30μm时，进行同轴孔孔壁去除加工，最后进行底孔圆环端面光整加工，并通过测针测量底孔圆环端面与工件左端面间的距离直至达到图纸尺寸公差要求，完成磨削加工。本发明所述方法避免了传统工件自旋转磨削加工方法中，由于轴向和径向磨削力作用引起的磨杆振颤失稳导致的砂轮磨粒快速脱落或局部破碎的问题，提高了加工效率和砂轮的使用寿命，降低了废品率，且易于实现自动化。

Description

大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法
技术领域
本发明属于内孔圆环端面精密磨削加工领域，涉及大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法。
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。作动筒是飞机起落架的核心部件，其加工精度直接影响着起落架的使用性能及安全，飞机起落架作动筒内表面精密加工包括内孔，过度圆弧，底孔圆环端面等特征，底孔圆环端面作为作动筒的关键尺寸之一，需要严格保证底孔圆环端面的壁厚、平面度及表面粗糙度，从而保障飞机起落架的高可靠性和高质量的使用性能。
目前，该类大深径比零件内孔主要在普通深孔内圆磨床上进行精密磨削，其底孔圆环端面加工时，通过控制机床X轴工作台移动，使砂轮轴线与工件回转轴线间产生一定偏心量，然后控制机床Z轴工作台进给运动，采用工件自旋转加工方法进行磨削加工，该方法在普通内孔圆环端面磨削加工中，由于磨削所用磨杆刚性好，磨削系统稳定性高，可以很好的实现零件端面磨削加工，且加工后零件底孔圆环端面的质量好。然而，对于作动筒类零件，因具有孔径小(＜100mm)、深径比大(深径比超过12:1)，且非通孔结构等特点，底孔圆环端面磨削加工所用磨杆细长，刚性差，采用工件自旋转方法进行该类零件底孔圆环端面磨削时，由于砂轮轴线与工件回转轴线之间存在一定偏心量，自旋转磨削时，砂轮部分圆周与工件接触参与磨削加工，砂轮和磨杆受沿轴线方向的法向力和沿圆周方向的切向力共同作用，砂轮一侧圆周上的切向力使磨杆发生扭转变形，沿磨杆轴向的法向力使磨杆受压发生弯曲变形，同时，砂轮相对被加工底孔圆环端面发生偏转，导致砂轮端面与被加工底孔圆环端面之间形成一定的夹角，造成加工过程中砂轮端面与零件底孔圆环端面内孔口接触不平稳，圆环端面内孔口的棱边切入砂轮，产生较大的瞬时切削力，导致磨杆突然振颤失稳，导致砂轮磨粒快速脱落或局部破碎。当砂轮端面磨粒脱落或破碎后，砂轮由于外形尺寸丢失，导致砂轮与工件分离，随着Z轴方向的进给，这种不稳定的磨削现象周而复始的发生，直至加工过程结束。这种不稳定的加工过程严重影响了零件的加工精度和表面质量，且由于磨削时砂轮的这种非正常磨损或脱粒，造成砂轮损耗严重，更为重要的是这种不稳定的加工过程极易造成磨杆或机床损坏，严重影响生产安全，加工过程对操作者技术要求过高，且心理压力极大，劳动强度高。为缓解上述底孔圆环端面磨削加工中出现的问题，其中有效的技术方案是尽可能的降低Z轴方向的进给速度，从而严格控制底孔圆环端面磨削时的轴向力和沿圆周方向的切向力，降低磨削力对砂轮及磨杆的作用，但是由于Z轴方向进给速度降低，极大的制约了零件的加工效率，增加了零件的加工成本。
为满足该类大深径比复杂内腔零件对底孔圆环端面精密高效的加工需求，急需发明或开发一种新的大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工工艺，实现该类大深径比内孔圆环端面的精密高效加工，降低其加工过程对操作者技术能力的依赖，保障该类关键零部件加工质量的可靠性和稳定性，降低零件加工的报废率，提高加工经济性，实现该类航空关键零部件的高质高效自动化加工，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、砂轮磨损严重、系统稳定性差及易出现安全事故的问题，研究发明了大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，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、砂轮修整：控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并记录砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值Z21。
S3、确定砂轮与测针间轴向相对位置关系：控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动使砂轮右端面接触到工件左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z0，然后控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动使测针接触到工件左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z3，计算得砂轮与测针间轴向相对位置关系：ΔZ＝Z0-Z3。
S4、控制机床X轴工作台运动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1＝Z0-180，其中，X1为测针球头中心与工件回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，0.5mm≤Δ1≤1mm，D1为工件底孔圆环端面内孔的孔径。
S5、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L，最后控制Z工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，X0为砂轮轴线和工件回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，10mm/min≤fa≤100mm/min，L为工件图纸上底孔圆环端面与工件左端面间的公称尺寸。
S6、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并将砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1。
S7、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1。
S8、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面处同轴孔孔底，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1。
S9、判断L-Z4+Z3≤30μm是否成立，是，执行步骤S10，否，执行步骤S6。
S10、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21。
S11、控制机床X轴工作台以速度F1运动至坐标然后控制机床Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，10≤F1≤100mm/min，D0为杯型砂轮内圆面直径，D2为工件图纸上底孔圆环端面外径。
S12、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并将砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1。
S13、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，1mm≤Δ2≤2mm。
S14、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1。
S15、如果L+EI≤Z4-Z3≤L+ES，则执行步骤S16，否则，执行步骤S12。
S16、完成磨削加工。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明的大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，克服了传统工件自旋转磨削加工时，在轴向和径向磨削力作用下，砂轮与工件底孔圆环端面内孔口接触振动严重，易导致磨削过程中磨杆振颤严重，造成砂轮破碎，引起磨削过程失稳，造成零件报废，严重限制了大深径比零件内孔圆环端面磨削加工效率，并存在严重安全隐患等问题，实现了大深径比零件内孔圆环端面精密高效加工，极大的提高了加工效率，降低加工过程对操作者技术水平的依赖，降低了工人的劳动强度，保证了产品质量，降低废品率，且零件加工质量一致性好，易于实现自动化。
(2)本发明的大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，避免了该类零件底孔圆环端面自旋转加工方法中，由于细长磨杆刚性差，磨杆受轴向力弯曲变形大，且磨削过程中法向磨削力不过砂轮中心，导致砂轮相对回转轴线倾斜引起砂轮与零件底孔圆环端面内孔口干涉，引起磨杆及砂轮振动，导致砂轮脱落或破碎严重的问题，从而保证磨杆的使用性能和寿命，并极大的提高了砂轮使用寿命及加工过程的稳定性，实现了大深径比内孔圆环端面精密高效自动化磨削加工。
附图说明
图1为本发明实施例的测量-加工一体化数控深孔磨床示意图。
图2为本发明实施例的大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的过程路线图。图(a)为底孔圆环端面处同轴孔磨削加工示意图，图(b)为砂轮修整后同轴孔磨削加工示意图，图(c)为同轴孔孔底的Z向坐标测量示意图，图(d)为同轴孔孔壁磨削去除示意图，图(e)为砂轮修整后底孔圆环端面光整加工示意图，图(f)为底孔圆环端面的Z向坐标测量示意图。
图3为本发明实施例的大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法的流程图。
图中：1床身，2Z轴工作台，3工件，4中心架，5砂轮，6磨杆，7X轴工作台，8测杆，9测针，10三爪卡盘，11主轴箱，12电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，基于图1所示的测量-加工一体化数控深孔磨床实现，该磨床包括床身1、Z轴工作台2、中心架4、磨杆6、X工作台7、测杆8、三爪卡盘10、主轴箱11、电机12。所述的X轴工作台7、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6一端通过涨紧套夹紧固定在X轴工作台7上，另一端与砂轮5连接，测杆8一端通过涨紧套夹紧固定在X轴工作台7上，另一端与测针9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10连接，三爪卡盘10通过主轴箱11与电机12连接，工件3另一端由中心架4支撑。
大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、开启机床，安装工件3和砂轮5，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、砂轮修整：控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并记录砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值Z21。
S3、确定砂轮5与测针9间轴向相对位置关系：控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动使砂轮5右端面接触到工件3左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z0，然后控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动使测针9接触到工件3左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z3，计算得砂轮5与测针9间轴向相对位置关系：ΔZ＝Z0-Z3。
S4、控制机床X轴工作台7运动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到内孔端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1＝Z0-180，其中，X1为测针9球头中心与工件3回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，0.5mm≤Δ1≤1mm，D1为工件3底孔圆环端面内孔的孔径。
S5、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L，最后控制Z工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，X0为砂轮5轴线和工件3回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，10mm/min≤fa≤100mm/min，L为工件3图纸上底孔圆环端面与工件3左端面间的公称尺寸。
S6、控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并将砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S7、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S8、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到底孔圆环端面处同轴孔孔底，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S9、判断L-Z4+Z3≤30μm是否成立，是，执行步骤S10，否，执行步骤S6。
S10、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21。
S11、控制机床X轴工作台7以速度F1运动至坐标然后控制机床Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1，其中，10≤F1≤100mm/min，D0为杯型砂轮5内圆面直径，D2为工件3图纸上底孔圆环端面外径。
S12、控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并将砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S13、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1，其中，1mm≤Δ2≤2mm。
S14、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S15、如果L+EI≤Z4-Z3≤L+ES，则执行步骤S16，否则，执行步骤S12。
S16、完成磨削加工。
实施例1
S1、开启机床，安装工件3和砂轮5，确认机床工作状态及加工程序正常。
S2、砂轮修整：控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并记录砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值Z21。
S3、确定砂轮5与测针9间轴向相对位置关系：控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动使砂轮5右端面接触到工件3左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z0，然后控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动使测针9接触到工件3左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z3，计算得砂轮5与测针9间轴向相对位置关系：ΔZ＝Z0-Z3。
S4、控制机床X轴工作台7运动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1＝Z0-180，其中，X1为测针9球头中心与工件3回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，Δ1＝1mm，D1为工件3底孔圆环端面内孔的孔径。
S5、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa＝80mm/min运动至坐标Z0+L，最后控制Z工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，X0为砂轮5轴线和工件3回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，L为工件3图纸上底孔圆环端面与工件3左端面间的公称尺寸。
S6、控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并将砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S7、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa＝80mm/min运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S8、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到底孔圆环端面处同轴孔孔底，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S9、判断L-Z4+Z3≤30μm是否成立，是，执行步骤S10，否，执行步骤S6。
S10、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标X0，Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa＝80mm/min运动至坐标Z0+L+Z22-Z21。
S11、控制机床X轴工作台7以速度F1＝60mm/min运动至坐标然后控制机床Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1，其中，D0为杯型砂轮5内圆面直径，D2为工件3图纸上底孔圆环端面外径。
S12、控制机床X轴工作台7和Z轴工作台2移动进行砂轮5端面修整，并将砂轮5修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S13、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1，其中，Δ2＝1.5mm。
S14、控制机床X轴工作台7快速移动至坐标Z轴工作台2轴向进给，使测针9接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台2快速移动至Z向安全位Z1。
S15、如果L+EI≤Z4-Z3≤L+ES，则执行步骤S16，否则，执行步骤S12。
S16、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 (1)

1.大长径比弱刚性磨杆磨削圆环端面的加工方法，其特征在于，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、砂轮修整：控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并记录砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值Z21；
S3、确定砂轮与测针间轴向相对位置关系：控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动使砂轮右端面接触到工件左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z0，然后控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动使测针接触到工件左端面，并记录此时机床Z轴光栅坐标值Z3，计算得砂轮与测针间轴向相对位置关系：ΔZ＝Z0-Z3；
S4、控制机床X轴工作台运动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1＝Z0-180，其中，X1为测针球头中心与工件回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，0.5mm≤Δ1≤1mm，D1为工件底孔圆环端面内孔的孔径；
S5、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L，最后控制Z工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，X0为砂轮轴线和工件回转轴线重合时，机床X轴光栅坐标值，10mm/min≤fa≤100mm/min，L为工件图纸上底孔圆环端面与工件左端面间的公称尺寸；
S6、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并将砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1；
S7、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1；
S8、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面处同轴孔孔底，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1；
S9、判断L-Z4+Z3≤30μm是否成立，是，执行步骤S10，否，执行步骤S6；
S10、控制机床X轴工作台快速移动至坐标X0，Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21；
S11、控制机床X轴工作台以速度F1运动至坐标然后控制机床Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，10≤F1≤100mm/min，D0为杯型砂轮内圆面直径，D2为工件图纸上底孔圆环端面外径；
S12、控制机床X轴工作台和Z轴工作台移动进行砂轮端面修整，并将砂轮修整完成时机床Z轴光栅坐标值记为Z22，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1；
S13、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台快速移动至坐标Z4+ΔZ-Δ1，然后以速度fa运动至坐标Z0+L+Z22-Z21，最后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1，其中，1mm≤Δ2≤2mm；
S14、控制机床X轴工作台快速移动至坐标Z轴工作台轴向进给，使测针接触到底孔圆环端面，并将此时机床Z轴光栅坐标值记为Z4，然后控制Z轴工作台快速移动至Z向安全位Z1；
S15、如果L+EI≤Z4-Z3≤L+ES，则执行步骤S16，否则，执行步骤S12；
S16、完成磨削加工。
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