CN112917340A - 一种基于elid磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床 - Google Patents

一种基于elid磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，主要包括由工作台模块、进给平台模块、ELID磨削精密加工模块、ELID磨削超精密加工模块、砂轮电火花修形模块、电磁装夹模块、端面修整模块、上下料模块、冷却过滤模块、控制系统模块、检测模块十一部分。本发明在工作时具有在位电火花整形和在线ELID电解修锐的特点，能够通过一次装卡完成对轴承滚道的ELID磨削精密加工、ELID磨削超精密加工，并对加工中重要模块进行在位检测。机床可靠的定位精度和进给精度与ELID磨削中砂轮微去除作用的量化积累的优化组合，能实现轴承滚道精密和超精密加工两道工序间递进量级的恒定和对工序余量精准递进式的去除，保证零件具有高的加工精度、加工效率及加工一致性。

Description

一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床
技术领域
本发明涉及一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，属于精密超精密成形磨削加工技术领域。
背景技术
目前，轴承滚道加工多数以树脂结合剂砂轮磨削和油石研磨为主要加工手段的轴承滚道加工工艺存在着加工磨具(树脂结合剂砂轮和油石)在加工中自身尺寸变化大、损耗严重的致命缺陷，从而导致加工精度和表面质量一致性难以保证。直接影响着零件的性能及使用寿命，成为我国轴承制造业发展的一个瓶颈，严重影响着我国轴承产品在国际同行业中的竞争力。
在线电解修整(ELID)金属结合剂超硬磨料砂轮精密磨削技术，是指在磨削过程中，利用非线性电解作用和金属结合剂在砂轮表层形成氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对砂轮进行连续修锐，使砂轮超微细粒度的磨粒获得恒定的突出量，实现对磨削加工表面的微去除；微进给和光磨时，砂轮表面生成的氧化膜中蕴含着大量游离态脱落磨粒，形成弹性研抛层，可对加工表面继续进行高速、稳定、柔性压力作用下的研磨和抛光加工。同时离子级的电解去除作用对砂轮的尺寸影响微乎其微，砂轮形状精度能够长期保持不变，磨削过程稳定、可控，能够实现纳米级加工。
该技术砂轮形状精度保持性好，修锐过程在线、加工余量精准可控，可实现精准递进精密成型磨削加工，克服了传统磨削加工中模具尺寸变化无法控制导致递进加工精度模糊不准，精度难以保证的缺陷，满足产品对尺寸一致性和表面质量的要求(不用频繁更换砂轮，加工效率高，成本低，砂轮自损小)。
发明内容
基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床由工作台模块、进给平台模块、ELID磨削精密加工模块、ELID磨削超精密加工模块、砂轮电火花修形模块、电磁装夹模块、端面修整模块、上下料模块、冷却过滤模块、控制系统模块、检测模块十一部分组成。
所述工作台模块固定在床身前侧，包括工件放置台、磨削工作台和检测工作台，位置由左及右依次排列，用于支承相关功能模块。
所述进给平台模块主要包括第一平台、可进行x向进给的第二平台和第三平台、可进行y向进给的第四平台和第五平台。通过控制系统驱动可实现加工进给运动。
所述ELID磨削精密加工模块和ELID磨削超精密加工模块通过螺栓连接固定在磨削工作台的左侧，主要包括铁基金刚石砂轮、在线电解修锐电极、间隙调节螺钉、高速电主轴以及脉冲电源组成。电解液由电解修锐电极上方入口注入，均匀喷洒在电解间隙内，使在线电解修锐电极与铁基金刚石砂轮间形成闭环的电解回路。
所述砂轮电火花修形模块固定在数控系统控制的进给第二平台上，可进行x、y向进给运动。主要包括高速电主轴、脉冲电源、紫铜轮电火花修形电极及其修形装置，可以对ELID磨削用铁基金刚石砂轮进行精密电火花加工修形。
所述电磁装夹模块固定在进给第一平台上，可进行x、y向进给运动。主要包括夹具体、电磁吸盘、定位支承架、树脂砂轮端面修整装置三部分，用于工件的定位装夹。
所述上下料模块位于床身右侧，上下料模块主要包括龙门式xz十字向复合进给平台和旋转机械手，通过旋转机械手的抓取与旋转实现工件上下料。
所述端面修整模块固定在磨削工作台右侧，主要包括树脂砂轮、高速电主轴，树脂砂轮安装在高速电主轴输出端一侧，可对电磁吸盘端面进行修整。
所述检测模块主要包括轴承滚道尺寸精度检测装置、修锐电流检测装置和紫铜电极轮廓曲线检测装置。
所述控制系统模块位于床身的左侧，包含ELID磨削控制系统和机床伺服控制系统，可实现对ELID磨削状态和机床的运动状态的精准控制。
冷却过滤模块安装在床身外，位于ELID磨削精密加工模块、ELID磨削超精密加工模块后方的位置。包括电火花加工液过滤装置和ELID专用电解磨削液过滤装置，能分别对磨削液和加工液进行去杂质、冷却过滤。
与现有技术相比，本发明的创新在于：本发明采用模块化数控组合机床设计理念，以ELID磨削技术为核心，将各个具有不同结构功能的模块集中到一起完成轴承滚道一次性装夹的超精密磨削加工，可取代传统的油石超精加工。整机包括工作台模块、进给平台模块、ELID磨削精密加工模块、ELID磨削超精密加工模块、砂轮电火花修形模块、电磁装夹模块、端面修整模块、上下料模块、冷却过滤模块、控制系统模块、检测模块。本发明能一次装卡实现对高端轴承滚道的ELID磨削精密加工、ELID磨削超精密加工及砂轮的在位电火花整形和在线ELID电解修锐，并对加工中重要模块进行在位检测，该机床由数控系统控制各个模块的运行，具有高自动化程度，对各个模块的精准控制能够实现对轴承滚道的精准递进式精密超精密磨削加工，保证零件具有高的加工精度、加工效率及加工一致性。
附图说明
图1是基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床整体结构图。
图2是ELID磨削精密加工模块、ELID磨削超精密加工模块结构图。
图3是砂轮电火花修形模块结构图。
图4是电磁装夹模块结构图。
图5是上下料模块结构图。
图6是端面修整模块结构图。
图7是冷却过滤模块结构图。
图8是基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形机床工作流程图。
图中：工作台模块(1-工件放置台、2-磨削工作台、3-检测工作台)、进给平台模块(4-第一平台、5-第二平台、6-第三平台、7-第四平台、8-第五平台)、9-ELID磨削精密加工模块、10-ELID磨削超精密加工模块、11-砂轮电火花修形模块、12-电磁装夹模块、13-端面修整模块、14上下料模块、15-冷却过滤模块、16-控制系统模块、检测模块(17-轴承滚道尺寸精度检测装置、18-砂轮电火花修形轮廓曲线检测装置)、19-修形装置、20-脉冲电源、21-床身、22-铁基金刚石砂轮、23-电解修锐电极、24-间隙调节螺钉、25-高速电主轴、26-修形用高速电主轴、27-紫铜轮电火花修形电极、28-金刚石车刀、29-刀架、30-夹具体、31-电磁吸盘、32定为支撑架、33-树脂砂轮端面修整装置、34-龙门式xz十字向复合进给平台、35旋转机械手、36-树脂砂轮、37-高速电主轴2、38-电火花加工液过滤装置、39-ELID磨削液过滤装置、40-电磁过滤箱、41-物理过滤箱、42-化学过滤箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-7所示，基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床由工作台模块、进给平台模块、ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)、砂轮电火花修形模块(11)、电磁装夹模块(12)、端面修整模块(13)、上下料模块(14)、冷却过滤模块(15)、控制系统模块(16)、检测模块十一部分组成。
所述工作台模块固定在床身(21)前侧，包括工件放置台(1)、磨削工作台(2)和检测工作台(3)，位置由左及右依次排列。
所述进给平台模块主要包括第一平台(4)、可进行x向进给的第二平台(5)和第三平台(6)、可进行y向进给的第四平台(7)和第五平台(8)。第一平台(4)固定在床身(21)后侧，第二平台(5)和第三平台(6)分别经滚珠丝杠副与第一平台(4)连接，第四平台(7)和第五平台(8)分别经滚珠丝杠副与第二平台(5)和第三平台(6)连接。电磁装夹模块(12)、砂轮电火花修形模块(11)使用螺栓连接固定在第四平台(7)和第五平台(8)上，通过数控控制系统调节电动机转速驱动滚珠丝杠实现电磁磁装夹模块(12)、砂轮电火花修形模块(11)的x、y向复合进给运动。
所述ELID磨削精密加工模块(9)和ELID磨削超精密加工模块(10)(4)通过螺栓连接固定在磨削工作台((2)的左侧，主要包括铁基金刚石砂轮(22)、在线电解修锐电极(23)、间隙调节螺钉(24)、高速电主轴(25)以及脉冲电源(20)组成。铁基金刚石砂轮(22)安装在高速电主轴(25)输出端一侧，与脉冲电源(20)正极相连；弧线与砂轮磨削表面相吻合的在线电解修锐电极(23)安装在砂轮侧面，与脉冲电源(20)负极相连，可通过间隙调节螺钉(24)调节在线电解修锐电极(23)和铁基金刚石砂轮(22)之间的电解间隙，电解液由电解修锐电极上方入口注入，均匀喷洒在电解间隙内，使在线电解修锐电极(23)与铁基金刚石砂轮(22)间形成闭环的电解回路。
所述砂轮电火花修形模块(11)固定在数控系统控制的进给第二平台(5)上，主要包括高速电主轴(26)、脉冲电源(20)、紫铜轮电火花修形电极(27)及其修形装置(19)，紫铜轮电火花修形电极安装在高速电主轴(26)上，与脉冲电源(20)负极连接；修形装置包括金刚石车刀(28)与刀架(29)，刀架(29)固定在床身(21)上，位置与紫铜轮电火花修形电极(27)并列，金刚石车刀(28)使用沉头螺钉固定在刀架上。
所述电磁装夹模块(12)固定在进给第一平台(4)上，主要包括夹具体(30)、电磁吸盘(31)、定位支承架(32)、树脂砂轮端面修整装置(33)三部分，电磁吸盘(31)安装在夹具体(30)一侧，定位支撑架(32)在电磁吸盘(31)端面下方，通过沉头螺钉固定在夹具体(30)上，树脂砂轮端面修整装置(33)固定在夹具体(30)右侧。
所述上下料模块(14)位于床身(21)右侧，上下料模块(14)主要包括龙门式xz十字向复合进给平台(34)和旋转机械手(35)，旋转机械手(35)安装在z向进给平台的底部，通过旋转机械手(35)的抓取与旋转实现工件上下料。
所述端面修整模块(13)固定在磨削工作台(2)右侧，主要包括树脂砂轮(36)、高速电主轴(37)，树脂砂轮(36)安装在高速电主轴(37)输出端一侧。
所述检测模块(17、18)主要包括，轴承滚道尺寸精度检测装置(17)、修锐电流检测装置和紫铜电极轮廓曲线检测装置(18)。轴承滚道精度检测装置(17)固定在工件放置台(1)右侧，修锐电流检测装置装备在ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)一侧。紫铜电极轮廓曲线检测装置(18)安装在检测工作台(3)上。
所述控制系统模块(16)位于床身(21)的左侧，包含ELID磨削控制系统、机床伺服控制系统，控制系统模块(16)与砂轮电火花修形模块(11)、ELID精密磨削加工模块(9)、ELID超精密磨削加工模块(10)、冷却过滤模块(15)、检测模块(17、18)、上下料模块(14)相互连接，可实现对ELID磨削状态和机床的运动状态的精准控制。
冷却过滤模块(15)安装在床身(21)外，位于ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)后方的位置。包括电火花加工液过滤装置(38)和ELID磨削液过滤装置(39)。ELID磨削液过滤装置(38)由上至下又包括电磁过滤箱(40)、物理过滤箱(41)和化学过滤箱(42)。
上述ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床的结构，能实现轴承滚道精密超精密磨削加工，如下图8所示，具体过程为：启动机床后，机床控制系统(16)驱动承载砂轮电火花修形模块(11)的第三平台(6)、第五平台(8)进给至紫铜轮电火花修形电极(27)与金刚石车刀(28)对刀位置，数控系统控制进给运动模块走刀完成对紫铜轮电火花修形电极(27)曲线轮廓的精密车削加工。同时承载电磁装夹模块(12)的第二平台(5)、4进给至端面修整模块(13)处，先利用电磁装夹模块(12)中的端面修整装置(33)对树脂砂轮(37)的端面进行车削修整，后利用碗型树脂砂轮(37)端面对电磁吸盘(30)装夹面进行端面修整，以此修整面作为工件的装夹基准。电磁吸盘(30)、紫铜轮电火花修形电极(27)修形、修整结束后，第二平台(5)承载着电磁装夹模块(12)的沿y向进给至上下料模块(14)所在位置处,上下料模块(14)中的xz十字向滑台带动机械手(35)进给到工件放置台(1)处，抓取轴承套圈并90度旋转经支撑架定位在电磁吸盘(30)端面，电磁吸盘(30)通电上磁，完成工件上料。同时承载着砂轮电火花修形模块(11)的第三平台(6)、5进给至ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)处，先后对精加工和超精加工用铁基金钢石砂轮(22)进行在位电火花精密修形。启动ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)，对两模块中的铁基金刚石砂轮(22)进行在线电解预修锐，使砂轮表面获得磨粒突出量和容屑空间。修锐完成后，载有轴承套圈的电磁装夹模块(12)先后进给至ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)处，启动精磨、超精磨工序，采用预修锐后的砂轮对轴承套圈表面进行ELID精密和超精密磨削加工。
机床中ELID磨削精密加工模块(9)和ELID磨削超精密加工模块(10)中铁基金刚石砂轮(22)具有形状保持性好的特点，利用ELID磨削技术对铁基金刚石砂轮(22)进行在线电解修锐，能够使砂轮中磨粒在磨削时始终保持锋利状态，可实现微细和超微细粒度的铁基砂轮在磨削加工中的微去除。高档机床设备的高精度以及检测模块的误差补偿能使控制系统输入进给量与机床实际输出进给量保持良好的吻合。ELID磨削中砂轮微去除作用的量化积累与机床可靠的定位精度和进给精度的优化组合，可实现轴承滚道精密和超精密加工两道工序间递进量级的恒定和对工序余量精准递进式的去除，即ELID磨削精准递进精密成型磨削加工。
本机床所具备的检测功能如下：砂轮电火花修形轮廓曲线检测装置(18)主要用于检测车削后的紫铜电火花修形电极(27)的轮廓精度，并把轮廓误差反馈给系统进行误差补偿，使修形紫铜电极的轮廓能够通过砂轮电火花修形准确地复制到铁基金刚石(22)砂轮表面。轴承滚道尺寸精度检测装置(17)主要对已加工后的轴承滚道的尺寸精度进行批量检测，判断零件尺寸一致性是否合格。修锐电流检测装置可通过电流传感器将修锐电流大小即时反馈，以调整修锐时砂轮与电极间隙至最佳的磨削状态。

Claims (5)

1.一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，其特征在于：该磨削机床由工作台模块、进给平台模块、ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)、砂轮电火花修形模块(11)、电磁装夹模块(12)、端面修整模块(13)、上下料模块(14)、冷却过滤模块(15)、控制系统模块(16)和检测模块组成；
所述工作台模块固定在床身(21)侧部，包括工件放置台(1)、磨削工作台(2)和检测工作台(3)，顺次排列；
所述进给平台模块包括第一平台(4)、第二平台(5)、第三平台(6)、第四平台(7)和第五平台(8)；第二平台(5)和第三平台(6)能够进行x向进给，第四平台(7)和第五平台(8)能够进行y向进给，第一平台(4)固定在床身(21)后侧，第二平台(5)和第三平台(6)分别经滚珠丝杠副与第一平台(4)连接，第四平台(7)和第五平台(8)分别经滚珠丝杠副与第二平台(5)和第三平台(6)连接；电磁装夹模块(12)、砂轮电火花修形模块(11)使用螺栓连接固定在第四平台(7)和第五平台(8)上，通过数控控制系统调节电动机转速驱动滚珠丝杠实现电磁磁装夹模块(12)、砂轮电火花修形模块(11)的x、y向复合进给运动；
所述ELID磨削精密加工模块(9)和ELID磨削超精密加工模块(10)通过螺栓并行固定在磨削工作台(2)的侧部，ELID磨削精密加工模块(9)和ELID磨削超精密加工模块(10)结构相同，均包括铁基金刚石砂轮(22)、在线电解修锐电极(23)、间隙调节螺钉(24)、高速电主轴(25)以及脉冲电源(20)；铁基金刚石砂轮(22)安装在高速电主轴(25)输出端一侧，与脉冲电源(20)正极相连；弧线与砂轮磨削表面相吻合的在线电解修锐电极(23)安装在砂轮侧面，与脉冲电源(20)负极相连，通过间隙调节螺钉(24)调节在线电解修锐电极(23)和铁基金刚石砂轮(22)之间的电解间隙，电解液由电解修锐电极上方入口注入，均匀喷洒在电解间隙内，使在线电解修锐电极(23)与铁基金刚石砂轮(22)间形成闭环的电解回路；
所述砂轮电火花修形模块(11)固定在数控系统控制的进给第二平台(5)上，包括高速电主轴(26)、脉冲电源(20)、紫铜轮电火花修形电极(27)及其修形装置(19)，紫铜轮电火花修形电极(27)安装在高速电主轴(26)上与脉冲电源(20)的负极连接；修形装置(19)包括金刚石车刀(28)与刀架(29)，刀架(29)固定在床身(21)上，刀架(29)的位置与紫铜轮电火花修形电极(27)并列，金刚石车刀(28)使用沉头螺钉固定在刀架(29)上；
所述电磁装夹模块(12)固定在进给第一平台(4)上，包括夹具体(30)、电磁吸盘(31)、定位支承架(32)、树脂砂轮端面修整装置(33)三部分，电磁吸盘(31)安装在夹具体(30)一侧，定位支撑架(32)在电磁吸盘(31)端面下方，通过沉头螺钉固定在夹具体(30)上，树脂砂轮端面修整装置(33)固定在夹具体(30)侧部；
所述上下料模块(14)位于床身(21)右侧，上下料模块(14)包括龙门式xz十字向复合进给平台(34)和旋转机械手(35)，旋转机械手(35)安装在z向进给平台的底部，通过旋转机械手(35)的抓取与旋转实现工件上下料；
所述端面修整模块(13)固定在磨削工作台(2)侧部，包括树脂砂轮(36)、高速电主轴(37)，树脂砂轮(36)安装在高速电主轴(37)输出端一侧；
所述检测模块包括轴承滚道尺寸精度检测装置(17)、修锐电流检测装置和紫铜电极轮廓曲线检测装置(18)；轴承滚道精度检测装置(17)固定在工件放置台(1)侧部，修锐电流检测装置装备在ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)一侧；紫铜电极轮廓曲线检测装置(18)安装在检测工作台(3)上；
所述控制系统模块(16)位于床身(21)的一侧，包含ELID磨削控制系统、机床伺服控制系统，控制系统模块(16)与砂轮电火花修形模块(11)、ELID精密磨削加工模块(9)、ELID超精密磨削加工模块(10)、冷却过滤模块(15)、检测模块、上下料模块(14)相互连接，以实现对ELID磨削状态和机床的运动状态的精准控制；
冷却过滤模块(15)安装在床身(21)外部，位于ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)后方的位置；包括电火花加工液过滤装置(38)和ELID磨削液过滤装置(39)；ELID磨削液过滤装置(38)由上至下还包括电磁过滤箱(40)、物理过滤箱(41)和化学过滤箱(42)。
2.根据权利要求1所述的一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，其特征在于：
启动机床后，机床控制系统(16)驱动承载砂轮电火花修形模块(11)的第三平台(6)、第五平台(8)进给至紫铜轮电火花修形电极(27)与金刚石车刀(28)对刀位置，数控系统控制进给运动模块走刀完成对紫铜轮电火花修形电极(27)曲线轮廓的精密车削加工；
同时承载电磁装夹模块(12)的第二平台(5)、4进给至端面修整模块(13)处，先利用电磁装夹模块(12)中的端面修整装置(33)对树脂砂轮(37)的端面进行车削修整，后利用碗型树脂砂轮(37)端面对电磁吸盘(30)装夹面进行端面修整并作为工件的装夹基准。
3.根据权利要求1所述的一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，其特征在于：第二平台(5)承载着电磁装夹模块(12)的沿y向进给至上下料模块(14)所在位置处,上下料模块(14)中的xz十字向滑台带动机械手(35)进给到工件放置台(1)处，抓取轴承套圈并90度旋转经支撑架定位在电磁吸盘(30)端面，电磁吸盘(30)通电上磁，完成工件上料；
同时承载着砂轮电火花修形模块(11)的第三平台(6)、5进给至ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)处，分别对精加工和超精加工用铁基金钢石砂轮(1、2)进行在位电火花精密修形。
4.根据权利要求1所述的一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，其特征在于：启动ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)，对ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)中的铁基金刚石砂轮(22)进行在线电解预修锐，使砂轮表面获得磨粒突出量和容屑空间；
载有轴承套圈的电磁装夹模块(12)先后进给至ELID磨削精密加工模块(9)、ELID磨削超精密加工模块(10)处，启动精磨、超精磨工序，采用预修锐后的砂轮对轴承套圈表面进行ELID精密和超精密磨削加工。
5.根据权利要求1所述的一种基于ELID磨削的轴承滚道精准递进精密成形磨削机床，其特征在于：
砂轮电火花修形轮廓曲线检测装置(18)用于检测车削后的紫铜电火花修形电极(27)的轮廓精度，并把轮廓误差反馈给系统进行误差补偿，使修形紫铜电极的轮廓能够通过砂轮电火花修形准确地复制到铁基金刚石砂轮(22)表面；轴承滚道尺寸精度检测装置(17)对轴承滚道的尺寸精度检测，判断零件是否合格；修锐电流检测装置通过电流传感器将修锐电流大小即时反馈，以调整修锐时砂轮与电极间隙至最佳的磨削状态。
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