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数控超高速外圆磨床

发布时间:2019-7-26
  (1)研究背景针对工程陶瓷、硬质合金等超硬材料和钛合金、不锈钢、镍基铁氧体材料等粘性材料的轴类零件的精密加工存在的问题,湖南大学近年来致力于研发砂轮线速度最高达150。250m/s的超高速数控外圆磨床,开展了对难加工材料轴类零件超高速精密磨削装备关键技术的研究,创新开发超高速砂轮恒压预紧补偿技术、高阻尼无腔铸石床身设计技术、高刚性圆柱内节流液体静压直线导轨技术、超高速磨削在线电解修锐技术和难加工材料磨削工艺技术,研制我国具有知识产权的适应不同类型难加工材料轴类零件加工的数控装备,有效地解决了难加工材料的技术瓶颈问题,使加工精度、质量和效率得到了极大提高。
  (2)磨床的功能与解决的关键技术问题
  1)解决难加工材料的低成本加工问题。由于超高速磨削材料的极高应变率(可达10-10~8-),磨屑在绝热剪切状态下形成,材料去除机理发生转变,因此许多脆性及粘性金属等传统意义上的难加工材料变得容易加工。
  2)解决工件加工受力变形问题。当主要目的不是为了提高生产率时,由于磨削厚度小:法向磨削力相应减小,从而有利于刚度较差工件加工精度的提高。在磨削深度相同时,磨削速度为250m/s时的磨削力比磨削速度为120m/s时的磨削力降低50%。
  3)解决砂轮使用寿命短的问题。由于每颗磨粒的负荷减小,磨粒磨削时间相应延长,提高了砂轮使用寿命。磨削效率一定时,磨削速度为200m/s时砂轮的寿命则是80m/s时的7.8倍。
  4)解决磨削表面质量差的问题。超高速磨削单个磨粒的磨削厚度变小,磨削划痕浅,表面塑性隆起高度减小,表面粗糙度数值降低。
  5)解决生产率低下的问题。由于单位时间内作用的磨粒数增加,使材料比磨除率成倍增加,最高可达2000mm3/(mm.s),比普通磨削可提高30%~100%。
  (3)磨床主要技术参数
  ·砂轮最高线速度/(m/s) 150~250
  ·加工范围:加工工件最大直径/mm×长度/mm 4,200×500
  ·加工工件最大质量/kg 70
  ·磨床尺寸范围(长/mm)×(宽/mm)×(高/mm) 约3500×1800×1800
  ·磨床质量/蝇 约5500
  ·磨削零件外圆尺寸精度/mm 小于等于0.005
  ·磨削零件圆度精度/mm 小于等于0.001
  ·圆柱体工件圆柱度误差0.004/200
  ·磨削表面粗糙度/炉 R。小于等于0.16(R,小于等于0.63la,m)
  ·批量加工工序能力指数C。 大于等于1.33
  (4)磨床关键部件结构设计
  1)床身设计。在各功能部件高速运动时,磨床易产生振动,产生磨削振纹,影响磨削效果。床身采用聚酯矿物复合材料高阻尼整体无腔床身,避免磨床的共振,减小磨床振幅,具有良好的抗振性。
  2)砂轮主轴设计。砂轮架主轴系统采用动静压高速精密电主轴,其最高转速可达12000r/min以上,回转精度小于1um,以适应超高速精密磨削与强力磨削的需要。
  3)砂轮设计。平面磨床采用金属基体陶瓷结合剂CBN超高速砂轮,以达到150~250m/s的砂轮线速度。
  4)砂轮紧固方式设计。在超高速磨削中,砂轮主轴转速达10000r/min,在巨大的离心力的作用下,砂轮的定位锥孔会产生“扩张”的现象,使其原有的定位方式失效。必须设计新的适合于超高速外圆磨削的砂轮。为解决此问题,可以设计无中心锥孔以端面及外圆定位的紧固方式或设计砂轮恒压预紧补偿装置来保持_定的预紧力,当砂轮定位锥孔发生扩张时,自动增大压力,使砂轮自动与主轴紧密贴合在一起,防止砂轮松动;也可以改变砂轮的安装紧固方式,适应超高速磨削的需要。
  5)砂轮动平衡设计。普通磨削砂轮只要求静平衡既可以满足要求。超高速条件下,砂轮的静平衡被打破,磨床主轴系统需安装砂轮在线自动平衡装置以保持主轴和砂轮的动平衡。
  6)导轨设计。砂轮架进给导轨采用静压导轨,具有高精度、高刚性、高灵敏度和优良的低速性能与变速移动适应性,并能有效地吸收一部分机械振动能,有利于消除低速爬行现象,提高磨削质量。相对于压力卸荷导轨,它又能显著地提高导轨副的刚度,实现无机械磨损的直线运动,提高磨床精度保持性。
  7)砂轮进给设计。砂轮架进给机构采用直线伺服电动机单元,能实现精确的定位与快速响应,最大限度地减少系统跟随误差,提高磨削加工精度。
  8)工作台进给设计。磨床的工作台移动轴(z轴)采用交流旋转伺服电动机+精密滚珠丝杠的结构形式。
  9)头架主轴设计。工件头架轴的旋转运动采用伺服电动机通过精密弹性联轴器直接驱动主轴的结构形式,即所谓“零传动”的形式,以避免在工件主轴与砂轮进给联动对传动误差对加工精度的影响,实现外圆磨对非规则形状轴类零件的加工。 ‘
  10)砂轮修整器设计。为保持精密磨削时砂轮的磨削状态基本一致,取得较好的加工效果,砂轮修整采用在线电火花整形、在线电解修锐(ELID)方式。传统的ELID砂轮修整方式适用于低速、精密磨削方式。在超高速磨削条件下ELID进程控制策略发生了根本变化,磨床建立超高速外圆磨削砂轮在线电解修锐稳定磨削阶段的ELID进程控制策略,以保持砂轮磨粒突出高度始终不变为控制条件,构建电解参数与磨削工艺参数之间的数学模型,通过设置适当的电解参数来确保砂轮磨粒磨损与结合剂电解去除的动态平衡,保持磨削效果的一致性。
  11)磨床控制系统设计。磨床数控系统选用高精度全数字模块化信号数控系统。具有数字式闭环驱动控制功能,同时有强大的编程功能,适用于复杂零件的加工。同时,采用高精度光栅作为位置反馈元件,采用主动在线测量仪控制磨削进程,采用声发射传感器有效地消除磨削空程,防止意外碰撞,提高表面磨削质量,缩短磨削时间。
  12)冷却系统设计。泠却系统由于超高速磨削时砂轮周围形成一层高速气流,阻止磨削液进入磨削区,为了达到有效的冷却作用,对冷却喷嘴的形状、位置需特殊设计,并采用高压冷却的方式,以达到最好的冷却效果。
  13)防护系统设计。防护系统采用全封闭、强制抽气设计,留有足够的富余防护能力以保护人员和磨床的安全,并防止高压磨削液的飞溅对人员和环境的污染;同时在防护罩内形成负压,防止高压磨削液在磨削过程形成的气雾扩散(图1)。