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      南通第二機床有限公司

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      數控超高速外圓磨床

      發布時間:2019/7/26
        (1)研究背景針對工程陶瓷、硬質合金等超硬材料和鈦合金、不銹鋼、鎳基鐵氧體材料等粘性材料的軸類零件的精密加工存在的問題,湖南大學近年來致力于研發砂輪線速度最高達150。250m/s的超高速數控外圓磨床,開展了對難加工材料軸類零件超高速精密磨削裝備關鍵技術的研究,創新開發超高速砂輪恒壓預緊補償技術、高阻尼無腔鑄石床身設計技術、高剛性圓柱內節流液體靜壓直線導軌技術、超高速磨削在線電解修銳技術和難加工材料磨削工藝技術,研制我國具有知識產權的適應不同類型難加工材料軸類零件加工的數控裝備,有效地解決了難加工材料的技術瓶頸問題,使加工精度、質量和效率得到了極大提高。
        (2)磨床的功能與解決的關鍵技術問題
        1)解決難加工材料的低成本加工問題。由于超高速磨削材料的極高應變率(可達10-10~8-),磨屑在絕熱剪切狀態下形成,材料去除機理發生轉變,因此許多脆性及粘性金屬等傳統意義上的難加工材料變得容易加工。
        2)解決工件加工受力變形問題。當主要目的不是為了提高生產率時,由于磨削厚度小:法向磨削力相應減小,從而有利于剛度較差工件加工精度的提高。在磨削深度相同時,磨削速度為250m/s時的磨削力比磨削速度為120m/s時的磨削力降低50%。
        3)解決砂輪使用壽命短的問題。由于每顆磨粒的負荷減小,磨粒磨削時間相應延長,提高了砂輪使用壽命。磨削效率一定時,磨削速度為200m/s時砂輪的壽命則是80m/s時的7.8倍。
        4)解決磨削表面質量差的問題。超高速磨削單個磨粒的磨削厚度變小,磨削劃痕淺,表面塑性隆起高度減小,表面粗糙度數值降低。
        5)解決生產率低下的問題。由于單位時間內作用的磨粒數增加,使材料比磨除率成倍增加,最高可達2000mm3/(mm.s),比普通磨削可提高30%~100%。
        (3)磨床主要技術參數
        ·砂輪最高線速度/(m/s) 150~250
        ·加工范圍:加工工件最大直徑/mm×長度/mm 4,200×500
        ·加工工件最大質量/kg 70
        ·磨床尺寸范圍(長/mm)×(寬/mm)×(高/mm) 約3500×1800×1800
        ·磨床質量/蠅 約5500
        ·磨削零件外圓尺寸精度/mm 小于等于0.005
        ·磨削零件圓度精度/mm 小于等于0.001
        ·圓柱體工件圓柱度誤差0.004/200
        ·磨削表面粗糙度/爐 R。小于等于0.16(R,小于等于0.63la,m)
        ·批量加工工序能力指數C。 大于等于1.33
        (4)磨床關鍵部件結構設計
        1)床身設計。在各功能部件高速運動時,磨床易產生振動,產生磨削振紋,影響磨削效果。床身采用聚酯礦物復合材料高阻尼整體無腔床身,避免磨床的共振,減小磨床振幅,具有良好的抗振性。
        2)砂輪主軸設計。砂輪架主軸系統采用動靜壓高速精密電主軸,其最高轉速可達12000r/min以上,回轉精度小于1um,以適應超高速精密磨削與強力磨削的需要。
        3)砂輪設計。平面磨床采用金屬基體陶瓷結合劑CBN超高速砂輪,以達到150~250m/s的砂輪線速度。
        4)砂輪緊固方式設計。在超高速磨削中,砂輪主軸轉速達10000r/min,在巨大的離心力的作用下,砂輪的定位錐孔會產生“擴張”的現象,使其原有的定位方式失效。必須設計新的適合于超高速外圓磨削的砂輪。為解決此問題,可以設計無中心錐孔以端面及外圓定位的緊固方式或設計砂輪恒壓預緊補償裝置來保持_定的預緊力,當砂輪定位錐孔發生擴張時,自動增大壓力,使砂輪自動與主軸緊密貼合在一起,防止砂輪松動;也可以改變砂輪的安裝緊固方式,適應超高速磨削的需要。
        5)砂輪動平衡設計。普通磨削砂輪只要求靜平衡既可以滿足要求。超高速條件下,砂輪的靜平衡被打破,磨床主軸系統需安裝砂輪在線自動平衡裝置以保持主軸和砂輪的動平衡。
        6)導軌設計。砂輪架進給導軌采用靜壓導軌,具有高精度、高剛性、高靈敏度和優良的低速性能與變速移動適應性,并能有效地吸收一部分機械振動能,有利于消除低速爬行現象,提高磨削質量。相對于壓力卸荷導軌,它又能顯著地提高導軌副的剛度,實現無機械磨損的直線運動,提高磨床精度保持性。
        7)砂輪進給設計。砂輪架進給機構采用直線伺服電動機單元,能實現精確的定位與快速響應,最大限度地減少系統跟隨誤差,提高磨削加工精度。
        8)工作臺進給設計。磨床的工作臺移動軸(z軸)采用交流旋轉伺服電動機+精密滾珠絲杠的結構形式。
        9)頭架主軸設計。工件頭架軸的旋轉運動采用伺服電動機通過精密彈性聯軸器直接驅動主軸的結構形式,即所謂“零傳動”的形式,以避免在工件主軸與砂輪進給聯動對傳動誤差對加工精度的影響,實現外圓磨對非規則形狀軸類零件的加工。 ‘
        10)砂輪修整器設計。為保持精密磨削時砂輪的磨削狀態基本一致,取得較好的加工效果,砂輪修整采用在線電火花整形、在線電解修銳(ELID)方式。傳統的ELID砂輪修整方式適用于低速、精密磨削方式。在超高速磨削條件下ELID進程控制策略發生了根本變化,磨床建立超高速外圓磨削砂輪在線電解修銳穩定磨削階段的ELID進程控制策略,以保持砂輪磨粒突出高度始終不變為控制條件,構建電解參數與磨削工藝參數之間的數學模型,通過設置適當的電解參數來確保砂輪磨粒磨損與結合劑電解去除的動態平衡,保持磨削效果的一致性。
        11)磨床控制系統設計。磨床數控系統選用高精度全數字模塊化信號數控系統。具有數字式閉環驅動控制功能,同時有強大的編程功能,適用于復雜零件的加工。同時,采用高精度光柵作為位置反饋元件,采用主動在線測量儀控制磨削進程,采用聲發射傳感器有效地消除磨削空程,防止意外碰撞,提高表面磨削質量,縮短磨削時間。
        12)冷卻系統設計。泠卻系統由于超高速磨削時砂輪周圍形成一層高速氣流,阻止磨削液進入磨削區,為了達到有效的冷卻作用,對冷卻噴嘴的形狀、位置需特殊設計,并采用高壓冷卻的方式,以達到最好的冷卻效果。
        13)防護系統設計。防護系統采用全封閉、強制抽氣設計,留有足夠的富余防護能力以保護人員和磨床的安全,并防止高壓磨削液的飛濺對人員和環境的污染;同時在防護罩內形成負壓,防止高壓磨削液在磨削過程形成的氣霧擴散(圖1)。
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