數(shù)控超高速非圓輪廓磨床
1．研究背景
在現(xiàn)代機械產(chǎn)品中，各種非圓柱體輪廓零件得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如傳動軸中的多邊形軸、軋機中的軋輥軸、發(fā)動機中的凸輪等等。此類零件有著共同的特點，一是形狀不規(guī)則，用普通機床難于完成加工，二是大多屬于細長形結(jié)構(gòu)，本身剛性差、易變形。這兩點限制了它的加工工藝性，由于此類零件量大、面廣，研制適合此類零件高效高精加工的超高速磨床具有實際應(yīng)用意義，超高速磨削時應(yīng)力小、金屬切除率高，它的上述特點在磨削凸輪軸等具有非圓輪廓的細長軸零件時可以得到充分發(fā)揮。
2．技術(shù)質(zhì)量指標
(1)磨床基本參數(shù)
·砂輪線速度／( m/s)200
·加工工件長度/mm 1000
·加工工件回轉(zhuǎn)直徑/mm 320
·加工工件質(zhì)量／kg 70
·磨床尺寸范圍(/mm)×(影nun)×(高/mm)約3500 x1800 x1800
·磨床質(zhì)量/kg 約5500
(2)主要部件幾何精度指標
·砂輪架主軸徑向圜跳動/mm 0.002
·砂輪架主軸軸向竄動/mm 　 0.002
·工作臺導(dǎo)軌直線度(全長)/mm 0.02．
·砂輪架導(dǎo)軌直線度（全長）/mm 0.005 ．
·工件旋轉(zhuǎn)軸徑向圓跳動/mm' 0.003
·工件旋轉(zhuǎn)軸軸向圓跳動/mm o．003
(3)加工精度指標
·非圓輪廓半徑差/mm 100
·菲髑輪廓輪廓度誤差/mm 0.02
· 圓柱體工件圓柱度誤差 0.004/200
·加工表面粗糙度R./ym 0.2
·批量加工工序能力指數(shù) ≥1. 33
(4)執(zhí)行的質(zhì)量標準
·JB/T 9872-1999 金屬切削機床機械加工件通用技術(shù)條件
·JB/T 9874-1999 金屬切削機床裝配通用技術(shù)條件
·GB/T 15760-2004 金屬切削機床安全防護通用技術(shù)條件
·GB 5226.1-2008 機械電氣安全機械電氣設(shè)備
第1部分：通用技術(shù)條件
·GB/T13574-1992 金屬切削機床靜剛度檢驗通則
·JB/T 10051-1999 金屬切削機床液壓系統(tǒng)通用技術(shù)條件
·JB/T 2999. 2-1998 凸輪軸磨床精度檢驗
·JB/T 2999. 3-1998~ 凸輪軸磨床技術(shù)條件
3．國內(nèi)外磨床主要技術(shù)指標對比

項目技術(shù)指標	超高速非圈輪廓磨床	高速囂髓輪廓磨床
砂輪線速度／( m/a)	-200	80 - 120
加工范圍	非圓輪廓外表面	凸輪軸（無靠模）
加工規(guī)格：(直徑/mm)×(長度mm)	ø320 x1000	Ø2OOx 1000
加工精度（輪廓誤差）／mm	0. 02	0.03
加工表面粗糙度Ra/um	≦0.2	≦0.4
材料切除率mm3/（mm．s）]	≧250	50
加工效率（以磨削6缸汽車 凸輪軸為例）／（min/件）	3	5

4．技術(shù)方案
(1)砂輪架主軸系統(tǒng)超高速平面磨床蛉燕鍵技術(shù)是超高速砂輪絮主軸系統(tǒng)，目前，能適用于超高速（主軸轉(zhuǎn)速達10000r/min以上）的主軸系統(tǒng)，軸承形式主要有精密角接觸陶瓷球軸承、空氣軸承、液體靜動承和磁懸浮軸承。其中，空氣軸承是利用空氣壓力將主軸無機械接觸、無潤滑地懸浮起來，，其轉(zhuǎn)速爵達150000r/min以上，漓藻特性好，允許轉(zhuǎn)速高，且無污染，但其缺點是承載能力低，-觳用于高速輕載的場合，不適合材料切除量大的場合。磁懸浮軸承利用電磁力將主軸無機攘i4t19f觸、無潤滑擒懸浮起來，工作時，轉(zhuǎn)子的位置由高靈敏度傳感器不斷進行檢測，反饋信號轉(zhuǎn)給PID控制器，由其進行數(shù)據(jù)分析和處理，算出較正轉(zhuǎn)子位置所需電流，經(jīng)功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變毫磁力″從而始終保持主軸的正確位置。轉(zhuǎn)速能達60000r/min以上，功率也達25kW，是一種理想的超高速主軸結(jié)構(gòu)形成，但磁懸浮軸承要求很復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)，制造成本很高。
精密角接觸陶瓷球軸承電主軸是新一代高速軸承，離辯度、低溫升、高轉(zhuǎn)速，可達100000R/min，在磨床上能應(yīng)用大功率（30kW以上）的電主軸，轉(zhuǎn)速也能達2400r/min,是超高速機床的常用主軸形式。
(2)砂輪動平衡裝置高速砂輪的平衡精度直接影響到磨副質(zhì)量，由于主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上，必須采用在線自動平衡裝置，該磨床擬采用美國SBS公司內(nèi)裝式自動平衡系統(tǒng)，該裝置適用于轉(zhuǎn)速達lQO00∥藏n fit9工作條件，平衡精度可達0.05 um.由于是內(nèi)裝式的，所有平衡裝置全部密封在主轅內(nèi)毒，因此使用方便，不易損傷，使用用壽命長，特別適用于超高速磨床砂輪平衡。
(3)砂輪架進給導(dǎo)軌采用靜壓隔棱導(dǎo)瓤稠用湖南大學(xué)多來年在靜動壓砂輪主軸軸承方面成功的技術(shù)，研制高精度、高剛性、蘸燹贛魔的直線移動導(dǎo)孰副，實現(xiàn)無機械接觸的極其平穩(wěn)的直線運動，相對于直線滾動導(dǎo)鞔，奉方案具有優(yōu)良的低速性能與變速移動適應(yīng)性，并能有效地吸收一部分機械振動能，有糕予瓣鴦纛裁質(zhì)量。相對于壓力卸荷導(dǎo)軌，靜壓圓柱導(dǎo)軌又能顯著地提高導(dǎo)軌副的剛度。
(4)砂輪及砂輪修整器砂輪線速度設(shè)計指標是200m/s，是目前溺內(nèi)臺起高超高速磨床，超高速砂輪在材料的選用與形狀結(jié)構(gòu)上都有特殊的要求，采用與鄭州富耐克超硬材料有限公司合作研制的線速度為160m/s的CBN與金剛石砂輪，有望在200m/s的CBN砂輪研制上每國內(nèi)優(yōu)勢單位進一步合作，開發(fā)出國產(chǎn)的超高速砂輪。砂輪修整器采用金剛石滾輪，實現(xiàn)現(xiàn)微米級精細修整與自動補償。
(5)自動進給機構(gòu)磨床有三個直線運動伺服坐標與一個圓轉(zhuǎn)運動伺服控制坐標軸直線軸X為砂輪架進給坐標軸，由于該軸對工件精度影響最直接，而且與工件回轉(zhuǎn)坐標軸C軸有聯(lián)動關(guān)系，要求有精確的定位與快速響應(yīng)的特性，即限度地減少系統(tǒng)跟隨誤差，并具有優(yōu)良的加（減）速特性，加速度大于lg。目前能實現(xiàn)這一指標的運動執(zhí)行單元是直線伺服電動機，直線電動機高速迸給單元由一系列安裝在砂輪架滑鞍上的磁鐵（定子）和砂輪架底座的鋼乍鐵心的線圈（動子）組成，利用動子脈沖電流產(chǎn)生的磁場和定子永磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁推力，帶動砂輪架運動。它具有精度高、無磨損、響應(yīng)速度快和效率高等特點，在高速切削機床上的用日益廣泛。該磨床選用該電動機為砂輪架運動的執(zhí)行元件，目的是為了提高x軸運動精度，從而直接提高磨朗加工精度，擴大磨床使用范圍，使之適應(yīng)除凸輪軸以外的非圓或偏心軸零件加工。
磨床的工作臺移動軸（z軸）和修整器移動軸（Y軸）仍采用交流旋轉(zhuǎn)伺服電動機+精密
滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式，以降低制造費用。工件頭架軸的旋轉(zhuǎn)運動采用伺服電動機通過精密彈
性聯(lián)軸器直接驅(qū)動主軸的結(jié)構(gòu)形式，即所謂″零傳動″的形式，以避免傳動誤差對加工精度的影響。
(6)冷卻系統(tǒng)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(qū)，為了達到有效鷯冷卻作用，對冷卻噴嘴的形狀、位置精心設(shè)計，并采用高壓冷卻的方案，將供給壓力提高封10MPa以上，以達到冷卻效果。
(7)防護系統(tǒng)高速磨削的防護系統(tǒng)是特別重要的，這里的防護包括兩方面，一是對機械、器件的防護，如對平面磨床導(dǎo)軌、電動機和電器的防護；二是對人員的安全防護，如砂輪防護罩、楓床辨罩的葑護作用，對線速度高達200m/s的超高速磨床，安全防護罩的用料及形狀設(shè)計必須慎重，并留有足夠的防護能力富余量，為防止高壓磨削液的飛濺對人員和環(huán)境的污染，磨床必須是壘封閉型的，同時，也要考慮上、下零件和必要的調(diào)整、維修的方便。
(8)總體布局磨床床身呈上形布局，液壓油箱、靜壓油箱、磨削液箱、電器柜和數(shù)控操作臺均為獨立外設(shè)，電器柜、靜壓油箱設(shè)有恒溫裝置，電器柜與磨床本機之間用管道走線，外形設(shè)計要美觀、有時代感，同時要有人性化的操作設(shè)計，方便使用。
(9)磨床的數(shù)控系統(tǒng)磨床數(shù)控系統(tǒng)的選用原則是：
1)必須滿足磨床控制功能需要，并留有擴展使用的功能富余。
2)性能可靠，質(zhì)量有保證，性價比高，技術(shù)服務(wù)到位。
根據(jù)這兩點原則，初步選定西門子公司的840D數(shù)控系統(tǒng)。840D數(shù)控系統(tǒng)為全數(shù)字模塊化設(shè)計，具有數(shù)字式閉環(huán)驅(qū)動控制功能，可以控制31個坐標軸（包括主軸），同時有強大的編程功能，適用于復(fù)雜零件的加工。該磨床砂輪主軸為電主軸設(shè)計，840D數(shù)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電主軸高轉(zhuǎn)速的控制要求，同時與其配套的SINUMERIK611D數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和伺服電動機、直線電動機，組成對各運動軸的控制與驅(qū)動，840D數(shù)控系統(tǒng)的樣條插補功能可以，從一條參考曲線的幾個特定點產(chǎn)生非常平滑的特性曲線。這一點對非圓輪廓的磨削具有特殊的意義。