南通第二機床有限公司

中國機床工具工業協會磨床分會理事單位,ISO9001:2000認證企業

0513-87119922
技術交流

數控超高速平面磨床

發布時間:2019/11/21
  1.數控超高速平面磨床概述
  砂輪線速度和工作臺運動速度高速化已成潮流。由于采用了直線導軌、直線電動機、靜壓絲杠等先進的功能部件,運動速度有很大提高。高速、高效、高精度和高柔性是當今國際磨床發展的方向。目前,國際上平面磨床工作臺往復速度最高可達200m/min,工作臺的加速度達到50m/s2。
  2.數控lSbm/,超高速平面磨床
  湖南大學與杭州機床廠聯合研制的國內第一臺的超高速精密數控磨床,砂輪速度可達150m/s,如圖12所示。采用以普通磨削速度5倍的磨削速度可靠地實現高速、高精度和高自動化磨削加工,通過極大地提高磨削速度來提高材料切除率、加工精度和加工質量。
  
    
   
圖12 150m/s超高速平面磨床
  該磨床磨頭采用高速精密電主軸,轉速高,剛性好,磨削效率高??捎蒙拜喼苓吥ハ鞴ぜ矫?,也可用砂輪的端面磨削工件的槽和凸緣側面。磨床采用十字拖板移動方式,液壓系統結構新穎,工作臺縱向運動采用雙液壓缸驅動,拖板橫向進給采用液壓馬達和滾珠絲杠副驅動,運動平穩可靠,噪聲小。電氣采用集成電路,配有程序控制的自動磨削循環和垂向進給量預選機構,自動化程度高,可根據用戶需要配裝橫向和垂向進給兩個坐標的數顯裝置。磨床加工范圍(長×寬×高):500mmx250mmx200mm,磨床總功率為26-37kW。
  還發明了一種高速及超高速平面磨削與外圓磨削方法,其特征在于主軸上裝有砂輪的砂輪架固定在床身上可旋轉90。的轉換座上,砂輪繞砂輪架主軸軸心作高速旋轉運動,放置工件的工作臺作縱向、橫向和垂向進給運動。其設備包括主軸上裝有砂輪的砂輪架、縱向工作臺和床身等,其特征在于砂輪架與可使其作90。旋轉的轉換座相連,固定在磨床床身上;縱向工作臺下設置一橫向工作臺,其上設有與縱向工作臺下滑槽相配合的導軌,橫向工作臺F設置垂向工作臺,其上設有與橫向工作臺下滑槽相配合的導軌,側面與床身上之導軌相配合。該發明既可實現工件的高速和超高速磨削加工,又可在一臺設備上同時實現平面磨削及外圓磨削兩種磨削方式。
  3.數控314m/s超高速平面磨床
  湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心自20世紀70年開始對高速磨削進行了大量工藝試驗研究,2002年成功地研制成150m/s的超高速磨削機床,在此基礎上與杭州機床廠聯
合研制砂輪線速度達314m/s的超高速平面磨床,該磨床將成為我國第一臺真正意義上的超高速平面磨床,其技術水平已達到現代國際先進水平。
  超高速平面磨床砂輪線速度為314m/s,(采用直徑為th348mm的砂輪,主軸轉速為極限轉速24000r/min的70%左右)因此,定名為314m/s超高速平面磨床。而實際上還有富裕能力,當采用電主軸最高轉速24000r/min時,砂輪線速度可達440m/s,如圖13所示。
  (1)主要技術參數
  
  圖13.314m/s超高速平面磨床
  ·砂輪最大規格:(外徑/mm)X(寬度/rhm)
  ·試件最大尺寸:(長度/mm)X(寬度/mm)
  ·最大一次磨削深度/mm
  ·砂輪主軸功率kW
  ·磨削深度方向最小進給量/mm
  ·縱向進給速度/mm/min
  ·磨削比
  ·材料比磨除彰mm3/(mm·s)
  (2)磨床整體設計方案
  1)整體布局。超高速平面磨床由機床主體、電器柜、數控操作臺、冷卻過濾凈化系統、高壓冷卻水泵、電主軸冷卻用恒溫循環供水箱、壓縮空氣供給及除濕系統、測試儀器儀表工作臺及隔離觀察室等組成。占地面積30多平方米,全部坐落在深達1000mm的混凝土防振隔離地基上,磨床總功率80kW。電器柜到主機之間采用電纜連接和相對固定式。數控操作臺與主機之間采用柔性電纜連接,操作臺可按需要在一定范圍內靈活移動,為便于調整與對刀操作,數控系統帶有手持單元,使操作人員感到更方便,如圖14所示。
  
  圖14 314m/s超高速磨床平面布置圖
  為了改善操作人員的工作環境,增強安全感,同時也為了改善測試儀器儀表的使用環境,超高速平面磨床試驗區隔離出一個觀察室,各種測量儀器儀表安置在觀察室內的工作臺上,該磨床的數控操作臺可通過隔離室的鐵門移到隔離室內來操作。隔離室面向主機方向,裝有厚達30ram的防彈玻璃,以便觀察主機工作情況。
  2)磨床主體結構設計。超高速磨削砂輪主軸以每分鐘上萬轉的高轉速旋轉,要求機床不僅要有高剛度、高強度、高回轉精度和高平衡性能的主軸系統,并且要有優良的整體動態特性。因此,在磨床主體結構上,提出了一種全新的結構方案。
 ?、俨捎霉潭ㄉ拜喖艿男问?。在超高速磨削中,最大的振動源應該來自砂輪軸,根據長期以來進行高速磨削試驗和對高速外圓類磨床的測試,發現磨床的剛性最弱的環節往往是在砂輪架移動導軌部分,本來就對振動最敏感的砂輪架,再安裝在一個剛性相對較弱的滑鞍的移動導軌上,其結果對超高速磨削是不利的,因此,將砂輪架固定在剛性較好的立柱上,而將工件安裝在可作三維運動的工作臺體系中,采用讓試件向砂輪架逼近的方式實現磨削進給,其結構如圖15所示。
 ?、诔咚倨矫婺ゴ擦⒅糠峙c床身的結合面,設計在立柱的中部位置。超高速平面磨床基體是國內最權威的平面磨床生產廠——杭州機床廠引進消化德國BLOHM公司榫齒蠕動磨床的結構開發的MK7130強力成形磨床的床身、立柱,該機型為適應深切緩進給成形磨削的需要,對床身、立柱、工作臺的設計強度、剛度均較富裕:尤其獨特的地方是該磨床移動式立柱的導軌是布置在立柱的中部兩翼。為了適應砂輪架固定不動的方案,將立柱移動的滾動直線導軌換成同尺寸的固定鐵,在立柱中部兩翼用螺栓將立柱固定在床身上。
  
  圖15磨床外觀結構圖
  由于砂輪架空間位置正好處于立柱中部固定部位,因此砂輪架所受的磨削力幾乎直接由床身與立柱的結合面來承受,而立柱所受的彎應力和轉矩等大大降低,這種結構,可以增加機床的整體阿4性。
 ?、墼谡w結構上留有改變成砂輪架進給式結構的余地。選用砂輪架固定的工作模式,這種模式無疑對超高速磨削試驗是一種最佳的模式。但這種模式也帶來一定的不利因素,那就是使磨床的加工尺寸范圍限制在一個較小的范圍內,在磨床投入實際生產加工時會感到某些不方便。因此,在研制超高速平面磨床時,并沒有將磨床立柱和床身之間移動導軌部分以及砂輪架沿立柱上下移動的導軌部分完全刪除,而是采用與這兩部分直線滾動導軌尺寸完全相等的固定鐵取代直線滾動導軌,當制造取得階段性成果后,對磨床的床身、立柱、工作臺和砂輪架等關鍵部件進行動態特性測試,還要進行砂輪架固定與砂輪架移動兩種方式下機床動態特性的仿真比較,在經科學測試和仿真分析后,并在確有把握的情況下,可以考慮將立柱沿床身的前后移動坐標和砂輪架沿立柱的上、下移動坐標開放,以擴大磨床的加工尺寸范圍,為開發設計實用型的超高速平面磨床作準備。改進時將在這兩部分安裝施加了一定的預加載荷的直線滾動導軌和精密滾珠絲杠,實現磨床的Y向和z向坐標運動。
  3)磨床的輔助設備。為了適應超高速磨削,除磨床主體外,還需要匹配相應的周邊設施以形成一套完整的超高速平面磨床,主要的輔助設施有:
 ?、俑邏豪鋮s泵。超高速磨削時,高速旋轉的砂輪圓周,形成了高速空氣流,也可稱之為氣流屏障,轉速越高,該屏障層越厲害,它不但與砂輪圓周產生摩擦,消耗砂輪主軸電動機的功率,而且還形成一定的壓強,阻止磨削液進入磨削區。為了改善磨削液的冷卻、沖洗效果,在高速磨削中,普遍采用高壓噴射法。相對于最高線速度達314m/s的超高速磨削而言,采用普通磨床的0.1~0.2MPa的供液壓力是遠遠不夠的,該磨床選用寧波高壓泵的3S50一2.6/25型柱塞往復式高壓泵,最大輸出壓力達25MPa,理論排量為2.6m3/h.電動機功率為22kW,動力大,占地2平方米。高壓冷卻泵與之相匹配的高壓閥門、高壓水表、安全報警系統、高壓水管與高壓噴嘴,組成了超高速平面磨床的高壓磨削液供給系統。
 ?、陔p重過濾磨削液箱。磨削液的回收和過濾是由專門設計的大容量冷卻箱完成的,該磨削液箱有效容積為1600L,具有磁性過濾和紙質過濾兩套磨削液凈化裝置,凈化后的磨削液經工作壓力2MPa的低壓水泵向3s50qo6/25型柱塞往復式高壓泵供液。經雙重過濾后,磨削液的凈度滿足了高效磨削的要求。
 ?、嗳忾]式磨床防護罩結構。在超高速磨削和高壓供液泵的工況下,磨削液的飛濺和霧化是非常厲害的,這就需要磨床具有全封閉的防護罩結構,所有部位不能有滲水、漏液現象。對于磨削液飛濺形成的水霧,采用xwq5水霧吸收器通過管道,將水霧凝固后送回到冷卻水箱。
 ?、苌拜嗠娭鬏S冷卻系統。該超高速平面磨床砂輪主軸選用瑞士進口的高速電主軸,該電主軸要求使用恒溫冷卻水流對主軸電動機定子外圈和軸承部分進行冷卻,以確保主軸的精度與工作可靠性。使用上海海立特種制冷設備有限公司生產的SL--100BH液化冷卻機作為電主軸的冷卻供液系統。該冷卻機制冷量為10000W,供液排量為80L/min,溫度控制精度為±1℃,完全可以滿足電主軸工作時對系統冷卻降溫的要求。
 ?、嗌拜嗠娭鬏S油氣潤滑系統。瑞士IBAG公司電主軸為陶瓷混合角接觸球軸承結構,最高轉速可達24000r/min,工作時需要提供油氣潤滑。為此專門配置了工作壓力為0.7MPa的壓縮空氣站,空壓機輸出的壓縮空氣經空氣濾清器和除濕器進行凈化后,送入油氣潤滑裝置;該裝置可按預先設定的間斷供油時間,源源不斷地向電主軸軸承部位和氣密封部位提供含有適量霧狀油顆粒的油氣混合氣體,以確保電主軸的陶瓷混合角接觸球軸承部位得到充分潤滑,減少滾動體的磨損,延長軸承使用壽命。
  (3)超高速平面磨床關鍵部件結構
  1)磨床床身主體。該超高速平面磨床床身是杭州機床廠MK7130強力成形磨床的床身,是按大切除量強力磨削的工況設計的。磨床床身為整體鑄造結構,鑄件壁厚為25mm,比一般磨床床身設計厚20%左右,床身四周立面無任何窗口,以增強其動態剮性,床身后部與立柱的結合面高于其縱向導軌平面,這種設計對立柱受力狀況大有好處,床身縱向運動導軌采用直線滾動導軌,滾動導軌安裝在成封閉結構的導軌支承面上,相當穩固,受力后變形小,也可降低工作時溫升對精度的影響。該床身經動態特性分析和儀器測試結果表明:‘床身的固有頻率比較高,從實際測試分析,該磨床床身的結構設計較合理。
  2)砂輪架及超高速砂輪。砂輪架是磨床的核心,而主軸及軸承又是核心中的核心。用于超高速磨床主軸軸承的結構形式,主要有陶瓷球軸承、磁懸浮軸承及液體動靜壓軸承幾種??諝廨S承盡管有極限轉速高、精度也可以做得很高的優點,但因其剛度較低,一般只適用于精密與超精密加工機床,不宜用于以提高切除率為主要研究方向的超高速平面磨床。近幾年發展起來的陶瓷球混合軸承在高速機床主軸上的應用越來越成熟。該磨床選用了國際上著名的電主軸生產廠商瑞士IBAG公司的HF230、4D120CFSV型角接觸陶瓷球混合軸承的高速精密電主軸,該電主軸是IBAG公司為適應磨床使用專門為該磨床設計的。其最高轉速達24000r/min,連續工作電動機功率40kW,峰值功率為180kW,其結構如圖16所示,電主軸采用兩截式結構,電動機轉子固定在前、后軸承組中間、前后軸承組各采用兩個同向安裝的精密角接觸陶瓷球軸承,施加了預加負荷的前軸承組的軸向位置由體殼內臺階和端蓋鎖定。后軸承組安裝在可沿主軸軸線方向微量移動的軸承套內,其軸向預加負荷由8個圓柱彈簧實現。當主軸受熱略微伸長時,后軸承座可作相應的軸向尺寸補償。從而保證軸承的預加載荷和精度不變。主軸上所有回轉零件均按平衡設計,無鍵、鍵槽或非對稱螺釘、螺孔,以確保高速主軸的動平衡特性。電動機定子和軸承外圈部位都設計有循環冷卻水槽,工作中通制冷的恒溫冷卻水,前后軸承處采用油氣潤滑。
  該電主軸DⅣ值達180×104mm·r/min,主軸系統剛度大于340N/p,m,軸向與徑向圓跳動量均小于1Ixm,回轉精度在0.5μm以上。
  超高速磨削時,由于砂輪基體受離心力的作用會產生很大的應力式中:P為砂輪基盤材料密度;E為砂輪基盤材料彈性模量;y為砂輪基盤材料泊松比;∞為砂輪角速度;u為基盤徑向位移。
  如果給定砂輪基盤截面形狀分布邊界條件,(r)和基盤溫度分布邊界條件,即可解得基盤任一半徑處的徑向應力切向應力。
  由式可以看出,應力的大小與砂輪角速度的平方成正比,與基體上任一點到中心的距離r成正比。因此可見,普通磨削時帶有砂輪法蘭盤安裝孔的形式。在超高速磨削時是不適用的。因為安裝孔處的應力會使砂輪法蘭盤定心圓或圓錐尺寸微量擴大,影響砂輪在主軸上的定位精度和結合面的可靠性。同時也降低了基盤本身的強度。
  為此,在砂輪基盤設計時采用無中心定位通孔的形式。如圖17所示。砂輪基盤用過盈配合的形式與主軸懸伸端的定心軸頸配合,并以內端面與主軸端面貼緊,8個螺釘將其與主軸緊固,砂輪基盤中心無通孔。砂輪橫截面顯示它是中間厚,周邊薄的結構,這是從等強
  
  圖17砂輪基盤設計圖度與空氣動力學的角度出發考慮的。
  從德國wendt公司在比利時的工廠定制的一片砂輪的線速度為250m/s,磨料為C.BN,采用多層電鍍工藝,粒度為75-90。國內定制的砂輪也采用同樣結構形式,砂輪線速度為160m/s,磨料分CBN和金剛石兩種,結合劑有金屬、樹脂和陶瓷三種,粒度為100~140。
  3)磨削深度方向Z坐標軸微進給裝置。為了使機床能實現最小達0.0001mm的微進給,采用了如圖18所示的Z坐標軸微進給裝置。滾珠絲杠和直線滾動導軌布置在與底平面成1:10斜度的平面內,伺服電動機與滾珠絲杠直連,構成機床Z坐標軸,其最小進給量為0.001mm,由于該軸為斜置軸,當它沿斜方向進給0.001 mm時,其垂直方向的上升量則為0.0001,從而實現磨削深度方向的亞納米級進給.
   
  圖18 Z坐標軸微進給裝置
  4)砂輪在線自動平衡裝置。一般超高速磨床上都設計有砂輪在線自動平衡裝置。該超高速平面磨床選用國際上最著名的美國SBS公司的砂輪自動平衡系統(圖19),考慮到機床工作轉速達24000r/min,且機床砂輪架安全防護等各方面的因素,選用了SBS公司的IB一1404一A型高速內裝、非接觸式自動平衡器和SBS一4475型動平衡控制儀;該平衡儀最高允許轉速為30000r/min,振動值靈敏度為0.001um,平衡能力為4009.em,平衡頭安裝在砂輪主軸的前端,使之最靠近砂輪,以達到最好的平衡結果。信號輸出端則固定在主軸后端,(參見砂輪電主軸結構圖)信號發射頭則安裝在電主軸體殼后部,通過電纜連接到SBS一4475自動平衡控制儀上。由于平衡頭和信號發射頭之間是非接觸的,因此無機械磨損,壽命較長,但要嚴格控制二者之間的安裝距離和防塵,價格也很昂貴。測振傳感器安裝在砂輪架上指向砂輪軸的位置,使之最有效地拾取主軸的振動信號。經使用后發現,該平衡頭有很好的平衡效果,在自動平衡模式下,可以將軸承的殘余工作振動峰峰振幅值平衡至0.1um以下。除此之外,當砂輪主軸停止時,該平衡儀還能測出機床其他部位及外界環境的振動頻譜,用以分析外部激勵振源的情況。
  
  圖19 SBS公司砂輪自動平衡系統
  5)砂輪防護罩及機床安全防護設計。機械行業標準JB 4029--2000(磨床砂輪防護罩安全防護技術要求)中規定了砂輪線速度80m/s時砂輪防護罩鋼板的最小壁厚尺寸,當砂輪直徑為300-400mm、砂輪厚度。小于50mm時,防護罩壁厚最小為10mm。
  該超高速平面磨床由于砂輪架是固定不動的。因此,為安全起見,砂輪防護罩可以做得很厚實,防護罩周邊用30ram厚的鋼板焊接而成,磨削區開口也壓得很低,砂輪外露量不到8%。盡量確保安全,以防萬一。除此之外,在砂輪切線方向的正前方工作臺上,另外增加了一塊30mm厚的鋼板作為第二道防護墻,增加試驗機床的安全性。
  機床主體的防護罩采用全封閉式結構,保證磨削液不會飛濺到外面,推拉式防護門裝有安全聯鎖感應開關,防護門若不關閉到位、機床是不能進行磨削的。
  6)數控系統。該磨床選用德國西門子公司的802D數控系統,分別控制工作臺縱向運動坐標(X軸)工作臺橫向運動坐標(y軸)和磨削深度方向進給坐標(z軸),其中Y軸坐標伺服電動機的輸出經西門子減速器與滾珠絲杠相連,減速比為1:10,其他軸為伺服電動機與滾珠絲杠直連。砂輪主軸的無級調速是由德國Rexroth公司的REFU drive 500 RD52變頻調速器實現的。通過西門子802D控制板上主軸調速控制開關進行操作,數控系統除了按指令完成磨削程序外,還擔負著對油氣潤滑系統、高壓冷卻水泵、電主軸恒溫冷卻系統、壓縮空氣機和安全防護門等裝置工作情況的監視工作,當那些裝置中某一部分工作不正常時,數控系統能立刻發出警報,并停止磨削工作的進行。
  (4)使用情況314m/s超高速平面磨床自2003年5月調試完成投入使用以來,運轉情況亞常,累計工作時間已超過7000h。一天最多連續工作時闊曾超過12h,在該試驗臺上先后進行了砂輪速度從60m/s到250m/s的磨削試驗,進行了金屬材料:陶瓷材料的超高速探磨快進給磨削工藝試驗。運行5年來,基本上未出現過大的故障,運行狀態很好。
  (5)待改進的地方在5年來盼運行過程中,發現了該超高速平西磨床還存在著一些不足,查要是以下三方面:
  進口電主軸的使用壽命問題。瑞士IBAG公司對電主軸的保質期是一年內,2000h。經查證,該主軸使用的陶瓷球軸承的使用壽命約為7000h,現機床運行近7000h,目前已發現電主軸軸承噪聲明顯增高,主軸殛轉精度也有所下降,估計在一、二年內要更換電主軸軸承。出于瑞士tBAG公司的電主軸產品有多項專利技術,其割造裝配過程極為保密,若要保證維修質量,還得將電主軸送去專門的維修站進行維修。
  2)試驗用砂輪問題。目前使用的進口砂輪最高線速度為250m/s,國內提供的各種超高速砂輪線速度只能達到160m/s,若要進行更高線速度的超高速磨削工藝試驗,砂輪的來源是一個關鍵。據了解,國外300m/s以點的砂輪大多也僅在實驗室內使用。如德國Aachen工業大學、日本東北大學進行的300m/s以上的超高速磨削砂輪基體采用質量輕、比強度高、比模量高、密度及膨脹系數小的碳素纖維強化復合材料FTCFRP來制造。國內目前在這方面尚未突破,而國外現階段在這方面技術還不向中國出口,因此,作者想聯系國內的有關研究單位,在超高速砂輪制造技術上有所突破,以保證超高速磨削技術的深入研究。
  3)擴大超高速平面磨床應用范圍的問題。,前面講到,為保障超高速平面磨床研制的成功,在前面試驗臺設計方案中將砂輪架設計成固定不動的,這樣做雖然有利于磨頭系統剛度的提高。但限制了試磨件的尺寸范圍,隨著研制的深入進行,計劃將逐步開放砂輪架在主柱上上、下移動坐標軸和立柱在床身上前后運動坐標軸,這個方案目前看來,在技術上已沒有多大困難,則超高速平面磨床將更加實用。
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