數(shù)控超高速非圓輪廓磨床
1．研究背景
　　在現(xiàn)代機(jī)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(dòng)軸中的多邊形軸、軋機(jī)中的軋輥軸、發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪等等。此類零件有著共同的特點(diǎn)，一是形狀不規(guī)則，用普通機(jī)床難于完成加工，二是大多屬于細(xì)長形結(jié)構(gòu)，本身剛性差、易變形。這兩點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用意義，超高速磨削時(shí)應(yīng)力小、金屬切除率高，它的上述特點(diǎn)在磨削凸輪軸等具有非圓輪廓的細(xì)長軸零件時(shí)可以得到充分發(fā)揮。
2．技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)
　(1)磨床基本參數(shù)
　　·砂輪最高線速度／( m/s)200
　　·加工工件最大長度/mm 1000
　　·加工工件最大回轉(zhuǎn)直徑/mm 320
　　·加工工件最大質(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(biāo)
　　·砂輪架主軸徑向圜跳動(dòng)/mm 0.002
　　·砂輪架主軸軸向竄動(dòng)/mm 　 0.002
　　·工作臺(tái)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(dòng)/mm' 0.003
　　·工件旋轉(zhuǎn)軸軸向圓跳動(dòng)/mm o．003
　(3)加工精度指標(biāo)
　　·非圓輪廓最大半徑差/mm 100
　　·菲髑輪廓輪廓度最大誤差/mm 0.02
　　· 圓柱體工件圓柱度最大誤差 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(biāo)準(zhǔn)
　　·JB/T 9872-1999 金屬切削機(jī)床機(jī)械加工件通用技術(shù)條件
　　·JB/T 9874-1999 金屬切削機(jī)床裝配通用技術(shù)條件
　　·GB/T 15760-2004 金屬切削機(jī)床安全防護(hù)通用技術(shù)條件
　　·GB 5226.1-2008 機(jī)械電氣安全機(jī)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(jī)床靜剛度檢驗(yàn)通則
　　·JB/T 10051-1999 金屬切削機(jī)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(yàn)
　　·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(biāo)對(duì)比

項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)	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)	?320 x1000	?2OOx 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(dá)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(dòng)壓軸承和磁懸浮軸承。其中，空氣軸承是利用空氣壓力將主軸無機(jī)械接觸、無潤滑地懸浮起來，，其最高轉(zhuǎn)速爵達(dá)150000r/min以上，漓藻特性好，允許轉(zhuǎn)速高，且無污染，但其缺點(diǎn)是承載能力低，-觳用于高速輕載的場(chǎng)合，不適合材料切除量大的場(chǎng)合。磁懸浮軸承利用電磁力將主軸無機(jī)攘i4t19f觸、無潤滑擒懸浮起來，工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置由高靈敏度傳感器不斷進(jìn)行檢測(cè)，反饋信號(hào)轉(zhuǎn)給PID控制器，由其進(jìn)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。最高轉(zhuǎn)速能達(dá)60000r/min以上，最大功率也達(dá)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，最高可達(dá)100000R/min，在磨床上能應(yīng)用大功率（30kW以上）的電主軸，最高轉(zhuǎn)速也能達(dá)2400r/min,是超高速機(jī)床的常用主軸形式。
　　 (2)砂輪動(dòng)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(dòng)平衡裝置，該磨床擬采用美國SBS公司內(nèi)裝式自動(dòng)平衡系統(tǒng)，該裝置適用于最高轉(zhuǎn)速達(dá)lQO00∥藏n fit9工作條件，最高平衡精度可達(dá)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(jìn)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)孰副，實(shí)現(xiàn)無機(jī)械接觸的極其平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于直線滾動(dòng)導(dǎo)鞔，奉方案具有優(yōu)良的低速性能與變速移動(dòng)適應(yīng)性，并能有效地吸收一部分機(jī)械振動(dòng)能，有糕予瓣鴦纛裁質(zhì)量。相對(duì)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(jì)指標(biāo)是200m/s，是目前溺內(nèi)第一臺(tái)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(shì)單位進(jìn)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)微米級(jí)精細(xì)修整與自動(dòng)補(bǔ)償。
　　(5)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)磨床有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)伺服坐標(biāo)與一個(gè)圓轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)伺服控制坐標(biāo)軸直線軸X為砂輪架進(jìn)給坐標(biāo)軸，由于該軸對(duì)工件精度影響最直接，而且與工件回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸C軸有聯(lián)動(dòng)關(guān)系，要求有精確的定位與快速響應(yīng)的特性，即最大限度地減少系統(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(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元是直線伺服電動(dòng)機(jī)，直線電動(dòng)機(jī)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(dòng)子）組成，利用動(dòng)子脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和定子永磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁推力，帶動(dòng)砂輪架運(yùn)動(dòng)。它具有精度高、無磨損、響應(yīng)速度快和效率高等特點(diǎn)，在高速切削機(jī)床上的用日益廣泛。該磨床選用該電動(dòng)機(jī)為砂輪架運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，目的是為了提高x軸運(yùn)動(dòng)精度，從而直接提高磨朗加工精度，擴(kuò)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(tái)移動(dòng)軸（z軸）和修整器移動(dòng)軸（Y軸）仍采用交流旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)+精密
滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式，以降低制造費(fèi)用。工件頭架軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)通過精密彈
性聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)形式，即所謂″零傳動(dòng)″的形式，以避免傳動(dòng)誤差對(duì)加工精度的影響。
　　(6)冷卻系統(tǒng)由于超高速磨削時(shí)砂輪周圍形成一層高速氣流，阻止磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，為了達(dá)到有效鷯冷卻作用，對(duì)冷卻噴嘴的形狀、位置精心設(shè)計(jì)，并采用高壓冷卻的方案，將供給壓力提高封10MPa以上，以達(dá)到最好的冷卻效果。
　　 (7)防護(hù)系統(tǒng)高速磨削的防護(hù)系統(tǒng)是特別重要的，這里的防護(hù)包括兩方面，一是對(duì)機(jī)械、器件的防護(hù)，如對(duì)平面磨床導(dǎo)軌、電動(dòng)機(jī)和電器的防護(hù)；二是對(duì)人員的安全防護(hù)，如砂輪防護(hù)罩、楓床辨罩的葑護(hù)作用，對(duì)線速度高達(dá)200m/s的超高速磨床，安全防護(hù)罩的用料及形狀設(shè)計(jì)必須慎重，并留有足夠的防護(hù)能力富余量，為防止高壓磨削液的飛濺對(duì)人員和環(huán)境的污染，磨床必須是壘封閉型的，同時(shí)，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(tái)均為獨(dú)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(jī)之間用管道走線，外形設(shè)計(jì)要美觀、有時(shí)代感，同時(shí)要有人性化的操作設(shè)計(jì)，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(kuò)展使用的功能富余。
　　 2)性能可靠，質(zhì)量有保證，性價(jià)比高，技術(shù)服務(wù)到位。
　　根據(jù)這兩點(diǎn)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(jì)，具有數(shù)字式閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制功能，可以控制31個(gè)坐標(biāo)軸（包括主軸），同時(shí)有強(qiáng)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(jì)，840D數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電主軸高轉(zhuǎn)速的控制要求，同時(shí)與其配套的SINUMERIK611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)，組成對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的控制與驅(qū)動(dòng)，840D數(shù)控系統(tǒng)獨(dú)有的樣條插補(bǔ)功能可以，從一條參考曲線的幾個(gè)特定點(diǎn)產(chǎn)生非常平滑的特性曲線。這一點(diǎn)對(duì)非圓輪廓的磨削具有特殊的意義。