数控超高速非圆轮廓磨床
1．研究背景
在现代机械产品中，各种非圆柱体轮廓零件得到了越来越广泛的应用，如传动轴中的多边形轴、轧机中的轧辊轴、发动机中的凸轮等等。此类零件有着共同的特点，一是形状不规则，用普通机床难于完成加工，二是大多属于细长形结构，本身刚性差、易变形。这两点限制了它的加工工艺性，由于此类零件量大、面广，研制适合此类零件高效高精加工的超高速
磨床具有实际应用意义，超高速磨削时应力小、金属切除率高，它的上述特点在磨削凸轮轴等具有非圆轮廓的细长轴零件时可以得到充分发挥。
2．技术质量指标
(1)磨床基本参数
·砂轮最高线速度／( m/s)200
·加工工件最大长度/mm 1000
·加工工件最大回转直径/mm 320
·加工工件最大质量／kg 70
·磨床尺寸范围(/mm)×(影nun)×(高/mm)约3500 x1800 x1800
·磨床质量/kg 约5500
(2)主要部件几何精度指标
·砂轮架主轴径向圜跳动/mm 0.002
·砂轮架主轴轴向窜动/mm 0.002
·工作台导轨直线度(全长)/mm 0.02．
·砂轮架导轨直线度（全长）/mm 0.005 ．
·工件旋转轴径向圆跳动/mm' 0.003
·工件旋转轴轴向圆跳动/mm o．003
(3)加工精度指标
·非圆轮廓最大半径差/mm 100
·菲髑轮廓轮廓度最大误差/mm 0.02
· 圆柱体工件圆柱度最大误差 0.004/200
·加工表面粗糙度R./ym 0.2
·批量加工工序能力指数 ≥1. 33
(4)执行的质量标准
·JB/T 9872-1999 金属切削机床机械加工件通用技术条件
·JB/T 9874-1999 金属切削机床装配通用技术条件
·GB/T 15760-2004 金属切削机床安全防护通用技术条件
·GB 5226.1-2008 机械电气安全机械电气设备
第1部分：通用技术条件
·GB/T13574-1992 金属切削机床静刚度检验通则
·JB/T 10051-1999 金属切削机床液压系统通用技术条件
·JB/T 2999. 2-1998 凸轮轴磨床精度检验
·JB/T 2999. 3-1998~ 凸轮轴磨床技术条件
3．国内外磨床主要技术指标对比
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项目技术指标 |
超高速非圈轮廓磨床 |
高速嚣髓轮廓磨床 |
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砂轮线速度／( m/a) |
-200 |
80 - 120 |
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加工范围 |
非圆轮廓外表面 |
凸轮轴（无靠模） |
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加工规格：(直径/mm)×(长度mm) |
ø320 x1000 |
Ø2OOx 1000 |
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加工精度（轮廓误差）／mm |
0. 02 |
0.03 |
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加工表面粗糙度Ra/um |
≦0.2 |
≦0.4 |
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材料切除率mm3/（mm．s）] |
≧250 |
50 |
加工效率（以磨削6缸汽车
凸轮轴为例）／（min/件） |
3
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5
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4．技术方案
(1)砂轮架主轴系统超高速
平面磨床蛉燕键技术是超高速砂轮絮主轴系统，目前，能适用于超高速（主轴转速达10000r/min以上）的主轴系统，轴承形式主要有精密角接触陶瓷球轴承、空气轴承、液体静动压轴承和磁悬浮轴承。其中，空气轴承是利用空气压力将主轴无机械接触、无润滑地悬浮起来，，其最高转速爵达150000r/min以上，漓藻特性好，允许转速高，且无污染，但其缺点是承载能力低，-觳用于高速轻载的场合，不适合材料切除量大的场合。磁悬浮轴承利用电磁力将主轴无机攘i4t19f触、无润滑擒悬浮起来，工作时，转子的位置由高灵敏度传感器不断进行检测，反馈信号转给PID控制器，由其进行数据分析和处理，算出较正转子位置所需电流，经功率放大后，输入定子电磁铁，改变毫磁力″从而始终保持主轴的正确位置。最高转速能达60000r/min以上，最大功率也达25kW，是一种理想的超高速主轴结构形成，但磁悬浮轴承要求很复杂的电气控制系统，制造成本很高。
精密角接触陶瓷球轴承电主轴是新一代高速轴承，离辩度、低温升、高转速，最高可达100000R/min，在磨床上能应用大功率（30kW以上）的电主轴，最高转速也能达2400r/min,是超高速机床的常用主轴形式。
(2)砂轮动平衡装置高速砂轮的平衡精度直接影响到磨副质量，由于主轴转速在10000r/min以上，必须采用在线自动平衡装置，该磨床拟采用美国SBS公司内装式自动平衡系统，该装置适用于最高转速达lQO00∥藏n fit9工作条件，最高平衡精度可达0.05 um.由于是内装式的，所有平衡装置全部密封在主辕内毒，因此使用方便，不易损伤，使用用寿命长，特别适用于超高速磨床砂轮平衡。
(3)砂轮架进给导轨采用静压隔棱导瓤稠用湖南大学多来年在静动压砂轮主轴轴承方面成功的技术，研制高精度、高刚性、蘸燹赣魔的直线移动导孰副，实现无机械接触的极其平稳的直线运动，相对于直线滚动导鞔，奉方案具有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，有糕予瓣鸯纛裁质量。相对于压力卸荷导轨，静压圆柱导轨又能显著地提高导轨副的刚度。
(4)砂轮及砂轮修整器砂轮线速度设计指标是200m/s，是目前溺内第一台起高超高速磨床，超高速砂轮在材料的选用与形状结构上都有特殊的要求，采用与郑州富耐克超硬材料有限公司合作研制的线速度为160m/s的CBN与金刚石砂轮，有望在200m/s的CBN砂轮研制上每国内优势单位进一步合作，开发出国产的超高速砂轮。砂轮修整器采用金刚石滚轮，实现现微米级精细修整与自动补偿。
(5)自动进给机构磨床有三个直线运动伺服坐标与一个圆转运动伺服控制坐标轴直线轴X为砂轮架进给坐标轴，由于该轴对工件精度影响最直接，而且与工件回转坐标轴C轴有联动关系，要求有精确的定位与快速响应的特性，即最大限度地减少系统跟随误差，并具有优良的加（减）速特性，加速度大于lg。目前能实现这一指标的运动执行单元是直线伺服电动机，直线电动机高速迸给单元由一系列安装在砂轮架滑鞍上的磁铁（定子）和砂轮架底座的钢乍铁心的线圈（动子）组成，利用动子脉冲电流产生的磁场和定子永磁磁场相互作用产生的电磁推力，带动砂轮架运动。它具有精度高、无磨损、响应速度快和效率高等特点，在高速切削机床上的用日益广泛。该磨床选用该电动机为砂轮架运动的执行元件，目的是为了提高x轴运动精度，从而直接提高磨朗加工精度，扩大磨床使用范围，使之适应除凸轮轴以外的非圆或偏心轴零件加工。
磨床的工作台移动轴（z轴）和修整器移动轴（Y轴）仍采用交流旋转伺服电动机+精密
滚珠丝杠的结构形式，以降低制造费用。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，以避免传动误差对加工精度的影响。
(6)冷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，为了达到有效鹩冷却作用，对冷却喷嘴的形状、位置精心设计，并采用高压冷却的方案，将供给压力提高封10MPa以上，以达到最好的冷却效果。
(7)防护系统高速磨削的防护系统是特别重要的，这里的防护包括两方面，一是对机械、器件的防护，如对
平面磨床导轨、电动机和电器的防护；二是对人员的安全防护，如砂轮防护罩、枫床辨罩的葑护作用，对线速度高达200m/s的超高速磨床，安全防护罩的用料及形状设计必须慎重，并留有足够的防护能力富余量，为防止高压磨削液的飞溅对人员和环境的污染，磨床必须是垒封闭型的，同时，也要考虑上、下零件和必要的调整、维修的方便。
(8)总体布局磨床床身呈上形布局，液压油箱、静压油箱、磨削液箱、电器柜和数控操作台均为独立外设，电器柜、静压油箱设有恒温装置，电器柜与磨床本机之间用管道走线，外形设计要美观、有时代感，同时要有人性化的操作设计，方便使用。
(9)磨床的数控系统磨床数控系统的选用原则是：
1)必须满足磨床控制功能需要，并留有扩展使用的功能富余。
2)性能可靠，质量有保证，性价比高，技术服务到位。
根据这两点原则，初步选定西门子公司的840D数控系统。840D数控系统为全数字模块化设计，具有数字式闭环驱动控制功能，可以控制31个坐标轴（包括主轴），同时有强大的编程功能，适用于复杂零件的加工。该磨床砂轮主轴为电主轴设计，840D数控系统可以实现对电主轴高转速的控制要求，同时与其配套的SINUMERIK611D数字驱动系统和伺服电动机、直线电动机，组成对各运动轴的控制与驱动，840D数控系统独有的样条插补功能可以，从一条参考曲线的几个特定点产生非常平滑的特性曲线。这一点对非圆轮廓的磨削具有特殊的意义。
