南通第二机床有限公司

中国机床工具工业协会磨床分会理事单位,ISO9001:2000认证企业

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技术交流

数控超高速平面磨床

发布时间:2019-11-21
  1.数控超高速平面磨床概述
  砂轮线速度和工作台运动速度高速化已成潮流。由于采用了直线导轨、直线电动机、静压丝杠等先进的功能部件,运动速度有很大提高。高速、高效、高精度和高柔性是当今国际磨床发展的方向。目前,国际上平面磨床工作台往复速度最高可达200m/min,工作台的加速度达到50m/s2。
  2.数控lSbm/,超高速平面磨床
  湖南大学与杭州机床厂联合研制的国内第一台的超高速精密数控磨床,砂轮速度可达150m/s,如图12所示。采用以普通磨削速度5倍的磨削速度可靠地实现高速、高精度和高自动化磨削加工,通过极大地提高磨削速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量。
  
    
   
图12 150m/s超高速平面磨床
  该磨床磨头采用高速精密电主轴,转速高,刚性好,磨削效率高。可用砂轮周边磨削工件平面,也可用砂轮的端面磨削工件的槽和凸缘侧面。磨床采用十字拖板移动方式,液压系统结构新颖,工作台纵向运动采用双液压缸驱动,拖板横向进给采用液压马达和滚珠丝杠副驱动,运动平稳可靠,噪声小。电气采用集成电路,配有程序控制的自动磨削循环和垂向进给量预选机构,自动化程度高,可根据用户需要配装横向和垂向进给两个坐标的数显装置。磨床加工范围(长×宽×高):500mmx250mmx200mm,磨床总功率为26-37kW。
  还发明了一种高速及超高速平面磨削与外圆磨削方法,其特征在于主轴上装有砂轮的砂轮架固定在床身上可旋转90。的转换座上,砂轮绕砂轮架主轴轴心作高速旋转运动,放置工件的工作台作纵向、横向和垂向进给运动。其设备包括主轴上装有砂轮的砂轮架、纵向工作台和床身等,其特征在于砂轮架与可使其作90。旋转的转换座相连,固定在磨床床身上;纵向工作台下设置一横向工作台,其上设有与纵向工作台下滑槽相配合的导轨,横向工作台F设置垂向工作台,其上设有与横向工作台下滑槽相配合的导轨,侧面与床身上之导轨相配合。该发明既可实现工件的高速和超高速磨削加工,又可在一台设备上同时实现平面磨削及外圆磨削两种磨削方式。
  3.数控314m/s超高速平面磨床
  湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心自20世纪70年开始对高速磨削进行了大量工艺试验研究,2002年成功地研制成150m/s的超高速磨削机床,在此基础上与杭州机床厂联
合研制砂轮线速度达314m/s的超高速平面磨床,该磨床将成为我国第一台真正意义上的超高速平面磨床,其技术水平已达到现代国际先进水平。
  超高速平面磨床砂轮线速度为314m/s,(采用直径为th348mm的砂轮,主轴转速为极限转速24000r/min的70%左右)因此,定名为314m/s超高速平面磨床。而实际上还有富裕能力,当采用电主轴最高转速24000r/min时,砂轮线速度可达440m/s,如图13所示。
  (1)主要技术参数
  
  图13.314m/s超高速平面磨床
  ·砂轮最大规格:(外径/mm)X(宽度/rhm)
  ·试件最大尺寸:(长度/mm)X(宽度/mm)
  ·最大一次磨削深度/mm
  ·砂轮主轴功率kW
  ·磨削深度方向最小进给量/mm
  ·纵向进给速度/mm/min
  ·磨削比
  ·材料比磨除彰mm3/(mm·s)
  (2)磨床整体设计方案
  1)整体布局。超高速平面磨床由机床主体、电器柜、数控操作台、冷却过滤净化系统、高压冷却水泵、电主轴冷却用恒温循环供水箱、压缩空气供给及除湿系统、测试仪器仪表工作台及隔离观察室等组成。占地面积30多平方米,全部坐落在深达1000mm的混凝土防振隔离地基上,磨床总功率80kW。电器柜到主机之间采用电缆连接和相对固定式。数控操作台与主机之间采用柔性电缆连接,操作台可按需要在一定范围内灵活移动,为便于调整与对刀操作,数控系统带有手持单元,使操作人员感到更方便,如图14所示。
  
  图14 314m/s超高速磨床平面布置图
  为了改善操作人员的工作环境,增强安全感,同时也为了改善测试仪器仪表的使用环境,超高速平面磨床试验区隔离出一个观察室,各种测量仪器仪表安置在观察室内的工作台上,该磨床的数控操作台可通过隔离室的铁门移到隔离室内来操作。隔离室面向主机方向,装有厚达30ram的防弹玻璃,以便观察主机工作情况。
  2)磨床主体结构设计。超高速磨削砂轮主轴以每分钟上万转的高转速旋转,要求机床不仅要有高刚度、高强度、高回转精度和高平衡性能的主轴系统,并且要有优良的整体动态特性。因此,在磨床主体结构上,提出了一种全新的结构方案。
  ①采用固定砂轮架的形式。在超高速磨削中,最大的振动源应该来自砂轮轴,根据长期以来进行高速磨削试验和对高速外圆类磨床的测试,发现磨床的刚性最弱的环节往往是在砂轮架移动导轨部分,本来就对振动最敏感的砂轮架,再安装在一个刚性相对较弱的滑鞍的移动导轨上,其结果对超高速磨削是不利的,因此,将砂轮架固定在刚性较好的立柱上,而将工件安装在可作三维运动的工作台体系中,采用让试件向砂轮架逼近的方式实现磨削进给,其结构如图15所示。
  ②超高速平面磨床立柱部分与床身的结合面,设计在立柱的中部位置。超高速平面磨床基体是国内最权威的平面磨床生产厂——杭州机床厂引进消化德国BLOHM公司榫齿蠕动磨床的结构开发的MK7130强力成形磨床的床身、立柱,该机型为适应深切缓进给成形磨削的需要,对床身、立柱、工作台的设计强度、刚度均较富裕:尤其独特的地方是该磨床移动式立柱的导轨是布置在立柱的中部两翼。为了适应砂轮架固定不动的方案,将立柱移动的滚动直线导轨换成同尺寸的固定铁,在立柱中部两翼用螺栓将立柱固定在床身上。
  
  图15磨床外观结构图
  由于砂轮架空间位置正好处于立柱中部固定部位,因此砂轮架所受的磨削力几乎直接由床身与立柱的结合面来承受,而立柱所受的弯应力和转矩等大大降低,这种结构,可以增加机床的整体阿4性。
  ③在整体结构上留有改变成砂轮架进给式结构的余地。选用砂轮架固定的工作模式,这种模式无疑对超高速磨削试验是一种最佳的模式。但这种模式也带来一定的不利因素,那就是使磨床的加工尺寸范围限制在一个较小的范围内,在磨床投入实际生产加工时会感到某些不方便。因此,在研制超高速平面磨床时,并没有将磨床立柱和床身之间移动导轨部分以及砂轮架沿立柱上下移动的导轨部分完全删除,而是采用与这两部分直线滚动导轨尺寸完全相等的固定铁取代直线滚动导轨,当制造取得阶段性成果后,对磨床的床身、立柱、工作台和砂轮架等关键部件进行动态特性测试,还要进行砂轮架固定与砂轮架移动两种方式下机床动态特性的仿真比较,在经科学测试和仿真分析后,并在确有把握的情况下,可以考虑将立柱沿床身的前后移动坐标和砂轮架沿立柱的上、下移动坐标开放,以扩大磨床的加工尺寸范围,为开发设计实用型的超高速平面磨床作准备。改进时将在这两部分安装施加了一定的预加载荷的直线滚动导轨和精密滚珠丝杠,实现磨床的Y向和z向坐标运动。
  3)磨床的辅助设备。为了适应超高速磨削,除磨床主体外,还需要匹配相应的周边设施以形成一套完整的超高速平面磨床,主要的辅助设施有:
  ①高压冷却泵。超高速磨削时,高速旋转的砂轮圆周,形成了高速空气流,也可称之为气流屏障,转速越高,该屏障层越厉害,它不但与砂轮圆周产生摩擦,消耗砂轮主轴电动机的功率,而且还形成一定的压强,阻止磨削液进入磨削区。为了改善磨削液的冷却、冲洗效果,在高速磨削中,普遍采用高压喷射法。相对于最高线速度达314m/s的超高速磨削而言,采用普通磨床的0.1~0.2MPa的供液压力是远远不够的,该磨床选用宁波高压泵的3S50一2.6/25型柱塞往复式高压泵,最大输出压力达25MPa,理论排量为2.6m3/h.电动机功率为22kW,动力大,占地2平方米。高压冷却泵与之相匹配的高压阀门、高压水表、安全报警系统、高压水管与高压喷嘴,组成了超高速平面磨床的高压磨削液供给系统。
  ②双重过滤磨削液箱。磨削液的回收和过滤是由专门设计的大容量冷却箱完成的,该磨削液箱有效容积为1600L,具有磁性过滤和纸质过滤两套磨削液净化装置,净化后的磨削液经工作压力2MPa的低压水泵向3s50qo6/25型柱塞往复式高压泵供液。经双重过滤后,磨削液的净度满足了高效磨削的要求。
  ⑧全封闭式磨床防护罩结构。在超高速磨削和高压供液泵的工况下,磨削液的飞溅和雾化是非常厉害的,这就需要磨床具有全封闭的防护罩结构,所有部位不能有渗水、漏液现象。对于磨削液飞溅形成的水雾,采用xwq5水雾吸收器通过管道,将水雾凝固后送回到冷却水箱。
  ④砂轮电主轴冷却系统。该超高速平面磨床砂轮主轴选用瑞士进口的高速电主轴,该电主轴要求使用恒温冷却水流对主轴电动机定子外圈和轴承部分进行冷却,以确保主轴的精度与工作可靠性。使用上海海立特种制冷设备有限公司生产的SL--100BH液化冷却机作为电主轴的冷却供液系统。该冷却机制冷量为10000W,供液排量为80L/min,温度控制精度为±1℃,完全可以满足电主轴工作时对系统冷却降温的要求。
  ⑧砂轮电主轴油气润滑系统。瑞士IBAG公司电主轴为陶瓷混合角接触球轴承结构,最高转速可达24000r/min,工作时需要提供油气润滑。为此专门配置了工作压力为0.7MPa的压缩空气站,空压机输出的压缩空气经空气滤清器和除湿器进行净化后,送入油气润滑装置;该装置可按预先设定的间断供油时间,源源不断地向电主轴轴承部位和气密封部位提供含有适量雾状油颗粒的油气混合气体,以确保电主轴的陶瓷混合角接触球轴承部位得到充分润滑,减少滚动体的磨损,延长轴承使用寿命。
  (3)超高速平面磨床关键部件结构
  1)磨床床身主体。该超高速平面磨床床身是杭州机床厂MK7130强力成形磨床的床身,是按大切除量强力磨削的工况设计的。磨床床身为整体铸造结构,铸件壁厚为25mm,比一般磨床床身设计厚20%左右,床身四周立面无任何窗口,以增强其动态剐性,床身后部与立柱的结合面高于其纵向导轨平面,这种设计对立柱受力状况大有好处,床身纵向运动导轨采用直线滚动导轨,滚动导轨安装在成封闭结构的导轨支承面上,相当稳固,受力后变形小,也可降低工作时温升对精度的影响。该床身经动态特性分析和仪器测试结果表明:‘床身的固有频率比较高,从实际测试分析,该磨床床身的结构设计较合理。
  2)砂轮架及超高速砂轮。砂轮架是磨床的核心,而主轴及轴承又是核心中的核心。用于超高速磨床主轴轴承的结构形式,主要有陶瓷球轴承、磁悬浮轴承及液体动静压轴承几种。空气轴承尽管有极限转速高、精度也可以做得很高的优点,但因其刚度较低,一般只适用于精密与超精密加工机床,不宜用于以提高切除率为主要研究方向的超高速平面磨床。近几年发展起来的陶瓷球混合轴承在高速机床主轴上的应用越来越成熟。该磨床选用了国际上著名的电主轴生产厂商瑞士IBAG公司的HF230、4D120CFSV型角接触陶瓷球混合轴承的高速精密电主轴,该电主轴是IBAG公司为适应磨床使用专门为该磨床设计的。其最高转速达24000r/min,连续工作电动机功率40kW,峰值功率为180kW,其结构如图16所示,电主轴采用两截式结构,电动机转子固定在前、后轴承组中间、前后轴承组各采用两个同向安装的精密角接触陶瓷球轴承,施加了预加负荷的前轴承组的轴向位置由体壳内台阶和端盖锁定。后轴承组安装在可沿主轴轴线方向微量移动的轴承套内,其轴向预加负荷由8个圆柱弹簧实现。当主轴受热略微伸长时,后轴承座可作相应的轴向尺寸补偿。从而保证轴承的预加载荷和精度不变。主轴上所有回转零件均按平衡设计,无键、键槽或非对称螺钉、螺孔,以确保高速主轴的动平衡特性。电动机定子和轴承外圈部位都设计有循环冷却水槽,工作中通制冷的恒温冷却水,前后轴承处采用油气润滑。
  该电主轴DⅣ值达180×104mm·r/min,主轴系统刚度大于340N/p,m,轴向与径向圆跳动量均小于1Ixm,回转精度在0.5μm以上。
  超高速磨削时,由于砂轮基体受离心力的作用会产生很大的应力式中:P为砂轮基盘材料密度;E为砂轮基盘材料弹性模量;y为砂轮基盘材料泊松比;∞为砂轮角速度;u为基盘径向位移。
  如果给定砂轮基盘截面形状分布边界条件,(r)和基盘温度分布边界条件,即可解得基盘任一半径处的径向应力切向应力。
  由式可以看出,应力的大小与砂轮角速度的平方成正比,与基体上任一点到中心的距离r成正比。因此可见,普通磨削时带有砂轮法兰盘安装孔的形式。在超高速磨削时是不适用的。因为安装孔处的应力会使砂轮法兰盘定心圆或圆锥尺寸微量扩大,影响砂轮在主轴上的定位精度和结合面的可靠性。同时也降低了基盘本身的强度。
  为此,在砂轮基盘设计时采用无中心定位通孔的形式。如图17所示。砂轮基盘用过盈配合的形式与主轴悬伸端的定心轴颈配合,并以内端面与主轴端面贴紧,8个螺钉将其与主轴紧固,砂轮基盘中心无通孔。砂轮横截面显示它是中间厚,周边薄的结构,这是从等强
  
  图17砂轮基盘设计图度与空气动力学的角度出发考虑的。
  从德国wendt公司在比利时的工厂定制的一片砂轮的线速度为250m/s,磨料为C.BN,采用多层电镀工艺,粒度为75-90。国内定制的砂轮也采用同样结构形式,砂轮线速度为160m/s,磨料分CBN和金刚石两种,结合剂有金属、树脂和陶瓷三种,粒度为100~140。
  3)磨削深度方向Z坐标轴微进给装置。为了使机床能实现最小达0.0001mm的微进给,采用了如图18所示的Z坐标轴微进给装置。滚珠丝杠和直线滚动导轨布置在与底平面成1:10斜度的平面内,伺服电动机与滚珠丝杠直连,构成机床Z坐标轴,其最小进给量为0.001mm,由于该轴为斜置轴,当它沿斜方向进给0.001 mm时,其垂直方向的上升量则为0.0001,从而实现磨削深度方向的亚纳米级进给.
   
  图18 Z坐标轴微进给装置
  4)砂轮在线自动平衡装置。一般超高速磨床上都设计有砂轮在线自动平衡装置。该超高速平面磨床选用国际上最著名的美国SBS公司的砂轮自动平衡系统(图19),考虑到机床工作转速达24000r/min,且机床砂轮架安全防护等各方面的因素,选用了SBS公司的IB一1404一A型高速内装、非接触式自动平衡器和SBS一4475型动平衡控制仪;该平衡仪最高允许转速为30000r/min,振动值灵敏度为0.001um,平衡能力为4009.em,平衡头安装在砂轮主轴的前端,使之最靠近砂轮,以达到最好的平衡结果。信号输出端则固定在主轴后端,(参见砂轮电主轴结构图)信号发射头则安装在电主轴体壳后部,通过电缆连接到SBS一4475自动平衡控制仪上。由于平衡头和信号发射头之间是非接触的,因此无机械磨损,寿命较长,但要严格控制二者之间的安装距离和防尘,价格也很昂贵。测振传感器安装在砂轮架上指向砂轮轴的位置,使之最有效地拾取主轴的振动信号。经使用后发现,该平衡头有很好的平衡效果,在自动平衡模式下,可以将轴承的残余工作振动峰峰振幅值平衡至0.1um以下。除此之外,当砂轮主轴停止时,该平衡仪还能测出机床其他部位及外界环境的振动频谱,用以分析外部激励振源的情况。
  
  图19 SBS公司砂轮自动平衡系统
  5)砂轮防护罩及机床安全防护设计。机械行业标准JB 4029--2000(磨床砂轮防护罩安全防护技术要求)中规定了砂轮线速度80m/s时砂轮防护罩钢板的最小壁厚尺寸,当砂轮直径为300-400mm、砂轮厚度。小于50mm时,防护罩壁厚最小为10mm。
  该超高速平面磨床由于砂轮架是固定不动的。因此,为安全起见,砂轮防护罩可以做得很厚实,防护罩周边用30ram厚的钢板焊接而成,磨削区开口也压得很低,砂轮外露量不到8%。尽量确保安全,以防万一。除此之外,在砂轮切线方向的正前方工作台上,另外增加了一块30mm厚的钢板作为第二道防护墙,增加试验机床的安全性。
  机床主体的防护罩采用全封闭式结构,保证磨削液不会飞溅到外面,推拉式防护门装有安全联锁感应开关,防护门若不关闭到位、机床是不能进行磨削的。
  6)数控系统。该磨床选用德国西门子公司的802D数控系统,分别控制工作台纵向运动坐标(X轴)工作台横向运动坐标(y轴)和磨削深度方向进给坐标(z轴),其中Y轴坐标伺服电动机的输出经西门子减速器与滚珠丝杠相连,减速比为1:10,其他轴为伺服电动机与滚珠丝杠直连。砂轮主轴的无级调速是由德国Rexroth公司的REFU drive 500 RD52变频调速器实现的。通过西门子802D控制板上主轴调速控制开关进行操作,数控系统除了按指令完成磨削程序外,还担负着对油气润滑系统、高压冷却水泵、电主轴恒温冷却系统、压缩空气机和安全防护门等装置工作情况的监视工作,当那些装置中某一部分工作不正常时,数控系统能立刻发出警报,并停止磨削工作的进行。
  (4)使用情况314m/s超高速平面磨床自2003年5月调试完成投入使用以来,运转情况亚常,累计工作时间已超过7000h。一天最多连续工作时阔曾超过12h,在该试验台上先后进行了砂轮速度从60m/s到250m/s的磨削试验,进行了金属材料:陶瓷材料的超高速探磨快进给磨削工艺试验。运行5年来,基本上未出现过大的故障,运行状态很好。
  (5)待改进的地方在5年来盼运行过程中,发现了该超高速平西磨床还存在着一些不足,查要是以下三方面:
  进口电主轴的使用寿命问题。瑞士IBAG公司对电主轴的保质期是一年内,2000h。经查证,该主轴使用的陶瓷球轴承的使用寿命约为7000h,现机床运行近7000h,目前已发现电主轴轴承噪声明显增高,主轴殛转精度也有所下降,估计在一、二年内要更换电主轴轴承。出于瑞士tBAG公司的电主轴产品有多项专利技术,其割造装配过程极为保密,若要保证维修质量,还得将电主轴送去专门的维修站进行维修。
  2)试验用砂轮问题。目前使用的进口砂轮最高线速度为250m/s,国内提供的各种超高速砂轮线速度只能达到160m/s,若要进行更高线速度的超高速磨削工艺试验,砂轮的来源是一个关键。据了解,国外300m/s以点的砂轮大多也仅在实验室内使用。如德国Aachen工业大学、日本东北大学进行的300m/s以上的超高速磨削砂轮基体采用质量轻、比强度高、比模量高、密度及膨胀系数小的碳素纤维强化复合材料FTCFRP来制造。国内目前在这方面尚未突破,而国外现阶段在这方面技术还不向中国出口,因此,作者想联系国内的有关研究单位,在超高速砂轮制造技术上有所突破,以保证超高速磨削技术的深入研究。
  3)扩大超高速平面磨床应用范围的问题。,前面讲到,为保障超高速平面磨床研制的成功,在前面试验台设计方案中将砂轮架设计成固定不动的,这样做虽然有利于磨头系统刚度的提高。但限制了试磨件的尺寸范围,随着研制的深入进行,计划将逐步开放砂轮架在主柱上上、下移动坐标轴和立柱在床身上前后运动坐标轴,这个方案目前看来,在技术上已没有多大困难,则超高速平面磨床将更加实用。