车磨复合机床整机设计技术分析

引言

目前,制造工艺正由传统的单一加工向复合加工工艺转变,复合加工技术的快速发展大大提高了零部件生产效率,市场对高精度复合机床的需求量越来越大。国外复合机床发展较早,技术较为成熟,能稳定地保持特定的加工精度。例如,瑞士Magerle公司MGR型立式车磨复合加工机床,机床上方配有多个磨头和一个车刀架,可以对零件进行磨削和精车,MGC-RTGrinders系列机床,工作台可以旋转,装备有多个主轴,一次装夹可以进行车、磨、铣、钻等各种加工:日本森精机制作所的IGV-3NT型磨头可回转式立式磨床,可在一次装夹下对零件内外圆和端面进行加工:瑞士STUDER公司的S33型万能数控磨床,可以在一次装夹下实现内外圆、端面加工。而我国虽然部分复合机床加工技术指标达到了国际先进水平,但复合磨床方面的技术与国外仍有很大的差距。对此,我们以传统磨床为基础,研发出新一代车磨复合机床。

1机床特点

车磨复合机床具有以下特点:

(1)效率高。采用立式装夹工件磨削,可实现一次装夹多工序复合加工,如可以通过一次装夹就完成零件的内圆、外圆、端面、锥面等的复合磨削加工,集合车床功能,车磨复合、内外复合效率提高2倍以上。

(2)自动化程度高。可以根据用户的不同要求,安装ATC砂轮库、APC交换工作台、AMS自动测量系统及机械手等功能部件,易实现自动化生产。以前需要3台机床、3个人完成的工作,现在只要1台机床、1个人即可。

(3)柔性化。适合多品种、小批量、变品种、变批量的生产方式,磨削加工盘类、短轴类、套管类等长径比比较小的零件,特别适用于汽车配件、齿轮加工、轴承以及其他行业多品种、小批量的零件加工。

2技术路线

车磨复合机床整机设计的总体技术路线如图1所示。

3技术方案

车磨复合机床具体关键部件安装位置如图2所示。

(1)双档定位转塔:通过0°定位进行内、外径研磨:使用斜面砂轮,利用22.5°定位高效研磨外径、端面。

图1总体技术路线

(2)砂轮轴:采用HSK-A100进口刀柄,最大输出为11.0kw,通过4t的夹紧力使研磨能力提高。

(3)内外径、端面测量接触式传感器:应用于批量生产(工件10个以上)。当加工大直径工件或深孔工件时,可以提高效率。

(4)ATC刀库:可收纳砂轮直径为50~305mm的工具6把,实现了砂轮交换时间的缩短与复合加工。

(5)旋转式修正器:在旋转盘配置了多点金刚石的旋转式金刚鼓轮修正器。

(6)工作台定位置停止(传感器式):通过找位提高了工件交换工序、手动测量的操作性。与选项中的内外径、端面测量并用,可避开键槽和螺孔进行测量。

(7)单点金刚笔修正器:标准配置了砂轮外径、端面用及背端面用的2只修正器,支持复合加工。

(8)油雾集尘器:建议把机床设置在干净的恒温室内。在研磨加工中,由内藏过滤器吸出从研磨点发出的冷却液油雾并分离冷却液成分,把清新的空气放出机外。

(9)冷却液温度管理装置:可以控制加工工件及机床主体的温度,实现了更高精度的加工。

(10)冷却液水平开关(下限):不需要特意打开冷却液箱,便可确认冷却液的水量。

(11)冷却液两次分离器:纸滤器型的冷却液两次分离。在加工极度厌恶划痕材料或加工非磁性材料时使用。

(12)强力型磁性分离器:采用稀土磁体,提高淬火木材的碎屑捕集性。

4关键零部件技术

4.1机床整体布局

本机床采用整体立柱或龙门式结构,双磨头或单磨头,拖板移动,立轴圆台布局型式,整机刚性好。立柱结构采用整体铸造结构,和横梁合为一体,具有足够的刚度,可实现很高的纵向几何和数控精度。全封闭结构,防护罩手动移动。工作台位于床身的前部,工作台采用静压导轨结构,由交流伺服电机驱动,可以达到较高的运动精度。其具有运动精度高、工作平稳、承载能力强、刚性好、抗震性强等优点。回转工作台采用端面闭式静压导轨+径向滚动轴承结构,具有很高的回转精度和动态刚性。

4.2高速陶瓷静压电主轴系统

4.2.1静压主轴系统

本机床采用静压主轴,具有高精度和高刚性,能够增大砂轮转速从而提高磨削效率。其工作原理(图3):启动系统工作时,首先开启溢流阀使其处于溢流状态,此时启动电机,待电机稳定后油泵开始工作。油液经过单向阀进入主供油管路,蓄能器开始储存能量,同时油液经过精滤油器和节流器后进入静压轴承油腔,静压轴承开始工作,将支承工件浮起,液压油流经静压轴承两端后回到油箱,形成回路。

图3液体静压轴承供油系统原理图

4.2.2陶瓷静压电主轴

本机床采用电主轴(图4),实现了电机和主轴的一体化,具有结构紧凑、机械效率高、振动小、高速下转矩大等优点。采用转轴动平衡测试以及主轴颈喷涂陶瓷层等一系列方法,提高了主轴的精度和使用寿命。

图4静压主轴结构图

4.3高刚性高稳定性圆柱式静压导轨进给系统

滑动导轨结构简图如图5所示,双矩形闭式静压导轨结构简图如图6所示。本机床采用多油腔、低压力(≤0.8MPa)的圆柱式静压导轨(图7)系统,利用一定压力的液压油使摩擦体两摩擦面分离,并在其间形成刚性油膜,在外载负荷变化时,自动调节各支承腔压力和接触刚性,保持其摩擦体的油膜分离状态,确保机床摩擦体不会产生磨损,长期保持机床的高精度和高刚性。支撑圆柱采用特殊材料表面硬化工艺处理,无磨损,经久耐用,防水、防锈,耐酸碱。圆柱式静压导轨的行走精度是普通数控外圆磨床"V"型导轨行走精度的5倍以上,刚性是V型导轨的10倍以上,可达到0.5um的行走分辨率。

图5滑动导轨结构简图

图6双矩形闭式静压导轨结构简图

图7圆柱式静压导轨

4.4超高速CBN砂轮技术

CBN砂轮具有良好的耐磨性、高动平衡精度、抗裂性、良好的阻尼特性、高刚度和良好的导热性,而且其机械强度能承受超高速磨削时的切削力等。超高速磨削CBN砂轮及其修整技术,包括超高速CBN砂轮的磨料种类及其特点,超高速CBN砂轮的结构形式,超高速CBN砂轮的优化设计与制造技术。

图8为超高速CBN砂轮的研发方案流程图。

4.5高速磨削加工轮廓误差控制

交叉耦合轮廓控制方法原理图如图9所示。数控机床加工出的轮廓是由各个坐标轴的合成运动形成的,各轴的合成运动误差最终反映为轮廓误差。采用交叉耦合轮廓控制方法在控制软件上增加一个耦合控制环节,先将各轴误差在耦合器中进行综合,然后将综合后的误差信息分配给各轴以产生相应的附加补偿作用,实现对磨削加工轮廓的误差控制。

4.6超声波防碰撞功能

为防止操作者的不熟练等人为因素或机床长期使用后本身的问题而造成工件和砂轮或砂轮与头尾架的碰撞而带来损失,机床加装了主动测量仪。当工件运行到砂轮附近时,声纳传感器采集到噪声信号,传送给测量仪并与设定的参数进行比较,若信号幅度大于测量仪内设定的参数,则测量仪输出信号控制进给轴暂停或退回。系统发射电路和接收电路分别如图10、图11所示。

4.7电主轴油水热交换循环冷却系统

高速电主轴的油水热交换循环冷却系统如图12所示,采用连续、大流量的冷却油对电机定子进行循环冷却,从主轴壳体上的入油口注入的冷却油,经过开有螺旋冷却槽的定子冷却套,带走电机定子产生的绝大部分热量,再从定子冷却套的出油口流出,然后通过逆流式冷却交换器进行热交换,降低温度后流回冷却油箱。根据电主轴内置电机的要求,确定入口温度和冷却油箱的温升。

在电主轴高速旋转时,这种强制冷却方式能源源不断地带走支承轴承产生的热量,使主轴系统处于热平衡状态,有效减少了主轴的热变形,保证了机床精度稳定性。

4.8花岗岩工作台

本机床采用花岗岩石做机床工作台,具有刚性高、抗震性好、耐化学腐蚀和耐热的特点,机床的稳定性优于铸铁工作台,且外观更漂亮。花岗岩石工作台具有不易磁化的特点,运动时能够平滑移动,毫无滞涩感,不受潮湿等环境因素的影响,平面稳定性好。

4.9复合技术

针对内孔磨削时砂轮损耗重、修整频次高、加工精度低等问题,采用静压电主轴提高砂轮线速度,硬车(硬车削是指为避免淬硬钢采用磨削加工,把车削作为最终加工或精加工的工艺方法)加工工艺减少磨削余量,CBN砂轮减少砂轮损耗等措施,提高了加工精度及加工效率。机床整体采用内孔主轴、外圆主轴和车刀并排的立式车磨复合加工新型机床结构,设计先车削后磨削的一体式加工工艺优化方案。复合示意图如图13所示。

期13图复合示期

5意结

根据技术路线和技术方案,设计制造了一种新型车磨复合机床,并对机床进行试生产。生产数据如表1所示。

该车磨复合机床与国内同类产品相比,精度有明显提高,达到了预期要求。该机床自生产制造、加工实验、检测验收后,在某机械制造企业投入使用一年多以来,机床运行情况良好,为企业取得了良好的经济效益。