劉金乾，劉貞玉

(1. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校辦工廠(咸陽機(jī)床廠)，陜西咸陽712000;2. 西安中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西西安710077)

圖1 為汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)關(guān)鍵零件螺桿軸，由于最近幾年才從國(guó)外引入，所以國(guó)內(nèi)目前尚無高效磨削設(shè)備，大多數(shù)方向機(jī)制造企業(yè)都采用普通螺紋磨床磨削該零件的螺旋面，雖然磨削后精度指標(biāo)可以達(dá)到，但磨削效率低下。為此作者在吸取國(guó)內(nèi)外螺紋磨床研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為國(guó)內(nèi)某大型汽車制造企業(yè)研制了數(shù)控高速外螺旋面磨床，使圖1 所示零件的單件磨削時(shí)間由原先的3.5 min 縮短到了1 min，大大提高了生產(chǎn)效率。

圖1 螺桿軸

1 機(jī)床的基本布局

圖2 為作者開發(fā)的數(shù)控高速外螺旋面磨床基本布局示意圖。頭架、尾架分別位于工作臺(tái)左右端，工件用中心孔定位在頭架、尾架頂點(diǎn)之間，頭架主軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng);伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠副帶動(dòng)工作臺(tái)縱向移動(dòng);頭架主軸回轉(zhuǎn)與工作臺(tái)縱向位移實(shí)現(xiàn)磨削工件所需的螺旋運(yùn)動(dòng);砂輪架在垂直于工作臺(tái)縱向的平面內(nèi)可以調(diào)整角度，滿足磨削工件時(shí)的螺旋角要求;砂輪架由伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠副帶動(dòng)做橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磨削工件所需的快進(jìn)、工進(jìn)、快退運(yùn)動(dòng);滾輪砂輪修整器布置在砂輪主軸正上方，伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠副帶動(dòng)其沿與砂輪架主軸垂直的方向上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)砂輪修整所需的快進(jìn)、工進(jìn)、快退運(yùn)動(dòng)。機(jī)床全封閉防護(hù)，工件冷卻箱等輔機(jī)分布于機(jī)床后面。

圖2 機(jī)床布局圖

2 數(shù)控高速外螺旋面磨床的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)采用FAG8055 數(shù)控系統(tǒng)，內(nèi)裝PLC 控制器，配置螺旋磨削軟件，可通過人機(jī)會(huì)話方式給定磨削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)磨削功能;

(2)高速度、高剛度動(dòng)靜壓砂輪主軸設(shè)計(jì)，砂輪采用變頻調(diào)速，最高砂輪線速度60 m/s，靜態(tài)主軸剛性0.002 mm/20 kg;

(3)工件磨削錐度有通過尾架頂尖橫向精密手動(dòng)調(diào)整和數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整兩種方式供操作者選擇;

(4)工件磨削、砂輪修整采用高壓冷卻;

(5)砂輪整形采用金剛滾輪，保證修整砂輪快捷、正確、一致;

(6)多處軸承采用油氣潤(rùn)滑密封，保證了關(guān)鍵部位軸承壽命;

(7)砂輪自動(dòng)平衡和防碰撞功能。

3 主要研究?jī)?nèi)容

螺旋面磨削為成型磨削，它不像外圓磨削，不具修光功能，容易在磨削面上產(chǎn)生波紋度，波紋度的出現(xiàn)會(huì)使螺旋副的接觸剛度和耐用度降低，所以在數(shù)控高速外螺旋面磨床設(shè)計(jì)初期，作者就將磨削面出現(xiàn)波紋度確定為設(shè)計(jì)該機(jī)床要研究的主要內(nèi)容。

3.1 造成螺旋面出現(xiàn)波紋度的主要因素

通過對(duì)螺旋面磨削原理的分析，認(rèn)為可能引起螺旋面出現(xiàn)波紋度的主要因素見圖3。

產(chǎn)生振紋的因素

3.2 機(jī)床動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的建立

從圖3 看，產(chǎn)生波紋度的因素很多，但歸根結(jié)底是由于諸多因素引起的振動(dòng)造成螺旋表面出現(xiàn)波紋度。振動(dòng)分受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩類。受迫振振動(dòng)是由外部振動(dòng)所引起，如圖3 中砂輪平衡不良、外部振動(dòng)引起機(jī)床振動(dòng)、砂輪架電機(jī)動(dòng)平衡不良等引起的磨削振動(dòng)，這類振動(dòng)一般可通過頻域信號(hào)分析、辨識(shí)振源并消除。而自激振動(dòng)主要是由再生效應(yīng)引起的，工件在磨削過程中，由于工件表面的不平衡性，引起工件與砂輪的相對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象，造成磨削深度發(fā)生變化。同樣，砂輪磨粒不均勻、砂輪磨損不均勻、進(jìn)給系統(tǒng)剛性差等也會(huì)引起砂輪的自激振動(dòng)，因此，磨削加工過程的自激振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象?？刹捎脤?duì)砂輪進(jìn)行動(dòng)平衡、修整砂輪偏心的方法減少受迫振動(dòng)或消除振動(dòng)源。對(duì)于自激振動(dòng)，理論上可通過工藝參數(shù)及增加機(jī)械系統(tǒng)剛性的方法減少其影響，然而影響這一振動(dòng)的因素太多，如何在磨削中發(fā)現(xiàn)磨削自激振動(dòng)的真正因素，是解決問題的關(guān)鍵。

為研究問題方便，針對(duì)除受迫振動(dòng)之外的自激振動(dòng)因素建立圖4 所示的外螺旋面磨床彈性系統(tǒng)框圖。m1、m2、m3、m4分別為砂輪架、頭尾架、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)、砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)的質(zhì)量;C1、C2、C3、C4分別為砂輪架、頭尾架(工件裝夾系統(tǒng))、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)、砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)的剛度;1、2、3、4 分別為砂輪架、頭尾架、工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)、砂輪架進(jìn)給系統(tǒng)的重心;O 為砂輪架剛度中心;Px、Py分別為砂輪磨削工件時(shí)磨削力在機(jī)床縱向、橫向上的磨削分力。

圖4 彈性系統(tǒng)框圖

從圖4 可以看出:外螺旋面磨床由4 個(gè)彈性系統(tǒng)組成，即砂輪架彈性系統(tǒng)、頭尾架彈性系統(tǒng)、工作臺(tái)進(jìn)給彈性系統(tǒng)、砂輪架進(jìn)給彈性系統(tǒng)。

3.3 螺旋面磨床產(chǎn)生波紋度的原因

螺旋面磨床工作過程的受力情況如圖5 所示，下面作者結(jié)合工作過程受力情況分析各彈性系統(tǒng)產(chǎn)生波紋度的原因。

圖5 砂輪磨削受力圖

(1)砂輪架彈性系統(tǒng)對(duì)螺旋面波紋度的影響

砂輪架彈性系統(tǒng)的剛性主要取決于主軸本身的物理剛性和主軸軸承的剛性(包括徑向和軸向)。而磨削力一般較小，主軸本身的物理剛性可以認(rèn)為很足，不會(huì)引起砂輪振動(dòng)。磨削用主軸單元選用動(dòng)靜壓軸承的較為普遍，其軸向剛度和徑向剛度較高，一般為(0.002 ～0.003)mm/200 N，間隙為0.03 ～0.04 mm，當(dāng)砂輪所受徑向磨削力Fn=0 時(shí)，砂輪主軸處于理論正確位置如圖6;當(dāng)砂輪所受徑向磨削力Fn≤200 N時(shí)，由于主軸偏離理論正確位置的值e ≤0.002 ～0.003，不足以引起砂輪振動(dòng);當(dāng)砂輪所受徑向磨削力Fn＞200 N 時(shí)，主軸中心偏離理論正確位置0.002 mm ＜e≤(0.03 ～0.04)mm，如圖7，偏心值e 距工件近的一邊間隙變大，距工件遠(yuǎn)的一邊間隙變小，且近磨削區(qū)一端間隙變化大，遠(yuǎn)磨削區(qū)一端間隙變化小，而動(dòng)靜壓軸承間隙小的地方動(dòng)壓效果大于間隙大的一邊的動(dòng)壓效果，因?yàn)閯?dòng)壓效果的出現(xiàn)，使砂輪主軸向理論正確位置移動(dòng)，當(dāng)回到理論正確位置時(shí)，動(dòng)壓效果兩邊相等，砂輪所受的徑向磨削力Pn又將砂輪主軸推離理論正確位置，在砂輪主軸兩邊又會(huì)重新出現(xiàn)動(dòng)壓效應(yīng)差，迫使砂輪主軸又向理論正確位置移動(dòng)。隨著磨削的進(jìn)行，砂輪主軸一會(huì)兒偏離理論正確位置，一會(huì)兒回到理論正確位置，相當(dāng)砂輪磨削區(qū)在某一固定方向上振動(dòng)，造成砂輪的切削深度一會(huì)兒變深一會(huì)兒變淺，反映在工件上就形成了螺旋面上的波紋度，且隨著砂輪架彈性系統(tǒng)剛性的降低，波紋度更加嚴(yán)重。砂輪所受的軸向磨削力Fa能改變軸向軸承兩端面的間隙，從而引起兩端的動(dòng)壓效果發(fā)生變化而造成砂輪軸向振動(dòng)，在此就不再贅述。

圖6 砂輪理論正確位置

圖7 砂輪偏高理論正確位置

(2)工作臺(tái)進(jìn)給彈性系統(tǒng)對(duì)螺旋面波紋度的影響

對(duì)數(shù)控機(jī)床而言，這個(gè)方向一般采用伺服電機(jī)直連滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。而滾珠絲杠的支撐在精度要求不是很高的情況下，大多采用一端用滾珠絲杠專用軸承、一端用深溝球軸承的支撐方式。從圖4 可以看出:如果絲杠軸向剛性不足以克服工件所受軸向磨削力Fa，就會(huì)引起工作臺(tái)在這個(gè)方向上產(chǎn)生振動(dòng)，最終在螺旋雙端面出現(xiàn)波紋度。

(3)砂輪進(jìn)給彈性系統(tǒng)對(duì)螺旋面波紋度的影響

該方向形成波紋度的機(jī)制與工作臺(tái)進(jìn)給彈性系統(tǒng)對(duì)螺旋面波紋度的影響機(jī)制一樣，只不過該方向會(huì)造成砂輪沿工件徑向磨削深度變化而振動(dòng)。它引起螺旋面底面出現(xiàn)波紋度。

(4)兩部件之間的連接剛性對(duì)螺旋面波紋度的影響

砂輪架與進(jìn)給滑板、頭架與工作臺(tái)等有相互連接的表面之間，如果接觸面積不夠大、連接螺釘不夠可靠、切削分力沒有經(jīng)過它們的重心位置，存在扭轉(zhuǎn)力矩也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，造成螺旋面出現(xiàn)波紋度。

4 結(jié)束語

總之，影響螺旋面磨削出現(xiàn)螺紋度的因素很多，但重點(diǎn)還是要放在增強(qiáng)各彈性系統(tǒng)剛性和優(yōu)化各彈性系統(tǒng)固有頻率上。因此，作者在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)采用了下面幾項(xiàng)措施，保證了機(jī)床研制完成后沒有出現(xiàn)波紋度。

(1)加大砂輪主軸直徑，保證主軸的物理剛性;

(2)選擇先進(jìn)的油腔形狀和較小的油隙，保證砂輪架具有足夠的靜剛度和動(dòng)剛度;

(3)優(yōu)化進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇合理的絲杠直徑和絲杠軸承支撐方式，提高剛性;

(4)在條件允許的情況下，盡量增大各相接部件的接觸面積，提高接觸面的接觸剛性;

(5)找準(zhǔn)重心位置，合理機(jī)床布局，優(yōu)化部件設(shè)計(jì)。

【1】張建鐳.基于主成分分析方法的磨削顫振的檢測(cè)［J］.精密制造與自動(dòng)化，2010(4):16 －18，61.

【2】任大力.螺紋磨削時(shí)波紋度的成因及其改時(shí)措施［J］.磨床與磨削，1993(4):47 －50.