姜佳琦 汪學(xué)棟

（上海機(jī)床廠有限公司 上海200093）

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，新技術(shù)的不斷使用，汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了CVT（Continuously Variable Transmission無級變速）變速器技術(shù)。輸入帶輪軸、輸出帶輪軸和輸出軸是CVT變速器的核心零件，它的加工精度直接影響到變速器的傳動(dòng)性能。這些軸類零件螺紋部分傳統(tǒng)加工方式采用車削加工，隨著市場對CVT變速器傳動(dòng)性能的要求越來越高，需要采用磨削的方法提高加工精度。目前螺紋磨床以調(diào)整砂輪架螺紋升角實(shí)現(xiàn)螺紋加工。由于效率低，設(shè)備成本高，不符合用戶對加工效率的需求；此外，國外加工此類零件螺紋的機(jī)床雖然效率高，但是在國內(nèi)未見到成線應(yīng)用。隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，機(jī)床的成線自動(dòng)化需求愈發(fā)迫切，開發(fā)既能滿足加工精度又能滿足CVT變速器輸入帶輪軸、輸出帶輪軸和輸出軸等零件螺紋高效加工的自動(dòng)化成套裝備就迫在眉睫。為了滿足以上市場需求擬定了這個(gè)項(xiàng)目的數(shù)控螺紋磨床(H373)的規(guī)格參數(shù)如下：

磨削螺紋直徑（mm） Φ20～Φ60

最大磨削螺紋長度（mm） 100

最大工件回轉(zhuǎn)直徑（mm ） Φ200

最大工件重量（kg ） 50

1 整體方案擬定

要達(dá)到高速高效的螺紋磨削，在磨削螺紋時(shí)用CBN成形砂輪磨螺紋的方式。這是在原有普通成形砂輪數(shù)控螺紋磨床上作了改進(jìn)，采用工作臺移動(dòng)式布局，工作臺在床身上作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，砂輪架在墊板上作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；砂輪主軸為電主軸，安裝CBN成形砂輪，帶有成形砂輪輪廓修整裝置；工作臺采用V-平導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；頭架配置有專用卡盤，尾架設(shè)計(jì)為高低壓液壓尾架提高響應(yīng)速度，能高速高效地完成工件螺紋部分的磨削。整體布局如圖1所示。

圖1 整體布局及機(jī)床外觀圖

砂輪主軸和修整器主軸的安裝方式，如圖2所示。修整器安裝在磨削砂輪正后方，能實(shí)現(xiàn)砂輪磨工件的同時(shí)成形修整滾輪修磨砂輪的高效修整方式，不需要Z軸做任何移動(dòng)來節(jié)約修整時(shí)間。

圖2 砂輪電主軸和修整電主軸

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 伺服電機(jī)選型

機(jī)床有4根伺服電機(jī)軸，分別為Z軸工作臺左右移動(dòng)的伺服電機(jī) 1、X軸砂輪架前后進(jìn)給的伺服電機(jī)2、C軸頭架聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)3和u軸修整滾輪進(jìn)給的伺服電機(jī) 4。在伺服電機(jī)選型上可根據(jù)機(jī)床部件負(fù)載和切削力等計(jì)算數(shù)據(jù)選型，也可按同規(guī)格的常規(guī)數(shù)控外圓磨床的伺服電機(jī)同比選擇，此臺機(jī)床用的是 FANUC伺服電機(jī)，可用 FANUC選型軟件選取伺服電機(jī)規(guī)格。以控制X軸的伺服電機(jī)2為例，如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)2的選型

2.1.1 頭架伺服電機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)調(diào)整

頭架部分，根據(jù)工件和磨削效率適當(dāng)?shù)募哟筝敵雠ぞ?，原用于普通磨外圓的電機(jī)選型參數(shù)并不適合，在滿足高速高效磨削工況經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算的頭架電機(jī)選型外型會(huì)過于龐大，更合理的結(jié)構(gòu)是在電機(jī)輸出端再增加一減速機(jī)構(gòu)，或者適當(dāng)增加傳動(dòng)帶輪的減速比。在機(jī)床制造完成后，進(jìn)入試磨階段時(shí)，做了實(shí)驗(yàn)對比，記錄如表1所示。

在其余試驗(yàn)條件相同的情況下，僅變化有無頭架減速機(jī)來取得試驗(yàn)結(jié)果。由試驗(yàn)結(jié)果得知有減速機(jī)的結(jié)構(gòu)比沒有的時(shí)候磨削效率大了好幾倍。在非高速磨削的機(jī)床上頭架輸出扭矩并未非常明顯的體現(xiàn)對磨削效率有很大的影響，但是在高速磨削的條件下頭架的輸出扭矩會(huì)對整體磨削節(jié)拍磨削效率有很大的影響。這個(gè)試驗(yàn)就驗(yàn)證了原先的設(shè)計(jì)預(yù)想：合理的增大頭架輸出扭矩，能使高速磨削上起到很重要的作用。

2.2 電主軸選型

在砂輪電機(jī)和修整電機(jī)的選型時(shí)，根據(jù) CBN砂輪的線速度和修整比來考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速，其次根據(jù)磨削效率和修整的螺紋形狀推算出砂輪電機(jī)功率和修整電機(jī)功率 。根據(jù)以往CBN磨削案例中，通常修整比如圖4所示。

成形修整中，滾輪進(jìn)給速度一般表示為μm/rev。一般而言，傳統(tǒng)固結(jié)磨具的成形修整中，滾輪進(jìn)給速度一般設(shè)為0.2 ～ 2 μm/rev，而CBN或者金剛石的修整一般設(shè)為0.03 ～ 0.2 μm/rev（數(shù)值大小取決于機(jī)床剛性），這次選取的是0.65 ～ 0.8 μm/rev。

另外結(jié)合成型修整的功率計(jì)算，選擇在 1kW。計(jì)算修整電主軸功率時(shí)，應(yīng)按螺紋展開面積來計(jì)算修整功率。

3 實(shí)際應(yīng)用的磨削參數(shù)總結(jié)

3.1 運(yùn)用CBN砂輪實(shí)現(xiàn)高速磨削螺紋的方式

CBN磨螺紋的方式，是在光圓柱面上直接磨出螺紋，工件螺紋部位磨削示意圖，如圖5所示。

圖5 工件螺紋部位磨削示意圖

CBN成形砂輪在螺紋磨削時(shí)候的參數(shù)調(diào)整：為了實(shí)現(xiàn)短行程、低速、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的工作臺縱向運(yùn)動(dòng)與頭架高精度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成聯(lián)動(dòng)，針對用戶工件特點(diǎn)，采用多線CBN砂輪高速磨削工藝，C-Z兩軸聯(lián)動(dòng)只需一個(gè)螺距軸向進(jìn)給距離，完成整個(gè)螺紋加工。工作臺縱向運(yùn)動(dòng)（Z軸）與頭架回轉(zhuǎn)（C軸）的兩軸聯(lián)動(dòng)精度直接影響螺紋磨削加工的螺旋線精度，需精確控制單軸運(yùn)動(dòng)控制誤差和兩軸同步誤差。在磨削參數(shù)調(diào)整中，進(jìn)給速度頭架轉(zhuǎn)速是聯(lián)動(dòng)的，調(diào)整f進(jìn)給速度即可。砂輪轉(zhuǎn)速和修整滾輪轉(zhuǎn)速通過變頻器參數(shù)調(diào)整，這兩個(gè)速度主要就是調(diào)整修整速比i。當(dāng)磨削結(jié)果不理想時(shí)，在三個(gè)主要參數(shù)上調(diào)整。

3.2 如何把握此類磨削方式的調(diào)整方向

用 CBN砂輪核心目的是效率，在節(jié)拍和修整頻率上考核的重點(diǎn)要素，按照要求和國外高效螺紋磨床數(shù)據(jù)參考的前提下把節(jié)拍控制在25s左右，修整頻率按照消耗要求折合下來大約150件修一次，設(shè)定了這樣的條件范圍來調(diào)整參數(shù)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出更難達(dá)到的是修整頻次，修整頻次當(dāng)然也是綜合因素。為了達(dá)到更好的修整頻次我們還試驗(yàn)了改變磨削油牌號，調(diào)整冷卻液壓力，改變修整量和修整方式，其中修整方式的調(diào)整對磨削結(jié)果的影響比較大。如果機(jī)床參數(shù)已經(jīng)調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)，那么再想進(jìn)一步優(yōu)化就需要 CBN砂輪廠商來優(yōu)化砂輪配方，螺紋磨用的 CBN砂輪配方有別于普通磨外圓用的，這當(dāng)中配比和砂輪廠家一起也做了研究，磨削結(jié)果顯示過鋒利的配方雖然在 CBN磨削的時(shí)候節(jié)拍很快但在磨削修整上會(huì)消耗過多的量，本來CBN的涂層就不會(huì)很厚，所以在磨削條件允許的前提下采取適當(dāng)軟一點(diǎn)的配方能大大的增加 CBN砂輪的利用率。

3.3 結(jié)合磨削應(yīng)用參數(shù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化探討

此項(xiàng)目的高速高效成型螺紋磨床在測試了各種性能和實(shí)驗(yàn)以后總結(jié)計(jì)算后還有可提升空間，比如預(yù)算充裕的情況下可升級以下配置：（1）增加修整主軸的在線動(dòng)平衡功能，增加這項(xiàng)更有利于監(jiān)測砂輪消耗。（2）修整電主軸選用同步電機(jī)，能改善變頻器控制的修整主軸轉(zhuǎn)速會(huì)有略微掉速現(xiàn)象，更好地提高修整參數(shù)優(yōu)化。

4 高速高效的成型螺紋磨床發(fā)展方向

在高速高效的成型磨螺紋磨上，如果人工上下料會(huì)降低磨削效率，因此，配置了單臺桁架機(jī)械手如圖6所示，提高上下料的效率。

圖6 螺紋磨單桁架機(jī)械手

頭架的帶動(dòng)選用了液壓浮動(dòng)卡盤并且卡盤結(jié)構(gòu)需保證磨削時(shí)候工件不能打滑，對于聯(lián)動(dòng)磨螺紋來說這點(diǎn)很重要。尾架采用液壓頂緊后退，并配有高低壓轉(zhuǎn)換功能，滿足快節(jié)奏整體節(jié)拍。

5 結(jié)語

本文主要探討了在工業(yè)發(fā)展的趨勢下設(shè)計(jì)制造出高速高效的自動(dòng)化程度高的螺紋磨床越來越被市場需要，更好地利用工件磨削特點(diǎn)結(jié)合好的結(jié)構(gòu)來提升機(jī)床性能尤為重要，此課題項(xiàng)目中高速高效通過 CBN砂輪磨削方式來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)桁架的配置也大大提高了機(jī)床本身的加工能力，此類成套的設(shè)備在國內(nèi)外市場競爭力都非常大，總結(jié)改進(jìn)后此類高速高效的成型螺紋磨床應(yīng)該會(huì)更有市場前景。