基于数控磨床闭环位置反馈实现大型零件带锥表面配磨.pdf

精密制造与自动化 2023年第1期 51 基于数控磨床闭环位置反馈实现大型零件 带锥表面配磨 李云龙（上海机床厂有限公司 上海 200093）摘 要 为了增加轴承的支承刚性，主轴结构中主轴与轴承之间的接触工作长度有一定的要求。MK84300/15000-H 重型轧辊磨床头架结构中，主轴采用大型带锥内孔滚子轴承支承，由于主轴质量很大，磨削加工时，先在三坐标测量机上测量轴承内圈内锥孔的锥度；再利用数控磨床闭环反馈位置控制功能，利用轴承内圈内锥孔锥度编制主轴外锥磨削加工程序，通过 X 轴与 Z 轴的联动进行试磨；试磨后利用数控磨床自带的闭环位置反馈装置手动测量锥度的大小，将主轴外锥体的测量数据和轴承内锥的测量数据进行比较，进一步调整机床再对主轴外锥进行加工，反复几次就可实现主轴带锥表面满足接触工作长度的高精度配磨。上述配磨方法，大大地减少了辅助量具，为企业节省了人力和物力，具有一定的应用价值。关键词 大型零件 带锥表面 配磨 数控磨床 手动测量 1 1 引言引言 在机械加工中，磨削加工一般是零件加工的最后一道精密加工工序，也是零件的尺寸精度和形位精度通过磨削加工的最终体现。通常轴套类零件需要磨削加工的型面不外乎有外圆、外锥体、内孔、内锥孔等特征，其尺寸一般可以用分厘卡、内径百分表、环规、塞规等进行测量和检验。对于特殊轴类零件外锥体，还可以用正弦规测量来检验外锥体的角度。但是对于检验特大型轴类零件的外锥体，用上述的方法来检验就很困难，需要配备相应的环规和塞规。由于制造加工大型的环规及塞规的难度大、精度高、成本高、周期长，导致此类零件外锥体的检验附加成本极高。如图 1 所示，高精度数控轧辊磨床头架主轴结构示意图，长 2486 mm、最大外圆 925 mm、最小外圆 400 mm，1:12 和 1:50 的外锥体各有 2 个，总重 8320kg。外锥体 1:12 部分是主轴的轴承支承面，须与轴承内锥孔配磨，接触工作长度90%；外锥体 1:50 部分是主轴与相应零件的连接结合面，须与相应零件的内锥孔配磨1，接触工作长度85%。图图 1 大型带锥表面主轴零件结构示意图大型带锥表面主轴零件结构示意图 随着数控磨床在机械行业中广泛运用，作为一种生产设备，数控磨床高精度、高稳定性、高效率、加工适应性强的优势，带来全新磨削加工及测量检验的新观念和新理念，从而为大型轴类零件外锥体及内锥孔的加工检验带来开拓和创新平台。本文基于三坐标测量机对配磨零件锥度的测量，利用数控磨床闭环反馈位置控制功能，通过 X 轴与 Z 轴的联动，实现所要求的锥度的磨削加工。工艺与装备 精密制造与自动化 2023年第1期 52 2 2 获取配磨零件内锥体的锥度值获取配磨零件内锥体的锥度值 对于图 1 的主轴零件来说，如果直接将轴承套在主轴上进行接触工作长度测量，需要将工件从机床上吊离才能实现，操作繁琐。此时，就需要改变思路。虽然配磨的轴承内锥孔较大，但轴承的质量相对主轴来说还是较小的，可以采用三坐标测量机对其锥孔进行测量，通过如下公式获得锥度的锥角 2=2 (1)式中：为锥孔大端的直径；为锥孔小端的直径；为锥孔大端与锥孔小端之间的距离。同理，与外锥体 1:50 配磨的零件虽然内锥孔较大，其质量也是较小，也可以采用三坐标测量进行锥度测量。这样在三坐标测量机上，很容易获得轴承内锥孔1:12及相配零件内锥孔 1:50的角度或锥度的数值。3 3 利用数控磨床的联动功能实现主轴零件配磨利用数控磨床的联动功能实现主轴零件配磨 高精度数控磨床有 X 轴和 Z 轴，X 轴主要控制径向的横向运动，Z 轴主要控制纵向运动，X 轴和 Z轴上设置光栅尺，通过数控系统形成闭环反馈位置控制，其精度能达到 级。在数控系统中，根据式（1）的公式，结合主轴零件的径向尺寸和轴向尺寸，编制相应的磨削加工程序对零件外锥体进行试磨。试磨结束后，对磨削加工后的主轴进行检测，获取相应位置的锥度。检测步骤如下：（1）把磁性表架安装在砂轮架上，通过连接杆与千分表连接。（2）将千分表移至大外锥体处，转动数控系统X 轴手轮以10 的倍率进给，使千分表表头与工件外锥体的表面轻轻接触，将 X 轴手轮倍率调至1，转动手轮使其千分表长指针为“0”小指针为“1”，记下数控显示屏上的 X 轴坐标值和 Z 轴的坐标值，然后把轴选按钮调整到 Z 轴位置，将 Z 轴手轮倍率调至100 位置，摇动手轮使砂轮架移动到某一个位置，记下 Z 轴移动后的坐标值，并将千分表头移至对应位置，然后再把轴选按钮调整到 X 轴，轻轻摇动手轮，使砂轮架慢慢移动与零件外锥体表面接触，控制千分表上的读数为长指针为“0”小指针为“1”，记下数控系统上的 X 轴坐标读数。（3）反复测量多次，直至摇动手轮使砂轮架移动到小外锥体处，并获取数控系统上的 X 轴坐标值和 Z 轴的坐标值。通过上述测量，可以知道零件外锥体大端到小端的测量坐标数值变化过程，可以将相应坐标值经过拟合获取 X 坐标和 Z 坐标之间的关系，也就获得了整个锥面的角度值，再与式（1）的角度进行比较。当试磨后角度较大时，就在大外锥体处多进给，将大外锥体处未加工去除的余量去除，一般经过 23次，就能实现配磨。对于导轨直线度很高的磨床来说，也可以只对大端外锥体和小端外锥体进行测量，就可通过角度或锥度计算公式计算出零件外锥体的角度或锥度，再与轴承内锥孔 1:12 及相配零件内锥孔 1:50 检测好的角度或锥度进行比较，就能实现配磨。设大端外锥体测量时的 X和 Z 轴的坐标数值记为1 和1，小端外锥体测量时的 X 和 Z 轴的坐标数值记为2 和2，大端到小端 Z 轴移动的距离为=2 1，这样将角度或锥度的公式（1）经变形，就可以得到其锥度或半角，其计算公式为 tan2=1221 (2)例如：零件外锥体 1:12 磨削后测量坐标数值如下；大 端 外 锥 体 测 量 时 的 坐 标 数 值：1为455.389mm，1为 158.654mm；小端外锥体测量时的坐标数值：2为 435.389mm，2为 398.654mm；将上述数值代入式（2）有：tan2=1221=455.389435.389398.654158.654=20240=112 如果上述得到的数值与通过三座标测量轴承内锥孔的数值有微量的偏差，就可以通过修改数控程序后进行补偿磨削，直到测量计算后得出的数据与轴承内锥孔的数据相吻合为止。同理在磨削大型轴类零件内锥孔时，此时将检验用的塞规塞进内锥孔比较麻烦。采用上述测量手段、加工方法和机床调整，就能实现所需锥度的内锥孔与具有相同锥度的外锥零件的配磨。李云龙 基于数控磨床闭环位置反馈实现大型零件带锥表面配磨 53 4 4 各类因素对磨削零件外锥体的影响各类因素对磨削零件外锥体的影响 4 4.1.1 数控磨床数控磨床 Z Z 轴移动数值对零件外锥体的影响轴移动数值对零件外锥体的影响 数控磨床的 X 轴、Z 轴的移动数值是通过闭环系统直接反映在数控显示屏上，其微量移动在数控显示屏上可直观地反映，精度可达 级，同时手轮上分别有几档进给倍率1、10、100，有利于手动控制机床的 X 轴、Z 轴的移动及微量移动，读数精度非常精确可靠。根据式（1），按误差理论2可以求得、和 三者的误差影响系数之间的比例关系为 L：L：(D-d)，由于锥体 1:12 和 1：50 的角度很小，那么L：(D-d)就会很大，因此需要精确测量径向尺寸，以便于减少测量误差。当 Z 轴移动的数值较小时，D 和 d 的测量难度较大，因此在用 Z 轴手轮时，将倍率调至100位置，这样Z轴移动的数值就较大，从而减少计算误差。4 4.2.2 数控磨床几何精度在磨削加工中对零件外锥数控磨床几何精度在磨削加工中对零件外锥体的影响体的影响 （1）机床头架、尾架主轴上母线、侧母线、两轴线连线出厂要求精度很高，要求控制在 0.01mm之内。而加工零件长度较长，因此机床头架、尾架主轴上母线、侧母线、两轴线连线微量的偏差，对磨削零件外锥体的角度或锥度误差影响较小。（2）数控磨床床身和上台面的三角导轨和平导轨的加工，一般是数控龙门式导轨磨床一次磨削完成，再通过铲刮进行修正，其平直度与扭曲度控制在机床技术要求之内，被加工零件的外锥体长度相应较短，因此对磨削零件外锥体的角度或锥度误差影响较小。4 4.3.3 零件的尺寸精度、形位精度对测量的影响零件的尺寸精度、形位精度对测量的影响 高精度轴类零件尺寸精度、形位精度要求很高，圆度、平行度、径向跳动均在 0.0020.004mm 内，一般情况下在加工同一档外锥体时其圆度的偏差方向和径向跳动为同一方向，对测量的数值偏差误差甚微，如果径向跳动为反方向，测量数值偏差会增大，对计算出的数值就会有误差，因此测量前首先要检查零件外锥体跳动方向性是否一致性。4 4.4.4 砂轮架主轴轴线与机床头、尾架主轴砂轮架主轴轴线与机床头、尾架主轴轴线的轴线的连线（零件的轴心线）的平行度的影响连线（零件的轴心线）的平行度的影响 砂轮架主轴轴线与零件的轴心线的平行度对磨削零件外锥体影响较大，由于数控磨床在磨削零件外锥体时采用的磨削方法是插补形式磨削，两轴平行度差，会造成零件外锥体大端尺寸或小端尺寸多磨，严重影响零件外锥体的角度（或锥度）。因此在加工零件外锥体之前，首先要磨削零件的外圆，并在加工零件外圆时及时调整机床尾架，使磨削加工后零件外圆的圆柱度小于 0.002mm，见图 2，此时外圆柱面通过外径分厘卡还是很方便的。此时零件的轴心线与机床砂轮架的轴线处于平行状态。两轴平行度误差越小，零件外锥体角度或锥度误差越小，然后再加工零件的外锥体。图图 2 大型轴类零件外圆柱体圆柱度测量大型轴类零件外圆柱体圆柱度测量 5 5 结语结语 基于三坐标测量机获取与大型轴套类零件外锥体或内锥孔相配磨零件的锥度，后编制相关加工程序，利用数控磨床闭环反馈位置控制功能，通过 X轴与 Z 轴的联动，对大型轴套类零件外锥体进行试磨，借助机床手动功能对大型轴套类零件外锥体进行测量，将主轴外锥体的测量数据和在三坐标测量机上获取的内锥体的测量数据进行比较，调整机床再对零件进行加工，就能解决大型轴套类零件外锥体或内锥孔的配磨，不仅仅大大地减少了辅助量具，为企业节省了人力和物力，而且也为大型轴套类零件锥度的测量提供一种科学有效的测量手段和方法。参考文献 1 闫建林,张全民,李亚斐,等.活塞杆配磨尺寸测量和计算方法研究与应用J.金属加工（冷加工）,2020(6):44-45.2 费业泰.误差理论与数据处理M.5 版.北京:机械工业出版社,2005.