球面磨削方式和球面磨削機(jī)床探討

　　對球閥球面磨削機(jī)床的幾種磨削方式與磨削原理進(jìn)行了研討，在對比了幾種磨削方式的優(yōu)、缺點(diǎn)之后，介紹了一種新型的磨削方式即新型的球面磨削機(jī)床。

　　隨著社會的發(fā)展，石油、化工、鋼鐵、煤粉和天然氣輸送、核電站等行業(yè)對高精度、硬球面、硬密封球閥的需求越來越大，對球閥行業(yè)和球閥維修行業(yè)提出了越來越高的要求。這類球閥其球面為硬質(zhì)合金噴焊或者超聲波合金焊接，其硬度達(dá)到63HRC左右，密封座面也為硬接觸，不再是橡膠接觸軟密封，其密封壓力要求40MPa，軟密封是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。這類球閥的球面必須磨削加工，其圓度要求非常高，加之表面硬度極高，采用傳統(tǒng)的車削加研磨的加工方式，已經(jīng)不能達(dá)到閥門的要求。目前國內(nèi)該行業(yè)幾個大的球閥廠球面磨削這道工序大多是用進(jìn)口機(jī)床在加工球閥球面。

1、砂盤磨削方式———范成法磨削球面

　　圖1a為一臺進(jìn)口機(jī)床，圖1b為其磨削原理。

　　這種磨削方式的磨削原理為范成原理。磨頭為碗狀砂盤，多只砂條鑲嵌在砂盤上;碗狀砂盤扣蓋在待磨削的球面上，每塊砂條都接觸待磨削的表面;磨削時，砂盤繞磨頭主軸軸心線高速轉(zhuǎn)動，球體繞其工件心軸的軸心線低速轉(zhuǎn)動，隨著磨頭即砂盤的工進(jìn)，最后范成磨削出整個球面。這種磨削方式砂盤的口徑必須≥待磨削的球面寬度，否則球面不能完全磨出。目前國內(nèi)多家廠家也按照這個原理研制出來了此種形式的球面磨床。

圖1 進(jìn)口機(jī)床及其原理圖

　　其優(yōu)點(diǎn)為參與磨削的砂條多，生產(chǎn)率高。其缺陷是球的規(guī)格若有變化，砂盤就需要變化，所以一臺機(jī)床需要配備較多的砂盤，砂盤制造費(fèi)用較高，故只適合大批量生產(chǎn)球形零件的場合，小批量生產(chǎn)時很不經(jīng)濟(jì)而很少使用。

2、砂輪磨削方式———展成法磨削球面

　　目前國內(nèi)有的廠家使用的是另一種簡便的磨球方法。其磨削原理見圖2。

圖2 展成法磨削球面原理

　　這種磨削方式的磨削原理為展成原理。其與球面車床車削球面的原理一樣，磨具為平型砂輪，砂輪的外圓面與工件待磨削的表面接觸; 磨削時，砂輪繞其磨頭主軸軸心線高速旋轉(zhuǎn)，工件繞其心軸軸心線單方向低速轉(zhuǎn)動，同時繞其另一垂直的球心線來回往復(fù)的低速轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到球面的一側(cè)時，受其控制機(jī)構(gòu)控制，又轉(zhuǎn)回到另一側(cè)，周而復(fù)始地來回水平轉(zhuǎn)動并伴隨著磨頭即砂輪的工進(jìn)，展成磨削出球面。

　　其優(yōu)點(diǎn)： 磨削不同規(guī)格的球體，不用更換砂輪，一個規(guī)格的砂輪可以磨削任何規(guī)格尺寸的工件，磨具的投資省。其缺陷： 參與磨削的砂輪與工件為線接觸，且只有一條線，所以磨削效率很低，不適合于球體的批量化、規(guī)模化生產(chǎn)，僅僅適合于球閥的修配行業(yè)。

3、一種新型的球面磨削方式———組合法磨削

　　其磨削原理見圖3。

圖3 組合法磨削原理

　　這種方法為前面兩種方法的有機(jī)組合，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了兩者的缺陷，主要創(chuàng)新點(diǎn)在于：

　　磨具為碗狀砂盤，砂盤上安裝有多塊砂條，各砂條與磨削面都接觸; 這個砂盤的有效磨削口徑≤球形工件的球面寬度; 工作時，砂盤繞其軸心線即X軸高速轉(zhuǎn)動; 球形工件繞其水平球心線即Y軸低速轉(zhuǎn)動; 當(dāng)球形工件的磨削球面寬度> 砂盤的磨削口徑時，球形工件將圍繞著垂直球心線即Z軸左右往復(fù)轉(zhuǎn)動。當(dāng)砂盤處于球面的一側(cè)時，機(jī)床的控制機(jī)構(gòu)控制球形工件即向另一側(cè)水平轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到球體的另一側(cè)再轉(zhuǎn)回，周而復(fù)始地來回水平轉(zhuǎn)動并伴隨著砂盤的工進(jìn)，即可磨削出標(biāo)準(zhǔn)的球面。

1-心軸;2-工件;3-砂盤;4-砂條

圖4 組合法不同磨削直徑的不同

　　參照圖4，簡要說明不同磨削直徑時的磨削關(guān)系。當(dāng)球形工件2的球面寬度大于砂盤3的有效磨削直徑時，球形工件2繞機(jī)床Z軸往復(fù)轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)角度等于球形工件的待磨削角度β減去砂盤包角α，即球形工件旋轉(zhuǎn)角度=β-α。當(dāng)工件2的球面寬度等于砂盤3的有效磨削直徑(即β=α)時，球形工件不再圍繞著機(jī)床Z軸旋轉(zhuǎn)，直接采用范成法原理就能加工出所需要的球形。

　　這種磨削方式的機(jī)床如圖5所示： 砂盤安裝在磨頭正前方，磨削時，受磨頭電動機(jī)帶動，高速地繞X軸轉(zhuǎn)動，各砂條與球體均勻接觸，對球體實(shí)施磨削加工;磨頭安裝在機(jī)床床身滑鞍上，滑鞍受伺服電動機(jī)- 滾珠絲杠驅(qū)動，帶動磨頭沿X軸向快進(jìn)和工進(jìn);頭、尾架安裝在工作臺上，工作臺下有一縱向驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可驅(qū)動工作臺沿Y向左右移動，安裝工件時用以移動工件使其球心與磨頭主軸軸心延長線重合，調(diào)整好球心位置后，工作臺上的固定機(jī)構(gòu)將移動部件固定; 頭架上的電機(jī)與減速裝置驅(qū)動心軸及工件繞Y軸低速轉(zhuǎn)動; 工作臺下有一轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)，可帶動工作臺和頭、尾架以及工件一起繞Z軸往復(fù)轉(zhuǎn)動。整機(jī)由數(shù)控裝置驅(qū)動，為數(shù)控三軸兩聯(lián)動，砂盤的X軸進(jìn)給和工件繞Z軸的轉(zhuǎn)動需要聯(lián)動; 安裝工件時工作臺沿Y軸的移動因?yàn)橐苿右�求高，也需要�?shù)控。

　　這種磨削方式的特點(diǎn)： 參與磨削的砂條多，生產(chǎn)率高; 磨削不同規(guī)格的球體，不用更換砂輪，一種規(guī)格的砂盤可以磨削多種規(guī)格尺寸的工件，通用性好。在安裝球形工件時，水平移動工作臺使工件的球心與磨頭軸心線重合，磨削時范成原理保證了球形工件的圓度要求。

圖5 組合磨削式機(jī)床

4、結(jié)語

　　新型球面磨削機(jī)床的主要特點(diǎn)是：

　　(1)采用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸數(shù)控并數(shù)軸聯(lián)動; 滑鞍采用伺服電動機(jī)- 滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌驅(qū)動，進(jìn)給精度達(dá)到微米級。

　　(2)磨頭電動機(jī)采用變頻電動機(jī)拖動，砂輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)球體的大小以及砂輪磨損后直徑的大小而變化，使其磨削速度恒定。

　　(3)頭架轉(zhuǎn)動采用伺服電動機(jī)或者變頻電動機(jī)帶減速機(jī)直接拖動，球體繞軸線的轉(zhuǎn)動無竄動，并可以無級變速。

　　(4)工作臺的縱向驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用大慣量步進(jìn)電動機(jī)配高精度減速機(jī)拖動，可驅(qū)動工作臺沿Y向左右移動，以找正球心安裝位置; 工作臺的回轉(zhuǎn)采用伺服電動機(jī)配高精度減速機(jī)拖動，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)無爬行; 工作臺轉(zhuǎn)動裝置采用新型的消隙機(jī)構(gòu)，提高換向平穩(wěn)性; 采用貼塑導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌技術(shù)，提高球體水平回轉(zhuǎn)精度。

　　(5)外觀上采用整體防護(hù)，貼近現(xiàn)代機(jī)床造型。

　　這種組合磨削方式的球面磨削機(jī)床機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計研究院已經(jīng)申請了發(fā)明專利，專利名稱為《新型球面磨削機(jī)床及其磨削方法》，專利號為：ZL201110250547.3。目前機(jī)械工業(yè)第三設(shè)計研究院已著手研制該機(jī)。