提高軸類零件磨削精度的新工藝

高精度靜壓尾架技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用

前言：細(xì)長(zhǎng)的軸類零件在進(jìn)行磨削或車削加工時(shí)，需要采用尾架頂尖支撐。通常情況下，磨床頂尖不隨工件轉(zhuǎn)動(dòng)（死頂尖），因此，加工后工件的圓度和頂尖的精度和頂尖孔品質(zhì)直接相關(guān)。

如果工件重量較大，或工件內(nèi)孔較大，尾架頂尖有因?yàn)榛瑒?dòng)摩擦而導(dǎo)致?lián)p壞的危險(xiǎn)。為避免該風(fēng)險(xiǎn)，需要采用活動(dòng)頂尖，即頂尖隨工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。市售活動(dòng)頂尖的回轉(zhuǎn)精度通常在2到5微米，上述精度不能滿足精密軸類零件的加工要求。由于活動(dòng)頂尖通常采用滾動(dòng)軸承支撐，因此其剛性較差。

傳統(tǒng)尾架在實(shí)際生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸類零件的精磨加工或精車加工，工件裝卡在頭架和尾架頂尖之間，尾架頂尖產(chǎn)生軸向推力。當(dāng)工件重量較輕，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可以采用死頂尖，頂尖采用硬質(zhì)金屬材質(zhì)。加工后工件的圓度接近于尾架頂尖的圓度，并且受到工件上頂尖孔品質(zhì)的影響。為獲得需要的精度，頂尖和頂尖孔需要經(jīng)過(guò)磨削加工并進(jìn)行充分潤(rùn)滑。

如果工件的內(nèi)孔直徑較大，并且需要較高的回轉(zhuǎn)速度，使用死頂尖會(huì)導(dǎo)致劇烈摩擦。針對(duì)該工況，通常采用活動(dòng)頂尖，以避免摩擦的產(chǎn)生。常見活動(dòng)頂尖的徑向跳動(dòng)在2-5微米之間，不能滿足高精度工件磨削加工對(duì)于圓度的要求（通常要求圓度在1微米以內(nèi)）。

尾架頂尖的軸向移動(dòng)通常采用軸套式，因此在軸套和芯軸之間必須配做一定的間隙。當(dāng)芯軸和軸套之間相對(duì)靜止時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)摩擦力，該摩擦力的存在會(huì)導(dǎo)致工件軸向夾緊力發(fā)生變化。由于工件在磨削加工時(shí)會(huì)因?yàn)槟ハ鬟^(guò)程導(dǎo)致溫度升高，又會(huì)受到磨削液的冷卻而溫度降低，其溫升變化會(huì)導(dǎo)致工件長(zhǎng)度的細(xì)微變化，如果尾架頂尖不能及時(shí)調(diào)整軸向位置，會(huì)導(dǎo)致工件受到的軸向推力發(fā)生變化，因此工件最終精度會(huì)受到影響。一些非對(duì)稱零件，比如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，對(duì)于軸向推力的變化較為敏感，因此，保持恒定的軸向夾緊力有助于提高工件的最終精度。

由于上述間隙的存在，頂尖回轉(zhuǎn)中心線在X方向的位置會(huì)隨著尾架頂尖軸向位置的不同而發(fā)生改變。因此，在相同的砂輪位置，會(huì)導(dǎo)致工件出現(xiàn)不同的磨削直徑，上述誤差必須通過(guò)補(bǔ)償頂尖在X軸方向的位置來(lái)減小。

在磨削較長(zhǎng)軸類零件時(shí)，必須通過(guò)X軸的精確定位來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。有的尾架采用密珠軸承來(lái)消除間隙，但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致磨削質(zhì)量的降低，因?yàn)橄g隙的同時(shí)也喪失了緩沖減振特性。

解決方案：靜壓尾架

德國(guó)海浮樂公司新近開發(fā)的靜壓尾架，設(shè)置2副靜壓軸承，以實(shí)現(xiàn)尾架芯軸即可以無(wú)摩擦自由轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)軸向無(wú)摩擦移動(dòng)。芯軸的前端安裝有法蘭式頂尖。

靜壓軸承通過(guò)靜壓油腔將芯軸約束在軸套內(nèi)部，徑向無(wú)間隙，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦的軸向移動(dòng)。靜壓油腔的油流量通過(guò)獲得專利的PM流量控制器調(diào)節(jié)，因此油膜的剛性極佳，同時(shí)具有優(yōu)秀的減振特性。

芯軸的徑向跳動(dòng)，具體說(shuō)是，即頂尖軸線的位置偏移量，在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，小于0.2微米。由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)十分精確，磨削工件的圓度可以和靜壓尾架回轉(zhuǎn)精度相同，而不受到工件上頂尖孔品質(zhì)的影響。

德國(guó)海浮樂公司的內(nèi)部生產(chǎn)機(jī)床，一臺(tái)Kellenberger Kel-Varia，配備了海浮樂靜壓頭架和靜壓尾架，細(xì)長(zhǎng)軸類零件可以獲得0.2微米的圓度。

由于沒有軸向移動(dòng)的摩擦力，靜壓尾架可以實(shí)現(xiàn)軸向夾緊力的精確調(diào)節(jié)：從0N到最大夾緊力之間任意可調(diào)。當(dāng)工件長(zhǎng)度改變時(shí)，比如受到磨削和冷卻等熱輸入的影響，靜壓尾架的芯軸可以按照0.1微米的步長(zhǎng)進(jìn)行微小進(jìn)給，以保持夾緊力不變。因此，典型的長(zhǎng)軸類零件，如凸輪軸，曲軸，平衡軸可以獲得更高的磨削精度：在整個(gè)磨削過(guò)程中，由于夾緊力精確保持恒定，零件不會(huì)發(fā)生變形。

到目前為止，莫爾斯頂尖MK不能用于靜壓尾架，主要因?yàn)槭悄獱査瑰F孔不適合靜壓尾架芯軸以及靜壓軸承的尺寸和形狀。靜壓尾架采用法蘭式頂尖，可以提供不同直徑，不同形狀的頂尖進(jìn)行更換。頂尖采用硬質(zhì)金屬材質(zhì)或硬質(zhì)金屬涂層。法蘭式頂尖安裝時(shí)，在徑向設(shè)置有調(diào)節(jié)螺絲，可以進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。由于頂尖和工件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此大內(nèi)孔的零件無(wú)需經(jīng)過(guò)粘結(jié)內(nèi)部襯套即可進(jìn)行裝卡。

靜壓尾架芯軸由工件帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以僅通過(guò)摩擦力或設(shè)置驅(qū)動(dòng)銷獲得驅(qū)動(dòng)力。靜壓尾架設(shè)置轉(zhuǎn)速速度傳感器以測(cè)量靜壓尾架芯軸的轉(zhuǎn)速，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可以比較頭架和尾架芯軸的轉(zhuǎn)速，以避免在工件加速或減速過(guò)程中，出現(xiàn)工件和尾架芯軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

如果尾架需要配備驅(qū)動(dòng)裝置以實(shí)現(xiàn)和頭架同步加速或減速，可以采用靜壓直驅(qū)尾架，同時(shí)在尾架下方設(shè)置短行程的直線軸。該方案同時(shí)也適用于要求尾架行程較大或工件較重的工況。比如，用于大型車床的靜壓尾架可承受100噸的徑向載荷。

海浮樂靜壓尾架的產(chǎn)品系列：

芯軸直徑ø 35mm：最大軸向力和徑向力均為400N，適用于最大工件重量70kg；

芯軸直徑ø 70mm：最大軸向力和徑向力均為2500N，適用于最大工件重量400kg；

芯軸直徑ø 100mm：最大軸向力和徑向力均為6000N，適用于最大工件重量1000kg；

軸向行程：40-60毫米

用于磨床的靜壓尾架通常最高轉(zhuǎn)速在500-2000rpm，采用VG32液壓油；

用于精密硬車的靜壓尾架通常最高轉(zhuǎn)速在3000-6000rpm，采用VG2-VG4液壓油；

當(dāng)徑向載荷和轉(zhuǎn)速較高時(shí)，比如標(biāo)準(zhǔn)的車床，可采用滾動(dòng)軸承用于工件頭架，同時(shí)采用靜壓尾架以獲得優(yōu)秀的減震特性和精確的軸向夾緊力。

軸向推力調(diào)節(jié)

靜壓尾架的軸向推力可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)置伺服油缸的油壓來(lái)調(diào)節(jié)，或者通過(guò)伺服電機(jī)+滾珠絲杠進(jìn)行調(diào)節(jié)。在頂尖和工件接觸以后，伺服油缸工作在恒推力模式，伺服電機(jī)工作在恒力矩模式，以維持恒定的夾緊力。頂尖離開工件以后，伺服油缸和伺服電機(jī)均工作在位置模式。

軸向位置測(cè)量

靜壓尾架設(shè)置絕對(duì)式位置傳感器以實(shí)現(xiàn)芯軸的軸向位置測(cè)量。因此，芯軸的行程可以進(jìn)行設(shè)定，在接觸到工件前可以降低芯軸的移動(dòng)速度。在汽車行業(yè)的批量自動(dòng)化生產(chǎn)中，芯軸的軸向位置信息可以用于判斷頂尖是否進(jìn)入頂尖孔或機(jī)床上是否裝卡有工件。

工件的熱變形可以進(jìn)行測(cè)量，因此工件軸向長(zhǎng)度誤差可以減小。如果軸向夾緊力太小，磨削力過(guò)大時(shí)工件有脫落的危險(xiǎn)，該信息可以通過(guò)位置檢測(cè)獲得，控制系統(tǒng)可以做出反應(yīng)：發(fā)出報(bào)警信號(hào)或自動(dòng)增加夾緊力。

鎖緊裝置

靜壓尾架的后部安裝有彈簧預(yù)緊的鎖緊裝置，在機(jī)床停車時(shí)，保持工件的夾緊狀態(tài)。

靜壓尾架即適用于新開發(fā)的磨床和硬車，又適用于舊機(jī)床改造。尾架幾何尺寸，軸向力，承載力和最高轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)整供油壓力，液壓油粘度和液壓油流量進(jìn)行匹配。

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