球面磨削方式和球面磨削機床探討

張成興

(機械工業第三設計研究院，重慶 400039)

隨著社會的發展，石油、化工、鋼鐵、煤粉和天然氣輸送、核電站等行業對高精度、硬球面、硬密封球閥的需求越來越大，對球閥行業和球閥維修行業提出了越來越高的要求。這類球閥其球面為硬質合金噴焊或者超聲波合金焊接，其硬度達到63 HRC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40 MPa，軟密封是遠遠達不到的。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，采用傳統的車削加研磨的加工方式，已經不能達到閥門的要求。目前國內該行業幾個大的球閥廠球面磨削這道工序大多是用進口機床在加工球閥球面。

1 砂盤磨削方式——范成法磨削球面

圖1a為一臺進口機床，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動，球體繞其工件心軸的軸心線低速轉動，隨著磨頭即砂盤的工進，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。

其優點為參與磨削的砂條多，生產率高。其缺陷是球的規格若有變化，砂盤就需要變化，所以一臺機床需要配備較多的砂盤，砂盤制造費用較高，故只適合大批量生產球形零件的場合，小批量生產時很不經濟而很少使用。

2 砂輪磨削方式——展成法磨削球面

目前國內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。

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，工件繞其心軸軸心線單方向低速轉動，同時繞其另一垂直的球心線來回往復的低速轉動，當轉動到球面的一側時，受其控制機構控制，又轉回到另一側，周而復始地來回水平轉動并伴隨著磨頭即砂輪的工進，展成磨削出球面。

其優點:磨削不同規格的球體，不用更換砂輪，一個規格的砂輪可以磨削任何規格尺寸的工件，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?；a，僅僅適合于球閥的修配行業。

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。

這種方法為前面兩種方法的有機組合，結合了兩者的優點，摒棄了兩者的缺陷，主要創新點在于:

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軸高速轉動;球形工件繞其水平球心線即Y軸低速轉動;當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軸左右往復轉動。當砂盤處于球面的一側時，機床的控制機構控制球形工件即向另一側水平轉動，轉到球體的另一側再轉回，周而復始地來回水平轉動并伴隨著砂盤的工進，即可磨削出標準的球面。

參照圖4，簡要說明不同磨削直徑時的磨削關系。當球形工件2的球面寬度大于砂盤3的有效磨削直徑時，球形工件2繞機床Z軸往復轉動的旋轉角度等于球形工件的待磨削角度β減去砂盤包角α，即球形工件旋轉角度=β－α。當工件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床Z軸旋轉，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，受磨頭電動機帶動，高速地繞X軸轉動，各砂條與球體均勻接觸，對球體實施磨削加工;磨頭安裝在機床床身滑鞍上，滑鞍受伺服電動機－滾珠絲杠驅動，帶動磨頭沿X軸向快進和工進;頭、尾架安裝在工作臺上，工作臺下有一縱向驅動機構，可驅動工作臺沿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，調整好球心位置后，工作臺上的固定機構將移動部件固定;頭架上的電機與減速裝置驅動心軸及工件繞Y軸低速轉動;工作臺下有一轉臺機構，可帶動工作臺和頭、尾架以及工件一起繞Z軸往復轉動。整機由數控裝置驅動，為數控三軸兩聯動，砂盤的X軸進給和工件繞Z軸的轉動需要聯動;安裝工件時工作臺沿Y軸的移動因為移動要求高，也需要數控。

這種磨削方式的特點:參與磨削的砂條多，生產率高;磨削不同規格的球體，不用更換砂輪，一種規格的砂盤可以磨削多種規格尺寸的工件，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。

4 結語

新型球面磨削機床的主要特點是:

(1)采用數控系統實現多軸數控并數軸聯動;滑鞍采用伺服電動機－滾珠絲杠，直線導軌驅動，進給精度達到微米級。

(2)磨頭電動機采用變頻電動機拖動，砂輪轉速可根據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)頭架轉動采用伺服電動機或者變頻電動機帶減速機直接拖動，球體繞軸線的轉動無竄動，并可以無級變速。

(4)工作臺的縱向驅動機構采用大慣量步進電動機配高精度減速機拖動，可驅動工作臺沿Y向左右移動，以找正球心安裝位置;工作臺的回轉采用伺服電動機配高精度減速機拖動，轉動平穩無爬行;工作臺轉動裝置采用新型的消隙機構，提高換向平穩性;采用貼塑導軌和靜壓導軌技術，提高球體水平回轉精度。

(5)外觀上采用整體防護，貼近現代機床造型。

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