雙過程共用工作臺葉片榫齒蠕動磨床控制系統的工作過程

夏筱筠，王麗華，丁晏龍，梁 毅

(1.中國科學院 沈陽計算技術研究所有限公司，沈陽 110168;2.中航工業沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽 110043)

0 引言

數控技術是關系到國家戰略地位和體現國家綜合國力水平的重要基礎性產業，機床的數控化率是衡量一個國家制造業現代化程度的核心標志［1］。目前，在數控技術方面，尤其是高端數控技術方面，國際上對我國封鎖較嚴，致使國產數控發展較為緩慢，嚴重制約了我國制造業的發展［2］。

目前國產數控系統不能實現磨床雙軸雙過程控制［3］，原有數控系統只能實現單面磨床的控制，使其對葉片榫齒加工時因多次裝卡產生定位誤差，導致出現葉片榫齒對稱度不好、葉片錯齒等現象。針對上述問題，介紹了一種雙過程共用工作臺葉片榫齒蠕動磨床控制系統的工作過程。該系統以計算機為核心，利用數字化信號對機床多插補軸和雙主軸加工過程進行控制。

1 雙過程共用工作臺葉片榫齒蠕動磨床控制系統加工的工件

此數控磨床的型號是312DK，加工的工件是用于飛機渦輪發動機的葉片榫齒。渦輪發動機葉片形狀如圖1 所示，虛線框內為要加工的葉根部分，葉根主要由榫齒構成。

圖1 葉片形狀

圖2 加工前后葉根部分的工件剖面圖

加工前后，葉根部分的工件剖面形狀如圖2 所示。從圖中可以看出，在加工前，葉根部分的形狀近似梯形，加工后，變成由一個個榫齒組成的特定形狀。葉片根部的榫齒加工在整個葉片制造中起著極為重要的作用，是葉面加工和葉片安裝的工藝基準［4］。

2 藍天NC110 數控系統與312DK 磨床

藍天NC110 數控系統具有良好的人—機界面，操作簡單方便。而且它提供的變量編程，使編程靈活快捷，具有非常好的柔性。藍天NC110 高檔數控系統控制葉片榫齒蠕動磨床312DK，除精度高、速度快外，還實現了砂輪修磨的自動補償、冷卻噴嘴的自動跟蹤等功能。因此，NC110 數控系統與312DK 磨床共同構成了一個高精度、高速度和高自動化的數控磨床控制系統。

312DK 磨床由磨床主體、電氣柜、交流穩壓電源、主軸冷卻裝置、磨削冷卻裝置等幾部分組成。

重點介紹以下組成部分:

(1)兩個主軸

312DK 有兩個砂輪(也稱磨頭)，即上砂輪和下砂輪，也就是兩個主軸。它的電機額定轉速是7000轉/分，經過砂輪驅動器P353 參數設置，減速為3000轉/分。

(2)一個修磨軸

修磨軸電機是個交流電動機，額定轉速為1500轉/分，可以正轉也可以反轉。因為經常正反轉，其軸承要求較高。采用軸向和徑向軸承，其內部有潤滑油脂潤滑。

(3)兩個噴嘴跟蹤軸

噴嘴跟蹤軸是用于磨削冷卻跟蹤上下砂輪的軸。由感應檢測開關控制轉動的圈數，每轉一圈觸發一次感應檢測開關。它每轉一圈移動0.5mm。

(4)主軸冷卻裝置

主軸冷卻裝置的主要作用是冷卻兩個主軸的電機，如果冷卻壓力低會造成主軸電機的損傷或損壞。除機床邏輯自動診斷外，操作者和維修人員也應當經常注意其冷卻壓力是否正常。

(5)磨削冷卻裝置

磨削冷卻裝置的主要作用是在砂輪磨削工件時冷卻兩個砂輪和工件。如果冷卻壓力低會造成工件粗糙度變壞，影響加工質量。除機床邏輯自動診斷外，操作者和維修人員也應當經常注意其冷卻壓力是否正常。

3 工作過程的實現

機床在加工過程中，通過對機床各差補軸進行差補運動控制，實現上下主軸分別對葉片榫齒上下表面進行第一次磨削粗加工，第一次磨削后上下主軸分別需要進行砂輪修整，修整后系統會自動把修整量累加刀補文件中，通過控制系統CPU 控制器運算后實現上下主軸分別對葉片榫齒進行第二次磨削精加工。因砂輪的自銳性，砂輪直徑在不斷變化，控制系統通過砂輪每次休整量變化自動調整噴嘴位置，保證工件不被灼傷。

加工過程中，主軸在二維平面的位置變化如圖3所示。粗加工和修整砂輪的順序按照圖中標號①～⑧所示，整個過程結束后，主軸回到圖示中的安全位置1，然后可以進行第二次磨削精加工。如要進行連續多次加工，重復此過程即可。

圖3 主軸運動位置順序圖

3.1 加工工件過程

圖4 表示加工工件的示意圖，從圖中可以看出，圖4a 狀態時，上下主軸(即上下砂輪)處于安全位置1，此時工件還沒有被加工;圖4b 狀態時，上下主軸處于預定位置1，此位置距工件表面已經很近，實際加工時，我們取其值為1mm;圖4c 狀態時，上下主軸處于加工位置，即工件表面，此時正在加工工件;圖4d 狀態時，工件已經加工完成，上下主軸各自回到安全位置1。

在加工工件時，會用到主軸冷卻裝置和磨削冷卻裝置來冷卻主軸電機、砂輪和工件［9］。

圖4 加工工件示意圖

3.2 修整砂輪過程

加工工件時，砂輪表面會被磨損，導致砂輪的直徑在不斷變小［5］，因此，為了保證下一次加工工件的精度，必須對砂輪進行修整。實際生產中，采用金剛石滾輪修整法修整砂輪。金剛石的形狀與成品的工件外形相一致，即葉片根部的榫齒形狀。修整砂輪的過程與加工工件的過程相似。受砂輪切削力的影響，修整砂輪的過程與加工工件過程有所不同。區別在于，修整砂輪的順序是先修整上砂輪，然后將金剛石反轉，再修整下砂輪。修整砂輪時，金剛石滾輪的縱向位置固定不動，砂輪逐漸靠近滾輪，并且，砂輪和滾輪分別具有獨立的旋轉運動，并以相對的旋轉線速度切入，以獲得較大的切削力。正在修整時的相對位置及砂輪和金剛石滾輪的轉向如圖5 所示。

圖5 正在修整的砂輪與金剛石的相對位置

同樣，在加工工件時，也會用到主軸冷卻裝置和磨削冷卻裝置來冷卻主軸電機、砂輪和金剛石滾輪。

4 結束語

本數控系統性能好、可靠性強。實現了磨床雙主軸雙過程控制，完成了葉片榫齒一次性裝卡雙面磨削一次成型，避免了原有單面磨床在對葉片榫齒加工時多次裝卡誤差產生的葉片榫齒對稱度不佳、葉片錯齒等現象，大大提高了加工效率。可實現的控制精度高、速度快、廢品率低、產品質量一致性好。有效地保證了發動機的可靠性，減少了大量的體力勞動，節省了勞動時間。

該控制系統的實現，標志著我國高檔數控技術水平的提升，對于替代同類進口產品、建立我國民族數控產業具有重要意義。

［1］王麗潔. 數控加工工藝與裝備［M］. 北京:清華大學出版社，2006.

［2］吳義榮，林雨. 我國數控技術與產業的現狀、發展趨勢及對策［J］. 鍛壓裝備與制造技術，2005，40(2):22 -25.

［3］雷繩明，大型數控雙磨頭立式磨床控制系統開發［D］.碩士，北京工業大學，2006.

［4］傅蔡安，張明.葉片榫齒成形銑刀的錯齒化設計與仿真分析［J］.現代制造工程，2009(10):72 -75.

［5］周軍.自動內圓磨床砂輪的修整和補償［J］. 精密制造與自動化，1997(3):43 -44.