錐度深孔數控珩磨機設計

譚德寧，張書華，鄭明輝

（山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253034）

0 引言

目前，孔的珩磨加工已有技術是2MK21系列數控深孔珩磨機，且只能珩磨加工直孔。

圖1為三一重工有限公司北京分公司專用的一種零件結構圖，曾在山東普利森集團有限公司TK2120專機上砂帶磨加工。外圓直徑φ260 mm，全長6 m，要求鏜削錐孔孔徑：小頭φ130 mm、大頭φ200 mm，合金鋼40Cr材料，要求表面粗糙度為Ra0.4 μm。原加工方法采用砂帶磨，表面粗糙度只能達到Ra0.8μm，效率很低，去除0.01 mm需要2天時間，且各段尺寸變化不均勻，無法達到圖1要求。

圖1 現有零件簡圖

在多年研究及實踐基礎上設計了一種錐度深孔的珩磨刀具和加工方法，通過插補運動，可以實現單錐深孔零件加工[1]。

1 深孔錐度珩磨頭的方案設計

對上述零件設計了2種加工方案：定壓珩磨法和定量珩磨法，總結如下：

（1）圖2為錐度珩磨頭結構圖，在軸向移動時能自動擴張和收縮，并且徑向移動和軸向移動有一個固定比值，能實現徑向變形量在18 mm內的收縮與擴張，為定壓珩磨法，可以數控控制實現錐度深孔加工。

圖2 錐度深孔珩磨頭老結構

當錐度芯軸3向左移動時，油石座2在雙錐面的作用下，兩個斜面與芯軸的圓錐面配合，油石7徑向壓向工件內錐面，油石7的錐度與工件的錐度一致；當錐度芯軸3在珩磨體5內孔內向右移動時由拉桿4實現，可控制珩磨頭徑向收縮。端蓋1可防止油液和粉塵進入內部配合面，支承條6起預定位作用[2]。

（2）新型珩磨頭能實現徑向變形量在150 mm內的收縮與擴張，為定量珩磨法。工件大頭端在珩磨頭入口處，珩磨液從出口端供油，向前沖屑流向入口的方向，油順著斜面流向床身排往珩磨油箱。

（3）新型珩磨頭徑向伸縮的結構采取連桿機構實現徑向變化，油石座可繞銷軸擺動，實現任意錐孔的珩磨，珩磨直徑由數控系統控制。

2 錐度深孔珩磨的結構設計

針對圖1類似的零件，在數控深孔珩磨機上重新設計新型珩磨頭和珩磨桿，并在珩磨桿固定架的后部安裝減速機和交流伺服電機，用數控系統進行控制，目前在國內尚屬空白。針對于加工零件，需要在鏜好的內錐孔中進行珩磨加工，采用工件固定、珩磨桿旋轉的加工方式，磨桿箱固定在拖板上，出口供油，便于觀察錐孔珩磨情況，以解決現有不能進行長錐孔珩磨加工的問題，并實現表面粗糙度Ra0.4μm以內的加工。

2.1 錐度珩磨頭結構

如圖3所示，為一種徑向擴張的數控錐度深孔珩磨頭，為定量珩磨法，珩磨頭由端蓋、油石、油石座、撐桿、擺桿、珩磨體、芯軸、推拉桿和銷軸等組成。芯軸7為四方面，有4個均布的槽與撐桿5通過銷軸連接，撐桿5的另一端與擺桿4通過銷軸連接，擺桿4的一端與珩磨體6通過銷軸連接，另一端與油石座3通過銷軸連接，油石2通過粘接劑與油石座3連接，在驅動裝置的作用下實現油石徑向壓向工件表面[3，4]。

圖3 錐度深孔珩磨頭新結構圖

由圖3可知，油石座長度方向的中間位置與擺桿通過銷軸連接，在珩磨錐孔時可以隨著錐度的大小油石能自由擺動壓向內壁實現錐度吻合；一個珩磨頭由四件油石座組成，當芯軸移動時四件油石座同步壓向內壁受力平衡，珩磨頭能實現長度6 m以內、小頭尺寸?130 mm以上、大小頭直徑差150 mm內的任意錐孔加工。油石的擴張與收縮不能靠恒壓珩磨的方式加工，連桿會自鎖不能移動，只能采用控制推拉桿的軸向左右移動來實現。在切削過程中，隨著驅動裝置的作用，推拉桿直線移動，帶動撐桿移動，擺桿擺動，而沿著徑向均勻地漲開，使油石逐漸壓向工件加工表面，隨著珩磨頭的旋轉和推拉桿的軸向進給及油石的徑向漲開，加工出的軌跡是螺旋面。當漲開到最大行程時，數控系統的程序會給交流伺服電機一個信號，推拉桿做后退運動，到達初始位置時，油石座在拉力連桿組件的作用下自動迅速縮回原位，完成一次行程；按照預先工藝流程完成錐孔的珩磨加工，不是一次完成的，需多次進給加工達到加工目的。第一過程為粗珩磨，第二過程為精珩磨，由數控自動編程實現[3，4]。

2.2 珩磨桿結構

如圖4所示，珩磨桿5、8由內部可旋轉的芯軸6組成，支承銅套2、7固定在珩磨桿5、8內，芯軸6由數節通過錐銷連接，珩磨桿5、8采用矩形螺紋連接可實現不同長度的組合。因此，新型珩磨桿可以根據需要做成不同長度，珩磨桿旋轉。通過M16螺母、推拉桿1（螺桿）和推力球軸承轉化，從而帶動推拉桿軸向移動，推拉桿軸向移動帶動珩磨頭芯軸移動，使油石座沿著徑向漲開，使油石壓向工件加工表面，達到磨削的目的。珩磨桿旋轉，可是芯軸差動旋轉，相對轉速不高，采用銅套滑動配合合適，珩磨桿和芯軸差動的旋轉為一個伺服軸[5]。

圖4 珩磨桿的結構圖

2.3 驅動裝置

如圖5所示，該驅動裝置由珩磨頭、珩磨桿和驅動裝置組成。如果采用交流伺服電機2與珩磨桿直聯，伺服電機的轉速為50 r/min，力矩足夠、功率稍不足。

圖5 驅動裝置的結構示意圖

數控錐度深孔珩磨裝置通過交流伺服電機驅動減速機轉動，通過M16螺母、螺桿轉化，從而帶動珩磨頭推拉桿軸向移動，推拉桿軸向移動帶動芯軸移動，使油石座沿著徑向漲開，使油石壓向工件加工表面，達到磨削的目的。由于珩磨刀具旋轉的過程中，刀具既在軸向進給，又徑向漲開，這樣珩磨刀具走出的軌跡就是錐面。傳動比為4，可提高交流伺服電機的實際輸出力矩，與磨桿箱電機實現差動轉速匹配，可到1 000 r/min，圓柱齒輪減速器減速。

要想珩磨錐度深孔，必須先鏜削錐度內孔，當大小頭直徑差大于15 mm時，需要多工步分段鏜削，搭接處不光滑；小頭直徑為?130 mm，珩磨前尺寸為?129 mm，單邊加工余量均為0.5 mm，對工件進行數控自動編程，全長珩磨加工錐孔[6]。

3 數控系統

通過上面機械裝置的設計，錐度深孔珩磨機需要3軸控制：徑向脹縮為X軸驅動，軸向進給為Z軸驅動，芯軸轉速與磨桿箱主軸電機轉速差動控制為第3軸驅動，數控系統的硬件接線圖如圖6所示。

圖6 數控系統硬件接線圖

CNC裝置由輸入輸出設備、CNC裝置、可編程控制器（PLC）、I/O接口電路、主軸伺服單元、進給伺服單元、主軸驅動裝置和進給驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。設置了2臺進給交流伺服電機和1臺主軸交流伺服電機，芯軸和主軸交流伺服電機的光電編碼器通過I/O接口電路反饋輸入CNC裝置，CPU進行轉速比較，按照數控程序規定的轉數（符合工藝磨削參數）進行控制，由數控系統按照徑向擴張和軸向位移的數學公式進行插補，實現珩磨頭有規律的定量徑向脹縮[7，8]。

如圖7所示，可以建立數控錐度深孔珩磨頭的插補數學模型，建立圖示x-y直角坐標系，已知桿a、b、c桿的長度，（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc）三點坐標值，可以通過事先測量得到。

圖7 插補數學模型圖示

y1=ya-Δy，x12+y12=xa2+ya2，可推出量x1=；由于a，b桿是繞o點旋轉的故有y2=（ya-b/a×Δy），x22+y22=xb2+yb2，可推出量x2=。

由于撐桿只能沿x向移動，y坐標不變，故（xbxc）2+（yb-yc）2=（x2-x3）2+（y2-yc）2；可推出量，這就是數學模型。根據數學模型公式可以編制專用插補程序，由數控廠家解決。

4 切削加工

數控深孔珩磨機床不僅能加工直孔、階梯孔，還能加工錐孔。從美國善能珩磨公司的實際加工視頻可知，工件采用兩個V型支架定位、鏈條夾緊，錐度珩磨頭旋轉并進給，珩磨切削用量與直孔相同。區別在于錐度珩磨頭是定量擴張的，軸向移動和徑向擴脹量是有一定比值關系，由數控系統的插補程序控制，插補程序需要與數控廠家定制，華中數控同意生產“專用數控系統”。由于試件的珩磨長度為2.6 m，大頭內孔尺寸?200 mm，小頭內孔尺寸?130 mm。所以，采用常用的一端珩磨桿連接的方式，同軸度影響不大。從加工的結果看：大小頭尺寸公差在0.02 mm內，表面粗糙度Ra0.1～0.4μm。

5 結論

通過上面的描述，可以獲得一種任意錐孔的深孔珩磨全套技術解決方案，解決全國目前無法進行錐度深孔珩磨加工的難題，圖8為實際加工片段局部圖。目前，國內模具行業需要錐度深孔、塑料擠出機需要錐度深孔、環保設備也需要錐度深孔等等，它的市場應用價值很大，該技術已獲實用新型專利（專利號ZL201820810259.6），可以在全國推廣使用。

圖8數控系統界面和珩磨機床局部視圖