零件的超精密平面磨削加工

1、中型零件的超精密平面磨削加工上海磨床研究所黄根林摘译© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/Avlcinct© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/Avlcinct近年来各种电子机械，光学机械，测量仪等 零件的最终精加工要求越来邈高，现有的磨床 已不能适应这种超精密领域加工。日本住友重机械工业公

2、司开发的主要用于 加工机床的床身、立柱、工作台的导轨面的 KPL型大型龙门平面磨床（工作台宽800 2400mm）和KS0型中型单立柱平面磨床（工 作台宽600800mm）的加工精度：（长度方向 上）平直度35”m/200nim,表面粗糙度血 已不能满足超梢密领域的加工要求。 公司又研制了 KSX型中型精密平面磨床，加 工精度为:平直度lm/1000mm,表面粗糙 度Ratl 0.3m,提供了中型零件的精密磨削 加工设备。一、精密平面麼床的关键1. 影响加工精度的关键平面磨削加工精密化关键（是机床原点复 位，对与其有关的结构要索与加工精度之间的 关系作充分地研究得到影响加工形状精度的因 素有：

3、1）工作台与磨头移动时机床各部件的静 态变形与热变形与热变形而产生的运动误差。2）机床各部件的振动。3）主轴的回转精度。4）进给系统的动态响应性。即磨头切入 进给的可靠性。2 .主体结均机床主体的必要条件是静刚性、动刚性，热 刚性均需十分高。然而对中型、大型的平面磨 床主体结构的刚性作微米级分析时就可知各种 结构不仅是如同豆腐一样而且还是胶状弹性 体。而这些变形量出乎意料地在以内， 有关静刚性的理论允许点如下：1）床身和工作台之间必须具有足够的刚 性，在工作台上载荷条件发生变化时，仍能保证 工作台运动的平直度应在规定的精度之内。2）主柱与横梁（龙门式场合）之间必须具 有足够刚性，保证磨头在横梁

4、全长的范围内移 动时磨削点上下位置的变动精度在规定的范围 之内。3）有关动刚性，机床整体结构的一次.二 次固有振动频率要远大于'主轴转速，其它回转 体的周期频率大到15借以上为好，而这难以 做到时必须设法使结构件的衰祓性大。而对热 变形来说首先要控制发热量。在结构上要避免 热不平衡，希望采用热对称的结构。3.主轴结构为了磨削出具有良好的平直度，直线性的 工作，必须能磨去工件上微小的凹凸蚩，磨削时 的磨削残留量极小，为此主轴的刚性必须很离° 此外，要降低表面粗糙度、表面波纹度（振纹）, 获得离品位质量的工件，必须控制主轴回转精 度，主轴系振动要极小。要自始至终地保持主 轴轴系的

5、刚性、回转精度,主轴零件的形状必须 不产生热变形，主轴回转中温升极小。因为这 个热变形给磨削点的精密定位，纵向表面波纹 度带头极坏的影响。一般的轴承形式有静压轴承、空气轴承、动 压轴承、滚动轴承。这些轴承的性能受生产技 术好坏的炒响很尢，不能笼统地说哪种轴承的 优劣。该公司考虑上述的主轴轴系的要求条件, 认为适合超精密磨削轴承为静压轴承。4进给系统工作台进给系统主要对高速往复运动时的 直线性及其稳定性有要求。磨头进给主要对微 量性有要求。构成进给系统的导轨面与驱动方55 式有多种，并各具有其特点。在要求高速性情况下，工作台进给系统的 关键在摩擦、发热、直找性;磨头进给以刚性微 鈕性为关键，以此

6、选择机床各要索。以上是平面磨床面临精密化而所应研讨的 机披要素。该公司研制开发的精密平面介绍如 下：二、超精密平面磨床KSX-815的结构与特点主规格参数：工作台加工面积（宽X长）800x15)0 mm最大加工高度590 mm工作台速度00130 m/mln砂轮（外径X宽）</> 510x100 mm砂转转速1000-1400 r/min最小进给量02“m磨头上下进给速度1 1000 mm/ min磨头左右进给速度140OO mm/min砂轮电机动率11 kWCN0装置FAN GO 10 MA1.主体结构主休结构为使磨头在全范围移动时都具有 良好的刚性，采用了龙门式横梁导轨固定结构

7、 形式。而对与动态特性、热特性有极大影响的 立柱体采用了铸铁与粧脂混凝土复合结构（图l）o树脂混凝土在日本则是刚进入实用阶级, 而在欧洲则已有用在外圆磨床与平面磨床床身 上面。其优点是衰祓率（对数袞减率）为铸铁的 10倍，热传导率为铸铁的1/100,该公司采用自 制高环氧树脂水泥。立柱及用作连接部的阻尼立柱是采用刚性 高的铸铁制造的。中f瓦部则完全用树脂混凝土1.傍铁2.树脂混凝土 8.阻尼立柱4.立拄 56 制作。并且使水泥与铸铁连结面接触面积大, 以确保接触强度。另外，树脂水泥的杨氏战量 只有铸铁的1/3。可用增大壁厚来确保刚性、床 身，横梁方面如最初所述要确保静刚性而制成 具有充分刚性的

8、箱形铸件结构。2. 主轴结构1）静压轴承（图2）图22.弹性联轴节2.静压轴承3.止推环4.却冷沟5.动平衡装贯6.檜7.低 压油孔 8.静压油孔为提高主轴的刚性，主轴悬伸量极小。轴 向推力环做成一体化。轴承则采用了高刚性、 高衰减性的带槽静压轴承'为防止槽低部产生 气泡而降低油膜刚性，供给带有冷却效果的低 压油。并且轴承外部与主轴内部也供给冷却 油。轴承部件的温升得到彻底的控制。其结果: 抽承金属部分温升如图3所示。金属部分为 5.5P磨头主体部分为3°C,并且轴端热膨胀控 制在25以内。A、B測溫点C一位移鈕渕点2）驱动方式为口kW大功率驱动机构，必须消除提 动，为此采用

9、以下方法：。用皮带驱动，主电机 底座采用树脂水泥。b.主轴皮带轮轴承采用静 压轴承以防止皮带的张力及振动传递给主轴。 o.砂轮平術用冷却喷射方式的动平衡装置作全 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/Avlcinct自动平衡。若上述的主轴结构中，主轴与轴承 均高精度化，企轴回转梢度以极座标方式测量 主轴前端安装基准球，由下面电容式传感器测 量其振摆达到在0.1®m以内。砂轮架主休上 下方向振动的振幅控制在0.1/im以内。3. 工作

10、台进给机构1）导轨面为了稳定保持加工的平直度在1 Rm/lOOO mm,发热小，并在速度变化时不会因动压作用 产生工作台的漂浮,在卩-平导轨上用了空气静 孚导轨。'2）驱动机构工作台的高速驱动时，为达到宜线性良好 要求，采用液压油缸驱动（l-10m/min）e低 速时为达到良好稳定性,采用滚珠丝杠（O.O1- lm/min）驱动。这样可以满足从髙速进给到 低速的深切缓进给磨削所要求的宽的调速范囲 如图4。液压油缸因采用待殊的封闭方式而不 会因摩擦阻力发热，并进而在油缸外面加冷却 螺旋管对油缸进行冷却，防止工作台主体的热 变形。图41-拉緊怨杆2.油缸3.滚隸丝杠4.工作台駆动汕缸5.驱

11、动杆6.工作台低速驰动滚珠丝 杠7.连接粘8.進母9低遠驱动器低速运动月滚珠丝杠，与工作台用的是二 个拉紧螺杆，在定位处能自动地进行连结、断 开，再通过床身后部的A0伺服电机及齿轮箱 駆动。4砂轮荣进箔机构磨头的上下，左右进给的导轨而采用能达 到0.2wn进给览的摩擦力小的静压导轨、® 头的驱动是用A0伺服电机，蒂密滚珠丝杠直 接驱动方式，并加上了反馈帚最小单位为o.i Atm的光栅尺进行闭环控制。滚珠丝杠为中空， 用油冷却方式，防止发热使进给不均匀。此外， 上下左右进给汕缸装有平衡装置，以实现稳定 的亚微米级进给量。图5如图5的左右进给定位精度，测最结果在 890mm移动范用为09

12、um。上下进给指令0.2um跟踪性（重复性）精 度如图6的側量结果。（以上均用激光测长仪 测萤）。5外股装置1）砂轮修整装置装在砂轮架主体上。包 括砂轮罩壳自动开闭，修整砂轮时的趋近，切入 进给均为由A0伺服电机滚珠丝杠骆动的NO 控制。砂轮修格装置为平面磨床专用，也可安 装金刚石滚轮。2）磨削冷却液处理装置。为防止表面拉毛、擦痕，对磨削冷却液处理 是极为关键的。本机床带有纸质过滤的磁性过 滤器。另外磨削冷却液的温度对大、中型零件 的磨削精度有直接彫响，因而本机床对磨削 冷却液有温度控制装置，对机床主体温度作 士0.2°C范围的跟踪控制。3）各种液压装置。 57 工作台驱动、静压导轨

13、以及滚珠丝杠的冷 却用油、动力部件均与机床主体爲开设置，并与 唐削冷却液一样有温度控制装置，以达到机床 温度稳定。另外工作台空气静压导轨用的空气 压缩机和空气过滤装置也是另外设置的，能提 供经过干燥,温控的空气。4）控制装社本机床磨头、修整器、工作台低速驱动等均 由NO装置控制。各种操作均集中在0N0操 作箱内，实行集操作。以上为本机床的结构与 特点。6.几个加工实例在工作台全长1500mm上设置一长度为 1500 mm工件，实测磨削后平直度全长为0.9 “in,而本机床保证精度全长为2mo在工作台全长上放置05mm工件9个。 磨削其上下面，试件厚度尺寸分散度，为2.8 妙亠这是工作台顶面的自

14、身磨削精度与连续运 转时工作台顶面的热变形合成的结果，是以往 的精密磨床的精度一半左右。工件为注塑机压板顶面,尺寸为500 “m方 形，磨削后其平面度达是以往磨床难以 达到的。磨削500X600mm方形平板，其平面 度为 1.5/un。对S450；（调质材质）试件用GC800I砂轮 磨削获得表面粗糙度目测没有 磨削振纹和进给波纹度的良好磨削表面。用同样砂轮磨削SKD材料（模具钢）。FO 材料,S450（淬火）材料,可得到同样的效果。对 在作近于镜面磨削的场合时，磨削冷却液屮切 屑去除性对磨削性能有极大的影响，本试验用 水溶质性磨削冷却液。以上是该公司开发对中型零件磨削加工用 的精密平面磨床的特

15、点及一些实际磨削例子， 今后还将利用该机在用OBN砂轮，金刚石砂轮 的超硬磨粒砂轮所前达到的磨削形状精度与表 面品位极限上进行研究。-摘译自日刊机械技术>,Vol 35, No. 9, 1987.© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/Aldnct（上接第20页）© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

16、 h(lp:/Aldnct唇摩擦轨迹的表面组织极有关系。但由于NBR B的表面高点很快磨平。从而它的吸油能力很 快只会变差。由以上这些研究可得出如下结论，除密封 圈的封唇形状和尺寸外，由弹性材料的配方决 定的表面组织对密封性能和吸油能力有很密切 的关系。目前所得到的结果仅是定性的，今后 研究工作的方向是进一步了解封油机制，封唇 材料所起作用以及定出材料各种参数与密封性 能和吸油能力的定最关系。参考文献1 Hirano. F and lshivata, H: "Th® Lubricating Condition of a Lip Seal". <Prtx）ee

17、ding3 of Institution of Mochaiical Engineer3>t 1965-6- Vol 180（Pt, 3B 1872 Jagger, E. T, RoUry Shaft Qeals: <4The Sealing MocMnism of Synthetic Rubber Seals Running at Atmospheric Piea<nire Proc8edingB of Institution of MccbiQil Englneaxs>9 190O-«7. Vol» 181. Pt.1> No. 9.3 K

18、awahara, Y, and Hirabdyasbi, H: nA Study of Sealing Phenomena on Oil<A9LE77-LL-:>B-力.Oct, JL9"4 J Aral, Yoshio: Exiling Theory io Oil 9els-l>t p. 93.5 Horve, L. A. and Brink, R V : “Wave Seals, A Solution to the Hydrodynamic Oompromise, *<A8LE Lubrication Engineoring>, 29. 6, 265-270 (1973)6 Horve, L. A："A ildcrosjopio View of the Sealing Phenomenon for Radial Lip Oil SeaJs Paper K2, 11th International Oonfereuco on Fluid Scaling (BHRA), Apr. 1987.7 Horvo,