專利名稱：新型球面磨削機床及其磨削方法
技術領域：
本發明涉及一種磨削機床和磨削方法，具體的為一種用于球面磨削的機床及采用該機床進行球面磨削的方法。
背景技術：
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HRC63左右，密封座面也為硬接觸，不再是橡膠接觸密封，其密封壓力要求40MPa，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，現有的球面磨削主要有范成法磨削球面和展成法磨削球面兩種加工方式。1、砂盤磨削方式——范成法磨削球面
待加工的工件安裝在芯軸上，機床頭尾架頂持住芯軸兩端；機床頭尾架安裝在工作臺上，磨頭體(或稱砂輪架)安裝在工件的后側或者后上側，磨頭體沿主軸伸出端的前側安裝有用于磨削的刀具，即磨頭；磨頭為碗狀砂盤，多只砂條均布鑲嵌在砂盤上；碗狀砂盤扣蓋在待磨削加工工件的球面上，每塊砂條均勻接觸待磨削的球面；砂盤的軸心線和工件的軸心線都在同一個平面內，工件的球心在砂盤軸心線的延長線上。磨削時，砂盤繞磨頭主軸軸心線高速轉動，工作臺固定不動，球體繞芯軸的軸心線單方向低速轉動，隨著磨頭體的工進，最后范成磨削出整個球面。范成法的球面磨削方式雖然具有參與磨削的砂條多、生產率高、安裝方便的有點， 安裝時機床時只要有效的保證磨頭主軸軸心線與頭尾架的連線共面，并水平移動工作臺使球心與砂輪軸心線重合，磨削時采用范成原理自然保證了磨削出來的球面具有較高精度的圓度；但是，采用該球面磨削方法的砂盤口徑必須大于或者等于待磨削的球面外側直徑，否則球面不能完全磨出，因此，當球的規格稍有變化，砂盤就需要變化，所以一臺機床需要配備非常多的砂盤，砂盤制造費用較貴，這種方式只適合大批量生產球形零件的場合，小批量生產場合會很不經濟。2、砂輪磨削方式——展成法磨削球面
該球面磨削方法與球面車床車削球面的原理相同，但是其磨具為平型砂輪，安裝在砂輪架一側，砂輪的外圓面與工件待磨削的球面接觸；待加工工件安裝在芯軸上，機床頭尾架頂持住芯軸兩端，頭尾架安裝在工作臺上，頭尾架的連線與芯軸同軸且與平型砂輪的軸心線平行共面。磨削時，砂輪繞其軸線高速旋轉，工件繞芯軸軸線單方向低速轉動，同時繞另一垂直的球心線來回往復地低速轉動，當砂輪轉動到球面的一側時，受控制機構控制，工件回轉到另一側，周而復始的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。展成法的球面磨削方式雖然能夠磨削不同規格的球體且不用更換砂輪，一個規格的砂輪可以磨削任何規格尺寸的工件，磨具的投資較少，但是，參與磨削的砂輪與工件為線接觸，且只有一條線，所以磨削效率較低，不適合于球體的規模化生產，僅僅適合于球體的修配行業。因此，需要對現有的球面磨削方法進行改進，使其不僅能夠滿足大批量生產的需求，而且磨具的通用性好，一種規格的磨具可以磨削多種規格尺寸的工件。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出一種新型球面磨削機床及采用該球面磨削機床進行球面加工的方法，該球面磨削機床及其方法不僅能夠滿足大批量生產的需求，而且磨具的通用性好，一種規格的磨具可以磨削多種規格尺寸的工件。為了實現上述目的，本發明首先提出了一種新型球面磨削機床，包括機床床身、安裝在機床床身上的工作臺和可沿機床X軸方向滑動的滑鞍和滑鞍驅動機構，所述滑鞍上設有砂輪架，所述砂輪架面向工作臺的前方設有砂盤，砂輪架的后方設有用于帶動砂盤旋轉的電機，所述砂盤上均布地鑲嵌有多只砂條；所述工作臺的兩端相對地設有頭架和尾架，以及安裝在頭架和尾架上并用于固定工件的芯軸，所述頭架上設有用于帶動芯軸旋轉的變頻電機和減速裝置，所述工作臺下設有用于工作臺沿機床Y軸移動的縱向驅動機構和用于工作臺繞機床Z軸往復轉動的轉臺機構。進一步，所述滑鞍驅動機構包括位于滑鞍與機床床身之間的滑鞍導軌、安裝在機床床身后側的伺服電機I以及低背隙伺服專用減速機I，所述低背隙伺服專用減速機I與滑鞍下的滾珠絲桿直連，所述滑鞍導軌采用滾柱直線導軌；所述減速裝置為采用蝸輪蝸桿機構或擺線針輪減速機的機械式減速裝置；
進一步，所述轉臺機構包括位于工作臺下的轉臺導軌、蝸輪蝸桿機構、伺服電機III和安裝在伺服電機III前側的伺服電機減速機，所述伺服電機減速機與蝸輪蝸桿機構相連， 所述轉臺導軌為貼塑導軌；
進一步，所述轉臺機構包括位于工作臺下的轉臺導軌、齒輪齒條傳動機構和與該齒輪齒條傳動機構相連的液壓驅動缸，所述轉臺導軌為液壓動靜壓導軌；
進一步，所述縱向驅動機構包括位于工作臺與轉臺導軌之間的工作臺導軌、設置在工作臺下的滾珠絲桿、安裝在滾珠絲桿一端的伺服電機II或高精度步進電機、以及安裝在伺服電機II或高精度步進電機上的低背隙伺服專用減速機II，所述低背隙伺服專用減速機 II與滾珠絲桿相連接，所述工作臺導軌為貼塑導軌；
進一步，所述砂盤呈碗狀結構或錐面形結構，所述砂條沿著砂盤徑向方向均布地鑲嵌在砂盤上。本發明還提出了一種采用上述新型球面磨削機床的新型球面磨削方法，包括如下步驟
1)工件安裝工件安裝在所述芯軸上，所述工件具有球形的待加工面，所述機床頭架和尾架頂住芯軸兩端，所述縱向驅動機構帶動機床工作臺以及頭架和尾架沿機床Y軸方向左右移動，使工件的球心位于砂盤軸線上；啟動機床伺服電機I帶動滑鞍沿著機床X軸方向移動，并使砂盤扣蓋在在工件的待加工面上；
2)球面磨削啟動電機使砂盤繞著機床X軸高速旋轉，啟動變頻電機并在減速裝置的作用下帶動芯軸以及工件繞著機床Y軸低速旋轉，在所述轉臺機構的作用下，所述工作臺、 頭架、尾架以及工件均繞著機床Z軸往復轉動，且滑鞍受伺服電機驅動I向前進給。進一步，所述工件的球面直徑大于或等于砂盤的有效磨削直徑；
進一步，所述工件繞機床Z軸往復運動的旋轉角度等于球面磨削角度β減去砂盤相對于工件球心所占的機械角度α ；
進一步，所述伺服電機I以工件繞Z軸往復運動的周期的整數倍為單位與所述轉臺機構聯動并帶動滑鞍向前進給。本發明具有如下有益效果
1、通過設置砂盤磨削球面以及設置用于工作臺繞機床Z軸旋轉的轉臺機構，本發明的球面磨削方法繼承了范成法和展成法磨削球面的優點，且相較于展成法參與磨削的砂條多、生產率高；安裝機床時應保證砂盤軸線與芯軸軸線共面；在安裝球體工件時，在縱向驅動機構的作用下，左右移動工作臺使工件球心與位于砂盤軸線上，磨削時根據范成原理就自然保證了磨削出來的球是圓的；
2、采用本發明的球面磨削機床和方法，砂盤的通用性更好，磨削不同規格的球體，只要該球體的直徑大于或等于砂盤直徑，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。
圖1為本發明新型球面磨削機床實施例的結構示意圖； 圖2為工件加工坐標軸示意圖3為工件繞機床Z軸往復運動的角度范圍示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。如圖1所示為本發明的新型球面磨削機床實施例的結構示意圖，本實施例的新型球面磨削機床包括機床床身1、安裝在機床床身1上的工作臺11和可沿機床X軸方向滑動的滑鞍3，滑鞍3上設有砂輪架5，砂輪架5面向工作臺的前方設有砂盤6，砂輪架5的后方設有用于帶動砂盤6旋轉的電機4，砂盤6上均布地鑲嵌有多只砂條7。工作臺11的兩端相對地設有頭架8和尾架，以及安裝在頭架8和尾架上并用于固定工件10的芯軸9，頭架8 上設有用于帶動芯軸9旋轉的變頻電機和減速裝置，工作臺11下設有用于工作臺11沿機床Y軸移動的縱向驅動機構和用于工作臺11繞機床Z軸往復轉動的轉臺機構12。進一步，減速裝置為機械式減速裝置，機械式減速裝置可以是蝸輪蝸桿減速裝置或者擺線針輪減速裝置等，機械式減速裝置將變頻電機的轉速降低到20轉左右然后再通過變頻器調整變頻電機轉速，實現工件轉速在10轉到幾十轉范圍內無級調速。進一步，滑鞍驅動機構包括位于滑鞍3與機床床身1之間的滑鞍導軌、安裝在機床床身后側的伺服電機I 2以及低背隙伺服專用減速機I，低背隙伺服專用減速機I通過無鍵聯軸器與滑鞍3下的滾珠絲桿直連，滑鞍導軌采用滾柱直線導軌。通過設置滑鞍驅動機構和數控可精確控制滑鞍3向機床X軸方向的進給量。進一步，轉臺機構12可采用如下兩種結構包括位于工作臺11下的轉臺導軌、與轉臺導軌相連的蝸輪蝸桿機構、伺服電機III和安裝在伺服電機III前側的伺服電機減速機，所述伺服電機減速機與蝸輪蝸桿機構通過無鍵聯軸器直連，轉臺導軌采用貼塑導軌具有降低摩擦系數，提高吸振能力的效果；轉臺機構12還可以為包括位于工作臺11下的轉臺導軌、與轉臺導軌相連的齒輪齒條傳動機構和與該齒輪齒條傳動機構相連的液壓驅動缸， 此結構下的所述轉臺導軌為液壓動靜壓導軌。本實施例采用第一種結構的轉臺機構，通過設置轉臺機構，可實現在工件11加工過程中工件繞Z軸往復運動的功能。進一步，縱向驅動機構包括位于工作臺11與轉臺導軌之間的工作臺導軌、安裝在工作臺下的滾珠絲桿、安裝在滾珠絲桿一側的伺服電機II或高精度步進電機、以及安裝在伺服電機II或高精度步進電機上的低背隙伺服專用減速機II，所述低背隙伺服專用減速機II通過無鍵聯軸器與工作臺下的滾珠絲桿相連接，工作臺導軌為貼塑導軌，工作臺11導軌面采用貼塑導軌具有降低摩擦系數，提高吸振能力的效果。工作臺的縱向驅動移動機構需要準確實現球形工件10的對中，球形工件在芯軸9上的安裝位置每一次都是不確定的， 安裝好球形工件10后需要沿著Y向移動工作臺11找正，故對驅動裝置的精度要求是很高， 通過設置伺服電機II或高精度步進電機加上低背隙伺服專用減速機II直聯滾珠絲杠，驅動工作臺11，低背隙伺服專用減速機II的作用是增力，并且能夠實現微動，保證找正球心位置，只有將球心位置找正，使球形工件10的球心位于砂盤軸線上，磨削出來的球形工件精度才會高。優選的，砂盤6呈碗狀結構或錐面形結構，砂條7沿著砂盤6徑向方向均布地鑲嵌在砂盤6上，采用該結構的砂盤能更好地與工件的待加工球面均勻接觸，磨削效果更好。下面結合上述新型球面磨削機床的實施例介紹本發明的新型球面磨削方法，本實施例的新型球面磨削方法包括如下步驟
1)工件安裝工件10安裝在芯軸9上，被安裝在頭架8和尾架上的芯軸9夾持住工件 10，工件10具有球形的待加工面，機床頭架8和尾架頂住芯軸9兩端，位于工作臺11下的縱向驅動機構帶動機床工作臺11以及頭架8和尾架沿機床Y軸方向左右移動，調整工件10 使其球心位于砂盤6的軸線上；啟動機床伺服電機I 2帶動滑鞍3沿著機床X軸方向移動， 并使砂盤6扣蓋在在工件10的待加工球面上；
2)球面磨削啟動電機4使砂盤6繞著機床X軸即砂盤軸線高速旋轉，啟動變頻電機并在減速裝置的作用下帶動芯軸9以及工件10繞著機床Y軸即芯軸9軸線低速旋轉，在轉臺機構12的作用下，所述工作臺11、頭架8、尾架以及工件10均繞著機床Z軸往復轉動，且滑鞍受伺服電機I驅動向前進給。通過設置砂盤6磨削球面以及設置用于工作臺11繞機床Z軸旋轉的轉臺機構12， 本發明的球面磨削方法繼承了范成法和展成法磨削球面的優點，且相對于展成法參與磨削的砂條11更多、生產率高；安裝機床時應保證砂盤6軸線與芯軸9軸線共面；在安裝球體工件10時，在縱向驅動機構的作用下，左右移動工作臺9使工件8球心與位于砂盤6軸線上，磨削時根據范成原理就自然保證了磨削出來的球是圓的；相較于范成法，采用本發明的球面磨削裝置和方法，砂盤6的通用性更好，磨削不同規格的球體，只要該球體的直徑大于或等于砂盤6直徑，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，節約了運行成本。進一步，工件10的球面直徑大于等于砂盤6的有效磨削直徑，即工件10球面的直徑大于等于砂盤盤口處的最大直徑；工件10繞機床Z軸即轉臺12的軸心線往復運動的旋轉角度等于球面磨削角度減去砂盤相對于工件球心所占的機械角度α。轉臺12總的轉動角度即磨削角度=β - α，如圖3所示，可有效防止砂盤6與芯軸9干涉。當工件10的球面直徑等于砂盤6的有效磨削直徑時，工作臺11、頭架8、尾架和工件10均不再繞著機床Z軸旋轉，直接加工利用范成法原理就能加工出所需要的球形。進一步，伺服電機I 2以工件繞Z軸往復運動的周期的整數倍為單位與所述轉臺機構聯動并帶動滑鞍向前進給，通過聯動可可提高球面磨削精度。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。.
權利要求
1.一種新型球面磨削機床，包括機床床身、安裝在機床床身上的工作臺和可沿機床X 軸方向滑動的滑鞍和滑鞍驅動機構，其特征在于所述滑鞍上設有砂輪架，所述砂輪架面向工作臺的前方設有砂盤，砂輪架的后方設有用于帶動砂盤旋轉的電機，所述砂盤上均布地鑲嵌有多只砂條；所述工作臺的兩端相對地設有頭架和尾架，以及安裝在頭架和尾架上并用于固定工件的芯軸，所述頭架上設有用于帶動芯軸旋轉的變頻電機和減速裝置，所述工作臺下設有用于工作臺沿機床Y軸移動的縱向驅動機構和用于工作臺繞機床Z軸往復轉動的轉臺機構。
2.根據權利要求1所述的新型球面磨削機床，其特征在于所述滑鞍驅動機構包括位于滑鞍與機床床身之間的滑鞍導軌、安裝在機床床身后側的伺服電機I以及低背隙伺服專用減速機I，所述低背隙伺服專用減速機I與滑鞍下的滾珠絲桿直連，所述滑鞍導軌采用滾柱直線導軌；所述減速裝置為采用蝸輪蝸桿機構或擺線針輪減速機的機械式減速裝置。
3.根據權利要求1所述的新型球面磨削機床，其特征在于所述轉臺機構包括位于工作臺下的轉臺導軌、蝸輪蝸桿機構、伺服電機III和安裝在伺服電機III前側的伺服電機減速機，所述伺服電機減速機與蝸輪蝸桿機構相連，所述轉臺導軌為貼塑導軌。
4.根據權利要求1所述的新型球面磨削機床，其特征在于所述轉臺機構包括位于工作臺下的轉臺導軌、齒輪齒條傳動機構和與該齒輪齒條傳動機構相連的液壓驅動缸，所述轉臺導軌為液壓動靜壓導軌。
5.根據權利要求3或4所述的新型球面磨削機床，其特征在于所述縱向驅動機構包括工作臺導軌和設置在工作臺下的滾珠絲桿、安裝在滾珠絲桿一端的伺服電機II或高精度步進電機、以及安裝在伺服電機II或高精度步進電機上的低背隙伺服專用減速機II，所述低背隙伺服專用減速機II與滾珠絲桿相連接，所述工作臺導軌為貼塑導軌。
6.根據權利要求5所述的新型球面磨削機床，其特征在于所述砂盤呈碗狀結構或錐面形結構，所述砂條沿著砂盤徑向方向均布地鑲嵌在砂盤上。
7.一種采用權利要求1-6任一項所述新型球面磨削機床的新型球面磨削方法，其特征在于包括如下步驟1)工件安裝工件安裝在所述芯軸上，所述工件具有球形的待加工面，所述機床頭架和尾架頂住芯軸兩端，所述縱向驅動機構帶動機床工作臺以及頭架和尾架沿機床Y軸方向左右移動，使工件的球心位于砂盤軸線上；啟動機床伺服電機I帶動滑鞍沿著機床X軸方向移動，并使砂盤扣蓋在在工件的待加工面上；2)球面磨削啟動電機使砂盤繞著機床X軸高速旋轉，啟動變頻電機并在減速裝置的作用下帶動芯軸以及工件繞著機床Y軸低速旋轉，在所述轉臺機構的作用下，所述工作臺、 頭架、尾架以及工件均繞著機床Z軸往復轉動，且滑鞍受伺服電機I驅動向前進給。
8.根據權利要求7所述的新型球面磨削方法，其特征在于所述工件的球面直徑大于或等于砂盤的有效磨削直徑。
9.根據權利要求7所述的新型球面磨削方法，其特征在于所述工件繞機床Z軸往復運動的旋轉角度等于球面磨削角度β減去砂盤相對于工件球心所占的機械角度α。
10.根據權利要求7-9任一項所述的新型球面磨削方法，其特征在于所述伺服電機I 以工件繞Z軸往復運動的周期的整數倍為單位與所述轉臺機構聯動并帶動滑鞍向前進給。
全文摘要
本發明公開了一種新型球面磨削機床及其磨削方法，所述新型球面磨削方法包括如下步驟1)工件安裝工件安裝在所述芯軸上，所述工件具有球形的待加工面，所述機床頭架和尾架頂住芯軸兩端，所述縱向驅動機構帶動機床工作臺以及頭架和尾架沿機床Y軸方向左右移動，使工件的球心位于砂盤軸線上；啟動機床伺服電機I帶動滑鞍沿著機床X軸方向移動，并使砂盤扣蓋在在工件的待加工面上；2)球面磨削啟動電機使砂盤繞著機床X軸高速旋轉，啟動變頻電機并在減速裝置的作用下帶動芯軸以及工件繞著機床Y軸低速旋轉，在所述轉臺機構的作用下，所述工作臺、頭架、尾架以及工件均繞著機床Z軸往復轉動，且滑鞍受伺服電機I驅動向前進給。
文檔編號B24B47/12GK102275114SQ20111025054
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者張成興 申請人:機械工業第三設計研究院