高速成型螺纹磨床设计和选用参数分析

姜佳琦 汪学栋

（上海机床厂有限公司 上海200093）

随着汽车工业的飞速发展，新技术的不断使用，汽车传动系统中出现了CVT（Continuously Variable Transmission无级变速）变速器技术。输入带轮轴、输出带轮轴和输出轴是CVT变速器的核心零件，它的加工精度直接影响到变速器的传动性能。这些轴类零件螺纹部分传统加工方式采用车削加工，随着市场对CVT变速器传动性能的要求越来越高，需要采用磨削的方法提高加工精度。目前螺纹磨床以调整砂轮架螺纹升角实现螺纹加工。由于效率低，设备成本高，不符合用户对加工效率的需求；此外，国外加工此类零件螺纹的机床虽然效率高，但是在国内未见到成线应用。随着工业4.0的推进，机床的成线自动化需求愈发迫切，开发既能满足加工精度又能满足CVT变速器输入带轮轴、输出带轮轴和输出轴等零件螺纹高效加工的自动化成套装备就迫在眉睫。为了满足以上市场需求拟定了这个项目的数控螺纹磨床(H373)的规格参数如下：

磨削螺纹直径（mm） Φ20～Φ60

最大磨削螺纹长度（mm） 100

最大工件回转直径（mm ） Φ200

最大工件重量（kg ） 50

1 整体方案拟定

要达到高速高效的螺纹磨削，在磨削螺纹时用CBN成形砂轮磨螺纹的方式。这是在原有普通成形砂轮数控螺纹磨床上作了改进，采用工作台移动式布局，工作台在床身上作纵向往复运动，砂轮架在垫板上作横向进给运动；砂轮主轴为电主轴，安装CBN成形砂轮，带有成形砂轮轮廓修整装置；工作台采用V-平导轨结构；头架配置有专用卡盘，尾架设计为高低压液压尾架提高响应速度，能高速高效地完成工件螺纹部分的磨削。整体布局如图1所示。

图1 整体布局及机床外观图

砂轮主轴和修整器主轴的安装方式，如图2所示。修整器安装在磨削砂轮正后方，能实现砂轮磨工件的同时成形修整滚轮修磨砂轮的高效修整方式，不需要Z轴做任何移动来节约修整时间。

图2 砂轮电主轴和修整电主轴

2 结构参数设计

2.1 伺服电机选型

机床有4根伺服电机轴，分别为Z轴工作台左右移动的伺服电机 1、X轴砂轮架前后进给的伺服电机2、C轴头架联动旋转的伺服电机3和u轴修整滚轮进给的伺服电机 4。在伺服电机选型上可根据机床部件负载和切削力等计算数据选型，也可按同规格的常规数控外圆磨床的伺服电机同比选择，此台机床用的是 FANUC伺服电机，可用 FANUC选型软件选取伺服电机规格。以控制X轴的伺服电机2为例，如图3所示。

图3 伺服电机2的选型

2.1.1 头架伺服电机相关机构参数调整

头架部分，根据工件和磨削效率适当的加大输出扭矩，原用于普通磨外圆的电机选型参数并不适合，在满足高速高效磨削工况经验数据推算的头架电机选型外型会过于庞大，更合理的结构是在电机输出端再增加一减速机构，或者适当增加传动带轮的减速比。在机床制造完成后，进入试磨阶段时，做了实验对比，记录如表1所示。

在其余试验条件相同的情况下，仅变化有无头架减速机来取得试验结果。由试验结果得知有减速机的结构比没有的时候磨削效率大了好几倍。在非高速磨削的机床上头架输出扭矩并未非常明显的体现对磨削效率有很大的影响，但是在高速磨削的条件下头架的输出扭矩会对整体磨削节拍磨削效率有很大的影响。这个试验就验证了原先的设计预想：合理的增大头架输出扭矩，能使高速磨削上起到很重要的作用。

2.2 电主轴选型

在砂轮电机和修整电机的选型时，根据 CBN砂轮的线速度和修整比来考虑电机转速，其次根据磨削效率和修整的螺纹形状推算出砂轮电机功率和修整电机功率 。根据以往CBN磨削案例中，通常修整比如图4所示。

成形修整中，滚轮进给速度一般表示为μm/rev。一般而言，传统固结磨具的成形修整中，滚轮进给速度一般设为0.2 ～ 2 μm/rev，而CBN或者金刚石的修整一般设为0.03 ～ 0.2 μm/rev（数值大小取决于机床刚性），这次选取的是0.65 ～ 0.8 μm/rev。

另外结合成型修整的功率计算，选择在 1kW。计算修整电主轴功率时，应按螺纹展开面积来计算修整功率。

3 实际应用的磨削参数总结

3.1 运用CBN砂轮实现高速磨削螺纹的方式

CBN磨螺纹的方式，是在光圆柱面上直接磨出螺纹，工件螺纹部位磨削示意图，如图5所示。

图5 工件螺纹部位磨削示意图

CBN成形砂轮在螺纹磨削时候的参数调整：为了实现短行程、低速、高动态响应的工作台纵向运动与头架高精度回转运动形成联动，针对用户工件特点，采用多线CBN砂轮高速磨削工艺，C-Z两轴联动只需一个螺距轴向进给距离，完成整个螺纹加工。工作台纵向运动（Z轴）与头架回转（C轴）的两轴联动精度直接影响螺纹磨削加工的螺旋线精度，需精确控制单轴运动控制误差和两轴同步误差。在磨削参数调整中，进给速度头架转速是联动的，调整f进给速度即可。砂轮转速和修整滚轮转速通过变频器参数调整，这两个速度主要就是调整修整速比i。当磨削结果不理想时，在三个主要参数上调整。

3.2 如何把握此类磨削方式的调整方向

用 CBN砂轮核心目的是效率，在节拍和修整频率上考核的重点要素，按照要求和国外高效螺纹磨床数据参考的前提下把节拍控制在25s左右，修整频率按照消耗要求折合下来大约150件修一次，设定了这样的条件范围来调整参数，实际实验结果得出更难达到的是修整频次，修整频次当然也是综合因素。为了达到更好的修整频次我们还试验了改变磨削油牌号，调整冷却液压力，改变修整量和修整方式，其中修整方式的调整对磨削结果的影响比较大。如果机床参数已经调整到最优状态，那么再想进一步优化就需要 CBN砂轮厂商来优化砂轮配方，螺纹磨用的 CBN砂轮配方有别于普通磨外圆用的，这当中配比和砂轮厂家一起也做了研究，磨削结果显示过锋利的配方虽然在 CBN磨削的时候节拍很快但在磨削修整上会消耗过多的量，本来CBN的涂层就不会很厚，所以在磨削条件允许的前提下采取适当软一点的配方能大大的增加 CBN砂轮的利用率。

3.3 结合磨削应用参数机床结构的优化探讨

此项目的高速高效成型螺纹磨床在测试了各种性能和实验以后总结计算后还有可提升空间，比如预算充裕的情况下可升级以下配置：（1）增加修整主轴的在线动平衡功能，增加这项更有利于监测砂轮消耗。（2）修整电主轴选用同步电机，能改善变频器控制的修整主轴转速会有略微掉速现象，更好地提高修整参数优化。

4 高速高效的成型螺纹磨床发展方向

在高速高效的成型磨螺纹磨上，如果人工上下料会降低磨削效率，因此，配置了单台桁架机械手如图6所示，提高上下料的效率。

图6 螺纹磨单桁架机械手

头架的带动选用了液压浮动卡盘并且卡盘结构需保证磨削时候工件不能打滑，对于联动磨螺纹来说这点很重要。尾架采用液压顶紧后退，并配有高低压转换功能，满足快节奏整体节拍。

5 结语

本文主要探讨了在工业发展的趋势下设计制造出高速高效的自动化程度高的螺纹磨床越来越被市场需要，更好地利用工件磨削特点结合好的结构来提升机床性能尤为重要，此课题项目中高速高效通过 CBN砂轮磨削方式来实现，同时桁架的配置也大大提高了机床本身的加工能力，此类成套的设备在国内外市场竞争力都非常大，总结改进后此类高速高效的成型螺纹磨床应该会更有市场前景。