專利名稱：一種可實現(xiàn)600 m/s超高速磨削工藝的試驗裝備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控加工機械領域，具體涉及一種可對航空航天難加工材料進行600m/s超高速磨削工藝研究的試驗裝備。
背景技術：
超高速磨削是先進制造技術領域內(nèi)的一項關鍵技術，是通過提高砂輪線速度(即磨削速度)來達到提高金屬磨除率和質量的工藝方法，應用高效率、高精度、高自動化、高柔性的磨削設備，能最大限度地提高工件加工效率，加工精度和加工表面質量。隨著能源、汽車、航空航天等高端產(chǎn)業(yè)對零件的加工精度與效率越來越高的要求，國際上許多發(fā)達國家均把超高速磨削工藝與裝備的研究作為機械制造領域的重要課題列入研究范圍。目前，國外企業(yè)和高校對超高速磨削工藝和裝備研究非常廣泛深入，商品化高速 磨床磨削速度已達到200 m/s，某高校實驗室研制的超高速磨削設備磨削速度已達500 m/s，其主軸系統(tǒng)采用高頻電主軸，最高轉速為30000 r/min，功率為46 Kw，最大安裝砂輪直徑為350 _，但經(jīng)過理論計算得知，當主軸以最高轉速運轉時，砂輪與空氣摩擦損耗功率有15Kw，僅有30 Kw功率用于磨削加工，電主軸使用效率低，且砂輪與空氣摩擦損耗的功率絕大部分轉化為熱量，導致主軸溫升高，影響主軸使用壽命和精度。另一方面，國內(nèi)企業(yè)和高校對此研究不多，磨削速度低，加工精度不高，尤其是對航空航天難加工材料的超高速磨削機理研究不充分。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，從而可對航空航天難加工材料進行超高速磨削機理研究。技術方案
為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術方案
一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，包括床身、工作臺以及設置在床身與工作臺之間的三維驅動機構，該三維驅動機構包括縱向進給驅動機構、橫向進給驅動機構以及豎直方向進給驅動機構，在所述的床身上還設置有立柱，在立柱上設置有高頻電主軸，在高頻電主軸的輸出端連接砂輪，其特征在于所述的縱向驅動機構為直線電機驅動平臺，直線電機驅動平臺的最大進給速度為100 m/min,所述的高頻電主軸最大轉速為51000 r/min，功率為35 KW，砂輪最大直徑為240mm。所述的豎直方向進給驅動機構包括豎直方向伺服電機以及豎直方向滾珠絲杠，該滾珠絲杠上安裝豎直拖板，所述的直線電機驅動平臺設置在上水槽中，上水槽設置在支撐板上，支撐板通過上肋板和下肋板設置在該豎直拖板上；橫向進給驅動機構包括橫向伺服電機以及橫向滾珠絲杠，該滾珠絲杠上安裝橫向拖板，在橫向拖板上安裝所述的豎直方向驅動機構。所述的豎直方向進給驅動機構為雙軸同步驅動控制，包括兩個豎直方向伺服電機以及兩個豎直方向滾珠絲杠，兩個豎直方向滾珠絲杠分別連接兩個豎直方向拖板；所述的橫向進給驅動機構為雙軸同步驅動控制，包括兩個橫向伺服電機以及兩個橫向滾珠絲杠，兩個橫向滾珠絲杠分別連接兩個橫向拖板。在橫向進給方向、縱向進給方向以及豎直進給方向驅動機構中均安裝有高分辨率光柵尺，實現(xiàn)重復定位精度均為2 Mm。為了滿足最大磨削速度為K=^^: = 600 m/s,其中為主軸轉速，；為砂
60x1000η
輪直徑，可選大直徑砂輪低轉速主軸，亦或可以選小直徑砂輪高轉速主軸。但是，當主軸
n JT-0.2 J 4.e 28 在高速運轉時，砂輪與空氣摩擦損耗功率理論計算公式為4.=工-:■^今;■■■--:■■■n -,
其中A為空氣密度，K為空氣的動力粘度，二者均為常數(shù)，由該公式可知，保證磨削速度V3 = 600 m/s,當4 =400 mm, =30000 r/min 時，=35 Kw ;當名=300 mm, =40000 r/min
時，4衫=2〗Kw ;當<=200 mm, =60000 r/min時，i%=10 Kw,由此可知,選大直徑砂輪低
轉速主軸產(chǎn)生的空氣損耗功率比選小直徑砂輪高轉速主軸產(chǎn)生的空氣損耗功率要大的多，故應選擇小直徑砂輪高轉速主軸比較合適?？紤]用于磨削加工所需功率為25 Kw，并考慮到目前電主軸高轉速、高功率發(fā)展技術，最終采用方案主軸系統(tǒng)用高頻電主軸，臥式安裝，最高轉速為51000 r/min，功率為35 Kw，最大安裝砂輪直徑為240 mm，最大線速度為600 m/s,高頻電主軸通過其上法蘭固定在安裝底座上，安裝底座固定在一立柱上，這樣，砂輪主軸只作高速旋轉運動，不作任何進給運動。三個方向的進給運動，即橫向，縱向還有豎直方向的進給運動均由工作臺來實現(xiàn)?？v向進給運動采用直線電機驅動平臺，考慮到目前超高速磨削機理方面已獲得研究成果，在保證單顆磨粒最大未變形切削厚度不變，即保證磨削速比一定的情況下，最終選擇直線電機驅動平臺最大進給速度為100 m/min,有效行程200 mm,并安裝有柔性防護罩，防止磨削液還有高溫切屑進入直線電機平臺內(nèi)部。橫向和豎直方向進給運動均采用伺服電機和磨制級滾珠絲杠驅動，三個方向均配以高分辨率光柵尺；橫向和豎直方向進給運動均為雙軸同步控制，可以在極大程度上避免出現(xiàn)進給運動不一致而導致運動部件扭斜破壞同步精度，造成加工零件精度降低甚至出現(xiàn)損壞機床的嚴重后果。豎直方向的兩個伺服電機均帶有制動功能，以確保斷電時直線電機驅動平臺不會因為自重下滑。平臺背面一側均安裝肋板，并通過一橫板相連接，該橫板通過螺釘連接固定在橫向的兩個進給驅動拖板上，這樣可以減小運動部件的扭斜，提高雙軸同步驅動控制的同步性。整個設備結構上為龍門結構。有益效果
I、本發(fā)明裝備主軸系統(tǒng)用高頻電主軸，臥式安裝，最高轉速為51000 r/min，功率為35Kw,最大安裝砂輪直徑為240 mm,最大線速度為600 m/s,縱向進給為直線電機進給方式,進給速度大，與高轉速的電主軸為最佳匹配，可對航空航天難加工材料進行超高速磨削機理的研究。2、本發(fā)明裝備結構上為龍門結構，由于是砂輪架主軸固定不動，工作臺三個方向進給運動，且豎直方向和橫向均為雙軸同步驅動，故整個設備結構緊湊，剛性較高，進給系統(tǒng)為全閉環(huán)驅動，運動精度高，從而可實現(xiàn)高精度的超高速磨削工藝。


圖I是本發(fā)明超高速磨削裝備的具體實施結構示意圖。圖中各標號的名稱1、砂輪；2、高頻電主軸；3、砂輪防護罩；4、冷卻液噴嘴；5、安裝底座；6、立柱；7、工件；8、直線電機驅動平臺；9、柔性防護罩；10、上冷卻液槽；11、聯(lián)接水管；12、下冷卻液槽；13、冷卻液過濾凈化裝置；14、支撐板；15、下肋板；16、豎直方向拖板；17、上肋板；18、豎直方向伺服電機；19、豎直方向滾珠絲杠；20、側肋板；21、橫板；22、橫向拖板；23、橫向伺服電機；24、橫向滾珠絲杠；25、光柵尺；26、大理石床身。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實例對本發(fā)明進一步說明
如圖I所示，本發(fā)明超高速磨削裝備的具體實施結構示意圖中，砂輪I安裝在高頻電主軸2上，砂輪I最大直徑為240 mm，高頻電主軸2最高轉速為51000 r/min，從而可以使得該發(fā)明裝備最大磨削速度為600 m/s。砂輪I有砂輪防護罩3起保護作用，磨削加工時所需的冷卻液通過安裝在砂輪防護罩3兩側的冷卻液噴嘴4來供給。高頻電主軸2通過其上法蘭固定在安裝底座5上，安裝底座5固定在一立柱6上，立柱6固定在大理石床身26上，這樣，砂輪主軸系統(tǒng)只做高速旋轉運動，不做任何進給運動。位于砂輪I正下方的直線電機驅動平臺8上表面安放工件7，可實現(xiàn)工件7縱向進給運動，最大移動速度為100 m/min，有效行程200 _。直線電機驅動平臺8兩側有柔性防護罩9，防止磨削液和高溫切屑進入其內(nèi)部。直線電機驅動平臺8安裝在上冷卻液槽10內(nèi)部，上冷卻液槽10通過聯(lián)接水管11與下冷卻液槽12相連，下冷卻液槽12與外部冷卻液過濾凈化裝置13相連，從而可實現(xiàn)冷卻液循環(huán)使用。上冷卻液槽10安裝在一支撐板14上，支撐板14由下方左右兩側的下肋板15支撐，下肋板15固定在豎直方向拖板16上,且豎直方向拖板16與支撐板14之間有上肋板17連接起加強作用。豎直方向拖板16在兩側豎直方向伺服電機18與豎直方向滾珠絲杠19的同時雙驅動下實現(xiàn)豎直方向運動，且兩側豎直方向伺服電機18均帶有制動功能，以確保斷電時直線電機驅動平臺8不會因為自重下滑。豎直方向進給系統(tǒng)整體兩側通過側肋板20起加強作用，并全部固定在一橫板21上，橫板21固定在左右兩側的橫向拖板22上，橫向 拖板22在兩側橫向伺服電機23與橫向滾珠絲杠24的同時雙驅動下實現(xiàn)橫向進給運動，從而可以在極大程度上避免出現(xiàn)進給運動不一致而導致運動部件扭斜破壞同步精度，造成加工零件精度降低甚至出現(xiàn)損壞機床的嚴重后果?？v向運動、橫向運動和豎直方向運動均安裝有高分辨率的光柵尺25，實現(xiàn)全閉環(huán)進給驅動，提高運動精度。整個試驗裝備采用大理石床身26，以提高整個試驗裝備的剛性，減少超高速磨削時產(chǎn)生的振動。本發(fā)明超高速磨削試驗裝備結構上為龍門結構，由于是砂輪架主軸固定不動，工作臺三個方向進給運動，且豎直方向和橫向均為雙軸同步驅動控制，故整個設備結構緊湊，剛性較高，進給系統(tǒng)為全閉環(huán)驅動，運動精度高，從而提高了所加工零件的精度和表面質量。
權利要求
1.一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，包括床身、工作臺以及設置在床身與工作臺之間的三維驅動機構，該三維驅動機構包括縱向進給驅動機構、橫向進給驅動機構以及豎直方向進給驅動機構，在所述的床身上還設置有立柱，在立柱上設置有高頻電主軸，在高頻電主軸的輸出端連接砂輪，其特征在于所述的縱向驅動機構為直線電機驅動平臺，直線電機驅動平臺的最大進給速度為100 m/min,所述的高頻電主軸最大轉速為51000r/min,功率為35 KW,砂輪最大直徑為240mm。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，其特征在于所述的豎直方向進給驅動機構包括豎直方向伺服電機以及豎直方向滾珠絲杠，該滾珠絲杠上安裝豎直拖板，所述的直線電機驅動平臺設置在上水槽中，上水槽設置在支撐板上，支撐板通過上肋板和下肋板設置在該豎直拖板上；橫向進給驅動機構包括橫向伺服電機以及橫向滾珠絲杠，該滾珠絲杠上安裝橫向拖板，在橫向拖板上安裝所述的豎直方向驅動機構。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，其特征在于所述的豎直方向進給驅動機構為雙軸同步驅動控制，包括兩個豎直方向伺服電機以及兩個豎直方向滾珠絲杠，兩個豎直方向滾珠絲杠分別連接兩個豎直方向拖板；所述的橫向進給驅動機構為雙軸同步驅動控制，包括兩個橫向伺服電機以及兩個橫向滾珠絲杠，兩個橫向滾珠絲杠分別連接兩個橫向拖板。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，其特征在于在橫向進給方向、縱向進給方向以及豎直進給方向驅動機構中均安裝有高分辨率光柵尺，實現(xiàn)重復定位精度均為2 Mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可實現(xiàn)600m/s超高速磨削工藝的試驗裝備，包括床身、工作臺以及設置在床身與工作臺之間的三維驅動機構，該三維驅動機構包括縱向進給驅動機構、橫向進給驅動機構以及豎直方向進給驅動機構，在所述的床身上還設置有立柱，在立柱上設置有高頻電主軸，在高頻電主軸的輸出端連接砂輪，其特征在于所述的縱向驅動機構為直線電機驅動平臺，直線電機驅動平臺的最大進給速度為100m/min，所述的高頻電主軸最大轉速為51000r/min，功率為35KW，砂輪最大直徑為240mm。本發(fā)明裝備結構緊湊，剛性較高，進給系統(tǒng)為全閉環(huán)驅動，運動精度高，從而為實現(xiàn)高精度的超高速磨削工藝提供強有力的機械裝備。
文檔編號B24B1/00GK102825508SQ20121026124
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月26日 優(yōu)先權日2012年7月26日
發(fā)明者傅玉燦, 徐九華, 楊路, 蘇宏華, 田霖 申請人:南京航空航天大學