专利名称：新型球面磨削机床及其磨削方法
技术领域：
本发明涉及一种磨削机床和磨削方法，具体的为一种用于球面磨削的机床及采用该机床进行球面磨削的方法。
背景技术：
随着社会的发展，石油、化工、钢铁、煤粉和天然气输送、核电站等行业对高精度、 硬球面、硬密封球阀的需求越来越大，对球阀行业和球阀维修行业提出了越来越高的要求， 这类球阀其球面为硬质合金喷焊或者超声波合金焊接，其硬度达到HRC63左右，密封座面也为硬接触，不再是橡胶接触密封，其密封压力要求40MPa，软密封是远远达不到的。这类球阀的球面必须磨削加工，其圆度要求非常高，加之表面硬度极高，采用传统的车削加研磨的加工方式，已经不能达到阀门的要求，现有的球面磨削主要有范成法磨削球面和展成法磨削球面两种加工方式。1、砂盘磨削方式——范成法磨削球面
待加工的工件安装在芯轴上，机床头尾架顶持住芯轴两端；机床头尾架安装在工作台上，磨头体(或称砂轮架)安装在工件的后侧或者后上侧，磨头体沿主轴伸出端的前侧安装有用于磨削的刀具，即磨头；磨头为碗状砂盘，多只砂条均布镶嵌在砂盘上；碗状砂盘扣盖在待磨削加工工件的球面上，每块砂条均勻接触待磨削的球面；砂盘的轴心线和工件的轴心线都在同一个平面内，工件的球心在砂盘轴心线的延长线上。磨削时，砂盘绕磨头主轴轴心线高速转动，工作台固定不动，球体绕芯轴的轴心线单方向低速转动，随着磨头体的工进，最后范成磨削出整个球面。范成法的球面磨削方式虽然具有参与磨削的砂条多、生产率高、安装方便的有点， 安装时机床时只要有效的保证磨头主轴轴心线与头尾架的连线共面，并水平移动工作台使球心与砂轮轴心线重合，磨削时采用范成原理自然保证了磨削出来的球面具有较高精度的圆度；但是，采用该球面磨削方法的砂盘口径必须大于或者等于待磨削的球面外侧直径，否则球面不能完全磨出，因此，当球的规格稍有变化，砂盘就需要变化，所以一台机床需要配备非常多的砂盘，砂盘制造费用较贵，这种方式只适合大批量生产球形零件的场合，小批量生产场合会很不经济。2、砂轮磨削方式——展成法磨削球面
该球面磨削方法与球面车床车削球面的原理相同，但是其磨具为平型砂轮，安装在砂轮架一侧，砂轮的外圆面与工件待磨削的球面接触；待加工工件安装在芯轴上，机床头尾架顶持住芯轴两端，头尾架安装在工作台上，头尾架的连线与芯轴同轴且与平型砂轮的轴心线平行共面。磨削时，砂轮绕其轴线高速旋转，工件绕芯轴轴线单方向低速转动，同时绕另一垂直的球心线来回往复地低速转动，当砂轮转动到球面的一侧时，受控制机构控制，工件回转到另一侧，周而复始的来回水平转动并伴随着磨头即砂轮的工进，展成磨削出球面。展成法的球面磨削方式虽然能够磨削不同规格的球体且不用更换砂轮，一个规格的砂轮可以磨削任何规格尺寸的工件，磨具的投资较少，但是，参与磨削的砂轮与工件为线接触，且只有一条线，所以磨削效率较低，不适合于球体的规模化生产，仅仅适合于球体的修配行业。因此，需要对现有的球面磨削方法进行改进，使其不仅能够满足大批量生产的需求，而且磨具的通用性好，一种规格的磨具可以磨削多种规格尺寸的工件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种新型球面磨削机床及采用该球面磨削机床进行球面加工的方法，该球面磨削机床及其方法不仅能够满足大批量生产的需求，而且磨具的通用性好，一种规格的磨具可以磨削多种规格尺寸的工件。为了实现上述目的，本发明首先提出了一种新型球面磨削机床，包括机床床身、安装在机床床身上的工作台和可沿机床X轴方向滑动的滑鞍和滑鞍驱动机构，所述滑鞍上设有砂轮架，所述砂轮架面向工作台的前方设有砂盘，砂轮架的后方设有用于带动砂盘旋转的电机，所述砂盘上均布地镶嵌有多只砂条；所述工作台的两端相对地设有头架和尾架，以及安装在头架和尾架上并用于固定工件的芯轴，所述头架上设有用于带动芯轴旋转的变频电机和减速装置，所述工作台下设有用于工作台沿机床Y轴移动的纵向驱动机构和用于工作台绕机床Z轴往复转动的转台机构。进一步，所述滑鞍驱动机构包括位于滑鞍与机床床身之间的滑鞍导轨、安装在机床床身后侧的伺服电机I以及低背隙伺服专用减速机I，所述低背隙伺服专用减速机I与滑鞍下的滚珠丝杆直连，所述滑鞍导轨采用滚柱直线导轨；所述减速装置为采用蜗轮蜗杆机构或摆线针轮减速机的机械式减速装置；
进一步，所述转台机构包括位于工作台下的转台导轨、蜗轮蜗杆机构、伺服电机III和安装在伺服电机III前侧的伺服电机减速机，所述伺服电机减速机与蜗轮蜗杆机构相连， 所述转台导轨为贴塑导轨；
进一步，所述转台机构包括位于工作台下的转台导轨、齿轮齿条传动机构和与该齿轮齿条传动机构相连的液压驱动缸，所述转台导轨为液压动静压导轨；
进一步，所述纵向驱动机构包括位于工作台与转台导轨之间的工作台导轨、设置在工作台下的滚珠丝杆、安装在滚珠丝杆一端的伺服电机II或高精度步进电机、以及安装在伺服电机II或高精度步进电机上的低背隙伺服专用减速机II，所述低背隙伺服专用减速机 II与滚珠丝杆相连接，所述工作台导轨为贴塑导轨；
进一步，所述砂盘呈碗状结构或锥面形结构，所述砂条沿着砂盘径向方向均布地镶嵌在砂盘上。本发明还提出了一种采用上述新型球面磨削机床的新型球面磨削方法，包括如下步骤
1)工件安装工件安装在所述芯轴上，所述工件具有球形的待加工面，所述机床头架和尾架顶住芯轴两端，所述纵向驱动机构带动机床工作台以及头架和尾架沿机床Y轴方向左右移动，使工件的球心位于砂盘轴线上；启动机床伺服电机I带动滑鞍沿着机床X轴方向移动，并使砂盘扣盖在在工件的待加工面上；
2)球面磨削启动电机使砂盘绕着机床X轴高速旋转，启动变频电机并在减速装置的作用下带动芯轴以及工件绕着机床Y轴低速旋转，在所述转台机构的作用下，所述工作台、 头架、尾架以及工件均绕着机床Z轴往复转动，且滑鞍受伺服电机驱动I向前进给。进一步，所述工件的球面直径大于或等于砂盘的有效磨削直径；
进一步，所述工件绕机床Z轴往复运动的旋转角度等于球面磨削角度β减去砂盘相对于工件球心所占的机械角度α ；
进一步，所述伺服电机I以工件绕Z轴往复运动的周期的整数倍为单位与所述转台机构联动并带动滑鞍向前进给。本发明具有如下有益效果
1、通过设置砂盘磨削球面以及设置用于工作台绕机床Z轴旋转的转台机构，本发明的球面磨削方法继承了范成法和展成法磨削球面的优点，且相较于展成法参与磨削的砂条多、生产率高；安装机床时应保证砂盘轴线与芯轴轴线共面；在安装球体工件时，在纵向驱动机构的作用下，左右移动工作台使工件球心与位于砂盘轴线上，磨削时根据范成原理就自然保证了磨削出来的球是圆的；
2、采用本发明的球面磨削机床和方法，砂盘的通用性更好，磨削不同规格的球体，只要该球体的直径大于或等于砂盘直径，不用更换砂轮，一种规格的砂盘可以磨削多种规格尺寸的工件。
图1为本发明新型球面磨削机床实施例的结构示意图； 图2为工件加工坐标轴示意图3为工件绕机床Z轴往复运动的角度范围示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明。如图1所示为本发明的新型球面磨削机床实施例的结构示意图，本实施例的新型球面磨削机床包括机床床身1、安装在机床床身1上的工作台11和可沿机床X轴方向滑动的滑鞍3，滑鞍3上设有砂轮架5，砂轮架5面向工作台的前方设有砂盘6，砂轮架5的后方设有用于带动砂盘6旋转的电机4，砂盘6上均布地镶嵌有多只砂条7。工作台11的两端相对地设有头架8和尾架，以及安装在头架8和尾架上并用于固定工件10的芯轴9，头架8 上设有用于带动芯轴9旋转的变频电机和减速装置，工作台11下设有用于工作台11沿机床Y轴移动的纵向驱动机构和用于工作台11绕机床Z轴往复转动的转台机构12。进一步，减速装置为机械式减速装置，机械式减速装置可以是蜗轮蜗杆减速装置或者摆线针轮减速装置等，机械式减速装置将变频电机的转速降低到20转左右然后再通过变频器调整变频电机转速，实现工件转速在10转到几十转范围内无级调速。进一步，滑鞍驱动机构包括位于滑鞍3与机床床身1之间的滑鞍导轨、安装在机床床身后侧的伺服电机I 2以及低背隙伺服专用减速机I，低背隙伺服专用减速机I通过无键联轴器与滑鞍3下的滚珠丝杆直连，滑鞍导轨采用滚柱直线导轨。通过设置滑鞍驱动机构和数控可精确控制滑鞍3向机床X轴方向的进给量。进一步，转台机构12可采用如下两种结构包括位于工作台11下的转台导轨、与转台导轨相连的蜗轮蜗杆机构、伺服电机III和安装在伺服电机III前侧的伺服电机减速机，所述伺服电机减速机与蜗轮蜗杆机构通过无键联轴器直连，转台导轨采用贴塑导轨具有降低摩擦系数，提高吸振能力的效果；转台机构12还可以为包括位于工作台11下的转台导轨、与转台导轨相连的齿轮齿条传动机构和与该齿轮齿条传动机构相连的液压驱动缸， 此结构下的所述转台导轨为液压动静压导轨。本实施例采用第一种结构的转台机构，通过设置转台机构，可实现在工件11加工过程中工件绕Z轴往复运动的功能。进一步，纵向驱动机构包括位于工作台11与转台导轨之间的工作台导轨、安装在工作台下的滚珠丝杆、安装在滚珠丝杆一侧的伺服电机II或高精度步进电机、以及安装在伺服电机II或高精度步进电机上的低背隙伺服专用减速机II，所述低背隙伺服专用减速机II通过无键联轴器与工作台下的滚珠丝杆相连接，工作台导轨为贴塑导轨，工作台11导轨面采用贴塑导轨具有降低摩擦系数，提高吸振能力的效果。工作台的纵向驱动移动机构需要准确实现球形工件10的对中，球形工件在芯轴9上的安装位置每一次都是不确定的， 安装好球形工件10后需要沿着Y向移动工作台11找正，故对驱动装置的精度要求是很高， 通过设置伺服电机II或高精度步进电机加上低背隙伺服专用减速机II直联滚珠丝杠，驱动工作台11，低背隙伺服专用减速机II的作用是增力，并且能够实现微动，保证找正球心位置，只有将球心位置找正，使球形工件10的球心位于砂盘轴线上，磨削出来的球形工件精度才会高。优选的，砂盘6呈碗状结构或锥面形结构，砂条7沿着砂盘6径向方向均布地镶嵌在砂盘6上，采用该结构的砂盘能更好地与工件的待加工球面均勻接触，磨削效果更好。下面结合上述新型球面磨削机床的实施例介绍本发明的新型球面磨削方法，本实施例的新型球面磨削方法包括如下步骤
1)工件安装工件10安装在芯轴9上，被安装在头架8和尾架上的芯轴9夹持住工件 10，工件10具有球形的待加工面，机床头架8和尾架顶住芯轴9两端，位于工作台11下的纵向驱动机构带动机床工作台11以及头架8和尾架沿机床Y轴方向左右移动，调整工件10 使其球心位于砂盘6的轴线上；启动机床伺服电机I 2带动滑鞍3沿着机床X轴方向移动， 并使砂盘6扣盖在在工件10的待加工球面上；
2)球面磨削启动电机4使砂盘6绕着机床X轴即砂盘轴线高速旋转，启动变频电机并在减速装置的作用下带动芯轴9以及工件10绕着机床Y轴即芯轴9轴线低速旋转，在转台机构12的作用下，所述工作台11、头架8、尾架以及工件10均绕着机床Z轴往复转动，且滑鞍受伺服电机I驱动向前进给。通过设置砂盘6磨削球面以及设置用于工作台11绕机床Z轴旋转的转台机构12， 本发明的球面磨削方法继承了范成法和展成法磨削球面的优点，且相对于展成法参与磨削的砂条11更多、生产率高；安装机床时应保证砂盘6轴线与芯轴9轴线共面；在安装球体工件10时，在纵向驱动机构的作用下，左右移动工作台9使工件8球心与位于砂盘6轴线上，磨削时根据范成原理就自然保证了磨削出来的球是圆的；相较于范成法，采用本发明的球面磨削装置和方法，砂盘6的通用性更好，磨削不同规格的球体，只要该球体的直径大于或等于砂盘6直径，不用更换砂轮，一种规格的砂盘可以磨削多种规格尺寸的工件，节约了运行成本。进一步，工件10的球面直径大于等于砂盘6的有效磨削直径，即工件10球面的直径大于等于砂盘盘口处的最大直径；工件10绕机床Z轴即转台12的轴心线往复运动的旋转角度等于球面磨削角度减去砂盘相对于工件球心所占的机械角度α。转台12总的转动角度即磨削角度=β - α，如图3所示，可有效防止砂盘6与芯轴9干涉。当工件10的球面直径等于砂盘6的有效磨削直径时，工作台11、头架8、尾架和工件10均不再绕着机床Z轴旋转，直接加工利用范成法原理就能加工出所需要的球形。进一步，伺服电机I 2以工件绕Z轴往复运动的周期的整数倍为单位与所述转台机构联动并带动滑鞍向前进给，通过联动可可提高球面磨削精度。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。.
权利要求
1.一种新型球面磨削机床，包括机床床身、安装在机床床身上的工作台和可沿机床X 轴方向滑动的滑鞍和滑鞍驱动机构，其特征在于所述滑鞍上设有砂轮架，所述砂轮架面向工作台的前方设有砂盘，砂轮架的后方设有用于带动砂盘旋转的电机，所述砂盘上均布地镶嵌有多只砂条；所述工作台的两端相对地设有头架和尾架，以及安装在头架和尾架上并用于固定工件的芯轴，所述头架上设有用于带动芯轴旋转的变频电机和减速装置，所述工作台下设有用于工作台沿机床Y轴移动的纵向驱动机构和用于工作台绕机床Z轴往复转动的转台机构。
2.根据权利要求1所述的新型球面磨削机床，其特征在于所述滑鞍驱动机构包括位于滑鞍与机床床身之间的滑鞍导轨、安装在机床床身后侧的伺服电机I以及低背隙伺服专用减速机I，所述低背隙伺服专用减速机I与滑鞍下的滚珠丝杆直连，所述滑鞍导轨采用滚柱直线导轨；所述减速装置为采用蜗轮蜗杆机构或摆线针轮减速机的机械式减速装置。
3.根据权利要求1所述的新型球面磨削机床，其特征在于所述转台机构包括位于工作台下的转台导轨、蜗轮蜗杆机构、伺服电机III和安装在伺服电机III前侧的伺服电机减速机，所述伺服电机减速机与蜗轮蜗杆机构相连，所述转台导轨为贴塑导轨。
4.根据权利要求1所述的新型球面磨削机床，其特征在于所述转台机构包括位于工作台下的转台导轨、齿轮齿条传动机构和与该齿轮齿条传动机构相连的液压驱动缸，所述转台导轨为液压动静压导轨。
5.根据权利要求3或4所述的新型球面磨削机床，其特征在于所述纵向驱动机构包括工作台导轨和设置在工作台下的滚珠丝杆、安装在滚珠丝杆一端的伺服电机II或高精度步进电机、以及安装在伺服电机II或高精度步进电机上的低背隙伺服专用减速机II，所述低背隙伺服专用减速机II与滚珠丝杆相连接，所述工作台导轨为贴塑导轨。
6.根据权利要求5所述的新型球面磨削机床，其特征在于所述砂盘呈碗状结构或锥面形结构，所述砂条沿着砂盘径向方向均布地镶嵌在砂盘上。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述新型球面磨削机床的新型球面磨削方法，其特征在于包括如下步骤1)工件安装工件安装在所述芯轴上，所述工件具有球形的待加工面，所述机床头架和尾架顶住芯轴两端，所述纵向驱动机构带动机床工作台以及头架和尾架沿机床Y轴方向左右移动，使工件的球心位于砂盘轴线上；启动机床伺服电机I带动滑鞍沿着机床X轴方向移动，并使砂盘扣盖在在工件的待加工面上；2)球面磨削启动电机使砂盘绕着机床X轴高速旋转，启动变频电机并在减速装置的作用下带动芯轴以及工件绕着机床Y轴低速旋转，在所述转台机构的作用下，所述工作台、 头架、尾架以及工件均绕着机床Z轴往复转动，且滑鞍受伺服电机I驱动向前进给。
8.根据权利要求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径大于或等于砂盘的有效磨削直径。
9.根据权利要求7所述的新型球面磨削方法，其特征在于所述工件绕机床Z轴往复运动的旋转角度等于球面磨削角度β减去砂盘相对于工件球心所占的机械角度α。
10.根据权利要求7-9任一项所述的新型球面磨削方法，其特征在于所述伺服电机I 以工件绕Z轴往复运动的周期的整数倍为单位与所述转台机构联动并带动滑鞍向前进给。
全文摘要
本发明公开了一种新型球面磨削机床及其磨削方法，所述新型球面磨削方法包括如下步骤1)工件安装工件安装在所述芯轴上，所述工件具有球形的待加工面，所述机床头架和尾架顶住芯轴两端，所述纵向驱动机构带动机床工作台以及头架和尾架沿机床Y轴方向左右移动，使工件的球心位于砂盘轴线上；启动机床伺服电机I带动滑鞍沿着机床X轴方向移动，并使砂盘扣盖在在工件的待加工面上；2)球面磨削启动电机使砂盘绕着机床X轴高速旋转，启动变频电机并在减速装置的作用下带动芯轴以及工件绕着机床Y轴低速旋转，在所述转台机构的作用下，所述工作台、头架、尾架以及工件均绕着机床Z轴往复转动，且滑鞍受伺服电机I驱动向前进给。
文档编号B24B47/12GK102275114SQ20111025054
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者张成兴 申请人:机械工业第三设计研究院