提高軸類零件磨削精度的新工藝

高精度靜壓尾架技術特點及其應用

前言：細長的軸類零件在進行磨削或車削加工時，需要采用尾架頂尖支撐。通常情況下，磨床頂尖不隨工件轉動（死頂尖），因此，加工后工件的圓度和頂尖的精度和頂尖孔品質直接相關。

如果工件重量較大，或工件內孔較大，尾架頂尖有因為滑動摩擦而導致?lián)p壞的危險。為避免該風險，需要采用活動頂尖，即頂尖隨工件一起轉動。市售活動頂尖的回轉精度通常在2到5微米，上述精度不能滿足精密軸類零件的加工要求。由于活動頂尖通常采用滾動軸承支撐，因此其剛性較差。

傳統(tǒng)尾架在實際生產中存在的問題

對于細長軸類零件的精磨加工或精車加工，工件裝卡在頭架和尾架頂尖之間，尾架頂尖產生軸向推力。當工件重量較輕，轉速較低時，可以采用死頂尖，頂尖采用硬質金屬材質。加工后工件的圓度接近于尾架頂尖的圓度，并且受到工件上頂尖孔品質的影響。為獲得需要的精度，頂尖和頂尖孔需要經過磨削加工并進行充分潤滑。

如果工件的內孔直徑較大，并且需要較高的回轉速度，使用死頂尖會導致劇烈摩擦。針對該工況，通常采用活動頂尖，以避免摩擦的產生。常見活動頂尖的徑向跳動在2-5微米之間，不能滿足高精度工件磨削加工對于圓度的要求（通常要求圓度在1微米以內）。

尾架頂尖的軸向移動通常采用軸套式，因此在軸套和芯軸之間必須配做一定的間隙。當芯軸和軸套之間相對靜止時，會產生較大的啟動摩擦力，該摩擦力的存在會導致工件軸向夾緊力發(fā)生變化。由于工件在磨削加工時會因為磨削過程導致溫度升高，又會受到磨削液的冷卻而溫度降低，其溫升變化會導致工件長度的細微變化，如果尾架頂尖不能及時調整軸向位置，會導致工件受到的軸向推力發(fā)生變化，因此工件最終精度會受到影響。一些非對稱零件，比如發(fā)動機曲軸，對于軸向推力的變化較為敏感，因此，保持恒定的軸向夾緊力有助于提高工件的最終精度。

由于上述間隙的存在，頂尖回轉中心線在X方向的位置會隨著尾架頂尖軸向位置的不同而發(fā)生改變。因此，在相同的砂輪位置，會導致工件出現(xiàn)不同的磨削直徑，上述誤差必須通過補償頂尖在X軸方向的位置來減小。

在磨削較長軸類零件時，必須通過X軸的精確定位來進行補償。有的尾架采用密珠軸承來消除間隙，但是同時會導致磨削質量的降低，因為消除間隙的同時也喪失了緩沖減振特性。

解決方案：靜壓尾架

德國海浮樂公司新近開發(fā)的靜壓尾架，設置2副靜壓軸承，以實現(xiàn)尾架芯軸即可以無摩擦自由轉動，又可以實現(xiàn)軸向無摩擦移動。芯軸的前端安裝有法蘭式頂尖。

靜壓軸承通過靜壓油腔將芯軸約束在軸套內部，徑向無間隙，可以實現(xiàn)無摩擦的軸向移動。靜壓油腔的油流量通過獲得專利的PM流量控制器調節(jié)，因此油膜的剛性極佳，同時具有優(yōu)秀的減振特性。

芯軸的徑向跳動，具體說是，即頂尖軸線的位置偏移量，在允許的轉速范圍內，小于0.2微米。由于回轉運動十分精確，磨削工件的圓度可以和靜壓尾架回轉精度相同，而不受到工件上頂尖孔品質的影響。

德國海浮樂公司的內部生產機床，一臺Kellenberger Kel-Varia，配備了海浮樂靜壓頭架和靜壓尾架，細長軸類零件可以獲得0.2微米的圓度。

由于沒有軸向移動的摩擦力，靜壓尾架可以實現(xiàn)軸向夾緊力的精確調節(jié)：從0N到最大夾緊力之間任意可調。當工件長度改變時，比如受到磨削和冷卻等熱輸入的影響，靜壓尾架的芯軸可以按照0.1微米的步長進行微小進給，以保持夾緊力不變。因此，典型的長軸類零件，如凸輪軸，曲軸，平衡軸可以獲得更高的磨削精度：在整個磨削過程中，由于夾緊力精確保持恒定，零件不會發(fā)生變形。

到目前為止，莫爾斯頂尖MK不能用于靜壓尾架，主要因為是莫爾斯錐孔不適合靜壓尾架芯軸以及靜壓軸承的尺寸和形狀。靜壓尾架采用法蘭式頂尖，可以提供不同直徑，不同形狀的頂尖進行更換。頂尖采用硬質金屬材質或硬質金屬涂層。法蘭式頂尖安裝時，在徑向設置有調節(jié)螺絲，可以進行精細調節(jié)。由于頂尖和工件之間沒有相對運動，因此大內孔的零件無需經過粘結內部襯套即可進行裝卡。

靜壓尾架芯軸由工件帶動運轉，可以僅通過摩擦力或設置驅動銷獲得驅動力。靜壓尾架設置轉速速度傳感器以測量靜壓尾架芯軸的轉速，機床數(shù)控系統(tǒng)可以比較頭架和尾架芯軸的轉速，以避免在工件加速或減速過程中，出現(xiàn)工件和尾架芯軸之間的相對運動。

如果尾架需要配備驅動裝置以實現(xiàn)和頭架同步加速或減速，可以采用靜壓直驅尾架，同時在尾架下方設置短行程的直線軸。該方案同時也適用于要求尾架行程較大或工件較重的工況。比如，用于大型車床的靜壓尾架可承受100噸的徑向載荷。

海浮樂靜壓尾架的產品系列：

芯軸直徑ø 35mm：最大軸向力和徑向力均為400N，適用于最大工件重量70kg；

芯軸直徑ø 70mm：最大軸向力和徑向力均為2500N，適用于最大工件重量400kg；

芯軸直徑ø 100mm：最大軸向力和徑向力均為6000N，適用于最大工件重量1000kg；

軸向行程：40-60毫米

用于磨床的靜壓尾架通常最高轉速在500-2000rpm，采用VG32液壓油；

用于精密硬車的靜壓尾架通常最高轉速在3000-6000rpm，采用VG2-VG4液壓油；

當徑向載荷和轉速較高時，比如標準的車床，可采用滾動軸承用于工件頭架，同時采用靜壓尾架以獲得優(yōu)秀的減震特性和精確的軸向夾緊力。

軸向推力調節(jié)

靜壓尾架的軸向推力可以通過調節(jié)內置伺服油缸的油壓來調節(jié)，或者通過伺服電機+滾珠絲杠進行調節(jié)。在頂尖和工件接觸以后，伺服油缸工作在恒推力模式，伺服電機工作在恒力矩模式，以維持恒定的夾緊力。頂尖離開工件以后，伺服油缸和伺服電機均工作在位置模式。

軸向位置測量

靜壓尾架設置絕對式位置傳感器以實現(xiàn)芯軸的軸向位置測量。因此，芯軸的行程可以進行設定，在接觸到工件前可以降低芯軸的移動速度。在汽車行業(yè)的批量自動化生產中，芯軸的軸向位置信息可以用于判斷頂尖是否進入頂尖孔或機床上是否裝卡有工件。

工件的熱變形可以進行測量，因此工件軸向長度誤差可以減小。如果軸向夾緊力太小，磨削力過大時工件有脫落的危險，該信息可以通過位置檢測獲得，控制系統(tǒng)可以做出反應：發(fā)出報警信號或自動增加夾緊力。

鎖緊裝置

靜壓尾架的后部安裝有彈簧預緊的鎖緊裝置，在機床停車時，保持工件的夾緊狀態(tài)。

靜壓尾架即適用于新開發(fā)的磨床和硬車，又適用于舊機床改造。尾架幾何尺寸，軸向力，承載力和最高轉速可以通過調整供油壓力，液壓油粘度和液壓油流量進行匹配。

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