《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》是上海交通大學於2010年11月18日申請的專利，該專利的申請號為2010105484084，申請公布號為CN101972963A，公布日為2011年2月16日，發明人是胡德金。該發明涉及一種機械加工技術領域中的方法及其實現裝置。
《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》包括：床身部件、球體支撐主軸機構、球體支撐尾座機構和砂輪磨具機構，球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構分別活動設定於床身部件的兩側，砂輪磨具機構安裝在床身部件的中部。該發明採用砂輪磨具繞垂直中心線做水平旋轉的方式，使球體旋轉中心與砂輪磨具的旋轉中心始終保持在同一平面內垂直相交狀態，從而保證了被加工球體的形狀精度（球度）；改善了被磨具加工的球體表面粗糙度；向上的磨削力抵消了部分球體工件的重力，使球體支撐主軸系統軸承的負載減輕，延長了球體支撐主軸系統軸承的壽命。
2013年10月，《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備
- 類別：發明專利
- 公布號：CN101972963A
- 公布日：2011年2月16日
- 申請號：2010105484084
- 申請日：2010年11月18日
- 申請人：上海交通大學
- 地址：上海市閔行區東川路800號
- 發明人：胡德金
- 分類號：B24B11/06（2006.01）I
- 專利代理機構：上海交達專利事務所
- 代理人：王錫麟、王桂忠
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
大型高精度球體是大型油氣輸送、大型水利、石油化工、煤化工等重大工程中大型流體、氣體控制裝置（大型球閥）中的關鍵部件。大型球體直徑一般在1000毫米-2400毫米，重量2000千克-15000千克。由於密封性要求，這種球體表面粗糙度和球面的幾何精度要求都很高，所以，球體表面必須經過精密磨削加工和精密研磨後才能使用。
對於這種大型、重型球體的精密磨削加工，截至2010年11月採用的方法是：大型球體由主軸系統和尾座系統的頂尖支撐，電機通過減速後驅動球體繞主軸系統中心線做旋轉運動，球體轉速一般在20-100轉每分鐘；砂輪磨具系統一般布置在被加工球體的後面，砂輪磨具轉速範圍在數百轉到數千轉，砂輪磨具的旋轉中心線和被加工球體的旋轉中心線處在同一平面內並相互垂直相交，這樣，才能保證球體磨削後的球面幾何精度（球度）；砂輪磨具系統通過伺服電機或步進電機驅動由後向前做進給運動。通過杯形砂輪磨具的高速旋轉運動和球體的旋轉運動所合成的范成運動實現了球面的精密磨削加工。
Sφ2000毫米球體的重量大約15噸，磨削用的砂輪磨具至少1噸多重，砂輪磨具懸臂支撐，在數百轉轉速狀態下，砂輪磨具的動態性能受到很大的影響，這直接影響球面磨削的精度和表面粗糙度。另一方面，不同大小的球體和不同大小的砂輪磨具，對球體支撐主軸系統的軸承和砂輪磨具系統的軸承的受力變形不一樣，使球體的旋轉中心線和砂輪磨具的旋轉中心線很難保持在同一平面內相交。再則，在砂輪磨具系統進給運動過程中，難免會存在移動導軌或滑塊的磨損，也會造成砂輪磨具系統的旋轉中心線與球體旋轉中心線的偏移，從而造成被加工球體的球度偏差。
經對2010年11月以前技術的文獻檢索發現，中國專利申請號為：200610050360.8，名稱為：自動檢測數控球面磨床，主要是在工具機上設有自動檢測裝置，實現了工件線上自動檢測。然而，這類專用的數控球面磨床的砂輪磨具與被磨工件的直徑是一一對應的，即一種直徑的砂輪磨具對應一種直徑規格的工件，缺乏柔性，這對於多品種、小批量的加工來說是不經濟的。
發明內容
專利目的
《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》針對上述技術存在的不足，提供一種大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備，解決了2010年11月以前技術中砂輪磨具懸臂支撐問題、砂輪磨具系統軸承單邊受力變形問題以及砂輪磨具系統進給導軌滑塊磨損的影響。
技術方案
《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》涉及一種大型特種曲面精密磨削方法，通過將砂輪磨具置於被磨球體的下面、砂輪磨具繞垂直中心線做水平旋轉運動、垂直仰式向上進給磨削的方式實現曲面磨削。
該發明涉及一種大型特種曲面精密磨削裝備，包括：床身部件、球體支撐主軸機構、球體支撐尾座機構和砂輪磨具機構，其中：球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構分別活動設定於床身部件的兩側頂面的滑動導軌上，砂輪磨具機構安裝在床身部件的中部，被磨球體活動設定於砂輪磨具機構上並與球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構相接觸。
所述的床身部件包括：床身、砂輪磨具系統安裝固定座、兩幅滑動直線導軌及其對應的兩組絲桿螺母副以及伺服電機，其中：兩幅滑動導軌分別布置在床身本體的左頂面和右頂面並分別與球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構左右移動連線，第一絲桿螺母副和第二絲桿螺母副分別兩端固定在床身的左右兩側並與伺服電機固定連線，砂輪磨具系統安裝固定座設定於床身的中部並作為砂輪磨具機構的定位基座。
所述的球體支撐主軸機構包括：球體支撐主軸箱體、第一主軸、減速器、第一步變頻電機、第一皮帶輪、第二皮帶輪、第一頂尖和撥塊，其中：球體支撐主軸轉動設定於球體支撐主軸箱體中，皮帶輪固定在第一主軸的尾端，第一變頻電機安裝在球體支撐主軸箱的頂部並依次連線第一皮帶輪、第二皮帶輪以及第一主軸實現第一主軸的旋轉運動，第一頂尖設定於第一主軸的前端，第一頂尖與球體支撐尾座機構共同支撐球體，撥塊固定設定於第一主軸的前端並與球體相接觸以實現球體旋轉運動，球體支撐主軸箱體活動設定於床身部件相對於球體支撐尾座機構的一側。
所述的球體支撐尾座機構包括：球體支撐尾座箱體、第二主軸和第二頂尖，其中：第二主軸轉動設定於球體支撐尾座箱體中，第二頂尖設定於在第二主軸的前端並與球體支撐主軸機構共同支撐球體，球體支撐尾座箱體活動設定於床身部件相對於球體支撐主軸機構的一側。
所述的砂輪磨具機構包括：砂輪磨具主軸、砂輪磨具主軸套筒、杯形砂輪磨具、第三皮帶輪、第四皮帶輪、齒輪組件、第三伺服電機和第二變頻電機，其中：砂輪磨具固定在砂輪磨具主軸上端，砂輪磨具主軸通過軸承安裝在砂輪磨具主軸套筒內，砂輪磨具主軸的下端設有花鍵軸，砂輪磨具主軸套筒的外側壁設有齒條，第三伺服電機與齒輪組件相連線，齒輪組件與砂輪磨具主軸套筒外側壁的齒條向嚙合並實現砂輪磨具主軸套筒的上下進給移動，第四皮帶輪固定設定於砂輪磨具機構的下端並與轉動固定在砂輪磨具系統安裝固定座下部的花鍵套連線，第二變頻電機依次連線第三皮帶輪、第四皮帶輪和花鍵套，實現砂輪磨具主軸下端的花鍵軸在花鍵套內上下滑動的同時將旋轉動力傳遞給砂輪磨具主軸。
所述的齒輪組件由依次連線的第一同步帶輪、同步帶、第二同步帶輪和齒輪軸組成；
所述的第一主軸中心線與球體支撐尾座機構第二主軸的中心線保持同心；
所述的球體支撐主軸箱部件的第一主軸的中心線、球體支撐尾座機構第二主軸的中心線以及砂輪磨具機構的砂輪磨具主軸的中心線處於同一垂直平面內，且砂輪磨具機構的砂輪磨具主軸的中心線與球體支撐主軸箱部件的第一主軸的中心線以及球體支撐尾座機構第二主軸的中心線垂直。
該發明工作過程如下：
首先，球體支撐主軸箱部件在第一伺服電機的驅動下向右移動，球體支撐尾座機構在第二伺服電機的驅動下向左移動，球體支撐主軸箱部件的第一主軸前端的第一頂尖和球體支撐尾座機構第二主軸前端的第二頂尖移動到大型球體兩側的中心孔內，並頂緊；第一變頻電機驅動第一主軸做旋轉運動，在第一主軸前端聯接的撥塊帶動作用下，驅動大型球體繞第一主軸和第二主軸中心線做旋轉運動；
第二變頻電機通過第三皮帶輪、第四皮帶輪把旋轉動力傳遞給花鍵套，花鍵套又把旋轉動力傳遞到在花鍵套中的砂輪磨具主軸下端的花鍵軸上，使砂輪磨具做旋轉運動；
第三伺服電機通過第一同步帶輪、同步帶、第二同步帶輪帶動齒輪軸、驅動砂輪磨具主軸套筒外側壁齒條及砂輪磨具主軸套筒做上下進給移動；
在上述三個運動的聯合作用下實現了大型球面的精密磨削。
有益效果
《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》具有以下特點及效果：
砂輪磨具置於被磨球體的下面、砂輪磨具繞垂直中心線做水平旋轉運動、垂直仰式向上進給磨削的方式，不存在砂輪磨具懸臂支撐問題，因而也不存在砂輪磨具系統軸承單邊受力變形問題；不存在砂輪磨具系統進給導軌滑塊磨損的影響，使球體旋轉中心與砂輪磨具的旋轉中心始終保持在同一平面內垂直相交狀態，從而保證了被加工球體的形狀精度（球度）；
砂輪磨具系統軸承承受軸向均布載荷，不同大小的砂輪磨具對軸承的受力變形均勻，砂輪磨具處於水平旋轉狀態，軸承受力均衡，旋轉平穩、動態性能得到大大改善，從而改善了被磨具加工的球體表面粗糙度；
另外，砂輪磨具垂直仰式向上磨削（即在球體的下面由下向上磨削），其向上的磨削力抵消了部分球體工件的重力，使球體支撐主軸系統軸承的負載減輕，延長了球體支撐主軸系統軸承的壽命。
附圖說明
圖1為《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》總體示意圖。
圖2為該發明總體A-A剖視圖。
圖3為該發明的B-B局部剖視圖。
權利要求
1.一種大型特種曲面精密磨削方法，其特徵在於，大型被磨球體繞水平中心線做旋轉運動，杯形的砂輪磨具置於被磨球體的下面，砂輪磨具繞垂直中心線做旋轉運動並做垂直仰式向上進給，大型被磨球體旋轉中心線與砂輪磨具旋轉中心線保持在同一平面內垂直相交；所述的大型被磨球體是指，直徑為1000毫米—2400毫米，重量為2000千克—15000千克的球體。
2.一種實施權利要求1所述方法的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵在於，包括：床身部件、球體支撐主軸機構、球體支撐尾座機構和砂輪磨具機構，其中：球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構分別活動設定於床身部件的兩側頂面的滑動直線導軌上，砂輪磨具機構安裝在床身部件的中部，被磨球體活動設定於砂輪磨具機構上並與球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構相接觸。
3.根據權利要求2所述的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵是，所述的床身部件包括：床身、砂輪磨具系統安裝固定座、兩幅滑動直線導軌及其對應的兩組絲桿螺母副以及伺服電機，其中：兩幅滑動直線導軌分別布置在床身本體的左頂面和右頂面並分別與球體支撐主軸機構和球體支撐尾座機構左右移動連線，第一絲桿螺母副和第二絲桿螺母副分別兩端固定在床身的左右兩側並與伺服電機固定連線，砂輪磨具系統安裝固定座設定於床身的中部並作為砂輪磨具機構的定位基座。
4.根據權利要求2所述的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵是，所述的球體支撐主軸機構包括：球體支撐主軸箱體、第一主軸、減速器、第一變頻電機、第一皮帶輪、第二皮帶輪、第一頂尖和撥塊，其中：第一主軸轉動設定於球體支撐主軸箱體中，第二皮帶輪固定在第一主軸的尾端，第一變頻電機安裝在球體支撐主軸箱體的頂部並依次連線第一皮帶輪、第二皮帶輪以及第一主軸實現第一主軸的旋轉運動，第一頂尖設定於第一主軸的前端，第一頂尖與球體支撐尾座機構共同支撐球體,撥塊固定設定於第一主軸的前端並與球體相接觸以實現球體旋轉運動，球體支撐主軸箱體活動設定於床身部件相對於球體支撐尾座機構的一側；所述的球體支撐尾座機構包括：球體支撐尾座箱體、第二主軸和第二頂尖，其中：第二主軸轉動設定於球體支撐尾座箱體中，第二頂尖設定於第二主軸的前端並與球體支撐主軸機構共同支撐球體，球體支撐尾座箱體活動設定於床身部件相對於球體支撐主軸機構的一側；所述的砂輪磨具機構包括：砂輪磨具主軸、砂輪磨具主軸套筒、杯形砂輪磨具、第三皮帶輪、第四皮帶輪、齒輪組件、第三伺服電機和第二變頻電機，其中：砂輪磨具固定在砂輪磨具主軸上端，砂輪磨具主軸通過軸承安裝在砂輪磨具主軸套筒內，砂輪磨具主軸的下端設有花鍵軸，砂輪磨具主軸套筒的外側壁設有齒條，第三伺服電機與齒輪組件相連線，齒輪組件與砂輪磨具主軸套筒外側壁的齒條相嚙合並實現砂輪磨具主軸套筒的上下進給移動，第四皮帶輪固定設定於砂輪磨具機構的下端並與轉動固定在砂輪磨具系統安裝固定座下部的花鍵套連線，第二變頻電機依次連線第三皮帶輪、第四皮帶輪和花鍵套，實現砂輪磨具主軸下端的花鍵軸在花鍵套內上下滑動的同時將旋轉動力傳遞給砂輪磨具主軸。
5.根據權利要求4所述的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵是，所述的齒輪組件由依次連線的第一同步帶輪、同步帶、第二同步帶輪和齒輪軸組成。
6.根據權利要求4所述的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵是，所述的球體支撐主軸機構的第一主軸的中心線與球體支撐尾座機構的第二主軸的中心線保持同心。
7.根據權利要求4所述的大型特種曲面精密磨削裝備，其特徵是，所述的球體支撐主軸機構的第一主軸的中心線、球體支撐尾座機構第二主軸的中心線以及砂輪磨具機構的砂輪磨具主軸的中心線處於同一垂直平面內，且砂輪磨具機構的砂輪磨具主軸的中心線與球體支撐主軸機構的第一主軸的中心線以及球體支撐尾座機構的第二主軸的中心線垂直。
實施方式
如圖1-圖3所示，該實施例包括：床身部件a、球體支撐主軸機構b、球體支撐尾座機構c和砂輪磨具機構d，其中：球體支撐主軸機構b和球體支撐尾座機構c分別活動設定於床身部件a的兩側，砂輪磨具機構d安裝在床身部件a的中部。
所述的床身部件a包括：床身3、砂輪磨具系統安裝固定座、兩幅滑動直線導軌及其對應的兩組絲桿螺母副以及伺服電機，其中：兩幅滑動導軌分別布置在床身3本體的左頂面和右頂面並分別與球體14支撐主軸機構和球體14支撐尾座機構活動連線，第一絲桿螺母副2和第二絲桿螺母副20分別兩端固定在床身3的左右兩側並與伺服電機固定連線，砂輪磨具系統安裝固定座設定於床身3的中部並作為砂輪磨具機構的定位基座。
所述的球體支撐主軸機構b包括：球體支撐主軸箱體8、第一主軸9、減速器6、第一步變頻電機7、第一皮帶輪5、第二皮帶輪4、第一頂尖12和撥塊11，其中：球體支撐主軸轉動設定於球體支撐主軸箱體8中，皮帶輪固定在第一主軸9的尾端，第一變頻電機7安裝在球體支撐主軸箱的頂部並依次連線第一皮帶輪5、第二皮帶輪4以及第一主軸9實現第一主軸9的旋轉運動，第一頂尖12設定於第一主軸9的前端，第一頂尖12與球體14支撐尾座機構c共同支撐球體14，撥塊11固定設定於第一主軸9的前端並與球體14相接觸以實現球體14旋轉運動，球體支撐主軸箱體8活動設定於床身3部件相對於球體支撐尾座機構c的一側。
所述的球體支撐尾座機構c包括：球體支撐尾座箱體、第二主軸16和第二頂尖15，其中：第二主軸16轉動設定於球體支撐尾座箱體中，第二頂尖15設定於在第二主軸16的前端並與球體支撐主軸機構b共同支撐球體14，球體支撐尾座箱體19活動設定於床身3部件相對於球體支撐主軸機構b的一側。
所述的砂輪磨具機構d包括：砂輪磨具主軸31、砂輪磨具主軸套筒32、杯形砂輪磨具29、第三皮帶輪28、第四皮帶輪26、齒輪組件、第三伺服電機38和第二變頻電機27，其中：杯形砂輪磨具29固定在砂輪磨具主軸31上端，砂輪磨具主軸31通過軸承10安裝在砂輪磨具主軸31套筒內，砂輪磨具主軸31的下端設有花鍵軸23，砂輪磨具主軸套筒32的外側壁設有齒條34，第三伺服電機38與齒輪組件相連線，齒輪組件與砂輪磨具主軸套筒32外側壁的齒條34嚙合並實現砂輪磨具主軸套筒32的上下進給移動，第四皮帶輪26固定設定於砂輪磨具機構d的下端並與轉動固定在砂輪磨具系統安裝固定座c下部的的花鍵套24連線，已是在實現砂輪磨具主軸31下端的花鍵軸23在花鍵套24內上下滑動的同時，第二變頻電機27依次連線第三皮帶輪28、第四皮帶輪26和花鍵套24，將旋轉動力傳遞給砂輪磨具主軸31。
所述的齒輪組件由依次連線的第一同步帶36輪35、同步帶36、第二同步帶輪37和齒輪軸33組成；
所述的第一主軸9中心線與球體14支撐尾座機構第二主軸16的中心線保持同心；
所述的球體支撐主軸機構b的第一主軸9中心線、球體支撐尾座機構c的第二主軸16的中心線以及砂輪磨具機構d的砂輪磨具主軸31中心線處於同一垂直平面內，且砂輪磨具機構d的砂輪磨具主軸31中心線與球體支撐主軸機構b的第一主軸9中心線以及球體支撐尾座機構c的第二主軸16的中心線垂直。
該裝置通過以下方式進行工作：
首先，球體支撐主軸箱箱體8在第一伺服電機1的驅動下向右移動，球體支撐尾座箱體19在第二伺服電機21的驅動下向左移動，使球體支撐主軸箱8的第一主軸9前端的第一頂尖12和球體支撐尾座箱體19的第二主軸16前端的第二頂尖15移動到大型球體兩側的中心孔內，並頂緊；第一變頻電機7驅動第一主軸9做旋轉運動，在第一主軸9前端聯接的撥塊11帶動作用下，驅動大型球體14繞第一主軸9和第二主軸16中心線做旋轉運動；
第二變頻電機27通過第三皮帶輪28、第四皮帶輪26把旋轉動力傳遞給花鍵套24，花鍵套24又把旋轉動力傳遞到在花鍵套24中的砂輪磨具主軸31下端的花鍵軸23上，使杯形砂輪磨具29做旋轉運動；
第三伺服電機38通過第一同步帶輪37、同步帶36、第二同步帶輪35帶動齒輪軸33、驅動砂輪磨具主軸套筒32外側壁齒條34及砂輪磨具主軸套筒32做上下進給移動；
在上述三個運動的聯合作用下實現了大型球面的精密磨削。
榮譽表彰
2013年10月，《大型特種曲面精密磨削方法及其磨削裝備》獲得第十五屆中國專利優秀獎。
