《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》是上海交通大學於2007年11月22日申請的發明專利，該專利申請號為200710170757，公布號為CN101172330A，專利公布日為2008年5月7日，發明人是胡德金、許黎明、吳琦、閔銳、潘拯、王懷。
《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》包括：床身部件、主軸箱部件、砂輪架迴轉工作檯部件、尾座部件、砂輪磨具。主軸箱部件和尾座部件用螺栓固定在床身上；砂輪架迴轉工作檯部件被支撐在圓弧導軌和圓環導軌上，且繞固定軸在伺服電機的驅動下通過蝸桿和扇形蝸輪做往復運動；由伺服電機通過絲桿螺母副驅動砂輪架滑座在砂輪架迴轉工作檯上的直線導軌上做直線進給運動；由砂輪磨具盤和砂輪塊組成的砂輪磨具通過連線軸直接與電主軸連線。於是，通過砂輪的高速旋轉運動、迴轉球面工件的旋轉運動、砂輪架的進給運動以及砂輪架的往復運動實現了用一種直徑的砂輪磨具磨削不同直徑的高硬度迴轉球面工件的目的。
2010年11月15日，《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備
- 公布號：CN101172330A
- 公布日：2008年5月7日
- 申請號：200710170757
- 申請日：2007年11月22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、許黎明、吳琦、閔銳、潘拯、王懷
- 代理機構：上海交達專利事務所
- 代理人：王錫麟、王桂忠
- Int.Cl.：B24B11/04（2006.01）I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
高硬度高精度球體是耐高溫、耐高壓、耐磨損球閥中的關鍵部件。由於這類球閥承受的工作條件十分惡劣，因此，為了提高其耐高溫和耐磨性能，通常在球閥的球體表面噴塗具有很高的耐磨強度的WC、Ni60等高硬度材料，這就給表面精密加工帶來了很大困難。另一方面，由於這種球閥一般都工作在高溫、高壓環境中，密封要求也相當高，在這種情況下往往採取硬密封方式，在這種密封方式中，球體的形狀精度（球度）和表面粗糙度要求就非常高，這就給表面精密加工帶來了更大的困難。對於這種高硬度、高耐磨性材料一般採用精密磨削加工方法。截至2007年11月，中國還沒有通用的、標準的高硬度迴轉球面精密磨床。一般都採用一些專用的、非標準的磨削加工方法，一般有兩種：一種是對普通的外圓磨床進行改造加工一些的球面。另一種是設計一種專用的磨削球面的設備。
經對2007年之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
《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》的目的在於克服2007年之前已有技術的不足，提供一種能實現工件自動對中的高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備，使其保證被加工迴轉球面精度和表面粗糙度的前提下，能以一種直徑規格的砂輪磨具實現不同直徑規格的高硬度迴轉球面的精密柔性磨削加工。
技術方案
《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》包括：床身部件、主軸箱部件、砂輪架迴轉工作檯部件、尾座部件、砂輪磨具。連線關係為：主軸箱部件和尾座部件用螺栓固定在床身部件上，砂輪架迴轉工作檯部件安裝在床身部件上；砂輪磨具與砂輪架迴轉工作檯部件連線。
所述床身部件，包括：床身、圓弧導軌、環形導軌、固定軸、蝸桿、第一聯軸器、第一伺服電機、皮帶輪、變頻電機，其中：圓弧導軌、環形導軌、固定軸固定在床身上，變頻電機安裝在床身左側下方，皮帶輪安裝在變頻電機軸上，第一伺服電機、聯軸器、蝸桿安裝在床身的上前方。
所述主軸箱部件，包括：主軸箱體、主軸套筒、主軸、卡盤、皮帶輪、花鍵套、齒輪軸、第一步進電機。其中，主軸套筒、主軸、皮帶輪、花鍵套、齒輪軸裝配在主軸箱體中；床身上的變頻電機通過其上的皮帶輪連線主軸箱上的皮帶輪，並帶動主軸箱上的皮帶輪，主軸箱上的皮帶輪通過花鍵套連線主軸箱中的主軸，並通過花鍵套帶動主軸箱中的主軸旋轉運動，卡盤用螺栓固定在主軸的端部，從而帶動工件作旋轉運動。第一步進電機通過齒輪軸連線主軸套筒，並驅動主軸套筒做軸向移動。
所述砂輪架迴轉工作檯部件，包括：砂輪架迴轉工作檯、砂輪架滑座、電主軸安裝座、絲桿螺母副、軸承、扇形蝸輪、砂輪磨具連線軸、電主軸、第二伺服電機、第二聯軸器、直線導軌。其中，電主軸安裝座固定在砂輪架滑座上，電主軸固定在電主軸安裝座中，砂輪磨具連線軸用於連線砂輪磨具，扇形蝸輪用螺栓固定在砂輪架迴轉工作檯下方，砂輪磨具連線軸用於與砂輪磨具連線，砂輪架迴轉工作檯部件安裝在床身部件上的圓弧導軌和環形導軌上，軸承外圈與砂輪架迴轉工作檯中心孔緊密配合，軸承內圈與床身部件中的固定軸緊密配合。整個砂輪架迴轉工作檯部件在第一伺服電機的驅動下通過床身部件中的第一聯軸器、蝸桿和扇形蝸輪在床身部件中的圓弧導軌和圓環導軌上繞床身部件中的固定軸做往復運動。第二伺服電機通過第二聯軸器和絲桿螺母副與砂輪架滑座相連，砂輪滑座安裝在砂輪架迴轉工作檯上的直線導軌上，這樣在第二伺服電機驅動下，通過第二聯軸器和絲桿螺母副使砂輪滑座做直線進給運動。
所述尾座部件，包括：尾座箱體、尾座套筒、頂尖支撐軸、絲桿螺母副、第 三聯軸器、第二步進電機。其中，頂尖支撐軸安裝在尾座套筒中，尾座套筒在尾座箱體中可以做軸向移動，第二步進電機通過第三聯軸器、絲桿螺母副與尾座套筒連線，在第二步進電機的驅動下帶動頂尖支撐軸做軸向移動。
所述砂輪磨具，包括：砂輪磨具盤、砂輪塊，砂輪磨具盤上由螺釘固定砂輪塊，在砂輪磨具盤上均布了4-8個砂輪塊，根據不同的高硬度迴轉球面的硬度要求確定不同成分磨料的砂輪塊，以保證高的磨削效率。
為了保證被磨迴轉球面工件的球度（形狀精度），在工具機裝配時，使主軸箱主軸中心線與尾座頂尖支撐軸中心線同心；主軸箱主軸中心線、尾座頂尖支撐軸中心線的連線與砂輪架迴轉工作檯的固定軸中心線垂直並處於同一垂直平面內；主軸箱主軸中心線、尾座頂尖支撐軸中心線與電主軸中心線同處在水平平面內，且使主軸箱主軸中心線、尾座頂尖支撐軸中心線、電主軸中心線以及固定軸中心線相交於一點，即相交於迴轉球面工件的球心位置。
該發明工作時，首先，迴轉球面工件固定在工裝夾具上，由主軸箱主軸上的卡盤夾住工裝夾具的一端，工裝夾具的另一端由尾座頂尖支撐夾緊，通過主軸箱上的步進電機和尾座上的步進電機，同步移動調整工件在至合適位置。安裝在床身上的變頻電機通過皮帶輪驅動主軸箱主軸旋轉運動，從而帶動由卡盤夾持的迴轉球面工件做旋轉運動；安裝在床身上的伺服電機通過蝸桿蝸輪驅動砂輪架迴轉工作檯繞固定在床身上的固定軸做往復運動，砂輪架置於迴轉工作檯上的砂輪架滑座上，並由伺服電機驅動砂輪架沿工件徑向方向做進給運動，砂輪架上裝有一電主軸，電主軸帶動由專用砂輪塊組成的砂輪磨具做高速旋轉運動；於是，通過砂輪的高速旋轉運動、迴轉球面工件的旋轉運動、砂輪架的進給運動以及砂輪架的往復運動實現了用一種直徑的砂輪磨具磨削不同直徑的高硬度迴轉球面工件的目的。
改善效果
《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》具有以下特點及效果：（1）支撐工件的主軸箱和尾座直接安裝在床身上，工件由高精度主軸軸承組成的主軸箱主軸和尾座頂尖支撐軸支撐，迴轉精度高、剛性好。砂輪架迴轉工作檯由圓弧導軌和圓環導軌支撐，迴轉中心由固定軸、高精度軸承定位，剛性好，運動精度高。安裝砂輪磨具的砂輪主軸採用了高精度的專用磨削電主軸。由於整機的每個部件精度高，因此可以實現高精度的迴轉球 面的精密磨削加工，磨削Φ155毫米迴轉球面工件時，形狀精度可以控制在8微米以內。（2）砂輪磨具由砂輪磨具盤、砂輪塊、固定螺釘等構成，砂輪塊採用陶瓷結合劑CBN砂輪，硬度高，且採用了分離式砂輪塊磨具，單個砂輪塊作用在高硬度迴轉球面上的磨削力加大，因此可以實現高硬度迴轉球面的快速磨削加工，磨削Φ155毫米直徑、表面硬度在HRC60左右的高硬度迴轉球面工件的時間大約3-4小時。（3）工件對中移動定位由主軸箱主軸套筒和尾座套筒同步移動來實現，減少了一個橫向移動工作檯，整機結構緊湊、簡單。（4）通過砂輪架迴轉工作檯的往復運動，可實現一種直徑的砂輪磨具磨削不同直徑的迴轉球面工件，柔性好。
附圖說明
圖1為《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》總體示意圖；
圖2為該發明總體左視圖；
圖3為該發明的床身部件主視圖；
圖4為該發明的床身部件左視圖；
圖5為該發明的主軸箱部件主視圖；
圖6為該發明的主軸箱部件左視圖；
圖7為該發明的砂輪架迴轉工作檯部件主視圖；
圖8為該發明的砂輪架迴轉工作檯部件左視圖
圖9為該發明的尾座部件主視圖；
圖10為該發明的砂輪磨具部件主視圖。
圖中：床身部件1、主軸箱部件2、砂輪架迴轉工作檯部件3、尾座部件4、砂輪磨具5；床身1-1、圓弧導軌1-2、環形導軌1-3、固定軸1-4、蝸桿1-5、第一聯軸器1-6、第一伺服電機1-7、皮帶輪1-8、變頻電機1-9；主軸箱體2-1、主軸套筒2-2、主軸2-3、卡盤2-4、皮帶輪2-5、花鍵套2-6、齒輪軸2-7、第一步進電機2-8；砂輪架迴轉工作檯3-1、砂輪架滑座3-2、電主軸安裝座3-3、絲桿螺母副3-4、軸承3-5、扇形蝸輪3-6、砂輪磨具連線軸3-7、電主軸3-8、第二伺服電機3-9、第二聯軸器3-10、直線導軌副3-11；尾座箱體4-1、尾座套筒4-2、頂尖支撐軸4-3、絲桿螺母副4-4、扭矩限制器4-5、齒輪副4-6、第二步進電機4-7；砂輪磨具盤6-1、砂輪塊6-2、連線砂輪磨具盤、砂輪塊的螺釘6-3。
權利要求
1.《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》包括：床身部件、主軸箱部件、砂輪架迴轉工作檯部件、尾座部件、砂輪磨具，主軸箱部件、尾座部件、砂輪架迴轉工作檯部件設定在床身部件上，砂輪磨具與砂輪架迴轉工作檯部件連線，其特徵在於：所述床身部件包括：床身、圓弧導軌、環形導軌、固定軸、蝸桿、第一聯軸器、第一伺服電機、皮帶輪、變頻電機，其中：圓弧導軌、環形導軌、固定軸固定在床身上，變頻電機設定在床身左側下方，皮帶輪設定在變頻電機軸上，第一伺服電機、第一聯軸器、蝸桿設定在床身的上前方；所述砂輪架迴轉工作檯部件包括：砂輪架迴轉工作檯、砂輪架滑座、電主軸安裝座、絲桿螺母副、軸承、扇形蝸輪、砂輪磨具連線軸、電主軸、第二伺服電機、第二聯軸器、直線導軌副，其中：電主軸安裝座固定在砂輪架滑座上，電主軸固定在電主軸安裝座中，砂輪磨具設定在電主軸上，扇形蝸輪固定在砂輪架迴轉工作檯下方，砂輪磨具連線軸與砂輪磨具連線，軸承外圈與砂輪架迴轉工作檯中心孔緊密配合，軸承內圈與床身部件中的固定軸緊密配合，砂輪架迴轉工作檯部件設定在床身部件上的圓弧導軌和環形導軌上，整個砂輪架迴轉工作檯部件在第一伺服電機的驅動下通過第一聯軸器、蝸桿和扇形蝸輪在圓弧導軌和圓環導軌上繞床身部件中的固定軸做往復運動，第二伺服電機通過第二聯軸器和絲桿螺母副與砂輪架滑座相連，砂輪滑座設在直線導軌上，在第二伺服電機驅動下、通過第二聯軸器和絲桿螺母副使砂輪滑座做直線進給運動。
2.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述主軸箱部件包括：主軸箱體、主軸套筒、主軸、卡盤、皮帶輪、花鍵套、齒輪軸、第一步進電機，其中，主軸套筒、主軸、皮帶輪、花鍵套、齒輪軸裝配在主軸箱體中，卡盤固定在主軸的端部，床身上的變頻電機通過其上的皮帶輪連線主軸箱上的皮帶輪，並帶動主軸箱上的皮帶輪，主軸箱上的皮帶輪通過花鍵套連線主軸箱中的主軸，並通過花鍵套帶動主軸箱中的主軸旋轉運動，從而帶動工件作旋轉運動，第一步進電機通過齒輪軸連線主軸套筒，並驅動主軸套筒做軸向移動。
3.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述尾座部件，包括：尾座箱體、尾座套筒、頂尖支撐軸、絲桿螺母副、第三聯軸器、第二步進電機，頂尖支撐軸安裝在尾座套筒中，尾座套筒在尾座箱體中做軸向移動，第二步進電機通過聯軸器、絲桿螺母副與尾座套筒連線，在第二步進電機的驅動下，尾座套筒及頂尖支撐軸做軸向移動。
4.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述砂輪磨具，包括：砂輪磨具盤、砂輪塊，砂輪磨具盤上固定砂輪塊
5.根據權利要求4所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述砂輪磨具盤上均布了4-8個砂輪塊。
6.根據權利要求1或4所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述砂輪磨具通過連線軸與砂輪架迴轉工作檯部件上的電主軸連線。
7.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述主軸箱部件中的主軸中心線與尾座部件中的尾座頂尖支撐軸中心線同心。
8.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述主軸箱部件中的主軸中心線、尾座部件中的尾座頂尖支撐軸中心線的連線與砂輪架迴轉工作檯的固定軸中心線垂直並處於同一垂直平面內。
9.根據權利要求1所述的高硬度迴轉球面的數控精密磨削新裝備，其特徵是：所述主軸箱部件中的主軸箱主軸中心線、尾座部件中的尾座頂尖支撐軸中心線與電主軸中心線同處在水平平面內，且使主軸箱主軸中心線、尾座頂尖支撐軸中心線、砂輪架迴轉工作檯部件中的電主軸中心線以及床身部件中的固定軸中心線相交於一點，即相交於迴轉球面工件的球心位置。
實施方式
如圖1、圖2所示，該實施例包括：床身部件1、主軸箱部件2、砂輪架迴轉工作檯部件3、尾座部件4、砂輪磨具5。連線關係為：主軸箱部件2和尾座部件4用螺栓固定在床身部件1上，砂輪架迴轉工作檯部件3安裝在床身部件1上，砂輪磨具5與砂輪架迴轉工作檯部件3連線。
如圖3、圖4所示，所述床身部件1包括：床身1-1、圓弧導軌1-2、環形導軌1-3、固定軸1-4、蝸桿1-5、第一聯軸器1-6、第一伺服電機1-7、皮帶輪1-8、變頻電機1-9，其中：圓弧導軌1-2、環形導軌1-3、固定軸1-4用螺栓固定在床身1-1上，變頻電機及安裝板1-9安裝在床身1-1左側下方，皮帶輪1-8安裝在變頻電機軸上，第一伺服電機1-7、第一聯軸器1-6、蝸桿1-5安裝在床身1-1的上前方。
如圖5、圖6所示，所述主軸箱部件2包括：主軸箱體2-1、主軸套筒2-2、主軸2-3、卡盤2-4、皮帶輪2-5、花鍵套2-6、齒輪軸2-7、第一步進電機2-8。主軸套筒2-2、主軸2-3、皮帶輪2-5、花鍵套2-6、齒輪軸2-7裝配在主軸箱體2-1中，卡盤2-4用螺栓固定在主軸2-3的端部。床身上的變頻電機1-9通過其上的皮帶輪1-8帶動主軸箱上的皮帶輪2-5，再通過花鍵套2-6帶動主軸箱中的主軸2-3旋轉運動，從而帶動工件作旋轉運動，第一步進電機2-8通過齒輪軸2-7驅動主軸套筒2-2做軸向移動。
如圖7、圖8所示，所述砂輪架迴轉工作檯部件3包括：砂輪架迴轉工作檯3-1、砂輪架滑座3-2、電主軸安裝座3-3、絲桿螺母副3-4、軸承3-5、扇形蝸輪3-6、砂輪磨具連線軸3-7、電主軸3-8、第二伺服電機3-9、第二聯軸器3-10、直線導軌副3-11。電主軸安裝座3-3固定在砂輪架滑座3-2上，電主軸3-9固定 在電主軸安裝座3-3中，砂輪磨具5安裝在電主軸3-9上，扇形蝸輪3-6用螺栓固定在砂輪架迴轉工作檯3-1下方。砂輪磨具連線軸3-7用於與砂輪磨具5連線，砂輪架迴轉工作檯部件3安裝在床身部件1上的圓弧導軌1-2和環形導軌1-3上、且由固定軸1-4定中心。整個砂輪架迴轉工作檯部件3在第一伺服電機1-7的驅動下通過第一聯軸器1-6、蝸桿1-8和扇形蝸輪3-6在圓弧導軌1-2和圓環導軌1-3上。軸承3-5的外圈與砂輪架迴轉工作檯3-1的中心孔緊密配合，軸承3-5的內圈與固定軸1-4緊密配合。整個砂輪架迴轉工作檯部件3在第一伺服電機1-7的驅動下，通過床身部件1中的第一聯軸器1-6、蝸桿1-5和扇形蝸輪3-6在床身部件1中的圓弧導軌1-2和圓環導軌1-3上繞床身部件1中的固定軸1-4做往復運動。砂輪架滑座3-2通過第二聯軸器3-10和絲桿螺母副3-4在第二伺服電機3-19驅動下在安裝在砂輪架迴轉工作檯3-1上的直線導軌3-11上做直線進給運動。
如圖9所示，所述尾座部件4包括：尾座箱體4-1、尾座套筒4-2、頂尖支撐軸4-3、絲桿螺母副4-4、第三聯軸器4-5、第二步進電機4-6；頂尖支撐軸4-3安裝在尾座套筒4-2中，尾座套筒4-2在尾座箱體4-1中可以做軸向移動；第二步進電機4-6通過聯軸器4-5、絲桿螺母副4-4與尾座套筒連線，在第二步進電機4-6的驅動下，尾座套筒4-2及頂尖支撐軸4-3做軸向移動。
如圖10所示，該發明的砂輪磨具5包括：砂輪磨具盤5-1、砂輪塊5-2。砂輪磨具盤5-1上由螺釘5-3固定砂輪塊5-2，砂輪磨具5通過連線軸3-7與砂輪架迴轉工作檯部件3上的電主軸3-9連線。
所述砂輪磨具盤5-1上均布了4-8個砂輪塊。
為了保證被磨迴轉球面工件的球度（形狀精度），在工具機裝配時，使主軸2-3中心線與尾座頂尖支撐軸4-3中心線同心；主軸2-3中心線、尾座頂尖支撐軸4-3中心線的連線與砂輪架迴轉工作檯的固定軸1-4中心線垂直並處於同一垂直平面內；主軸2-3中心線、尾座頂尖支撐軸4-3中心線與電主軸3-9中心線同處在水平平面內，且使主軸2-3中心線、尾座頂尖支撐軸4-3中心線、電主軸3-9中心線以及固定軸1-4中心線相交於一點，即相交於迴轉球面工件的球心位置。
如圖1、圖2所示，迴轉球面工件固定在工裝夾具上，由主軸箱主軸2-3上的 卡盤夾住工裝夾具的一端，工裝夾具的另一端由頂尖支撐軸4-3夾緊，通過控制臺上的控制按鈕控制主軸箱體2-1上的第一步進電機2-8和尾座箱體4-1上的第二步進電機4-6同步啟動，水平左右移動調整工件在至合適位置。主軸箱部件2和尾座部件4用螺栓固定在床身1-1上；砂輪架迴轉工作檯部件3被支撐在固定在床身1-1上的圓弧導軌1-2和圓環導軌1-3上，在第一伺服電機1-7的驅動下通過蝸桿1-8和扇形蝸輪3-6繞固定軸1-4做往復運動；第二伺服電機3-10通過絲桿螺母副3-4驅動安裝在砂輪架迴轉工作檯3上的直線導軌3-11上的砂輪架滑座3-2做直線進給運動；由砂輪磨具盤5-1和砂輪塊5-2組成的砂輪磨具5通過連線軸直接與電主軸3-9連線。於是，通過砂輪的高速旋轉運動、迴轉球面工件的旋轉運動、砂輪架的進給運動以及砂輪架的往復運動實現了用一種直徑的砂輪磨具磨削不同直徑的高硬度迴轉球面工件的目的。
榮譽表彰
2010年11月15日，《高硬度迴轉球面數控精密磨削裝備》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
