提高轴类零件磨削精度的新工艺

高精度静压尾架技术特点及其应用

前言：细长的轴类零件在进行磨削或车削加工时，需要采用尾架顶尖支撑。通常情况下，磨床顶尖不随工件转动（死顶尖），因此，加工后工件的圆度和顶尖的精度和顶尖孔品质直接相关。

如果工件重量较大，或工件内孔较大，尾架顶尖有因为滑动摩擦而导致损坏的危险。为避免该风险，需要采用活动顶尖，即顶尖随工件一起转动。市售活动顶尖的回转精度通常在2到5微米，上述精度不能满足精密轴类零件的加工要求。由于活动顶尖通常采用滚动轴承支撑，因此其刚性较差。

传统尾架在实际生产中存在的问题

对于细长轴类零件的精磨加工或精车加工，工件装卡在头架和尾架顶尖之间，尾架顶尖产生轴向推力。当工件重量较轻，转速较低时，可以采用死顶尖，顶尖采用硬质金属材质。加工后工件的圆度接近于尾架顶尖的圆度，并且受到工件上顶尖孔品质的影响。为获得需要的精度，顶尖和顶尖孔需要经过磨削加工并进行充分润滑。

如果工件的内孔直径较大，并且需要较高的回转速度，使用死顶尖会导致剧烈摩擦。针对该工况，通常采用活动顶尖，以避免摩擦的产生。常见活动顶尖的径向跳动在2-5微米之间，不能满足高精度工件磨削加工对于圆度的要求（通常要求圆度在1微米以内）。

尾架顶尖的轴向移动通常采用轴套式，因此在轴套和芯轴之间必须配做一定的间隙。当芯轴和轴套之间相对静止时，会产生较大的启动摩擦力，该摩擦力的存在会导致工件轴向夹紧力发生变化。由于工件在磨削加工时会因为磨削过程导致温度升高，又会受到磨削液的冷却而温度降低，其温升变化会导致工件长度的细微变化，如果尾架顶尖不能及时调整轴向位置，会导致工件受到的轴向推力发生变化，因此工件最终精度会受到影响。一些非对称零件，比如发动机曲轴，对于轴向推力的变化较为敏感，因此，保持恒定的轴向夹紧力有助于提高工件的最终精度。

由于上述间隙的存在，顶尖回转中心线在X方向的位置会随着尾架顶尖轴向位置的不同而发生改变。因此，在相同的砂轮位置，会导致工件出现不同的磨削直径，上述误差必须通过补偿顶尖在X轴方向的位置来减小。

在磨削较长轴类零件时，必须通过X轴的精确定位来进行补偿。有的尾架采用密珠轴承来消除间隙，但是同时会导致磨削质量的降低，因为消除间隙的同时也丧失了缓冲减振特性。

解决方案：静压尾架

德国海浮乐公司新近开发的静压尾架，设置2副静压轴承，以实现尾架芯轴即可以无摩擦自由转动，又可以实现轴向无摩擦移动。芯轴的前端安装有法兰式顶尖。

静压轴承通过静压油腔将芯轴约束在轴套内部，径向无间隙，可以实现无摩擦的轴向移动。静压油腔的油流量通过获得专利的PM流量控制器调节，因此油膜的刚性极佳，同时具有优秀的减振特性。

芯轴的径向跳动，具体说是，即顶尖轴线的位置偏移量，在允许的转速范围内，小于0.2微米。由于回转运动十分精确，磨削工件的圆度可以和静压尾架回转精度相同，而不受到工件上顶尖孔品质的影响。

德国海浮乐公司的内部生产机床，一台Kellenberger Kel-Varia，配备了海浮乐静压头架和静压尾架，细长轴类零件可以获得0.2微米的圆度。

由于没有轴向移动的摩擦力，静压尾架可以实现轴向夹紧力的精确调节：从0N到最大夹紧力之间任意可调。当工件长度改变时，比如受到磨削和冷却等热输入的影响，静压尾架的芯轴可以按照0.1微米的步长进行微小进给，以保持夹紧力不变。因此，典型的长轴类零件，如凸轮轴，曲轴，平衡轴可以获得更高的磨削精度：在整个磨削过程中，由于夹紧力精确保持恒定，零件不会发生变形。

到目前为止，莫尔斯顶尖MK不能用于静压尾架，主要因为是莫尔斯锥孔不适合静压尾架芯轴以及静压轴承的尺寸和形状。静压尾架采用法兰式顶尖，可以提供不同直径，不同形状的顶尖进行更换。顶尖采用硬质金属材质或硬质金属涂层。法兰式顶尖安装时，在径向设置有调节螺丝，可以进行精细调节。由于顶尖和工件之间没有相对运动，因此大内孔的零件无需经过粘结内部衬套即可进行装卡。

静压尾架芯轴由工件带动运转，可以仅通过摩擦力或设置驱动销获得驱动力。静压尾架设置转速速度传感器以测量静压尾架芯轴的转速，机床数控系统可以比较头架和尾架芯轴的转速，以避免在工件加速或减速过程中，出现工件和尾架芯轴之间的相对运动。

如果尾架需要配备驱动装置以实现和头架同步加速或减速，可以采用静压直驱尾架，同时在尾架下方设置短行程的直线轴。该方案同时也适用于要求尾架行程较大或工件较重的工况。比如，用于大型车床的静压尾架可承受100吨的径向载荷。

海浮乐静压尾架的产品系列：

芯轴直径ø 35mm：最大轴向力和径向力均为400N，适用于最大工件重量70kg；

芯轴直径ø 70mm：最大轴向力和径向力均为2500N，适用于最大工件重量400kg；

芯轴直径ø 100mm：最大轴向力和径向力均为6000N，适用于最大工件重量1000kg；

轴向行程：40-60毫米

用于磨床的静压尾架通常最高转速在500-2000rpm，采用VG32液压油；

用于精密硬车的静压尾架通常最高转速在3000-6000rpm，采用VG2-VG4液压油；

当径向载荷和转速较高时，比如标准的车床，可采用滚动轴承用于工件头架，同时采用静压尾架以获得优秀的减震特性和精确的轴向夹紧力。

轴向推力调节

静压尾架的轴向推力可以通过调节内置伺服油缸的油压来调节，或者通过伺服电机+滚珠丝杠进行调节。在顶尖和工件接触以后，伺服油缸工作在恒推力模式，伺服电机工作在恒力矩模式，以维持恒定的夹紧力。顶尖离开工件以后，伺服油缸和伺服电机均工作在位置模式。

轴向位置测量

静压尾架设置绝对式位置传感器以实现芯轴的轴向位置测量。因此，芯轴的行程可以进行设定，在接触到工件前可以降低芯轴的移动速度。在汽车行业的批量自动化生产中，芯轴的轴向位置信息可以用于判断顶尖是否进入顶尖孔或机床上是否装卡有工件。

工件的热变形可以进行测量，因此工件轴向长度误差可以减小。如果轴向夹紧力太小，磨削力过大时工件有脱落的危险，该信息可以通过位置检测获得，控制系统可以做出反应：发出报警信号或自动增加夹紧力。

锁紧装置

静压尾架的后部安装有弹簧预紧的锁紧装置，在机床停车时，保持工件的夹紧状态。

静压尾架即适用于新开发的磨床和硬车，又适用于旧机床改造。尾架几何尺寸，轴向力，承载力和最高转速可以通过调整供油压力，液压油粘度和液压油流量进行匹配。

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周荣玺 先生
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