一种智能电主轴磨削加工方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种智能电主轴磨削加工方法及系统，本发明专利技术基于智能电主轴当前的磨削工艺参数计算磨削力的大小，在得到当前的磨削力的基础上，采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①为查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，方法②为查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，最终调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力，从而实现静压轴承刚度的最大化，能够显著提高磨削效率和磨削表面质量。

A method and system for grinding machining of intelligent electric spindle

The invention discloses an intelligent electric spindle grinding processing method and system. The invention calculates the grinding force based on the current grinding process parameters of the intelligent electric spindle. On the basis of the current grinding force, the following method is used to determine the maximum oil film stiffness by the controllable throttle of the intelligent electric spindle bearing. The method is to find the mapping relation between the presupposition of the grinding force and the control of the pressure of the oil cavity by the controllable throttle to realize the maximum oil film stiffness. The controlled throttle is used to control the pressure of the oil cavity, so that the pressure of the controlled throttle is equal to the pressure of the controllable throttle target corresponding to the current grinding force, thus maximizing the stiffness of the hydrostatic bearing, which can significantly improve the grinding efficiency and the grinding surface quality.

【技术实现步骤摘要】
一种智能电主轴磨削加工方法及系统
本专利技术涉及高速精密机床电主轴、智能磨削、液体静压轴承电主轴，具体涉及一种智能电主轴磨削加工方法及系统。
技术介绍
现代装备制造业的发展，对高速精密机床提出了越来越高的要求，其中一个显著特点是，对机床的智能化要求越来越高。电主轴作为机床的核心功能部件，对机床的加工精度和加工效率具有直接而重要的影响，因此电主轴的智能化程度也直接影响着机床的智能化程度。电主轴在机床工作过程中，直接带动工件或工具(砂轮、刀具等)高速旋转，实现对零件表面材料的去除(切削、磨削、抛光等)和精密加工。当电主轴加工条件和工艺参数(如工件材料、砂轮速度、磨削深度、进给速度等)发生变化时，工件反作用于工具(刀具、砂轮)，进而反作用于电主轴的轴端，使得电主轴的轴端的径向载荷、轴向载荷和扭矩不断变化。这些载荷最终由电主轴的定转子和轴承来承受，定转子输出扭矩抵消外部的扭矩载荷，电主轴的轴承承受外部的径向载荷和轴向载荷。通常情况下，电主轴的轴承只在特定的转速和承载能力范围内具有优越的刚度和寿命性能，可有效支撑电主轴高效率、高精度、高可靠性(长寿命)加工。当外部加工条件变化，导致工作转速和承载能力超出这一范围之后，轴承并不是工作在最合理的工作状态，或者工作效率降低、或者加工精度下降、或者精度寿命缩短。现代制造业对智能电主轴的一个最重要的需求就是，当外部加工条件和加工参数变化后，电主轴系统能够自动优化轴承的刚度等性能，使电主轴始终工作在高效率、高精度、长寿命的理想工作状态。目前电主轴所采用的轴承，主要有液体静压轴承、滚动轴承、气体静压轴承。由于液体静压轴承由于具有特有的“误差均化效应”，其回转精度远高于滚动轴承式主轴；同时由于液体介质不可压缩，其承载能力和刚度远高于气体静压轴承；因此液体静压轴承在要求回转精度高、承载能力强的高速精密机床电主轴中获得了广泛应用。目前工程上采用的这些电主轴的轴承的承载能力和刚度特性都是基本固定的。即使外部的切削载荷、转速等加工参数发生变化，电主轴的轴承特性基本上都是不变的。这导致电主轴一旦制造出来，其动态特性就不能被操作者主动调控，只能被动地随外部加工条件的变化而变化。现有的电主轴在由于存在着上述，影响了它们在工程上的进一步推广应用。目前，现有的电主轴普遍采用小孔节流、毛细管节流、环面缝隙节流、薄膜反馈节，PM流量控制器、滑阀反馈节流和内表面反馈节流等节流形式。这些节流方式存在共同的缺点：即节流特性不“可控”，节流器一旦安装到主轴上，其节流特性就不能被主动调控，只能被动地随轴承油腔压力变化。这导致采用现有节流器的液体动静压电主轴，其最佳的油膜刚度，仅对于主轴在特定的载荷和转速范围内有效，一旦载荷或者转速范围扩大导致油膜动压效应显著变化，“最佳节流比”就不再成立，所预期的“最佳油膜刚度”也难以保证。专利号为ZL201210032461.8的中国专利文献公开了一种可控节流器，该技术方案应用在液体静压轴承电主轴上，可通过调节控制油腔的压力优化节流比，实现不同工况下油膜刚度的最大化。该技术方案主要是为了克服现有的采用各种节流器的液体静压轴承电主轴刚度特性不能被主动调控的不足。如图1所示，带有该可控节流器的智能电主轴包括内嵌电机定子6的机座3，机座3和电机定子6的之间设有电机定子封水套5。机座3的两端分别设有前端盖2和后端盖13，电机定子6中插设有带有电机转子7的主轴1，主轴1分别贯穿前端盖2和后端盖13，且主轴1的前端固定有砂轮法兰17，砂轮法兰17上设有通过锁紧螺母18安装固定的砂轮16。机座3上位于前端盖2的内侧设有前径向轴承4，机座3上位于后端盖13的内侧设有后轴承9，后轴承9通过后轴承座8安装固定在机座3上，后端盖13和后轴承9之间分别安装有调整垫12、锁紧螺母11以及止推轴承环10。前径向轴承4上装设有四个前轴承可控节流器15，后轴承9上装设有四个后轴承可控节流器14，后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15均一端与主轴1的外壁间隙连通、另一端与机座3上的控制油路连通。后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15的结构相同。其中，主轴1高速旋转，带动砂轮16或刀具对工件进行加工；前端盖2密封前轴承内孔与主轴外圆之间间隙流出的液体，回到机座3的底部；机座3作为前后轴承和电机定子的支撑件，收集从轴承间隙流出的液体，回油回到油箱；前径向轴承4作为主轴的前支撑，轴承内孔表面与主轴外圆之间充满液体介质；电机定子封水套5外有螺旋槽，通冷却介质，对电机定子进行冷却；电机定子6作为电主轴的动力源，与转子配合输出扭矩；电机转子7过盈联结在主轴上，随主轴高速旋转，输出扭矩对外做功；后轴承座8作为后轴承的支撑座；后轴承9作为主轴的后支撑，轴承内孔表面与主轴外圆之间充满液体介质；止推轴承环10套在主轴上，随主轴旋转，其左端面与后轴承端面之间充满液体，其右端面与后端盖左端面之间充满液体，对主轴1的轴向移动起限位作用；锁紧螺母11：将止推轴承环固定在主轴1上，随主轴1高速旋转：调整垫12：安装件，通过配加工其厚度，调整止推轴承环与前后端面之间的间隙大小；13、后端盖13：对液体介质起密封作用，同时作为止推轴承的端面；后轴承可控节流器14、前轴承可控节流器15通过改变节流间隙的长度，改变轴承内部油腔的压力，从而调整前后径向轴承的刚度；砂轮16用于磨削工件随主轴1一起旋转，砂轮法兰17用于将砂轮16固定连接到主轴1上，砂轮法兰锁紧螺母18用于锁紧砂轮法兰17到主轴1上。如图2所示，可控节流器由节流器盖141、节流器套筒142、阶梯节流柱143和弹簧144组成。节流器盖141装设于节流器套筒142的端部，节流器套筒142内设有阶梯状中心孔1421，阶梯节流柱装143设于节流器套筒142内，弹簧144抵设于阶梯节流柱143顶端和节流器盖141的内壁之间。阶梯节流柱143包括形成阶梯状的大径柱、中径柱、小径柱，阶梯状中心孔1421包括形成阶梯状的大径孔、中径孔、小径孔，阶梯节流柱143的大径柱、阶梯状中心孔1421的大径孔紧密配合形成控制油腔145，阶梯节流柱143的中径柱与阶梯状中心孔1421的大径孔之间形成进油腔146，阶梯节流柱143的小径柱插设在阶梯状中心孔1421的小径孔中且与阶梯状中心孔1421的中径孔之间形成集成油腔147，阶梯节流柱143的小径柱中设有轴承油腔148。节流器套筒142上开设有与进油腔146连通的输油通道，阶梯节流柱143的中径柱上开设有连通进油腔146与控制油腔145的输油通道，阶梯节流柱143的小径柱上开设有连通集成油腔147与轴承油腔148的输油通道。在工作时，可控节流器的供油油路分为两路，一路为工作油路，油液首先进入可控节流器的进油通道、再经环面间隙节流后进入集成油腔147，接着进入到轴承油腔148；另一路为控制油路，控制油路的油液在变频调速电机带动的定量泵的作用下，进入到可控节流器的控制油腔145，再经过出油通道流回油箱。控制油腔145的压力如下式所示；pr0＝Q0Rh0上式中，pr0表示轴承油腔148的压力，Rh0表示出油孔的液阻，Q0为进入油腔的流量，与定量泵的转速成正比。众所周知，电主轴在重载、中载和轻载等不同加工工况下，主轴的偏心率和油腔压力不同。根据油腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能电主轴磨削加工方法，其特征在于实施步骤包括：1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；2)采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的可控节流器目标控制油腔压力；方法②:查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力；3)调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。

【技术特征摘要】
1.一种智能电主轴磨削加工方法，其特征在于实施步骤包括：1)根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力；2)采用下述方法①或方法②确定智能电主轴轴承的可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力；方法①:根据当前的磨削力以及预设的磨削力档位取值范围确定当前的磨削力档位，查找预设的磨削力档位、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力档位对应的可控节流器目标控制油腔压力；方法②:查找预设的磨削力、可控节流器实现最大油膜刚度的控制油腔压力两者之间的映射关系，确定当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力；3)调节可控节流器的控制油腔的压力，使得可控节流器的控制油腔的压力等于当前的磨削力对应的可控节流器目标控制油腔压力。2.根据权利要求1所述的智能电主轴磨削加工方法，其特征在于，步骤1)中根据智能电主轴当前的磨削工艺参数计算当前的磨削力的函数表达式如式(1)所示；式(1)中，Ft表示当前的切向磨削力，Fn表示当前的法向磨削力，当前的磨削力由当前的...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊万里，胡灿，吕浪，孙文彪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43