余阿东，张睿

（1.信阳职业技术学院，河南信阳 464000；
2.黄冈师范学院，湖北黄冈 43800）

高端矿用磨机齿轮箱齿轮轴专用轴承是典型的低速重载零件，其转速低、转矩大、工作条件恶劣、有冲击载荷，要求可靠度高、寿命长。此类产品长期依赖进口，为加快矿用磨机高端轴承国产化步伐，针对高端矿用磨机齿轮箱齿轮轴专用轴承的特点，本文在前期研究成果的基础上开展高端矿用磨机齿轮箱齿轮轴专用轴承加工用精密数控车磨复合机床关键技术研究。［1］基于目前国内外机床企业和科研机构对车磨复合机床研究的热点，以及高端矿用磨机齿轮箱齿轮轴专用轴承加工工艺特点，开展高端矿用磨机齿轮轴轴承加工用精密车磨复合机床的结构设计、精密车磨复合机床数控系统、精密车磨复合机床制造的轴承产品加工精度在线检测、精密车磨复合机床空间位置误差测量及其补偿等技术的研究，从而为高端矿用磨机齿轮箱齿轮轴专用轴承制造及其国产化提供技术支持，提升机床企业制造高档数控机床的能力和水平。

齿轮轴专用轴承是高端矿用磨机的关键精密大型轴承部件，是一种能够承受较大综合载荷的大型轴承，可以同时承受较大的轴向、径向负荷，是一种大型双列滚子轴承，一般包括内滚圈、外滚圈、滚动体等。高端矿用磨机齿轮轴专用轴承内外滚圈一般都是在车床、磨床分别加工而成，而且加丁精度也没有在线检测，这样必然会对加工精度造成影响，从而对轴承产品质量产生较大影响，因此达不到高端矿机对轴承的要求。［2］针对上述情况，研究一种精密车磨复合机床，具有磨削、车削、在线检测产品精度、在线砂轮修型、机床精度检测及其误差补隈等功能，就能取得质量佳的轴承零部件加工质量。精密车磨复合机床集新工艺、新材料制造、自动控制、传感、伺服驱动等技术为一体。［3］该大型精密车磨复合机床结构及各坐标轴如图1 所示。

图1 精密车磨复合机床结构及坐标轴简图

该大型精密车磨复合机床由底座、转台、立柱、磨头滑座、磨头滑枕、磨削主轴、横梁、车刀架滑枕、车刀架滑座、车削主轴等重要部件组成。大型精密车磨复合机床坐标轴：X1轴、X2轴、Z1轴、Z2轴、C轴等。底座支撑工作台，为转台旋转运动提供导向和驱动，转台放置矿用磨机轴承工件、工装夹具等。立柱支撑横梁，为横梁Z轴向运动提供导向和驱动。横梁支撑滑座，包括磨头滑座、车刀架滑座，为滑座X轴运动提供导向和驱动，横梁升降部件为横梁升降提供驱动。磨头滑座为磨头滑枕沿X向运动提供导向和驱动，磨头滑枕安装磨削主轴，夹持轴承磨削砂轮，实现矿用高端磨机轴承内外圈的磨削精加工。车刀架滑座支撑车刀架滑枕，为车刀架滑枕X轴运动提供导向和驱动。车刀架滑枕安装车削刀夹，夹持车削刀具，实现矿用高端磨机轴承内外圈的车削加工；
另外，车刀架滑枕车削刀夹上还可以安装金刚石笔，为磨削砂轮修型；
车刀架滑枕车削刀夹上还可以安装轴承加工精度测量仪器，在线检测轴承加工精度。

基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床采用先进技术制造的新型数控系统，能满足高速高精轴承磨削加工和轴承车削加工、在线检测、在线砂轮修型等复杂运算及加工的要求。［1］新型精密车磨复合机床数控系统采用基于光纤介质的高速数控现场总线，实现高速实时信息点对点传输，多轴的运动指令同步输送；
开放式数控系统软件体系结构，支持空间误差补偿、在线刀具测量和工件测量。数控系统具有独特的激光干涉全闭环控制技术，可将长度反馈检测精度提升到0.2 μm，分辨率提升到1 nm。它们共同为高端矿用磨机齿轮轴轴承磨削加工用精密车磨复合机床控制提供基础技术保证。［4］另外，精密车磨复合机床数控系统拥有很好的误差补偿功能，支持每个坐标的定位误差双向螺距补偿、直线度补偿（包括各向挠度补偿），以及3 坐标间垂直度补偿，满足精密车磨复合机床对高端矿用磨机齿轮轴轴承加工的质量需求。基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床数控系统控制原理如图2 所示。

图2 精密车磨复合机床数控系统控制原理简图

基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床数控系统在光纤运动控制现场总线技术的支持下，帮助精密车磨复合机床各坐标轴安全地越过反向间隙，克服机床换向带来的振动和轴承产品加工表面缺陷。精密车磨复合机床数控系统支持机床空间位置误差测量及其补偿技术，同时精密车磨复合机床数控系统也支持金刚石笔和测头接入，支持在线磨削刀具修型和轴承工件加工质量检测，可以方便地检查轴承工件是否适合加工要求，从而在很大程度上提高加工精度和质量。另外，特别针对工件坐标系原点难于直接定位的高端矿用磨机齿轮轴轴承工件，能极大缩短工件装卡的辅助时间，提高加工效率。

齿轮轴专用轴承是高端矿用磨机的关键部件，在加工轴承的过程中，必须始终保证工件基准位置正确无误，方能确保加工出合格的轴承产品。在引入高精度车磨复合机床产品加工质量在线测量系统和基于数控系统的工件测量软件等新技术之前，精密车磨复合机床操作工首先在机床上固定轴承工件，手动进行工件参数测量，然后将参数输入数控系统。如果这些数据出现差错，那么最后加工出的产品都将不满足矿磨机厂家对轴承产品的加工精度要求。［5］要想高效精确地达到矿磨机厂家对轴承产品的加工精度要求，加工这些轴承零部件的精密车磨复合机床需要加装机床产品加工精度测量系统和基于机床数控系统的产品精度测量软件。

精密车磨复合机床使用高精度超小型触发式测量装置，结合机床数控系统相应程序软件，在加工开始之前测量矿用磨机齿轮轴专用轴承需要加工的部件，检测产品基准偏差，对产品参数进行修正。高精度超小型触发式测量装置具备无线电信号传输数据和测量轴承工件3D 几何特征的功能。在精密车磨复合机床加工过程中，机床高精度超小型触发式测量装置可从任何角度触测工件，从而确定是否存在任何误差，并采取正确的修正方法，保证产品的加工质量。因此在矿用磨机齿轮轴专用轴承生产制造中可以避免出现工件超差、返工或报废等问题，从而避免浪费珍贵的产品加工时间和公司资源。另外，该测量系统能够在产品加工过程中根据测量装置收集的信息，监测砂轮和车刀的实时状态和更新刀补，并完成矿用磨机齿轮轴专用轴承加工。精密车磨复合机床测量装置以及基于数控系统的工件测量软件完善了轴承工件加工过程，缩短了精密车磨复合机床停机时间，使车磨复合机床能够在很大程度上一次性成功加工出高端矿用磨机齿轮轴专用轴承。

机床是制造机器的机器，一般在空间上具有多个自由度的定位误差，并且在整个机床工作空间内变化。一般在正常的工厂加工产品期间，机床的使用性能会随着机械磨损而出现很大的空间自由度误差，从而使加工出的产品超出公差范围，形成一些废品。针对上述问题，一般采用机床空间误差补偿，机床数控系统会自动修正这些空间误差。基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床采用多光束激光干涉仪和数控系统软件程序进行空间位置误差测量及补偿［6］。多光束激光干涉仪具有获得的光学滚摆测量与光纤发射器这一独特技术，是一台高精度激光系统。［7］多光束激光干涉仪直接测量机床误差，减少其他测量技术中使用复杂数学计算而产生的误差。安装多光束激光干涉仪的精密车磨复合机床只需一次设定即可在任意方向测量机床线性轴全部6 个自由度，包括线性、水平方向和垂直方向的直线度，俯仰、扭摆以及滚摆误差。高端矿用磨机齿轮轴轴承对加工的公差要求很高，在高端矿用磨机齿轮轴轴承产品加工过程中需要考虑所有来自加工轴承工件的精密车磨复合机床误差源，精密车磨复合机床多光束激光干涉仪经过一次设定便可采集所有这些机床误差。

多光束激光干涉仪同时测量精密车磨复合机床6 个自由度误差，并且自动检测轴的正负方向，以避免数据处理出现错误。它的测量过程不受重力影响，因此可用于测量精密车磨复合机床X、Z轴甚至对角线运动。基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床通过多光束激光干涉仪采集校准数据，并使用数控系统补偿程序生成空间补偿表，便可快速执行空间补偿，以确保精密车磨复合机床性能在整个工作空间内保持稳定，从而加工出合格的高端矿用磨机齿轮轴轴承产品。

通过对精密车磨复合机床关键技术的研究，构建了基于高端矿用磨机齿轮轴轴承制造的精密车磨复合机床关键部件综合性能测试平台和整机切削验证平台，对精密车磨复合机床进行试验验证。验证了车磨复合机床能够对高端矿用磨机齿轮轴轴承零件进行高效、高质量的切削加工。高端矿用磨机齿轮轴轴承零件加工用精密车磨复合机床X/Z轴定位精度0≤0.003 mm，重复定位精度0≤0.0015 mm，回转定位精度≤3＂，重复定位精度≤1.5＂，主轴端跳根部0≤0.002 mm，X/Z轴和C（回转）轴定位精度和重复定位精度都达到或超过国内外同类高端加工中心的水平，机床刀具电主轴最高转速12000 r/min。机床能够进行高速切削、磨削加工，若在相同加工精度的情况下，机床所具有的生产效率能够得到很大的提高，降低制造成本，提高高端矿用磨机齿轮轴轴承零件的加工精度、生产效率以及质量可靠性。

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