一种用于球阀中阀座密封环内球面的数控精密磨削装置及磨削方法，夹持密封环的工件主轴系统在数控系统的控制下实现自动定位，使工件主轴的旋转中心线、砂轮磨具的旋转中心线和定位轴的中心线的交点与该密封环内球面的中心重合，工件主轴带动密封环作旋转运动；砂轮磨具作高速旋转运动，砂轮磨削系统设在数控系统的控制下实现自动定位，使直线进给达到磨削半径预定值，同时砂轮磨削系统在数控系统的控制下绕定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动；通过由密封环的旋转运动、砂轮磨具的高速旋转运动以及砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动和直线进给运动组合的切削运动实现密封环内球面的自动精密磨削加工。本发明具有柔性好、磨削精度高、自动化程度高的优点。
1.一种密封环内球面的数控精密磨削装置，其特征在于：所述数控精密磨削装置包括床身部件、工件主轴系统、砂轮磨削系统和数控系统，所述床身部件设置有定位轴和蜗轮蜗杆副，其中，蜗轮蜗杆副的蜗杆转动地安装在砂轮磨削系统底座上且与安装在床身上的圆弧蜗轮导轨啮合，所述工件主轴系统直线滑动地连接在床身部件的左部，该工件主轴系统设置有夹持所述密封环的工件主轴且该工件主轴绕密封环内球面的中心轴线旋转，所述砂轮磨削系统连接在床身部件的右部且绕所述定位轴的中心线通过蜗轮蜗杆副作圆弧往复摆动运动，该砂轮磨削系统设置有能够作直线进给运动的旋转的砂轮磨具，所述工件主轴的旋转中心线和砂轮磨具的旋转中心线保持等高地相交于所述定位轴的中心线上且与该定位轴中心线垂直，所述数控系统与工件主轴系统和砂轮磨削系统连接且控制该工件主轴系统和砂轮磨削系统的切削运动，通过由密封环的旋转、砂轮磨具的高速旋转的运动合成以及砂轮磨削系统绕定位轴中心线的往复摆动和直线进给运动实现密封环内球面的自动精密磨削加工。
2.根据权利要求1所述的密封环内球面的数控精密磨削装置，其特征在于：所述床身部件包括：床身、圆弧蜗轮导轨、圆环导轨、定位轴、第一步进电机、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、第一滚珠丝杆副和第一直线导轨副，所述圆弧蜗轮导轨、圆环导轨和定位轴固定在床身的右部，所述第一直线导轨副固定在床身的左部，所述第一滚珠丝杆副转动地安装在两个固定在床身左部的轴承座内，所述第一同步带轮固定安装在第一步进电机的输出轴上，所述第二同步带轮固定安装在第一滚珠丝杆副上，所述第一步进电机固定在床身上，并且通过第一同步带将旋转运动传递至第一滚珠丝杆副；
所述工件主轴系统包括：工件主轴箱体、工件主轴、安装联接板、变频电机、第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮，所述工件主轴箱体固定安装在所述第一直线导轨副的滑块上，所述工件主轴转动地安装在工件主轴箱体上，所述安装联接板用以夹持所述密封环且固定安装在工件主轴的右端，工件主轴箱体与第一滚珠丝杆副的滚珠螺母固定连接且在第一滚珠丝杆副的驱动下作直线运动，所述变频电机依次通过第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮驱动工件主轴旋转；
所述砂轮磨削系统包括：砂轮磨削系统底座、定位轴滚动轴承、联接套、涨紧套、蜗杆、第三步进电机、第二直线导轨副、第二滚珠丝杆副、第二步进电机、联轴器、砂轮磨削系统主轴箱体、电主轴和砂轮磨具，所述砂轮磨削系统底座通过定位轴滚动轴承、联接套和涨紧套与所述定位轴转动连接，所述蜗杆转动地安装在砂轮磨削系统底座上且与所述圆弧蜗轮导轨啮合，所述第三步进电机与蜗杆连接并且驱动砂轮磨削系统底座沿所述床身上的圆环导轨和圆弧蜗轮导轨以定位轴为中心作圆弧往复摆动运动，所述第二直线导轨副和第二滚珠丝杆副安装在砂轮磨削系统底座上，所述第二步进电机通过联轴器连接第二滚珠丝杆副，所述砂轮磨削系统主轴箱体固定安装在第二直线导轨副的滑块上并且与第二滚珠丝杆副的滚珠螺母固定连接，所述电主轴旋转安装在砂轮磨削系统主轴箱体上，所述砂轮磨具连接在电主轴的输出端作旋转运动，并且依次通过砂轮磨削系统主轴箱体、第二滚珠丝杆副和联轴器受第二步进电机驱动沿第二直线导轨副作控制磨削半径的直线进给运动。
3.一种通过权利要求2所述磨削装置实现的密封环内球面的数控精密磨削方法，其特征在于：夹持所述密封环的工件主轴系统在所述数控系统的控制下实现自动定位，使所述工件主轴的旋转中心线、砂轮磨具的旋转中心线和所述定位轴的中心线的交点与该密封环内球面的中心重合，所述工件主轴带动密封环作旋转运动；所述砂轮磨具作高速旋转运动，所述砂轮磨削系统设在数控系统的控制下实现自动定位，使直线进给达到磨削半径预定值，同时砂轮磨削系统在数控系统的控制下绕所述定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动；
通过由密封环的旋转运动、砂轮磨具的高速旋转运动以及砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动和直线进给运动组合的切削运动实现密封环内球面的自动精密磨削加工。
4.根据权利要求3所述的密封环内球面的数控精密磨削方法，其特征在于：所述磨削方法包括以下步骤：
第一步，所述密封环夹持于所述工件主轴系统的安装联接板上，所述第一步进电机根据数控系统的程序依次通过第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮和第一滚珠丝杆副驱动该工件主轴系统到达要求的磨削位置，所述变频电机依次通过第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮驱动工件主轴作旋转运动；
第二步，所述砂轮磨削系统根据数控系统的程序，在所述第三步进电机和蜗杆的驱动下绕所述定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动，所述砂轮磨具在电主轴的驱动下作高速旋转运动，在第二步进电机、联轴器和第二滚珠丝杆副的驱动下作直线进给运动实现磨削半径的控制；
第三步，所述密封环的旋转运动、砂轮磨具的高速旋转运动与砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动的合成作用实现密封环内球面的切削运动，当密封环内球面的半径达到要求值时，砂轮磨削系统主轴箱体在第二步进电机、联轴器和第二滚珠丝杆副的驱动下后退，完成密封环内球面的精密磨削。
一种密封环内球面数控精密磨削装置与磨削方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种内球面的加工装置及方法，具体涉及一种用于球阀中阀座密封环的内球面的数控精密磨削装置与磨削方法，属于机械制造加工技术领域。
背景技术
[0002] 高硬度高精度球阀的阀座密封环是耐高温、耐高压、耐磨损球阀中的关键部件之一。由于这类球阀承受的工作条件十分恶劣，因此，为了提高其耐高温和耐磨损性能，通常在球阀的球体表面喷涂具有很高耐磨强度的WC、Ni60等高硬度材料，因而与之相配合的阀座密封环的内球面有时也需要喷涂相应的高硬度材料，这就给内球面的精密加工带来了很大困难；另一方面，由于这类球阀一般都工作在高温、高压环境中，密封要求也相当高，这类球阀往往都采取硬密封方式，在这种密封方式中，球体的形状精度和表面粗糙度要求很高，与其相配合的密封环的形状精度和表面粗糙度要求相应也很高，这也给密封环内球面表面的精密加工带来了很大的困难。对于这种高硬度、高耐磨性材料的加工一般采用精密磨削加工方法。到目前为止，国内已经有了针对高硬度外球面加工的精密磨床，对于球阀的阀座密封环内球面的精密磨削加工装置和方法目前还未见有报导。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，申请号为201110188757.4、名称为《气动球面打磨整形装置》的中国专利申请，其主要通过调整气动打磨机中延长杆的长度来满足打磨球面的半径要求，使用时，在安装调整到位后开启气泵，气动打磨机即可对壳体的内球面进行打磨。该装置应用壳体的定位孔进行定位，采用人工方式调整打磨装置的磨削半径，其属于专用的磨削装置，缺乏自动化的精密位置控制，对于大批量、多品种球阀的阀座密封环内球面的精密磨削加工来说，该装置是不适用的。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种密封环内球面的数控精密磨削装置及磨削方法，其磨削精度高、自动化程度高，能适用于大批量、多品种阀座密封环内球面的精密磨削加工。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种密封环内球面的数控精密磨削装置，其包括床身部件、工件主轴系统、砂轮磨削系统和数控系统，所述床身部件设置有定位轴，所述工件主轴系统直线滑动地连接在床身部件的左部，该工件主轴系统设置有夹持所述密封环的工件主轴且该工件主轴绕密封环内球面的中心轴线旋转，所述砂轮磨削系统连接在床身部件的右部且绕所述定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动，该砂轮磨削系统设置有能够作直线进给运动的旋转的砂轮磨具，所述工件主轴的旋转中心线和砂轮磨具的旋转中心线保持等高地相交于所述定位轴的中心线上且与该定位轴中心线垂直，所述数控系统与工件主轴系统和砂轮磨削系统连接且控制该工件主轴系统和砂轮磨削系统的切削运动。
[0007] 所述床身部件包括：床身、圆弧蜗轮导轨、圆环导轨、定位轴、第一步进电机、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、第一滚珠丝杆副和第一直线导轨副，所述圆弧蜗轮导轨、圆环导轨和定位轴固定在床身的右部，所述第一直线导轨副固定在床身的左部，所述第一滚珠丝杆副转动地安装在两个固定在床身左部的轴承座内，所述第一同步带轮固定安装在第一步进电机的输出轴上，所述第二同步带轮固定安装在第一滚珠丝杆副上，所述第一步进电机固定在床身上，并且通过第一同步带将旋转运动传递至第一滚珠丝杆副；
[0008] 所述工件主轴系统包括：工件主轴箱体、工件主轴、安装联接板、变频电机、第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮，所述工件主轴箱体固定安装在所述第一直线导轨副的滑块上，所述工件主轴转动地安装在工件主轴箱体上，所述安装联接板用以夹持所述密封环且固定安装在工件主轴的右端，工件主轴箱体与第一滚珠丝杆副的滚珠螺母固定连接且在第一滚珠丝杆副的驱动下作直线运动，所述变频电机依次通过第三同步带轮、第二同步带和第四同步带轮驱动工件主轴旋转；
[0009] 所述砂轮磨削系统包括：砂轮磨削系统底座、定位轴滚动轴承、联接套、涨紧套、蜗杆、第三步进电机、第二直线导轨副、第二滚珠丝杆副、第二步进电机、联轴器、砂轮磨削系统主轴箱体、电主轴和砂轮磨具，所述砂轮磨削系统底座通过定位轴滚动轴承、联接套和涨紧套与所述定位轴转动连接，所述蜗杆转动地安装在砂轮磨削系统底座上且与所述圆弧蜗轮导轨啮合，所述第三步进电机与蜗杆连接并且驱动砂轮磨削系统底座沿所述床身上的圆环导轨和圆弧蜗轮导轨以定位轴为中心作圆弧往复摆动运动，所述第二直线导轨副和第二滚珠丝杆副安装在砂轮磨削系统底座上，所述第二步进电机通过联轴器连接第二滚珠丝杆副，所述砂轮磨削系统主轴箱体固定安装在第二直线导轨副的滑块上并且与第二滚珠丝杆副的滚珠螺母固定连接，所述电主轴旋转安装在砂轮磨削系统主轴箱体上，所述砂轮磨具连接在电主轴的输出端作旋转运动，并且依次通过砂轮磨削系统主轴箱体、第二滚珠丝杆副和联轴器受第二步进电机驱动沿第二直线导轨副作控制磨削半径的直线进给运动。
[0010] 本发明另一技术方案为：
[0011] 一种通过所述磨削装置实现的密封环内球面的数控精密磨削方法，其特征在于：夹持所述密封环的工件主轴系统在所述数控系统的控制下实现自动定位，使所述工件主轴的旋转中心线、砂轮磨具的旋转中心线和所述定位轴的中心线的交点与该密封环内球面的中心重合，所述工件主轴带动密封环作旋转运动；所述砂轮磨具作高速旋转运动，所述砂轮磨削系统设在数控系统的控制下实现自动定位，使直线进给达到磨削半径预定值，同时砂轮磨削系统在数控系统的控制下绕所述定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动；通过由密封环的旋转运动、砂轮磨具的高速旋转运动以及砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动和直线进给运动组合的切削运动实现密封环内球面的自动精密磨削加工。
[0012] 所述磨削方法包括以下步骤：
[0013] 第一步，所述密封环夹持于所述工件主轴系统的安装联接板上，所述第一步进电机根据数控系统的程序依次通过第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮和第一滚珠丝杆副驱动该工件主轴系统到达要求的磨削位置，所述变频电机依次通过第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮驱动工件主轴作旋转运动；
[0014] 第二步，所述砂轮磨削系统根据数控系统的程序，在所述第三步进电机和蜗杆的驱动下绕所述定位轴的中心线作圆弧往复摆动运动，所述砂轮磨具在电主轴的驱动下作高速旋转运动，在第二步进电机、联轴器和第二滚珠丝杆副的驱动下作直线进给运动实现磨削半径的控制；
[0015] 第三步，所述密封环的旋转运动、砂轮磨具的高速旋转运动与砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动的合成作用实现密封环内球面的切削运动，当密封环内球面的半径达到要求值时，砂轮磨削系统主轴箱体在第二步进电机、联轴器和第二滚珠丝杆副的驱动下后退，完成密封环内球面的精密磨削。
[0016] 与现有技术相比，本发明能实现不同规格、不同球径的球阀中阀座密封环的内球面的精密磨削加工，具有柔性好、磨削精度高、自动化程度高的优点。
附图说明
[0017] 图1为本发明的主视图。
[0018] 图2为图1的俯视图。
[0019] 图中，
[0020] 1床身，2第三同步带轮，3第二同步带，4第四同步带轮，5变频电机，6工件主轴箱体，7圆环导轨，8定位轴滚动轴承，9联接套，10涨紧套，11砂轮磨具，12电主轴，13定位轴，14砂轮磨削系统主轴箱体，15砂轮磨削系统底座，16第一同步带，17第一同步带轮，18第二同步带轮，19第一步进电机，20第一滚珠丝杆副，21第一直线导轨副，22工件主轴，23安装联接板，24密封环，25圆弧蜗轮导轨，26第三步进电机，27蜗杆，28第二滚珠丝杆副，29第二步进电机，30联轴器，31第二直线导轨副。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
[0022] 如图1、图2所示实施例，所述密封环内球面的数控精密磨削装置包括床身部件、工件主轴系统、砂轮磨削系统和数控系统。所述床身部件设置有定位轴13，所述工件主轴系统直线滑动地连接在床身部件的左部，该工件主轴系统设置有夹持所述密封环24的工件主轴22且该工件主轴22绕密封环24内球面的中心轴线旋转，所述砂轮磨削系统连接在床身部件的右部且绕所述定位轴13的中心线作圆弧往复摆动运动，该砂轮磨削系统设置有能够作直线进给运动的旋转的砂轮磨具11，所述工件主轴22的旋转中心线和砂轮磨具11的旋转中心线保持等高地相交于所述定位轴13的中心线上且与该定位轴13中心线垂直，所述数控系统与工件主轴系统和砂轮磨削系统连接且控制该工件主轴系统和砂轮磨削系统的切削运动。
[0023] 所述床身部件包括：床身1、圆弧蜗轮导轨25、圆环导轨7、定位轴13、第一步进电机19、第一同步带轮17、第一同步带16、第二同步带轮18、第一滚珠丝杆副20和第一直线导轨副21。所述圆弧蜗轮导轨25、圆环导轨7和定位轴13固定在床身1的右部，该定位轴13中心线沿垂直方向，所述第一直线导轨副21固定在床身1的左部，所述第一滚珠丝杆副
20转动地安装在两个固定在床身1左部的轴承座内；所述第一同步带轮17固定安装在第一步进电机19的输出轴上，所述第二同步带轮18固定安装在第一滚珠丝杆副20上，所述第一步进电机19固定安装在床身1上，该第一步进电机19通过第一同步带16把其旋转运动传递至第一滚珠丝杆副20上（见图2）。
[0024] 所述工件主轴系统包括：工件主轴箱体6、工件主轴22、安装联接板23、变频电机5、第三同步带轮2、第二同步带3和第四同步带轮4。所述工件主轴箱体6固定安装在床身
1上的第一直线导轨副21的滑块上，所述工件主轴22转动地安装在工件主轴箱体6上，该工件主轴22的旋转中心线沿水平方向，所述安装联接板23固定安装在工件主轴6的右端，用以夹持所述密封环24；所述工件主轴箱体6与床身1上的第一滚珠丝杆副20的滚珠螺母固定连接，并且第一步进电机19通过第一同步带轮17、第一同步带16、第二同步带轮18和第一滚珠丝杆副20驱动工件主轴箱体6作直线运动；所述变频电机5依次通过第三同步带轮2、第二同步带3和第四同步带轮4驱动工件主轴22旋转，进而带动安装联接板23和密封环24作绕水平中心线的旋转运动（见图1）。
[0025] 所述砂轮磨削系统包括：砂轮磨削系统底座15、定位轴滚动轴承8、联接套9、涨紧套10、蜗杆27、第三步进电机26、第二直线导轨副31、第二滚珠丝杆副28、第二步进电机29、联轴器30、砂轮磨削系统主轴箱体14、电主轴12和砂轮磨具11。所述砂轮磨削系统底座15通过由外向内依次套置的定位轴滚动轴承8、联接套9和涨紧套10与固定安装在床身
1上的定位轴13转动连接；所述蜗杆27转动地安装在砂轮磨削系统底座15上且与所述床身1上的圆弧蜗轮导轨25啮合，所述第三步进电机26与蜗杆27连接，并且通过蜗杆27驱动砂轮磨削系统底座15沿所述床身1上的圆环导轨7和圆弧蜗轮导轨25以定位轴13为中心作圆弧往复摆动运动；所述第二直线导轨副31和第二滚珠丝杆副28安装在砂轮磨削系统底座15上，所述第二步进电机29通过联轴器30连接第二滚珠丝杆副28，所述砂轮磨削系统主轴箱体14固定安装在砂轮磨削系统底座15上的第二直线导轨副31的滑块上，并且与第二滚珠丝杆副28的滚珠螺母固定连接，所述电主轴12水平地旋转安装在砂轮磨削系统主轴箱体14上且与砂轮磨具11的旋转中心线保持等高，所述砂轮磨具11连接在电主轴12的输出端作高速旋转运动，其旋转中心线和砂轮磨具11的旋转中心线相交于所述定位轴13的中心线上且与该定位轴13中心线垂直；所述第二步进电机29依次通过联轴器30和第二滚珠丝杆副28驱动砂轮磨削系统主轴箱体14沿第二直线导轨副31作直线运动，进而带动电主轴12上的砂轮磨具11作直线进给运动，以实现对磨削半径的控制（见图2）。
[0026] 通过数控系统，在密封环24的旋转运动、砂轮磨具11的高速旋转运动和砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动三个运动的合成作用下，实现了密封环24内球面的精密磨削。
[0027] 通过本发明所述磨削装置实现的密封环内球面的数控精密磨削方法为：夹持所述密封环24的工件主轴系统在所述数控系统的控制下实现自动定位，使所述工件主轴22的旋转中心线、砂轮磨具11的旋转中心线和所述定位轴13的中心线的交点与该密封环24内球面的中心重合，所述工件主轴22带动密封环24作旋转运动；所述砂轮磨具11作高速旋转运动，所述砂轮磨削系统设在数控系统的控制下实现自动定位，使直线进给达到磨削半径预定值，同时砂轮磨削系统在数控系统的控制下绕所述定位轴13的中心线作圆弧往复摆动运动；通过由密封环24的旋转运动、砂轮磨具11的高速旋转运动以及砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动和直线进给运动组合的切削运动实现密封环24内球面的自动精密磨削加工。
[0028] 该磨削方法包括以下步骤：
[0029] 第一步，所述密封环24夹持于所述工件主轴系统的安装联接板23上，所述第一步进电机19根据数控系统的程序依次通过第一同步带轮17、第一同步带16、第二同步带轮18和第一滚珠丝杆副20驱动该工件主轴系统到达要求的磨削位置，所述变频电机5依次通过第三同步带轮2、第二同步带3、第四同步带轮4驱动工件主轴22作旋转运动，使密封环24绕其内球面的旋转中心线旋转。
[0030] 第二步，所述砂轮磨削系统根据数控系统的程序，在所述第三步进电机26和蜗杆27的驱动下绕所述定位轴13的中心线作圆弧往复摆动运动，所述砂轮磨具11在电主轴12的驱动下作高速旋转运动，在第二步进电机29、联轴器30和第二滚珠丝杆副28的驱动下作直线进给运动实现磨削半径的控制。
[0031] 第三步，所述密封环24的旋转运动、砂轮磨具11的高速旋转运动与砂轮磨削系统的圆弧往复摆动运动的合成作用实现密封环24内球面的切削运动，当密封环24内球面的半径达到要求值时，砂轮磨削系统主轴箱体在第二步进电机29、联轴器30和第二滚珠丝杆副28的驱动下后退，完成密封环24内球面的精密磨削。
