雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床

重慶派斯克刀具制造股份有限公司 （401336）蔡 進

雙刃刀片是機械電刨機的組件，刀片側視外形如圖1所示。該刀片是異型薄長件，使用時以圓弧凹槽定位?，F(xiàn)有木工雙刃刀片刃磨，僅限于單工藝加工或采用專用仿形工具磨床實現(xiàn)單工序刃磨，只能對木工刀具單個表面進行離散加工。在多工藝系統(tǒng)的集成方面，國內(nèi)的加工技術和工藝水平尚不成熟，還沒有將多工藝過程集成為單工藝連續(xù)生產(chǎn)的專用系統(tǒng)及裝備。

雙刃刀片的毛坯由硬質(zhì)合金或高速鋼經(jīng)過模壓成形，毛坯到成品需要進行以下的磨削加工：磨削兩處前刀面，形成兩個前角γ；磨削兩處后刀面，形成兩個第二后角α1；磨削兩處刃帶，形成兩個第一后角α。磨削還必須保證寬度尺寸L和對稱度要求，被磨削面的表面粗糙度值Ra≤0.2μm。

圖1 雙刃刀片

此前，雙刃刀片的加工主要采用逐個工序磨削。六道磨削工序需要進行六次裝夾定位、人工操作誤差及裝夾誤差等，直接導致工件的加工精度不高，且在每道工序加工后，需要對幾何尺寸進行檢測可能擦傷或者破壞刀具刃口，導致刀具質(zhì)量下降。下道工序的重新定位裝夾使精度難以保證，產(chǎn)品表面粗糙度也難以達到要求。而且傳統(tǒng)方法生產(chǎn)過程中，搬運時間與檢測時間占總加工時間的30%～40%。這種勞動密集型的生產(chǎn)方式，自動化程度比較低，對工人的操作能力與勞動量的要求很高；同時傳統(tǒng)加工工藝一般針對單一型號、較難滿足市場對雙刃刀片長度的特殊要求，不利于提高產(chǎn)品對市場的適應性。

1.存在的問題

傳統(tǒng)磨削方式存在以下問題：加工精度低、加工效率低、勞動強度大，無法對長度在1.5m以上的大尺寸雙刃刀片進行高精度磨削加工。

顯然，科技含量、加工精度及生產(chǎn)效率需進一步地提高。為了提高產(chǎn)品的科技含量、加工精度及生產(chǎn)效率，降低勞動強度及生產(chǎn)成本，迫切需探索一種能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾、多工序集中、連續(xù)生產(chǎn)等功能的新工藝、新方法，以滿足市場及行業(yè)發(fā)展的需求，適應快節(jié)奏的競爭市場。

2.設計要求

能夠?qū)崿F(xiàn)多工位集成、用連續(xù)加工方法代替離散工藝，一次裝夾連續(xù)加工“材料進去，產(chǎn)品出來”，效率高、精度高，能夠降低勞動強度的高速專用磨床。

3.技術方案

（1）針對目前雙刃刀片磨削加工過程中存在的工序分散、加工精度低、效率低、材料利用率低等問題，結合新的磨削技術及磨削裝備的發(fā)展，如新的磨料磨具的出現(xiàn)、砂輪制造技術發(fā)展、高速磨削技術及其控制技術的應用、運動部件的驅(qū)動技術、支撐技術等，開發(fā)出一種六軸多面多工位、多工序集中、連續(xù)同步磨削系統(tǒng)及多磨頭連續(xù)生產(chǎn)等功能的加工工藝及磨削方法。該裝備主要包括多個磨頭、伺服機構、控制機構、送料機構及定位機構等，是機、電一體技術及控制技術的高精度、高技術集成裝備系統(tǒng)。

裝備系統(tǒng)技術原理主要是利用6個由伺服電動機控制的可無級調(diào)速的高速磨頭，來實現(xiàn)雙刃刀片6個被加工面的同步磨削加工，實現(xiàn)了多工序磨削工藝技術的集成。磨頭的橫向進給由伺服電動機進行調(diào)節(jié)控制，保證了雙刃刀片的寬度尺寸和對稱度要求；送料機構由三組相同線速度的滾輪帶動，通過可無級調(diào)速的伺服電動機控制滾輪轉(zhuǎn)動，利用滾輪凸筋和雙刃刨刀凹槽間的滾動摩擦，來實現(xiàn)雙刃刀片的縱向連續(xù)送料，以保證雙刃刀片的連續(xù)磨削加工。同時，在雙刃刀片的垂直位置，加上沿縱向平行的三個高精度定位板，依靠每個高精度定位板下表面的凸筋與雙刃刀片凹槽配合，限制雙刃刀片的兩個自由度；同時校正雙刃刀片在磨削過程中由于磨削力而引起的彎曲撓度，通過調(diào)節(jié)施加在高精度定位板上的壓緊力，配合與雙刃刀片下表面接觸的支撐板，可實現(xiàn)雙刃刀片的精確定位與夾緊，從而滿足雙刃刀片的幾何尺寸與加工精度要求。

由于高速磨削砂輪轉(zhuǎn)速極高，刀片又是異形薄片，故對機床功能、振動、平衡、安全防護和磨削液注入等工藝措施提出了較高要求。

（2）高速、高精度主軸單元技術 本磨床的高速、高精度主軸單元主要包括：驅(qū)動源、主軸、軸承等幾個部分，它影響著加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及可靠性，其動力學性能及穩(wěn)定性對高速、高效、精密磨削起著關鍵的作用。提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速。因而，適應于高精度、高速磨床的主軸單元是本項目的關鍵部件。而對于高速高精度主軸單元應是剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、運轉(zhuǎn)時溫升小、穩(wěn)定性好、可靠性好、功耗低及壽命長等。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡，主軸的支撐 （軸承），主軸單元的潤滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。

（3）精密、高速進給單元技術 本磨床進給單元包括伺服驅(qū)動部件、滾動單元、位置監(jiān)測單元等。進給單元是使砂輪保持正常工作的必要條件，也是評價高速、高效磨床性能的重要指標之一，因此，要求進給單元運轉(zhuǎn)靈活，分辨率高，定位精度高，沒有爬行，有較大的移動范圍（既要適合空行程時的快進給，又要適應加工時的小進給或者微進給），既要有較大的加速度，又要有足夠大的推力，剛性高，動態(tài)響應快，定位精度好。目前，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)普遍采用旋轉(zhuǎn)電動機（交直流伺服電動機）與滾動絲杠組合的軸向進給方案。本精密、高速磨床包含以下幾點關鍵技術原理：①高速、精密交流伺服系統(tǒng)及電動機原理。②高速、精密滾珠絲杠副原理。③高精度導軌、新型滾動直線導軌原理。

設計時采用高速主軸，加大電動機功率，保證主軸在高速狀態(tài)下有足夠的轉(zhuǎn)矩用于磨削。

（4）機床支承技術及輔助單元技術 機床支承技術主要是指機床的支承構件的設計及制造。輔助單元技術包括工件自動裝夾、機床安全裝置、切屑處理及工件清潔等。

磨床支承構件是機座、送料機構及主軸支架等部件。要求它們有良好的靜剛度、動剛度及熱剛度。對于一些精密、超高速磨床，機座常見的采用技術方式有：聚合物混凝土（人造花崗巖）來制造床身和立柱；鑄鐵整體鑄造；將阻尼材料填充其內(nèi)腔的鋼板焊接件等。本磨床采用的機床支承和輔助單元技術主要為：鑄鐵整體鑄造和自動裝夾。為防止產(chǎn)生磨削振紋，設計高速磨床時特別增強了磨削加工系統(tǒng)的剛度。

考慮刀片是異形薄長件，剛性差、散熱差、磨削時容易產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，設計用滾輪送料，磨削定位基準與刀片工作定位基準一致，并用一種特別的彈性夾緊裝置。刀片磨削余量小，在保證加工精度前提下，采用較大的工件縱向進給量。

為了使磨床在不同轉(zhuǎn)速時，都處于最佳運行狀態(tài)，降低高速時由于砂輪不平衡引起的振動，使用動平衡儀監(jiān)控砂輪動平衡。

在安全防護方面，采取加厚砂輪防護罩，減小防護罩開口角度和磨床工作區(qū)域全部用防護罩罩住的措施，確保操作人員的安全。

（5）高效冷卻潤滑過濾技術 磨削過程中，冷卻潤滑系統(tǒng)要完成冷卻、潤滑、將磨削熱從工件表面帶走、沖刷掉磨削時留在工件和砂輪表面上的切屑的任務。磨削屬于高精度的切削技術，主軸良好的潤滑與工件磨削時的良好的冷卻對加工質(zhì)量影響很大，另外磨削時脫落的砂輪磨粒將直接進入磨削液中，在磨削液的循環(huán)中，再次進入加工過程，對工件表面產(chǎn)生二次影響。同時，磨削液對環(huán)境污染也有負面影響。本磨床的潤滑和冷卻系統(tǒng)主要包含以下技術原理：①高速主軸及其支承部件的潤滑技術。②高速磨削下的磨削液的循環(huán)利用技術。③磨削液的精密過濾與清潔技術。

為降低磨削熱分布不均造成工件熱變形影響工件精度，液壓池與床身分離，減少磨床的熱變形；選用傳熱系數(shù)較大的冷卻潤滑液，提高冷卻率，降低磨削區(qū)域的溫度；磨削液流量充足，并有一定的壓力，保證磨削液沖入磨削區(qū)域并能有效沖走磨屑和沖洗掉砂輪碎裂脫落的磨粒；采用過濾性好的專門過濾設備清潔磨削液，從而有效減小被加工表面粗糙度值。

為防止高速磨削時砂輪圓周表面強氣流造成的磨削液飛濺和霧狀使磨削液不易進入磨削區(qū)以及對環(huán)境的影響，采用專門設計的磨削液噴嘴，較好地解決了這一問題。

對磨削液從冷卻、潤滑、清洗、防銹、防腐性、穩(wěn)定性、耐壓性、環(huán)保性做了綜合考慮。

（6）砂輪選擇 選用砂輪時，考慮砂輪基體必須滿足砂輪線速度在60～120m/s高速磨削時強度和剛度要求，連接處應力較低，具有通用性；磨粒要求突出高度大，鋒利、容屑好；砂輪磨料適應工件材料，從而減小磨削力和磨削熱。

4.解決的關鍵技術問題

（1）多工位同步刃磨、連續(xù)送料加工 應用機械設計基礎和機械原理的理論與方法，根據(jù)雙刃刀片的結構特征，合理設計定位壓緊單元，以確保雙刃刨刀的精確定位。利用機械設計手冊的機床設計方法，以實現(xiàn)雙刃刀片多工位同步連續(xù)加工的設計要求，且保證定位壓緊單元與砂輪之間不產(chǎn)生干涉。

（2）系統(tǒng)空間結構設計 利用機床設計手冊，結合機械原理及機構設計方法，對六軸多位刀具復合刃磨系統(tǒng)的各單元進行合理設計及布局，其中包括：可無級調(diào)速的磨頭設計、精密、高速進給單元設計、伺服驅(qū)動單元的設計、機床支承單元及輔助單元的設計等。再將各個單元合理集成，以實現(xiàn)雙刃刀片的多工位同步連續(xù)加工。

5.創(chuàng)新點

（1）實現(xiàn)多工位復合刃磨、多工藝集成 將雙刃刀片加工的六道離散工序集成為一道工序，將多臺加工機床和工藝特點集成到一個復合刃磨系統(tǒng)，以實現(xiàn)雙刃刀片的6個表面復合刃磨，可大幅度提高加工效率及加工精度，并降低生產(chǎn)成本。

（2）多磨頭同步連續(xù)加工技術 在多磨頭對雙刃刀片進行同步加工前提下，設計了專用定位壓緊單元、送料單元及其伺服機構，以實現(xiàn)雙刃刀片的連續(xù)生產(chǎn)，經(jīng)一次性裝夾定位到產(chǎn)品成形，以確保產(chǎn)品的加工質(zhì)量與幾何精度，可大幅度提高加工效率，同時可降低工人勞動強度，改善工作環(huán)境。

（3）產(chǎn)品的適應性強、裝備的拓展性高 多工位刀具刃磨集成系統(tǒng)為木工刀具生產(chǎn)的專用設備，但可通過調(diào)整高速磨頭的位置、定位壓緊單位的結構等，使加工不同材質(zhì)、不同異形端面及不同長度的刀具成為可能，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及裝備技術的提高，提供了技術保障和堅實的裝備基礎。

6.磨削實施

（1）雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床設計示意如圖2所示。

圖2 六軸多工位集成專用磨床

（2）磨削過程 雙刃刀片毛坯由第一滾輪組驅(qū)動電動機19驅(qū)動的第一滾輪組9夾緊并連續(xù)不斷地送入，滾輪上設置的凸筋14與刀片圓弧凹槽相配合，提高足夠大的摩擦力和足夠高的定位精度，使雙刃刀片毛坯沿刀片支撐臺1向前滑動；首先經(jīng)過上磨頭組10，上磨頭組變頻調(diào)速電動機7和上磨頭組進給伺服電動機8驅(qū)動上磨頭組10磨削出刀片的兩個前刀面；然后，刀片再繼續(xù)向前滑動經(jīng)過第二后角磨頭組11，刀片被刀片支撐臺1、第一定位板6以及凸筋14精確定位，第二后角磨頭組變頻調(diào)速電動機12和第二后角磨頭組進給伺服電動機18驅(qū)動第二后角磨頭組11磨削出刀片的兩個第二后角；之后刀片會經(jīng)過由第二滾輪組驅(qū)動電動機17帶動的第二滾輪組5，補償?shù)镀膭幽軗p失，提高刀片沿刀片支撐臺1的滑動能力；之后，刀片再經(jīng)過第一后角磨頭組13，刀片被刀片支撐臺1、第二定位板4以及凸筋14精確定位，第一后角磨頭組變頻調(diào)速電動機3和第一后角磨頭組進給伺服電動機16帶動第一后角磨頭組13加工出刀片的兩個第一后角；最后刀片經(jīng)過由第三滾輪組驅(qū)動電動機15帶動的第三滾輪組2，增大滑動力后從雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床中滑出，完成全部的磨削加工。

（3）多用性 由雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床的結構可知，其同樣適用于單刃刀片的加工。

7.結語

雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床采用了多工位集中方式，兩處前刀面、兩處第二后角、兩處第一后角，一次裝夾連續(xù)加工成型，避免了傳統(tǒng)方法六處磨削，分六個工序逐個完成的缺陷；避免了多次裝夾的誤差；避免了多次測量和裝夾對刃口的損傷；該磨床采用高速磨削，磨削面表面粗糙度值Ra達到0.2μm。實現(xiàn)了高精度、高效率、大大降低勞動強度，達到“材料進去，產(chǎn)品出來”的設計要求。實現(xiàn)了對長度在1.5m以上的大尺寸雙刃刀片的高精度磨削，取得了良好的效果和效益。雙刃刀片用六軸多工位集成專用磨床具有國內(nèi)領先和世界先進水平，同時具有新穎性、獨創(chuàng)性和實用性，2012年獲得國家發(fā)明專利。